Hà thu lan bài giảng xử lý tín hiệu số

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG MÔN HỌC:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

Giảng viên:

Lê Xuân Thành

Điện thoại/E-mail:

0912.562.566/

Bộ môn:

Lý thuyết mạch-Khoa Kỹ thuật điện tử 1

Biên soạn:

Học kỳ I năm học 2013-2014

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
GIỚI THIỆU MÔN HỌC

 Tên môn học: XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ.
 Tên tiếng Anh: DIGITAL SIGNAL PROCESSING.
 Mã môn học: ELE 1330.

 Số tín chỉ: 2.
 Loại môn học: Bắt buộc.
 Môn học trước: Giải tích 1, 2; Đại số.
 Mục tiêu môn học.
 Sinh viên nắm được kỹ năng phân tích và thiết kế
hệ thống xử lý tín hiệu số.
 Sinh viên có tư duy hệ thống và nắm được kỹ năng
giải các bài toán xử lý tín hiệu số.

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 2

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

 [1]. Nguyễn Quốc Trung, Giáo trình Xử lý tín hiệu và lọc số tập 1,2,
NXB KHKT HN 2001.
 [2]. Hà Thu Lan, Bài giảng Xử lý tín hiệu số, HVCNBCVT 2010
 [3]. Trần Thục Linh, Đặng Hoài Bắc, Giải bài tập Xử lý tín hiệu số và
Matlab, NXB Thông tin và Truyền thông 2010
 [4]. Hồ Anh Túy, Xử lý tín hiệu số, NXB KH&KT 1996.
 [5]. Quách Tuấn Ngọc, Xử lý tín hiệu số, NXB Giáo dục 1999.
 [6]. Dương Tử Cường, Xử lý tín hiệu số, NXB KH&KT 2002
 [7]. J. G. Proakis, D. G. Manolakis, Introduction to digital signal

Processing, Macmillan 1989.
 [8]. J. G. Proakis, D. G. Manolakis, Digital Signal ProcessingPrinciples, Algorithms and Applications, 3rd Ed, Prentice Hall 1996.
 [9]. V. Oppenheim, Ronald W. Schafer, Discrete Time Signal
Processing, Prentice Hall 1999.

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 3

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
NỘI DUNG MÔN HỌC

 Chương 1: Tín hiệu và hệ thống rời rạc
 Chương 2: Biểu diễn tín hiệu và hệ thống trong
miền Z

 Chương 3: Biểu diễn tín hiệu và hệ thống trong
miền tần số liên tục
 Chương 4: Biểu diễn tín hiệu và hệ thống trong
miền tần số rời rạc
 Chương 5 : Bộ lọc số
3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 4

BÀI GIẢNG MÔN:

3/5/2015

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 5

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

Chương 1. TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG RỜI RẠC

1.1. Khái niệm chung
1.2. Tín hiệu rời rạc
1.3. Hệ thống rời rạc
1.4. Phương trình sai phân tuyến tính
1.5. Tổng kết chương và bài tập

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 6

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.1. Khái niệm chung
1.1.1. Các định nghĩa
Tín hiệu (signal) dùng để chỉ một đại lượng vật lý mang tin
tức và ta có thể mô tả bằng một hàm toán học nào đó:
VD:
x(t ) = 20t2
s( x, y) = 3x + 5xy + y2

Xử lý tín hiệu (signal processing): Các công việc hay các
phép toán được thực hiện trên tín hiệu nhằm đạt một mục
đích nào đó
3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 7

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.1. Khái niệm chung

1.1.1. Các định nghĩa

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 8

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.1. Khái niệm chung
1.1.2. Hệ thống xử lý tín hiệu



Hệ thống thực hiện sự biến đổi tín hiệu đầu vào
(kích thích - input) thành tín hiệu đầu ra (đáp ứng output); đặc trưng bởi mối quan hệ giữa tín hiệu
đầu vào và đầu ra.
x(t)



T
Transformer

y(t)

y(t) = T[x(t)], với T là phép biến đổi đặc trưng cho hệ
thống.

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 9

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.1. Khái niệm chung
1.1.2. Hệ thống xử lý tín hiệu
- Hệ thống tương tự
x(t)

y(t)

- Hệ thống số
x(n)

y(n)

- Xử lý số tín hiệu
x(n)

y(n)

y(t)

x(t)

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 10

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.1. Khái niệm chung
1.1.2. Hệ thống xử lý tín hiệu

Ưu điểm của xử lý số so với xử lý tương tự
Hệ thống số có thể lập trình được, cấu hình lại các hoạt
động xử lý bằng cách đơn giản là thay đổi chương trình.
Tín hiệu số dễ dàng lưu trữ, có thể truyền đi xa và có thể

được xử lý từ xa.
Thực hiện các thuật toán xử lý tín hiệu tinh vi phức tạp .
Giá thành thấp hơn do các phần cứng số rẻ hơn và do

tính mềm dẻo trong xử lý số.

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 11

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.1. Khái niệm chung
1.1.3. Quá trình chuyển đổi ADC và DAC
Biến đổi ADC

Bộ chuyển đổi ADC thực tế

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 12

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
1.1. Khái niệm chung
1.1.3. Quá trình chuyển đổi ADC và DAC
Lấy mẫu:

là quá trình rời rạc hóa tín hiệu theo thời gian.



Giá trị Ts gọi là chu kỳ lấy mẫu và được xác định bởi sự thay
đổi nhanh, chậm của tín hiệu (tần số)
Ts được chọn theo định lý lấy mẫu của Nyquyst như sau:

f s  1 / Ts  2 x f max
5D/2
D/2
-D/2
-5D/2

5D/2

Lấy mẫu

Tín hiệu tương tự
Xác định trên toàn trục thời gian
Có biên độ bất kỳ
3/5/2015

Ts

D/2
-D/2
-5D/2

Tín hiệu rời rạc theo thời gian

Xác định theo chu kỳ nTs
Có biên độ bất kỳ

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 13

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
1.1. Khái niệm chung
1.1.3. Quá trình chuyển đổi ADC và DAC
Lượng tử hóa
Là quá trình rời rạc hóa biên độ của tín hiệu.

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 14

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
1.1. Khái niệm chung
1.1.3. Quá trình chuyển đổi ADC và DAC
Mã hóa
Chuyển đổi các giá trị đã lượng tử hóa thành các từ mã.

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 15

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
1.1. Khái niệm chung
1.1.3. Quá trình chuyển đổi ADC và DAC
Biến đổi D/A

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 16

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
1.2. Tín hiệu rời rạc
1.2.1. Biểu diễn tín hiệu rời rạc
Tín hiệu tương tự x(t) được lấy mẫu đều với chu kỳ Ts, giá trị
của x(t) tại mỗi tn = nTs là x(nTs)
Chuẩn hóa trục thời gian theo chu kỳ Ts với x(n) là thứ n của tín

hiệu rời rạc thời gian chuẩn hóa:

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 17

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
1.2. Tín hiệu rời rạc
1.2.1. Biểu diễn tín hiệu rời rạc

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 18

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
1.2. Tín hiệu rời rạc
1.2.1. Biểu diễn tín hiệu rời rạc

3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 19

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
1.2. Tín hiệu rời rạc
1.2.2. Một số tín hiệu (dãy) cơ bản
a. Dãy xung đơn vị

1
 (n)  
0

(n  0)
(n  0)

b. Dãy bước nhảy đơn vị

1
u( n )  
0

3/5/2015

(n  0)
(n  0)

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 20

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
rectN(n)
1.2. Tín hiệu rời rạc
1
1.2.2. Một số tín hiệu (dãy) cơ bản

c. Dãy chữ nhật

n

-1

1
rect N (n)  
0

0

1

2

N-1

(0  n  N - 1)
(n  0  n  N )

d. Dãy dốc đơn vị

n
r (n)  
0
e. Dãy sin

3/5/2015

(n  0)
(n  0)

s(n)  sin n
GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 21

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.2. Tín hiệu rời rạc
1.2.3. Một số định nghĩa và đặc trưng với dãy số
Giá trị trung bình của tín hiệu số bằng tổng giá trị tất cả các

mẫu chia cho độ dài của tín hiệu.

x ( n) 

Đối với tín hiệu số x(n) một phía hữu

n 0

hạn có độ dài N:
Đối với tín hiệu số x(n) hai phía hữu
hạn có độ dài (2N + 1):

x ( n) 

N

x ( n)

(2 N  1)
1

n- N

Đối với tín hiệu số x(n) một phía vô hạn:

x(n)  Lim
N 

Đối với tín hiệu số x(n) hai phía vô hạn:
x(n)  Lim

N 
3/5/2015

N -1

x ( n)

N
1

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

N -1

x ( n)

N
1

n 0
N

x ( n)

(2 N  1)
1

n- N

Trang 22

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.2. Tín hiệu rời rạc
1.2.3. Một số định nghĩa và đặc trưng với dãy số
Năng lượng của tín hiệu số bằng tổng bình phương giá trị
tất cả các mẫu của tín hiệu
Đối với tín hiệu số x(n) một phía

Ex 

hữu hạn có độ dài (2N + 1):
Đối với tín hiệu số x(n) một phía vô hạn:
Đối với tín hiệu số x(n) hai phía vô hạn:

Ex 

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

2

N



x ( n)

2

n- N

Ex 





x ( n)



x ( n)

Ex 

Dãy có năng lượng hữu hạn là dãy năng lượng!
3/5/2015



x ( n)

n 0

hữu hạn có độ dài N:

Đối với tín hiệu số x(n) hai phía

N -1

n 0


2

2

n  -

Trang 23

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.2. Tín hiệu rời rạc
1.2.3. Một số định nghĩa và đặc trưng với dãy số
Công suất trung bình của tín hiệu số bằng giá trị trung bình của năng
lượng tín hiệu trên một mẫu (bằng trung bình bình phương của tín hiệu)

Đối với tín hiệu số x(n) một phía hữu hạn có độ dài N::
Px 

Ex



N

1
N

N -1



2

x ( n)

 x 2 ( n)

n 0

Đối với tín hiệu số x(n) hai phía hữu hạn có độ dài (2N + 1):
Px 

Ex

(2 N  1)



N



1

(2 N  1) n - N

x ( n)

2

 x 2 ( n)

Đối với tín hiệu số x(n) một phía vô hạn:
Px  Lim

N 

Ex
N

 Lim
N 

1
N

N -1



2

x ( n)  x 2 ( n)

n 0

Đối với tín hiệu số x(n) hai phía vô hạn:
Px  Lim

N 

Ex

(2 N  1)

 Lim
N 

1

N



(2 N  1) n - N

x ( n)

2

 x 2 ( n)

Dãy có công suất hữu hạn là dãy công suất!
3/5/2015

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 24

BÀI GIẢNG MÔN:

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

1.2. TÍN HIỆU RỜI RẠC
1.2.4. Các phép toán trên dãy
Phép nhân một dãy với hằng số
Định nghĩa : Tích của dãy x(n) với hằng số a là dãy y(n) có giá trị
mỗi mẫu bằng tích của a với các mẫu tương ứng của x(n).
Kí hiệu :

3/5/2015

y(n)  a. x(n)

GIẢNG VIÊN: LÊ XUÂN THÀNH

Trang 25