Bài giảng Xử lý tín hiệu số - Chương I: Giới thiệu

BÀI GiẢNG XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ Ths Nguyễn Thị Phương Thảo Email: thaont@tlu.edu.vn Sách tham khảo  Digital Signal Processing, 3rd ed. J.G. Proakis, and D.G. Manolakis Prentice Hall, 1996  Xử lý tín hiệu số Nguyễn Quốc Trung – ĐH BKHN  Xử lý tín hiệu số Quách Tuấn Ngọc  www.google.com Nội dung môn học  Chương I. Giới thiệu  Chương II. Tín hiệu và hệ thống  Chương III. Biến đổi Z  Chương IV. Biến đổi Fourier  Chương V. Biến đổi DFT Kiểm tra đánh giá  Điểm quá trình: bài tập về nhà, hoặc bài tập lớn: (30%)  Kiểm tra cuối kỳ: (70%) Chương I. Giới thiệu Đối tượng xử lý tín hiệu số  Tín hiệu (signal): tiếng nói, hình ảnh, âm thanh, âm nhạc, video, tín hiệu radar, tín hiệu, điện tim đồ,v.v  Xử lý (Processing): các thao tác, phép toán tác động lên tín hiệu nhằm thu được thông tin mong muốn.  Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing): phân tích, xử lý, tách thông tin  tín hiệu (biểu diễn dưới dạng số) Một số ứng dụng của lĩnh vực XLTHS  Xử lý ảnh  Nhận dạng ảnh  Nhận dạng vân tay  Bản đồ vệ tinh (ứng dụng trong dự báo thời tiết)  Robot  VN: Hệ thống tự động nhận dạng xe vào ra PM nhận dạng văn bản (VnDoc)  Viễn thông  Video conference  Truyền số liệu  Xử lý tiếng nói/âm thanh  Tổng hợp và nhận dạng tiếng nói  Text to speech  Speech to text  Nhận dạng người nói  Ứng dụng trong các hệ thống điều khiển  VN: PM Điều khiển máy tính bằng giọng nói Vspeech PM nhận dạng tiếng nói VnVoice Chương I. Giới thiệu 1. Một số khái niệm 2. Phân loại tín hiệu 3. Hệ thống XLTH 4. Tổng kết 1. Một số khái niệm  Tín hiệu: là một đại lượng vật lý biến đổi theo thời gian, không gian  Về mặt toán học, tín hiệu là 1 hàm của một hay nhiều biến số độc lập.  Ví dụ: s1(t) = 5t s2(t) = 2t 2 + 6 s(x,y) = 3 + 2xy – 10y2  s1(t), s2(t): t/h 1 chiều  s(x,y): t/h 2 chiều 1. Một số khái niệm  Hầu hết tín hiệu trong tự nhiên đều ở dưới dạng tín hiệu tương tự.  Ví dụ trong thực tế:  Âm thanh, tiếng nói,  Tín hiệu từ máy điện tâm đồ, điện não đồ  Hình ảnh, video  Dòng điện, điện áp  Phân loại tín hiệu Là hàm liên tục V của biến số liên tục t (thời gian, không gian, v.v).VD: V(t) Tín hiệu liên tục -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0 2 4 6 8 10 time [ms] V o lt a g e [ V ] -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0 2 4 6 8 10 sampling time, tk [ms] V o lt a g e [ V ] ts V o lt a g e [ V ] ts Tín hiệu liên tục ở đây là liên tục theo biến số (biến số liên tục) Lấy mẫu Tín hiệu tương tự được lấy mẫu ở các thời điểm cách nhau khoảng thời gian ts gọi là chu kỳ lấy mẫu. Tần số lấy mẫu fS = 1/ tS tk=k.ts (với k là số nguyên) Là hàm Vk của biến rời rạc tk (với k là số nguyên): Vk = V(tk) Tín hiệu rời rạc Tín hiệu rời rạc ở đây là rời rạc theo biến số Phân loại tín hiệu Các mức lượng tử biên độ được mã hóa dưới dạng 1 chuỗi bit 0, 1 Tín hiệu số Mã hóa dùng 3 bit Các giá trị mẫu được làm tròn theo các mức lượng tử biên độ Tín hiệu rời rạc biên độ Quá trình chuyển đổi tương tự - số Lượng tử theo biến số (t – thời gian) Lượng tử theo biên độ Mã hóa -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0 2 4 6 8 10 time [ms] V o lt a g e [ V ] -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0 2 4 6 8 10 sampling time, tk [ms] V o lt a g e [ V ] ts Tín hiệu tương tự Tín hiệu rời rạc Tín hiệu lượng tử biên độ Tín hiệu số Phân loại tín hiệu  Tín hiệu tất định là tín hiệu hoàn toàn có thể biểu diễn được bằng 1 hàm toán học của biến độc lập  Tín hiệu ngẫu nhiên là tín hiệu mà ta không thể biết trước được hành vi của nó (không thể biểu diễn được dưới dạng 1 hàm toán học). Chúng được đặc trưng bằng các thông số thống kê và tần số 1. Một số khái niệm  Hệ thống là một thiết bị vật lý thực hiện các tác động lên tín hiệu. VD: bộ lọc loại bỏ nhiễu và tạp âm trong tín hiệu  Xử lý tín hiệu: ta cho tín hiệu đi qua hệ thống, hệ thống tác động lên tín hiệu, tác động này đc gọi là XLTH  Mục đích:  Thu được lượng tin tức nào đó  Biến đổi tín hiệu theo yêu cầu nào đó Thành phần của 1 HT XLTH  Phân loại các hệ thống xử lý tín hiệu dựa trên tính chất của tín hiệu vào – ra. A/D converter Hệ thống số D/A converter Hệ thống tương tự Tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự Hệ thống số Tín hiệu số Tín hiệu số Tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tựTín hiệu số Tín hiệu số Ví dụ một hệ thống XLTH ms V M iỀ N T Ư Ơ N G T Ự ms V Bộ lọc tương tự làm trơn k A M iỀ N S Ố A/D k A Bộ xử lý tín hiệu số ms V M iỀ N T Ư Ơ N G T Ự D/A ms V Bộ lọc Tái tạo tín hiệu Tín hiệu vào So sánh DSP và ASP  Tín hiệu có thể được xử lý trực tiếp dưới dạng tương tự (ASP - Analog Signal Processing) hoặc được chuyển thành tín hiệu số và xử lý dưới dạng số (DSP – Digital Signal Processing)  Tuy nhiên việc xử lý tín hiệu dưới dạng tương tự gặp một số khó khăn sau:  Khó thiết kế và chế tạo  Hệ thống chịu tác động cao bởi môi trường  Không đảm bảo  Khả năng lưu trữ không lớn  Độ tin cậy kém So sánh DSP và ASP  Các phương tiện kỹ thuật số ra đời và ngày càng phát triển mạnh mẽ  Truyền hình  Các hệ thống thông tin di động  Mạng Internet  Các thiết bị kỹ thuật số (camera, điện thoại, máy tính,)  Các hệ thống xử lý tín hiệu số loại bỏ được hoàn toàn những hạn chế của các hệ thống XLTH tương tự  Khi có bất cứ vấn đề nào về tín hiệu  luôn nghĩ về hệ thống XLTH số trước Môn học XLTHS  Đối tượng: Tín hiệu và hệ thống rời rạc  Các công cụ biến đổi tín hiệu:  Biến đổi Z  Biến đổi Fourier  Biến đổi Fourier rời rạc  Bộ lọc IIR và FIR  Cung cấp khái niệm, công cụ cơ bản nhất để XLTHS Từ khóa  Digital: Số  Analog: Tương tự  Processing: Xử lý  Signal: Tín hiệu  Discrete: Rời rạc  DSP-Digital Signal Processing  ASP-Analog Signal Processing  Transform: Biến đổi  System: Hệ thống  Conversion Một số công cụ và kiến thức  Toán học:  Chuỗi  Số phức, các cách biểu diễn của số phức  Tích phân, vi phân .  Matlab, ứng dụng Matlab lập trình một số phép biến đổi cơ bản