Cơ bản về xử lý số tín hiệu

Trước khi nói đến việc xử lý số tín hiệu, chúng ta hãy xem xét việc xử lý tín hiệu. Tínhiệu (ở đây là một dòng thông tin được chuyển tải thông qua một đại lượng vật lý nàođó, thường là điện áp hay dòng điện) có thể được xử lý theo một trong hai cách: xử lýtương tự và xử lý số.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cơ bản về xử lý số tín hiệuCơ bản về xử lý số tín hiệuGiới thiệu về xử lý số tín hiệuTrước khi nói đến việc xử lý số tín hiệu, chúng ta hãy xem xét việc xử lý tín hiệu. Tínhiệu (ở đây là một dòng thông tin được chuyển tải thông qua một đại lượng vật lý nàođó, thường là điện áp hay dòng điện) có thể được xử lý theo một trong hai cách: xử lýtương tự và xử lý số. Lấy ví dụ việc lọc thông thấp một tín hiệu dòng điện, giải pháptương tự sẽ dùng một mạch lọc (tích cực hay thụ động) để làm suy giảm các thànhphần tần số không mong muốn và giữ lại các thành phần được quan tâm ở ngõ ra,trong khi giải pháp số sẽ chuyển tín hiệu dòng điện thành một chuỗi các giá trị tươngứng tại những thời điểm rời rạc, sử dụng các cơ cấu tính toán số để thực hiện việclọc tần số, sau đó tái tạo lại tín hiệu đã được lọc ở ngõ ra. Việc chuyển đổi các giá trịtương tự thành chuỗi giá trị số được thực hiện bằng các bộ chuyển đổi tương tự-số(ADC-Analog to Digital Converter), và việc chuyển đổi ngược lại được thực hiệnbằng các bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC-Digital to Analog Converter).Như vậy, các hệ thống xử lý tương tự tín hiệu sử dụng các cơ cấu tính toán tương tựđể thực hiện việc xử lý các tín hiệu tương tự, còn các hệ thống xử lý số tín hiệu lạithực hiện việc xử lý các tín hiệu số thông qua các cơ cấu tính toán số. Một điều cầnnói là các thuật ngữ tương tự và số không thể hiện bản chất của việc xử lý, thuậtngữ chính xác hơn là liên tục và rời rạc (theo thời gian và phạm vi biến đổi của tínhiệu). Chúng ta có các hệ thống xử lý liên tục tín hiệu với các cơ cấu tính toán tácđộng lên các tín hiệu liên tục (có độ lớn thay đổi một cách liên tục) đối lập với các hệthống xử lý rời rạc tín hiệu sử dụng các cơ cấu tính toán tác động lên các tín hiệu rờirạc (có độ lớn thay đổi một cách rời rạc tại những thời điểm rời rạc). Nhưng kể từđây trở đi, tôi vẫn dùng các thuật ngữ phổ thông là tương tự và số để thuận tiện chongười đọc.Việc xử lý số tín hiệu xem ra có vẻ phức tạp hóa vấn đề, nếu dựa vào ví dụ đơn giảntrên để đánh giá. Tuy nhiên, có một số lý do khiến việc xử lý số tín hiệu vẫn được sửdụng: • Tính linh hoạt: dữ liệu có thể được lấy mẫu và xử lý sau đó, cũng có thể áp dụng nhiều thuật toán lên cùng một dữ liệu để tìm ra thuật toán thích hợp nhất. Ngoài ra, độ phức tạp của thuật toán hầu hết chỉ bị giới hạn bởi bộ nhớ và tốc độ của bộ xử lý, cũng như các thuật toán có thể được tạo sẵn để tự động thích nghi với môi trường. Cần nhấn mạnh thêm là một số thuật toán rất hữu ích được đặc biệt tạo ra và chỉ có trong miền thời gian rời rạc. • Tính lập trình: Nhiều bộ xử lý ngày nay có thể được cấu hình lại (bằng cách lập trình phần mềm) để thực hiện nhiều tác vụ xử lý số tín hiệu khác nhau. Chỉ cần thay đổi phần mềm để thực hiện một thuật toán khác. Điều này cũng có nghĩa là chỉ cần một số lượng linh kiện tối thiểu để thực hiện các thuật toán xử lý rất phức tạp. • Tính lặp lại: Các chức năng của các hệ thống số dựa trên phần mềm hay phần cứng bên ngoài, do đó có thể lặp lại nhiều lần các thao tác đã được thực hiện. • Tính ổn định: Dữ liệu được lưu trữ và xử lý bằng phần cứng số do đó những ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ và sự lão hóa của linh kiện gặp phải trong xử lý tương tự là không có. • Nén dữ liệu: Dữ liệu có thể được nén để truyền đi với những khoảng cách xa, tiết kiệm được chi phí truyền dữ liệu mà vẫn đảm bảo thông tin đầy đủ đến được điểm nhận. • Chi phí: Ứng dụng của các bộ xử lý số tín hiệu ngày càng trải rộng, và trong nhiều trường hợp, chi phí của việc hiện thực thuật toán số nhỏ hơn chi phí cho thuật toán tương tự.Hai thành phần cần thiết để một hệ thống xử lý số tín hiệu có thể giao tiếp với thếgiới thực là DAC và ADC. Các DAC có thể sử dụng nguyên lý bộ cộng với hệ điệntrở có trọng số hay mạng điện trở R-2R. Mạng điện trở R-2R khắc phục được một sốnhược điểm của sơ đồ hệ điện trở có trọng số, do đó được dùng phổ biến nhất. Haithông số quan trọng đối với một DAC là độ phân giải (resolution) và thời gian xác lập(settling time).Dạng đơn giản nhất của một ADC là bộ đếm và so sánh. Sau mỗi xung clock, bộ đếmsẽ tăng giá trị đưa vào một DAC, ngõ ra của DAC sẽ được so sánh với tín hiệu ngõvào. Bộ đếm sẽ không tăng nữa khi ngõ ra của DAC lớn hơn tín hiệu vào. Kỹ thuậtxấp xỉ liên tiếp (SAR) được sử dụng rất rộng rãi trong các ADC. Ở mỗi xung clock,một bit nhị phân được bật hay tắt theo cách giống như thuật toán tìm kiếm nhị phân.Bắt đầu từ bit có trọng số lớn nhất, bit được bật nếu giá trị ngõ ra của DAC nhỏ hơntín hiệu vào. Ngược lại, bit đó sẽ được tắt và bit có trọng số lớn nhất kế tiếp sẽ đượcbật. Quá trình tiếp diễn đến khi đạt được sự hội tụ. Thời gian chuyển đổi của ADCdùng thuật toán xấp xỉ liên tiếp chỉ phụ thuộc vào chu kỳ xung clock và số bit (độ phângiải). Các ADC loại này cho phép thực ...