Xử Lý Tín Hiệu Số Và ứng Dụng Trong âm Thanh Số - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.pdf) (73 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Công Nghệ Thông Tin
>>
3. An ninh - Bảo mật

Xử lý tín hiệu số và ứng dụng trong âm thanh số

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.94 MB, 73 trang )

Luận Văn Tốt NghiệpBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI---------------------------------------DƯƠNG VĂN THĂNGXỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ VÀ ỨNGDỤNG TRONG ÂM THANH SỐCHUYÊN NGÀNH :KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNGLUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCKỸ THUẬT TRUYỀN THÔNGNGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNGHà Nội – 2016Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 1Luận Văn Tốt NghiệpLỜI NÓI ĐẦUTrên thế giới hiện nay, xử lý tín hiệu số nói chung hay mã hóa băngcon nói riêng, đang ngày càng được nghiên cứu sâu hơn để áp dụng chorất nhiều mục đích khác nhau trong thực tế, như mã hóa tín hiệu, nén tínhiệu …. đặc biệt là tín hiệu âm thanh. Mục đích của mã hóa băng con lànén dữ liệu nhưng vẫn phải đảm bảo chất lượng tín hiệu ở mức cho phép.Tai người rất nhạy cảm với dải rộng các tần số. Tuy nhiên, khi rấtnhiều năng lượng của tín hiệu có mặt tại một tần số, tai không nghe đượcnăng lượng thấp hơn ở tần số gần đó. Chúng ta nói rằng tần số lớn chekhuất các tần số có năng lượng thấp hơn.Ý tưởng cơ bản của mã hóa băng con là để tiết kiệm băng thông tínhiệu bằng cách bỏ đi các thông tin về các tần số bị che mất. Tín hiệu thuđược, mặc dù không giống như những tín hiệu ban đầu, nhưng nếu thiếtkế mã hóa băng con phù hợp thì tai người sẽ không thấy sự khác biệt.Khi tiến hành nghiên cứu về mã hóa băng con, tác giải đã lựa chọnphương pháp phân chia bằng các bộ lọc riêng biệt, các bộ lọc thiết kếtheo phương pháp dải chuyển tiếp - cửa sổ. Tất cả các lý thuyết cơ bảnmà luận văn áp dụng đều có tài liệu tham khảo rất chi tiết, từ những kiếnthức đó, tác giả đã xác định phương pháp nghiên cứu, xác định tiêu chíđánh giá, áp dụng vào phân tích mô hình mã hóa băng con đa kênh củamình.Dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Quốc Trung – làngười đã có rất nhiều năm nghiên cứu về lĩnh vực này. Em đã được cungcấp những điều kiện và cơ sở nhất định, để tự tin bước vào thực hiện luậnvăn. Mặc dù tính mới luôn là vấn đề được nhắc đến trong những nghiêncứu theo thiên hướng khoa học, thế nhưng nhìn chung luận văn của emmới chỉ dừng lại ở sự tìm tòi, liệt kê và tìm hiểu những gì mà trên thếgiới đã và đang làm khi nghiên cứu về lĩnh vực này, sau đó tóm lược lại,Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 2Luận Văn Tốt Nghiệprồi xây dựng những mô hình cụ thể, mô phỏng và tính toán bằng phầnmềm Matlab. Em rất biết ơn những công lao chỉ dạy, hướng dẫn củaPGS.TS Nguyễn Quốc Trung, qua thầy em đã biết cách tìm hiểu cơ sở lýthuyết, tiếp cận vấn đề, xác định ý tưởng và thực hiện ý tưởng. Em cũngrất biết ơn những công lao chỉ dạy của tất cả các thầy, các cô trong quátrình tham gia học tập Thạc Sỹ tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,các thầy, các cô vừa trực tiếp và vừa gián tiếp tạo điều kiện giúp đỡ emtrong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn.Hà Nội, ngàythángnăm 2016Học viên:Dương Văn ThăngDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 3Luận Văn Tốt NghiệpMỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................2LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................6DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................7DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................9MỞ ĐẦU ..................................................................................................................12CHƯƠNG 1. CÁC BỘ LỌC SỐ VÀ BANK LỌC SỐ.........................................141.1. Tổng quan về bộ lọc số ........................................................................................... 141.2. Các loại bộ lọc số ..................................................................................................... 161.2.1. Bộ lọc FIR ......................................................................................................................161.2.2. Bộ lọc IIR ......................................................................................................................161.2.3. Bộ lọc số đa nhịp ............................................................................................................171.2.4. Các chỉ tiêu thiết kế của bộ lọc số ................................................................................181.3. Bộ lọc phân chia ...................................................................................................... 201.3.1. Bộ phân chia ..................................................................................................................201.3.2. Bộ lọc phân chia.............................................................................................................231.4. Bộ lọc nội suy. .......................................................................................................... 241.4.1. Bộ nội suy .......................................................................................................................241.4.2. Bộ lọc nội suy. ................................................................................................................261.5. Bank lọc số ............................................................................................................... 261.5.1. Bank lọc số phân tích .....................................................................................................271.5.2. Bank lọc số tổng hợp ......................................................................................................271.5.3. Bank lọc số nhiều nhịp ..................................................................................................28CHƯƠNG 2. MÃ HOÁ BĂNG CON (SBC) ........................................................302.1.Tổng quan về mã hoá băng con (SBC) .............................................................. 302.2.Bộ SBC phân chia bằng các bộ lọc riêng biệt. .................................................. 332.2.1. Thiết kế các bộ lọc có trong bank lọc SBC bằng phương pháp dải chuyển tiếp –cửa sổ. ......................................................................................................................................34a. Thiết kế bộ lọc thông thấp (LPF) [4] .................................................................... 34b. Thiết kế bộ lọc thông dải (BPF) [4] ..................................................................... 35c. Thiết kế bộ lọc thông cao (HPF) [4]..................................................................... 37Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 4Luận Văn Tốt Nghiệp2.2.2Bộ SBC 3 kênh phân chia bằng bộ lọc riêng biệt. ..................................................382.2.3.Bộ SBC 4 kênh phân chia bằng bộ lọc riêng biệt. ..................................................40CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG MÃ HOÁ BĂNGCON (SBC) ĐA KÊNH CỦA LUẬN VĂN. ..........................................................473.1. Mô hình mã hoá băng con (SBC) đa kênh của luận văn. ................................. 473.2. Cấp phát bít và các thông số ................................................................................ 583.2.1. Số bít trung bình.............................................................................................................583.2.2. Lỗi khôi phục..................................................................................................................593.2.3. Các tham số trong bộ SBC M kênh của luận văn ........................................................60CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB VÀNHỮNG ĐÁNH GIÁ. .............................................................................................614.1. So sánh bộ SBC của luận văn với số kênh M = 6 và M = 8, với bộ SBC 3 kênhphân chia [6 3 2] và bộ SBC 4 kênh phân chia [12 6 4 2] ........................................... 614.1.1 Kết quả so sánh lỗi khôi phục khi cùng số bít trung bình. ...........................................614.1.2. Kết quả so sánh số bít trung bình khi cùng lỗi khôi phục ..........................................624.1.3. Kết quả so sánh tín hiệu khôi phục .............................................................................624.1.4. Kết luận so sánh bộ SBC của luận văn với số kênh M = 6 và M = 8, với bộ SBC 3kênh phân chia [6 3 2] và bộ SBC 4 kênh phân chia [12 6 4 2] .............................................684.2. Kiểm tra điều kiện khôi phục hoàn hảo và điều kiện về miền tiếp xúc giữa cácbăng con: ......................................................................................................................... 684.2.1. Kiểm tra điều kiện khôi phục hoàn hảo ......................................................................684.2.2.Kiểm tra điều kiện về miền tiếp xúc giữa các băng con ............................................694.3. So sánh tỉ lệ nén tín hiệu: ........................................................................................ 71TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................73Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 5Luận Văn Tốt NghiệpLỜI CAM ĐOANTôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quảnêu trong luận văn là trung thực và có dẫn chứng cụ thể. Những đánh giá, nhận xétcủa cá nhân được đưa ra từ những nghiên cứu lý thuyết và thực hành mô phỏngbằng phần mềm Matlab.Học viên:Dương Văn ThăngDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 6Luận Văn Tốt NghiệpDANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTTỪ VIẾT TẮTVIẾT ĐẦY ĐỦDỊCH NGHĨASBCSub-band CodingMã hóa băng conMã hóa băng con tổ hợpSBC 632phân chia [6 3 2]Mã hóa băng con tổ hợpSBC 12642phân chia [12 6 4 2]Mã hóa băng con 6 kênhSBC đa kênh M =6dùng trong luận vănMã hóa băng con 8 kênhSBC đa kênh M =8dùng trong luận vănLPFLow pass filterLọc thông thấpBPFBand pass filterLọc thông dảiHPFHight pass filterLọc thông caoĐáp ứng biên độ của bộGlọcĐáp ứng biên độ của bộGdBlọc tính theo dBDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 7Luận Văn Tốt NghiệpDANH MỤC CÁC BẢNGBảng 1.1. Các phép toán cơ bản của xử lý tín hiệu số ............................................16Bảng 4.1.So sánh lỗi khôi phục khi cùng số bít trung bình. (α = 82.50 vàHamming với N= 20.) ...............................................................................................61Bảng 4.2. So sánh số bít trung bình khi cùng lỗi khôi phục. (α = 82.50 vàHamming với N= 20.) ...............................................................................................62Bảng 4.3. Thông số file âm thanh đầu vào..............................................................62Bảng 4.4. So sánh mức biên độ âm thanh khôi phục ..............................................64Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 8Luận Văn Tốt NghiệpDANH MỤC CÁC HÌNH VẼHình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống lọc số ...............................................................15Hình 1.2. Đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông thấp ..............................................18Hình 1.3. Bộ phân chia ............................................................................................20Hình 1.4. Bộ phân chia biểu diễn đầy đủ ..................................................................21Hình 1.5. Phổ của tín hiệu ra bộ phân chia với hệ số K = 2 .....................................22Hình 1.6. Sơ đồ tổng quát của bộ lọc phân chia .....................................................23Hình 1.7. Bộ nội suy ...............................................................................................24Hình 1.8 Bộ nội suy biểu diễn đầy đủ .....................................................................24Hình 1.9. Phổ của tín hiệu ra bộ nội suy với hệ số L = 2 .........................................25Hình 1.10. Sơ đồ tổng quát của bộ lọc nội suy ........................................................26Hình 1.11. Cấu trúc của bank lọc số phân tích .......................................................27Hình 1.12. Cấu trúc của bank lọc số phân tích .......................................................28Hình 1.13. Cấu trúc của bank lọc số nhiều nhịp M kênh ..........................................28Hình 1.14. Cấu trúc của bank lọc số nhiều nhịp M kênh hệ số phân chia khác nhau...................................................................................................................................29Hình 2.1. Sơ đồ mã hoá băng con tổng quát SBC M kênh ......................................31Hình 2.2. Bộ SBC 24 kênh .......................................................................................32Hình 2.3. Quá trình mã hóa băng con SBC 24 kênh ...............................................33Hình 2.4. Đáp ứng biên độ của LPF với các dải chuyển tiếp ..................................34Hình 2.5. Đáp ứng biên độ của BPF với các dải chuyển tiếp .................................35Hình 2.6. Đáp ứng biên độ của HPF với các dải chuyển tiếp.................................37Hình 2.7. Sơ đồ khối bộ mã hóa băng con SBC(632) ..............................................38Hình 2.8. Đặc tuyến biên độ G(F), 3 bộ lọc khi chọn cửa sổ Hamming có N= 10 vàα = 750 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dải nét đứt mảnh và lọc thôngcao nét liền đậm) .......................................................................................................39Hình 2.9. Đặc tuyến biên độ theo dB của G(F), 3 bộ lọc khi chọn cửa sổ HammingDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 9Luận Văn Tốt Nghiệpcó N= 10 và α = 750 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dải nét đứt mảnhvà lọc thông cao nét liền đậm) ..................................................................................40Hình 2.10. Sơ đồ khối bộ mã hóa băng con SBC(8 8 4 2). [6] ...............................41Hình 2.11. Đặc tuyến biên độ G(F), chọn cửa sổ Hamming có N = 20 và α = 82.50[6] ..............................................................................................................................42Hình 2.12. Đặc tuyến biên độ theo dB của G(F) ), chọn cửa sổ Hamming có N = 20và α = 82.50 [6] ........................................................................................................43Hình 2.13.Phổ của tín hiệu đầu vào x(n)..............................................................43Hình 2.14. Phổ của các băng con sau khi qua bộ lọc ...............................................44Hình 2.15. Phổ của tín hiệu khi qua các bộ phân chia .............................................45Hình 2.16. Phổ của tín hiệu khi qua các bộ nội suy ..................................................46Hình 3.1. Mô hình cho bộ SBC có M kênh dùng cho luận văn ...............................48Hình 3.2. Minh họa các bộ lọc có dải chuyển tiếp bằng nhau ...............................49Hình 3.3. Đặc tuyến biên độ G(F), 6 bộ lọc khi chọn cửa sổ Hamming có N = 20 vàα = 82.50 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dải nét đứt mảnh và lọc thôngcao nét liền đậm) .......................................................................................................51Hình 3.4. Đặc tuyến biên độ theo dB là GdB(F), 6 bộ lọc khi chọn cửa sổ Hammingcó N= 20 và α = 82.50 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dải nét đứt mảnhvà lọc thông cao nét liền đậm) ..................................................................................52Hình 3.5. Đặc tuyến biên độ G(F), 8 bộ lọc khi chọn cửa sổ Hamming có N = 20 vàα = 82.50 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dải nét đứt mảnh và lọc thôngcao nét liền đậm) .......................................................................................................53Hình 3.6. Đặc tuyến biên độ theo dB là GdB(F), 8 bộ lọc khi chọn cửa sổ Hammingcó N= 20 và α = 82.50 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dải nét đứt mảnhvà lọc thông cao nét liền đậm) ..................................................................................54Hình 3.7. Đặc tuyến biên độ G(F), 10 bộ lọc khi chọn cửa sổ Hamming có N = 20và α = 82.50 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dải nét đứt mảnh và lọcthông cao nét liền đậm) .............................................................................................55Hình 3.8. Đặc tuyến biên độ theo dB là GdB(F), 10 bộ lọc khi chọn cửa sổDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 10Luận Văn Tốt NghiệpHamming có N= 20 và α = 82.50 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dảinét đứt mảnh và lọc thông cao nét liền đậm) ............................................................56Hình 3.9. Đặc tuyến biên độ G(F), 12 bộ lọc khi chọn cửa sổ Hamming có N = 20và α = 82.50 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dải nét đứt mảnh và lọcthông cao nét liền đậm) .............................................................................................57Hình 3.10. Đặc tuyến biên độ theo dB là GdB(F), 12 bộ lọc khi chọn cửa sổHamming có N= 20 và α = 82.50 (Lọc thông thấp – nét liền mảnh, lọc thông dảinét đứt mảnh và lọc thông cao nét liền đậm) ............................................................58Hình 4.1. Dạng tín hiệu đầu vào ..............................................................................63Hình 4.2. So sánh tín hiệu đầu vào ( hình trên ) và tín hiệu khôi phục qua SBC 632 (hình dưới ) .................................................................................................................64Hình 4.3. So sánh tín hiệu đầu vào ( hình trên ) và tín hiệu khôi phục qua bộ SBC12642 ( hình dưới )....................................................................................................65Hình 4.4. So sánh tín hiệu đầu vào ( hình trên ) và tín hiệu khôi phục qua bộ SBCđa kênh với M = 6 ( hình dưới ) ................................................................................66Hình 4.5. So sánh tín hiệu đầu vào ( hình trên ) và tín hiệu khôi phục qua bộ SBCđa kênh với M = 8 ( hình dưới ) ................................................................................67Hình 4.6. Mô tả điều kiện về miền tiếp xúc giữa các băng con ..............................69Hình 4.7. Kiểm tra điều kiện về miền tiếp xúc giữa các băng con, cho bộ SBC đakênh dùng trong luận văn, với M = 6. .......................................................................70Hình 4.8. Kiểm tra điều kiện về miền tiếp xúc giữa các băng con, cho bộ SBC đakênh dùng trong luận văn, với M = 8. .......................................................................71Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 11Luận Văn Tốt NghiệpMỞ ĐẦU+Lý do chọn đề tàiTrên thế giới hiện nay, xử lý tín hiệu số nói chung hay mã hóa băng con nóiriêng, đang ngày càng được nghiên cứu sâu hơn để áp dụng cho rất nhiều mục đíchkhác nhau trong thực tế, như mã hóa tín hiệu, nén tín hiệu …. đặc biệt là tín hiệuâm thanh. Mục đích của mã hóa băng con là nén dữ liệu nhưng vẫn phải đảm bảochất lượng tín hiệu ở mức cho phép.Đây chính là lý do mà tác giả đã lựa chọn và thực hiện đề tài: “XỬ LÝ TÍNHIỆU SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG ÂM THANH SỐ”. Ý tưởng cơ bản của mãhóa băng con là để tiết kiệm băng thông tín hiệu bằng cách bỏ đi các thông tin vềcác tần số bị che mất. Tín hiệu thu được, mặc dù không giống như những tín hiệuban đầu, nhưng nếu thiết kế mã hóa băng con phù hợp thì tai người sẽ không thấysự khác biệt.+Lịch sử nghiên cứuHiện nay có 3 dạng mã hóa băng con là: Đơn phân giải – với các hệ số phânchia đều bằng nhau, đa phân giải tương đối – với ít nhất 2 hệ số phân chia bằngnhau và đa phân giải tuyệt đối - với các hệ số phân chia đều khác nhau.Có 2 điều kiện đầu tiên phải tuân thủ khi thiết kế là: Điều kiện khôi phục hoànhảo và điều kiện về miền tiếp xúc giữa các băng con.+Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứuTrong luận văn của mình, tác giả đã đưa ra mô hình mã hóa băng con đa kênh(Gọi là SBC M kênh) và so sánh với bộ mã hóa băng con 3 kênh, phân chia [6 3 2](Gọi là bộ SBC 632) và với bộ mã hóa băng con 4 kênh, phân chia [12 6 4 2] (Gọilà bộ SBC 12642). Khi cùng chọn phương pháp thiết kế các bộ lọc riêng biệt bằngdải chuyển tiếp - cửa sổ.Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các bộ mã hóa băng con đa kênh và sosánh, với các tham số như số bít trung bình, lỗi khôi phục ….+Mục tiêu của đề tài.Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 12Luận Văn Tốt NghiệpLuận văn đã đưa ra mô hình SBC M kênh và so sánh với các bộ SBC 3 kênh,SBC 4 kênh, thông qua khảo sát lý thuyết và mô phỏng bằng phần mềm Matlab đểđánh giá ưu nhược điểm của mô hình nêu ra trong luận văn+Phương pháp nghiên cứuNhư trình bầy trong luận văn thì phương pháp nghiên cứu của tác giả là tiếnhành việc nghiên cứu lý thuyết về các mô hình mã hóa băng con đa kênh, và đưa ramô hình mã hóa băng con đa kênh dùng trong luận văn.Thông qua khảo sát lý thuyết và mô phỏng bằng phần mềm Matlab để đánhgiá ưu nhược điểm của mô hình nêu ra trong luận văn với bộ mã hóa băng con 3kênh, phân chia [6 3 2] (Gọi là bộ SBC 632) và với bộ mã hóa băng con 4 kênh,phân chia [12 6 4 2] (Gọi là bộ SBC 12642). Khi cùng chọn phương pháp thiết kếcác bộ lọc riêng biệt bằng dải chuyển tiếp - cửa sổ.+Nội dung của luận vănPhần nội dung chính của luận văn gồm 4 chương, cụ thể như sau:Chương 1. Các bộ lọc số và bank lọc sốChương 2. Mã hoá băng con (SBC)Chương 3. Mô hình và thiết kế cho hệ thống mã hoá băng con (SBC) đakênh của luận văn.Chương 4. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm matlab và những đánh giá.Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 13Luận Văn Tốt NghiệpCHƯƠNG 1. CÁC BỘ LỌC SỐ VÀ BANK LỌC SỐ1.1. Tổng quan về bộ lọc sốTín hiệu có thể biểu diễn bằng hàm của tần số và được gọi là phổ tần sốcủa tín hiệu, phổ tần số chính là sự mô tả ý nghĩa tần số của tín hiệu. [4]Tín hiệu nói chung, tín hiệu âm thanh nói riêng có năng lượng phân bốkhông đều theo tần số. Phổ của tín hiệu âm thanh giảm dần từ miền tần số thấpđến miền tần số cao.Thường chỉ trong giai đoạn trưởng thành trưởng thành, con người mới cóthể nghe được tần số từ 10kHz đến 20kHz. Tuy nhiên, điều đó không quantrọng, bởi khoảng tần số đó cũng chỉ chiếm khoảng 10% thông tin nghe được.Trên cơ sở phân bố thông tin chứa trong âm thanh và tuỳ theo mục đíchứng dụng thực tế, chất lượng âm thanh được phân chia theo ba cấp độ như sau: [4]Tiếng nói thoại (Telephone speech): Còn gọi là tiếng nói băng hẹp, độ rộngbăng tần hẹp, từ 300Hz đến 3400Hz. Chất lượng tiếng nói chấp nhận được(chiếm56% thông tin âm thanh).Tiếng nói băng rộng (Wideband speech): Chiếm băng tần từ 50Hz đến7000Hz, chất lượng tiếng nói cao (80% thông tin âm thanh).Âm thanh băng rộng (Wideband audio): Chất lượng âm thanh gần lý tưởng,độ rộng băng tần ít nhất là 20kHz (xấp xỉ 100% thông tin âm thanh).Khi cảm nhận âm thanh, tai người phân tích âm thanh theo các dải con, gọi làdải tới hạn. [4]Bộ lọc số là một hệ thống số dùng để lọc những tín hiệu rời rạc, sơ đồ nguyênlý của một quá trình lọc được minh họa trong sơ đồ hình 1.1.Tín hiệu vào tương tự x(t) được lấy mẫu theo tần số lấy mẫu Ts thành tínhiệu rời rạc x(nTs), tín hiệu này được đưa qua bộ biến đổi tương tự số ADC(Analog to Digital Converter). Trong khối ADC này mỗi mẫu được lượng tửhoá và được chuyển thành từ mã ở dạng mã nhị phân, từ mã càng dài thì sựDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 14Luận Văn Tốt Nghiệpchính xác của phép lấy mẫu càng lớn. Dãy mẫu đã mã hoá được đưa vào bộ lọcsố DF (Digital Filter), ở đây các từ mã được tính toán, xử lý theo một thuật toánđược gọi là thuật toán lọc. Sau khi được thực hiện các thuật toán này thì các từmã số mới sẽ xuất hiện ở đầu ra của bộ lọc số DF. Đó chính là tín hiệu số đãđược lọc y(n). Số liệu này sẽ được đưavào máy tính lưu trữ và xử lý hoặcđược đưa qua bộ biến đổi số tương tự DAC (Digital to Analog Converter).Sau đó được lọc bởi mạch lọc thông thấp để khôiphục lại tín hiệu tương tựy(t). [4]Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống lọc sốNhư vậy, theo quá trình trên thì tín hiệu vào bị tác động bởi nhiều yếutố.Bản chất của tín hiệu tự nhiên là tín hiệu tương tự, theo như trên hình 1.1thì tín hiệu tương tự được biến đổi thành tín hiệu số rồi mới được phân tích xửlý, sau đó mới được tái tạo lại thành tín hiệu tương tự. Do đó mối quan hệ giữatín hiệu số và tín hiệu tương tự trong hệ thống lọc phải được xác định một cáchhài hoà và đồng nhất. [4]Các phép toán cơ bản trong xử lý tín hiệu số được trình bày trên bảng 1.1.Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 15Luận Văn Tốt NghiệpBảng 1.1. Các phép toán cơ bản của xử lý tín hiệu số1.2. Các loại bộ lọc số1.2.1. Bộ lọc FIRBộ lọc số có đáp ứng xung chiều dài hữu hạn FIR (Finite Impulse Response),với đáp ứng xung h(n): [1], [4]( ){()()Phương trình sai phân của bộ lọc số FIR:( )∑()Ta thấy bộ lọc số FIR có đáp ứng ra y(n) chỉ phụ thuộc vào tín hiệu kíchthích tại thời điểm hiện tại và quá khứ nên còn được gọi là bộ lọc số không đệ quy.Có thể biểu diễn bộ lọc số FIR dưới dạng:y(n) = F[x(n), x(n-1), …, x(n-M)](1.3)Bộ lọc số FIR luôn luôn ổn định do:∑ | ( )|(1.2.2. Bộ lọc IIRDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 16)Luận Văn Tốt NghiệpBộ lọc số có đáp ứng xung chiều dài vô hạn IIR (Infinite Impulse Response),với phương trình sai phân: [1], [4]∑()∑()()Ta thấy bộ lọc số IIR có đáp ứng ra y(n) không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu kíchthích tại thời điểm hiện tại, quá khứ mà còn phụ thuộc vào cả đáp ứng ra ở thờiđiểm quá khứ nên còn được gọi là bộ lọc số đệ quy. Có thể biểu diễn bộ lọc số IIRdưới dạng:y(n) = F[y(n-1), y(n-2), …, y(n-N), x(n), x(n-1), …, x(n-M)] (1.6)Bộ lọc số IIR không phải luôn ổn định, để bộ lọc IIR ổn định thì phải có điềukiện.1.2.3. Bộ lọc số đa nhịpBộ lọc số có nhịp lấy mẫu đầu vào và đầu ra như nhau được gọi là bộ lọc sốđơn nhịp (Single rate digital filtera). Bộ lọc số có nhịp lấy mẫu thay đổi theo thờigian hoặc nhịp lấy mẫu giữa đầu ra và đầu vào khác nhau thì được gọi là bộ lọc sốđa nhịp (Multi rate digital filter). [4]Trên thực tế tuỳ thuộc vào ứng dụng cụ thể mà người ta phân ra các loại cụthể, như: Bộ lọc thông thấp (Lowpass Digital Filter), bộ lọc thông cao (HighpassDigital Filter), bộ lọc thông dải (Pass-band Digital Filter), bộ lọc chắn dải (Stopband Digital Filter), bộ lọc thông tất (All-pass Digital Filter), bộ lọc số dải hẹp(Narrow-band Digital Filter), bộ lọc số dải rộng (Wide-band Digital Filter).Phụ thuộc vào cách sử dụng hàm cửa sổ và phương pháp xấp xỉ hoá ta có bộlọc số Butter Worth, bộ lọc số Chebyshev, bộ lọc số Bassel,…Bộ lọc số được thể hiện bằng nhiều cách khác nhau như: thể hiện trực tiếp(Direct realization), không gian trạng thái (State space realization), hình bậc thang(Ladder), hình mắt lưới (Lattice), song song hoặc nối tiếp…Khi hệ thống lọc đượcphân chia thành các băng lọc như băng lọc gương cầu phương (QMF banks), bănglọc biến đổi Fourier rời rạc đồng dạng (Uniform DFT banks)…Ngoài ra phụ thuộcvào các tính năng và ứng dụng cụ thể bộ lọc số mà có tên gọi trực tiếp như bộ lọcDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 17Luận Văn Tốt Nghiệpphân chia (Decimation), bộ lọc nội suy (Interpolation) và bộ lọc vi phân. [4]1.2.4. Các chỉ tiêu thiết kế của bộ lọc sốTa đã biết các bộ lọc số lý tưởng không thể thực hiện được về mặt vật lý vìh(n) không nhân quả và có chiều dài vô hạn.Với bộ lọc số thực tế đáp ứng biên độ thõa mãn : [1], [4]| ()|| (Và: Trong dài thông)|: trong dài chắn(1.7)Đáp ứng biên độ bộ lọc số thông thấp thực tế cho trên hình 1.2, trong thực tếchỉ có tần số dương nên ta chỉ cần vẽ trong khoảng 0 ≤ ω ≤ π. [1],[4]Hình 1.2. Đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông thấpTrong đó:: độ gợn sóng ở dải thông .:độ gợn sóng ở dải chắn.. :tần số giới hạn dải thông.: tần số giới hạn dải chắn.Ta cógọi là bề rộng dải quá độ.Các độ gợn sóng dải thông và dải chắn càng nhỏ càng tốt (cỡ vài %), tần sốgiới hạn dải thông và dải chắn càng gần nhau càng tốt (để bề rộng dải quá độcàng hẹp). Tuy nhiên trên thực tế đây là các tham số nghịch nhau và đó chínhDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 18Luận Văn Tốt Nghiệplà vấn đề khó khăn gặp phải trong quá trình thiết kế bộ lọc. [1], [4]Đối với bộ lọc số thông cao và thông dải cũng có các tham số kỹ thuật tươngứng. Nguyên tắc chung để thiết kế bộ lọc số là từ hàm đáp ứng tần số, từ yêu cầu vềđộ gơn sóng, độ rộng dải quá độ và độ suy giảm ở dải chắn ta dùng phương phápthiết kế để tính các hệ số h(n).Khi thiết kế các bộ lọc số cần đáp ứng các yêu cầu chính sau đây . [1], [4]:1. Tính các hệ số đáp ứng xung h(n): Các mẫu đáp ứng tần số của bộ lọc saocho đường đặc tuyến tần số nhận được gần với đường đặc tuyến lý tưởng, nghĩa làtối ưu hoá các hệ số.2. Xây dựng cấu trúc hàm truyền đạt H(Z) sao cho thời gian là nhanh nhất màkhông bị méo pha , méo biên độ, nghĩa là đảm bảo tính tái xây dựng hoàn chỉnh.Trong thiết kế các bộ lọc số ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhaunhư:- Phương pháp cửa sổ- Phương pháp lấy mẫu tần số- Phương pháp lặp … v vTrong luận văn này em có sử dụng phương pháp cửa sổ Hamming, trong thiếtkế các bộ lọc số. Cửa sổ w(n) xác định một phần của tín hiệu tiếng nói để xử lýbằng cách đưa về 0 phần tín hiệu bên ngoài miền xử lý. Đáp ứng tần số lý tưởng củacửa sổ sẽ có một búp sóng chính rất hẹp để có thể tăng độ phân giải và không cóbúp phụ. Tuy nhiên trên thực tế không thể có những cửa sổ như vậy, và tùy theonhững ứng dụng người ta sử dụng những cửa sổ khác nhau. . [1], [4]Có nhiều loại cửa sổ như chữ nhật, Hanning, Hamming, Blackman,…, đượcđịnh nghĩa như sau:- Cửa sổ chữ nhật:( ){(1.8)- Cửa sổ tam giác:Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 19Luận Văn Tốt Nghiệp( ){(1.9)- Cửa sổ Hanning( ){(1.10)- Cửa sổ Hamming( ){(1.11)- Cửa sổ Blackman:( ){(1.12)1.3. Bộ lọc phân chia1.3.1. Bộ phân chiaViệc giảm tần số (hoặc nhịp) lấy mẫu từ giá trịvề một giá trị()được gọi là phân chia. [1], [4]Nêú(K>1 và nguyên dương) thì ta cho phép phân chia theo hệ sốK và K được gọi là hệ số phân chia.Hệ thống chỉ làm nhiệm vụ giảm tần số lấy mẫu được gọi là bộ phân chia.Bộ phân chia được ký hiệu như trên hình 1.1. [1], [4]Hình 1.3. Bộ phân chiaĐể thuận tiện chúng ta có thể dùng ký hiệu toán tử để biểu diễn phép phânDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 20Luận Văn Tốt Nghiệpchia như sau: [1], [4]↓K[x(n)] = y↓(n) ≡ y↓K(n)(1.13)Hoặc:Như vậy bộ phân chia theo hệ số K, có thể biểu diễn đầy đủ theo hình 1.4 sau:Hình 1.4. Bộ phân chia biểu diễn đầy đủTa thấy rằng tần số lấy mẫu Fs của tín hiệu rời rạc x(n) sau khi đi qua bộphân chia này sẽ bị giảm đi K lần, tức là: [1], [4]()()Hoặc là chu kỳ lấy mẫu T’s tăng lên K lần:Bên cạnh đó khi biểu diễn phép phân chia trong miền tần số ta có: [1]Y↓K(ejω) = FT[y↓K(n)] và X(ejω) = FT[x(n)](1.16)Nếu ta đánh giá Y↓K(z) là X(z) trên vòng tròn đơn vị của mặt phẳng z thì ta sẽtìm được quan hệ giữa Y↓K(ejω) và X(ejω) là:()( )|()()( )|()Suy ra:∑Dương Văn Thăng()∑(12B_KTTT.KHTrang: 21)()Luận Văn Tốt NghiệpVí dụ, khi tín hiệu rời rạc x(n) được lấy mẫu từ một tín hiệu tương tự xa(t)với tần số lấy mẫu bằng tần số Nyquist, x(n) truyền qua một bộ phân chia có hệ( ) tứcsố K = 2 và ở đầu ra phổ của() được xác định theo X(ejω)như sau: [1], [4]()()()()(Các hình vẽ biểu diễn như trên hình 1.5.Hình 1.5. Phổ của tín hiệu ra bộ phân chia với hệ số K = 2Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 22)Luận Văn Tốt NghiệpTa rút ra một số nhận xét như sau: [1], [4](- Thành phần ứng với l = 0 là) ( tức là:() ứng với l = 0,trong vế phải công thức (1.19)) chính là bản version giãn rộng K lần của()nhưng biên độ giảm K lần.-() và() có chu kỳ 2π theo ω.(- Thành phần ứng với l = 1: K-1 ( tức là:) ứng với l = 1: K-1,trong vế phải công thức (1.19)). Là bản ảnh trễ đồng dạng của thành phần ứng vớil = 0.- Bản thân thành phần ứng với l = 0 là() không gây chồng phổ,nhưng thành phần ứng với l = 1: K-1 sẽ xếp chồng với thành phần l =0 gây hiệntượng chồng phổ và hiện tượng này sẽ làm mất thông tin chứa trong x(n) khi đi quabộ phân chia và nó được gọi là thành phần hư danh.Như vậy bộ chia có chức năng chia giải tần số lấy mẫu đi K lần. K gọi là hệ sốphân chia. Khi đó trong K mẫu liền nhau chỉ giữ lại 1 mẫu. Bộ chia được ứng dụngrộng rãi trong các bank lọc nhiều nhịp. [2]1.3.2. Bộ lọc phân chia.Sơ đồ tổng quát của bộ lọc phân chia cho trên hình 1.6. [1], [4]Hình 1.6. Sơ đồ tổng quát của bộ lọc phân chiaQuá trình lọc nội suy được biểu diễn trong miền biến số n như sau:( )→( )→( )( )PF là bộ lọc thông thấp, thông dải hoặc thông cao.Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 23()Luận Văn Tốt Nghiệp1.4. Bộ lọc nội suy.1.4.1. Bộ nội suyViệc tăng tần số lấy mẫu từ giá trị Fs đến một giá trị F’s (F’s >Fs) đượcđịnh nghĩa là phép nội suy. [1], [4]Nêú(L>1 và nguyên dương) thì ta cho phép nội suy theo hệ số L vàL được gọi là hệ số nội suy.Hệ thống chỉ làm nhiệm vụ tăng tần số lấy mẫu được gọi là bộ nội suy.Bộ nội suy được ký hiệu như trên hình 1.7. [1], [4]Hình 1.7. Bộ nội suyĐể thuận tiện chúng ta có thể dùng ký hiệu toán tử để biểu diễn phép nội suynhư sau: [1], [4]↑L[x(n)] = y↑(n) = y↑L(n)(1.22)Hoặc:Như vậy bộ nội suy theo hệ số L, có thể biểu diễn đầy đủ theo hình 1.8 sau:Hình 1.8 Bộ nội suy biểu diễn đầy đủTa thấy rằng tần số lấy mẫu Fs của tín hiệu rời rạc x(n) sau khi đi qua bộnội suy này sẽ bị tăng lên L lần, tức là: [1], [4]Fs = LFs ; Ws = 2pFs ; Ws = 2pFs = 2pLFsHoặc là chu kỳ lấy mẫu T’s giảm đi L lần:Dương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 24()Luận Văn Tốt Nghiệp()Nếu ta đánh giá Y↑L(z) và X(z) trên vòng tròn đơn vị của mặt phẳng z thì tasẽ tìm được quan hệ giữa Y↑L(ejω) và X(ejω) là:(())( )|()()( )|Suy ra:()()())()()(HayVí dụ, khi tín hiệu rời rạc x(n) được lấy mẫu từ một tín hiệu tương tự xa(t)với tần số lấy mẫu bằng tần số Nyquist, x(n) truyền qua một bộ nội suy có hệsố L = 2 và ở đầu ra phổ của Y↑2(n). tức Y↑2(ejω) được xác định theo X(ejω)như sau: [1], [4]()()()Các hình vẽ biểu diễn như trên hình 1.9. [1]Hình 1.9. Phổ của tín hiệu ra bộ nội suy với hệ số L = 2Ta rút ra một số nhận xét như sau: [1], [4]- Y↑L(ejω) là bản ảnh (version) co hẹp L lần của X(ejω), nhưng lại xuấtDương Văn Thăng12B_KTTT.KHTrang: 25

Trích đoạn

• Mô hình mã hoá băng con (SBC) đa kênh của luận văn
• So sánh tỉ lệ nén tín hiệu:

Tài liệu liên quan

• Bài giảng xử lý tín hiệu số
  • 74
  • 4
  • 30
• Bài giảng xử lý tín hiệu số - Mở đầu
  • 3
  • 493
  • 1
• Bài giải đề thi xử lý tín hiệu số by cung đình phú
  • 30
  • 3
  • 5
• Ứng dụng phương pháp điều khiển mờ và thiết bị xử lý tín hiệu số dspace 1104 trong điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
  • 26
  • 1
  • 0
• Tài liệu ET4020 - Xử lý tín hiệu số Chương 3: Các thuật toán FFT và ứng dụng doc
  • 10
  • 1
  • 15
• LUẬN VĂN VIỄN THÔNG KỸ THUẬT LỌC BĂNG CON VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
  • 71
  • 636
  • 1
• đề tài môn xử lý tín hiệu số - các phương pháp tính tích chập
  • 6
  • 5
  • 29
• XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ ĐA TỐC VÀ ỨNG DỤNG
  • 93
  • 715
  • 2
• Báo cáo nghiên cứu khoa học: " ỨNG DỤNG XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP) ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU" pdf
  • 6
  • 892
  • 4
• XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO ĐẠC, THU THẬP VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG TỪ XA QUA MẠNG ETHERNET TRÊN NỀN LINUX NHÚNG
  • 48
  • 833
  • 0

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(2.94 MB - 73 trang) - Xử lý tín hiệu số và ứng dụng trong âm thanh số Tải bản đầy đủ ngay ×