Nghiên cứu tính toán mật độ phổ công suất của tín hiệu ngẫu nhiên bằng phần mềm matlab 1. Tính cấp thiết của đề tài Với chủ trơng kết hợp mô hình đào tạo nghiên cứu và sản xuất của học viện công nghệ bu chính viễn thông, phong trào nghiên cứu khoa học trong học sinh, sinh viên đang đợc sự tham gia rất nhiệt tình của đông đảo các bạn sinh viên cũng nh các thầy cô giáo. Thông qua hoạt động nghiên cứu khoa học đã giúp sinh viên làm quen với tác phong tự làm việc, thúc đẩy sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, qua đó bổ sung kiến thức cho bản thân. Các đề tài nghiên cứu khá sát với chơng trình nhờ vậy nghiên cứu giúp sinh viên hiểu sâu hơn bài học, đa thực hành vào bài giảng lý thuyết trên lớp. Hoà chung vào không khí thi đua học tập nhóm sinh viên chúng em bao gồm Hoàng Mạnh Thắng, Đinh Thị Thanh Hải, Ngô Trọng Hiếu đã thành lập một nhóm nghiên cứu khoa học dới sự hớng dẫn của thầy giáo Đặng Việt Hùng. Đề tài của nhóm là Nghiên cứu tính toán mật độ phổ công suất của tín hiệu ngẫu nhiên bằng phần mềm MATLAB . Đây là bài toán khá cơ bản trong xử lý tín hiệu. Có thể nói đây không phải là lĩnh vực mới bởi vì có nhiều chơng trình đã đợc xây dựng để giải quyết bài toán này. Tuy nhiên không vì vậy mà đề tài thiếu tính mới mẻ cũng nh sự cần thiết của nó. Bởi vì với chúng em còn nhiều hạn chế cả về kiến thức lý thuyết cũng nh kỹ năng lập trình, và đồng thời nếu xây dựng thành công đề tài này nó sẽ góp phần thực hiện ý tởng về một phòng thực hành ảo của khoa đã đề ra. Góp phần kết hợp giữa lý thuyết với thực hành trên lớp, một yếu tố rất quan trọng để sinh viên có thể hiểu sâu sắc bài học trong điều kiện trang thiết bị phục vụ học tập thực hành còn nhiều thiếu thốn nh hiện nay. 2. Nội dung khoa học của đề tài: - Hiển thị tất cả các dạng tín hiệu và mật độ phổ công suất của chúng. - Biểu diễn sự thay đổi tín hiệu khi thay đổi các thông số của chúng. - Cho phép đánh giá tín hiệu về phơng diện công suất. Cấu trúc của chơng trình: - Chơng trình chia ra 8 file .mỗi file thực hiện một chức năng. - Cụ thể: 1. PSD_DISPLAY.m Quản lý việc vào, ra, hiển thị dữ liệu chính. Gọi các chức năng khác khi cần thiết . Xử lý góc nhìn sao cho phù hợp. 2. PSD_FUNCS.m: một số hàm mẫu chuẩn. Các hàm chuẩn với các thông số có thể thay đổi đợc. 3. AM:Vào âm thanh (file.wav): Âm thanh Stereo. Tần số lấy mẫu:20.050 hz. Số bít/mẫu:16. Kiểu lấy mẫu:PCM. Âm thanh Stereo có hai kênh: Kênh1 : Tín hiệu hiển thị màu xanh, Phổ hiển thị màu đỏ. Kênh2 : Cả tín hiệu và mật độ phổ hiển thị màu đen. Khi chọn cả hai kênh: sẽ hiển thị lần lợt (Kênh 1, sau đó ấn phím bất kỳ sẽ hiển thị Kênh 2) 4. PSD_RECORD.m: khối ghi âm thanh trực tiếp. Có thể lu trữ âm thanh ghi vào với tên file do mình đặt (*.mat & *.wav). Chọn lựa đợc các phơng pháp định dạng âm thanh cho phù hợp. 5. PSD_MP.m : Khối xử lý chính- Thực hiện cônh việc tính toán , hiển thị: Xử lý tất cả các phép toán. Tất cả các lệnh khi bấm nút. 6. PSD_STRUCT.m Vẽ cấu trúc của chơng trình chính. 7. PSD.m Xem hình khởi thảo của chơng trình, bao gồm: - Xem cấu trúc lu đồ. - Cách sử dụng. - Vào chơng trình chính. 3. Phơng pháp nghiên cứu của đề tài Để có thể hoàn thành tốt đề tài chúng ta cần chuẩn bị đủ cả kiến thức lý thuyết lẫn kỹ năng lập trình. - Về kiến thức lý thuyết : chúng ta phải giải quyết bài toán trên cơ sơ lý thuyết để từ đó cụ thể hoá bài toán, tìm lời giải tối u. Các phơng pháp phân tích phổ : a/ Phân tích nối tiếp (bằng cách thay đổi tần số) Nguyên lý của phơng pháp này :Với phơng pháp này chỉ cần một bộ cộng hởng. Bộ cộng hởng này có thể thay đổi tần số trong khoảng giải tần tín hiệu. Nó đơn giản hơn phơng pháp phân tích song song nhng về mặt thời gian lại chậm hơn. b/ Phân tích song song Nguyên lý của phơng pháp này : Sử dụng một hệ thống bộ lọc giải hẹp đợc sắp xếp liên tiếp kề nhau theo thang tần số trong giải tần. Mỗi đờng cong cộng hởng của bộ lọc biểu thị đơn giản bằng một hình chữ nhật, giải thông tần của bộ lọc là f, nh vậy trong khoảng giải tần của tín hiệu cần có n bộ lọc. Phơng pháp này sử dụng cho tín hiệu có phổ tha, tần số thấp. c/ Phơng pháp phân tích số bằng cách nén tín hiệu trong miền thời gian Phơng pháp này giải quyết đợc vấn đề về thời gian nhờ việc nén tín hiệu trớc khi qua bộ lọc . - Nh ợc điểm của ph ơng pháp số: + Gặp nhiều khó khăn về tốc độ xử lý khi tín hiệu có tần số cao. Điều này có thể khắc phục bằng cách sử dụng các DSP ( Digital Signal Processor). - Nh ợc điểm của hai ph ơng pháp t ơng tự ở trên: + Điều đầu tiên đáng nói là khó khăn khi xác định tần số và độ phân biệt không cao khi thay đổi tần số bộ dao động. + Không thuận tiện và có sai số lớn khi đo độ rộng phổ ,không có khả năng khách quan khi so sánh các dữ liệu đo đợc trong quá trình thí nghiệm và ghi laị kết quả phép đo. + Độ tuyến tính không cao của trục tần số của màn ảnh bởi vì điện áp răng ca không phải là điện áp tuyến tính cao, dùng để tạo dao động điều tần, do đó không đạt đợc tính tuyến tính của đặc tuyến điều chế. d/ Phơng pháp số dùng phần mềm + Ưu điểm hơn hẳn so với các phơng pháp khác. Giải quyết hầu hết các vấn đề của các phơng pháp phân tích tơng tự . + Nguyên lý của phơng pháp này là sử dụng phép biến đổi toán học - Biến đổi Fourier . + Dùng thuật toán biến đổi Fourier có công dụng nh hàng trăm bộ lọc. Có thể lập trình đợc, phân tích nhanh. Phân tích đợc cả tín hiệu số và tín hiệu tơng tự. + Phân tích song song (nhiều kênh) với các thiết bị tơng đối đơn giản và gọn nhẹ. Khả năng phân giải cao. Các dạng lấy trị trung bình khác nhau (tuyến tính hay hàm mũ). Có bộ biến đổi số để đo phơng sai của tín hiệu. Có các thiết bị nhớ riêng để lu trữ các kết quả phân tích mật độ phổ đa ra màn hình dạng mật độ phổ và so sánh với PSD với nhau . . Qua các phân tích trên đây chúng ta đã có đợc cái nhìn tơng đối đầy đủ về các ph- ơng pháp giải quyết bài toán đặt ra, thấy đợc u, khuyết điểm của từng phơng pháp . Từ những cơ sơ đó chúng tôi đã chọn lựa phơng pháp phân tích bằng phần mềm để phân tích PSD. Và một điều rất quan trọng, đó là phải có khả năng tốt về lập trình chính vì vậy chúng ta phải giành nhiều thời gian cho việc nâng cao khả năng về lập trình. Một yếu tố giúp biến những ý tởng thành hiện thực. 4. Khả năng ứng dụng của đề tài Chơng trình tính toán mật độ phổ bằng phần mềm Matlab nhằm giúp một phần nào đó việc nghiên cứu và phân tích tín hiệu đợc dễ dàng hơn bởi tính trực quan của nó . Khi xem xét tín hiệu chúng ta có thể vừa xem xét dạng tín hiệu, vừa xem mật độ phổ của nó, qua đó thấy đợc giải thông cũng nh công suất trung bình của tín hiệu mà không cần bất kỳ một máy đo cụ thể nào, hơn hẳn các phơng pháp đo trực tiếp nh phơng pháp đo nối tiếp hoặc song song cũng nh phơng pháp số. Tức là ta đã biến máy tính thành một máy ảo đa chức năng. - Chơng trình có thể sử dụng phục vụ cho việc giảng dạy trên lớp cũng nh ở phòng thí nghiệm. Có thể ứng dụng vào việc mô phỏng các bài tập và phục vụ cho việc nghiên cứu các quá ttrình ngẫu nhiên giúp sinh viên có thể hiểu xâu sắc bài học làm cho giờ học có tính hấp dẫn hơn . - Sử dụng ở phòng thí nghiệm, có thể dùng để so sánh kết quả đo phổ của các phép đo khác từ các máy dao động ký hay thiết bị phân tích phổ . - Với các kỹ s nghiên cứu về vấn đề nào đó mà cần tính toán mật độ phổ nhất là trong các nghiên cứu về xử lý tiếng nói có thể dùng chơng trình nh một nh một công cụ để thực hiện. Tuy nhiên, do mới bớc đầu tiếp cận nghiên cứu cũng nh thời gian nghiên cứu có hạn nên chơng trình chắc chắn có nhiều hạn chế, thiếu sót chúng em rất mong đợc sự góp ý, giúp đỡ của các thầy cô giáo cũng nh của các bạn sinh viên để chơng trình có thể hoàn thành đợc tốt hơn. . Nghiên cứu tính toán mật độ phổ công suất của tín hiệu ngẫu nhiên bằng phần mềm matlab 1. Tính cấp thiết của đề tài Với chủ trơng kết. nhóm nghiên cứu khoa học dới sự hớng dẫn của thầy giáo Đặng Việt Hùng. Đề tài của nhóm là Nghiên cứu tính toán mật độ phổ công suất của tín hiệu ngẫu nhiên