XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (Digital Signal Proccessing)

Tham khảo sách 'xử lý tín hiệu số (digital signal proccessing)', kỹ thuật - công nghệ, kĩ thuật viễn thông phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (Digital Signal Proccessing) 1 Mở đầu Sự phát triển của máy vi tính đã làm gia tăng một cách m ạnh m ẽ các ứng d ụng của XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (Digital Signal Proccessing ). Xu hướng này đã đ ược tăng cườ ng bởi sự phát triển đ ồng thời c ủa thuật toán s ố (Numerical Algorithms) cho xử lý tín hiệu số. Hiện nay, x ử lý tín hi ệu s ố đã tr ở nên m ột ứng d ụng c ơ b ản cho kỹ thuật mạch tích hợp hiện đ ại với các chip có th ể l ập trình ở t ốc đ ộ cao. Vì vậy, xử lý tín hiệu số được ứng dụng trong nhiều lĩnh v ực khác nhau nh ư: - Xử lý tín hiệu âm thanh: nh ận d ạng ti ếng nói / ng ười nói; t ổng h ợp ti ếng nói/ biến văn bản thành tiếng nói; kỹ thuật âm thanh số ;… - Xử lý ảnh: thu nhận và khôi phục ảnh; làm nổi đ ường biên; l ọc nhi ểu; nh ận dạng; mắt người máy; hoạt hình; các kỹ xảo về hình ảnh; bản đ ồ;… - Viễn thông: xử lý tín hiệu thoại và tín hi ệu hình; truy ền d ữ li ệu; kh ử xuyên kênh; facsimile; truyền hình số; … - Thiết bị đo lường và điều khiển: phân tích ph ổ; đo l ường đ ịa ch ấn; đi ều khi ển v ị trí và tốc độ; điều khiển tự đ ộng;… - Quân sự: truyền thông bảo mật; xử lý tín hi ệu rada, sonar; d ẫn đ ường tên l ửa;… - Y học: não đồ; điện tim; ch ụp X quang; ch ụp CT(Computed Tomography Scans); nội soi;… Có thể nói, xử lý tín hiệu s ố là n ền t ảng cho m ọi lĩnh v ực và ch ưa có s ự bi ểu hiện bão hòa trong sự phát triển c ủa nó. Ta cũng cần lưu ý r ằng, mặc dù tên c ủa giáo trình là X Ử LÝ TÍN HI ỆU S Ố, nhưng chúng ta sẽ nghiên cứu với một ph ạm vi tổng quát h ơn, đó là X Ử LÝ TÍN HIỆU RỜI RẠC (Discrete signal processing). B ởi vì, tín hi ệu s ố là m ột tr ường h ợp đặc biệt của tín hiệu rời r ạc, nên nh ững ph ương pháp đ ược áp d ụng cho tín hi ệu rời rạc cũng được áp dụng cho tín hi ệu s ố, nh ững k ết lu ận đúng cho tín hi ệu r ời rạc cũng đúng cho tín hiệu số. Muốn xử lý tín hiệu rời rạc, tr ước tiên ta ph ải bi ết cách bi ểu di ễn và phân tích tín hiệu rời rạc. Việc xử lý tín hi ệu r ời r ạc đ ược th ực hi ện b ởi các h ệ th ống rời rạc. Vì vậy ta phải nghiên c ứu các vấn đ ề bi ểu di ễn, phân tích, nh ận d ạng, thiết kế và thực hiện hệ thống rời rạc. Bây giờ, chúng ta sẽ nhập môn với chủ đ ề bi ểu di ễn và phân tích tín hi ệu r ời rạc, hệ thống rời rạc trong miền thời gian. 1. ĐỊNH NGHĨA TÍN HIỆU: Tín hiệu là một đại l ượng vật lý ch ứa thông tin (information). V ề m ặt toán học, tín hiệu được biểu diễn bằng một hàm của một hay nhi ều bi ến đ ộc l ập. Ví dụ: - Tín hiệu âm thanh là dao đ ộng c ơ học lan truy ền trong không khí, mang thông tin truyền đến tai. Khi biến thành tín hi ệu đi ện (đi ện áp hay dòng đi ện) thì giá trị của nó là một hàm theo thời gian. 2 - Tín hiệu hình ảnh tĩnh hai chi ều đ ược đ ặc tr ưng b ởi m ột hàm c ường đ ộ sáng của hai biến không gian. Khi biến thành tín hi ệu đi ện, nó là hàm m ột bi ến th ời gian. Để thuận tiện, ta qui ước (không vì th ế mà làm m ất tính t ổng quát) tín hi ệu là một hàm của một biến độc lập và biến này là th ời gian (mặc dù có khi không phải như vậy, chẳng hạn như sự biến đổi của áp suất theo độ cao). Giá trị của hàm tương ứng với một giá tr ị c ủa bi ến đ ược gọi là biên đ ộ (amplitude) của tín hiệu. Ta thấy r ằng, thuật ng ữ biên đ ộ ở đây không ph ải là giá trị cực đại mà tín hiệu có thể đ ạt đ ược. 2. PHÂN LOẠI TÍN HIỆU: Tín hiệu được phân loại dựa vào nhiều c ơ s ở khác nhau và t ương ứng có các cách phân loại khác nhau. Ở đây, ta d ựa vào s ự liên t ục hay r ời r ạc c ủa th ời gian và biên độ để phân loại. Có 4 loại tín hiệu như sau: - Tín hiệu tương tự (Analog signal): th ời gian liên t ục và biên đ ộ cũng liên t ục. - Tín hiệu lượng tử hóa (Quantified signal): th ời gian liên t ục và biên đ ộ r ời rạc. Đây là tín hiệu tương tự có biên đ ộ đã đ ược r ời r ạc hóa. - Tín hiệu rời rạc (Discrete signal): Là tín hi ệu đ ược bi ểu di ễn b ởi hàm c ủa các biến rời rạc. + Tín hiệu lấy mẫu: Hàm của tín hi ệu r ời r ạc là liên t ục (không đ ược l ượng t ử hoá) + Tín hiệu số: Hàm của tín hiệu r ời r ạc là r ời r ạc. Tín hi ệu s ố là tín hi ệu đ ược r ời rạc cả biên độ và biến số Các loại tín hiệu trên đ ược minh họa trong hình 1.1. 3 Nhận xét: Do tín hiệu số là một trường hợp đ ặc biệt c ủa tín hi ệu r ời r ạc nên các phương pháp xử lí tín hiệu rời r ạc đ ều hoàn toàn đ ược áp d ụng cho x ử lí tín hi ệu số. Trong chương trình chúng ta sẽ tìm hi ểu các ph ương pháp x ử lí tín hi ệu r ời r ạc. 3. HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU a) Hệ thống tươ ng tự b) Hệ thống số c) Hệ thống xử lý tín hiệu tổng quát ADC Sample Signal Quantizer DAC Hold DSP x(t) x(t) Digital Signal 4 Tín hiệu x(t) ở đầu vào đ ược chuy ển thành tín hi ệu s ố nh ờ ADC, qua DSP đ ưa vào DAC ta có y(t). Chương I TÍN HIỆU RỜI RẠC VÀ HỆ THỐNG RỜI RẠC I. TÍN HIỆU RỜI RẠC 1. Định nghĩa Một tín hiệu rời rạc có thể đ ược bi ểu di ễn bằng m ột dãy các giá tr ị (th ực hoặc phức). Phần tử thứ n của dãy (n là một s ố nguyên) đ ược ký hi ệu là x(n) và một dãy được ký hiệu như sau: vớ i - ∞ < n < ∞ x = {x(n)} (1.1.a) x(n) được gọi là mẫu thứ n của tín hiệu x. Ta cũng có thể biểu diển theo kiểu liệt kê. Ví d ụ: (1.1.b) x = { ..., 0, 2, -1, 3, 25, -18, 1, 5, -7, 0,...} Trong đó, phần tử được chỉ bởi mũi tên là ph ần t ử r ương ứng v ới n = 0, các phần tử tươ ng ứng với n > ...