Đang tải... (xem toàn văn)
THIẾT KẾ BỘ LỌC FIR DÙNG PHƢƠNG PHÁP CỬA SỔ HAMMING
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TIỂU LUẬN MÔN XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LỚP CAO HỌC ĐIỆN TỬ 13B Đề tài: THIẾT KẾ BỘ LỌC FIR DÙNG PHƢƠNG PHÁP CỬA SỔ HAMMING GVHD: PGS.TS. TRẦN THU HÀ HVTH: NGUYỄN MINH CHÂU 138520203003 LÊ DANH LỪNG 138520203017 PHẠM BẢO NHÂN 138520203019 TP. HCM, Tháng 03 năm 2014 Tiểu luận môn DSP. Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 2 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 Danh mục hình. 4 Bảng từ viết tắt. 6 Lời cảm ơn 7 Chƣơng 1: Giới thiệu 8 1.1. Lý do chọn đề tài. 8 1.2. Mục tiêu và nhiệu vụ nghiên cứu. 8 Chƣơng 2: Cơ Sở Lí Thuyết Thiết Kế Lọc FIR. 9 2.1. Bộ lọc. 9 2.2. Lọc số 9 2.3. Đặc tuyến tần số của bộ lọc. 9 2.3.1. Đặc tuyến tần số của bộ lọc lý tƣởng. 9 2.3.2. Bộ lọc số thông thấp lý tƣởng. 10 2.3.3. Bộ lọc thông cao lý tƣởng. 10 2.3.4. Bộ lọc số thông dải lý tƣởng. 10 2.3.5. Bộ lọc chắn dải lý tƣởng 10 2.4. Lọc FIR. 11 2.4.1. Ƣu điểm và khuyết điểm của lọc FIR 11 2.4.2 Các loại bộ lọc FIR: 11 2.5. Các phƣơng pháp thiết kế lọc FIR. 14 2.6. Thiết kế lọc FIR dùng phƣơng pháp cửa sổ 15 2.6.1. Cửa sổ cố định. 16 2.6.2. Cửa sổ chữ nhật 17 2.6.3. Cửa sổ khác. 18 2.6.4. Cửa sổ Kaiser. 23 Chƣơng 3: Thiết kế bộ lọc FIR 27 3.1. Mục tiêu thiết kế. 27 3.2. Thiết kế. 27 3.2.1. Bài toán thiết kế. 27 3.2.2 Phƣơng pháp thiết kế. 28 Tiểu luận môn DSP. Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 3 Chƣơng 4: Kết quả mô phỏng thiết kế các bộ lọc FIR. 29 4.1 Giao diện GUI mô phỏng các bộ lọc. 29 4.2 Bộ lọc FIR thông cao. 29 4.3. Bộ lọc FIR thông dãi. 32 4.4. Bộ lọc FIR thông thấp. 34 4.5. Sử dụng công cụ Fdatool. 38 Chƣơng 5 : Kết luận và hƣớng phát triển. 42 5.1. Kết luận. 42 5.1.1. Ƣu điểm. 42 5.1.2. Khuyết điểm. 42 5.2. Hƣớng phát triển. 42 PHỤ LỤC 43 A. Code chƣơng trình 43 B. Phần mềm mô phỏng. 47 Tài liệu tham khảo 48 Tiểu luận môn DSP. Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 4 Danh mục hình. Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng của quá trình lọc số. 9 Hình 2.2: Bốn Loại của lọc FIR pha tuyến tính nhân quả (bậc lọc M và chiều dài lọc là M+1). 13 Hình 2.3: Đặc tính kỹ thuật của đáp ứng biên độ nguyên mẫu đƣợc chuẩn hóa của lọc thông thấp 15 Hình.2.4: Đặc tính lọc thông qua. 16 Hình 2.5: Cửa sổ chữ nhật với bậc M hoặc chiều dài M+1. 17 Hình 2.6: Đáp ứng biên độ )( H 18 Hình.2.7: Cửa sổ tam giác (cửa sổ Bartlett). 19 Hình 2.8: Những cửa sổ thông thƣờng đƣợc vẽ nhƣ hàm của n thời gian liên tục 20 Hình.2.9: dB đáp ứng tần số của cửa sổ cố định với M = 20 (a) Bartlett, (b) Hanning, (c) Hamming, (d) Blackman. 21 Hình 2.10: dB dáp ứng tần số cảu những cửa sổ khác với M = 50 (a) Bartlett, 22 Hình 2.11: (a) Cửa sổ Kaiser với =0, 3,và 6 và M = 20, (b) đáp ứng biên độ tƣơng ứng với những cửa sổ trong (a), (c) đáp ứng biên độ với =6 và M = 10, 20. 25 Hình 3.1: Các chỉ tiêu của bộ lọc FIR. 27 Hình 3.2: Mối quan hệ giữa độ rộng giải chuyển tiếp và suy hao dải chặn. 28 Hình 4.1: Giao diện GUI mô phỏng các bộ lọc. 29 Hình 4.2: Giao diện GUI mô phỏng bộ lọc thông cao. 30 Hình 4.3: Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của bộ lọc thông cao. 30 Hình 4.4: Tín hiệu đầu vào và đầu ra sau khi qua bộ lọc thông cao. 31 Hình 4.5: Phổ của tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra sau bộ lọc. 31 Hình 4.6: Giao diện GUI mô phỏng bộ lọc thông dải. 32 Hình 4.7: Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của bộ lọc thông dãi 33 Hình 4.8: Tín hiệu đầu vào và đầu ra sau khi qua bộ lọc thông dãi 33 Hình 4.9: Phổ của tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra sau bộ lọc. 34 Hình 4.10: Giao diện GUI mô phỏng bộ lọc thông thấp. 35 Hình 4.11: Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của bộ lọc thông thấp. 36 Hình 4.12: Tín hiệu đầu vào và đầu ra sau khi qua bộ lọc thông dãi. 37 Tiểu luận môn DSP. Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 5 Hình 4.13: Phổ của tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra sau bộ lọc. 38 Hình 4.14: Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của bộ lọc thông dãi trên công cụ Fdatool. 39 Hình 4.15: Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của bộ lọc thông thấp trên công cụ Fdatool. 40 Hình 4.16: Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của bộ lọc thông cao trên công cụ Fdatool. 41 Hình B.1: Giao diện phần mềm Matlab 47 Hình B.2: Giao diện GUI của phần mềm Matlab. 47 Tiểu luận môn DSP. Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 6 Bảng từ viết tắt. ADC ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER BPF BAND PASS FILTER BSF BAND STOP FILTER DAC DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER DTFT DISCRETE-TIME FOURIER TRANSFORM HPF HIGH PASS FILTER IC INTEGRATED CIRCUIT IIR INFINITE IMPULSE RESPONSE FIR FINITE IMPULSE RESPONSE LPF LOW PASS FILTER Tiểu luận môn DSP. Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 7 Lời cảm ơn Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô TRẦN THU HÀ, ngƣời đã hết lòng hƣớng dẫn và ủng hộ tinh thần cho nhóm thực hiện tiểu luận trong thời gian thực hiện tiểu luận này. Cô luôn chỉ dẫn tận tình, theo dõi sát quá trình thực hiện và đƣa ra những hƣớng giải quyết tốt nhất cho việc thực hiện tiểu luận giúp nhóm thực hiện có đƣợc hƣớng đi đúng đắn nhất để thực hiện thành công tiểu luận này. Nhóm thực hiện chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện - Điện tử đã trang bị những kiến thức chuyên môn quý báu làm cơ sở để nhóm thực hiện tốt tiểu luận này, cùng toàn thể các thầy cô trong trƣờng đã tận tình chỉ dạy để nhóm có đƣợc những kiến thức nhƣ ngày hôm nay. Xin cảm ơn các bạn học viên đã nhiệt tình giúp đỡ rất nhiều về tài liệu cũng nhƣ những kiến thức để nhóm hoàn thành tốt tiểu luận này. Nhóm thực hiện. Tiểu luận môn DSP. Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 8 Chương 1: Giới thiệu 1.1. Lý do chọn đề tài. Trong cuộc sống, việc truyền thông và trao đổi thông tin với nhau là vô cùng cần thiết. Bởi thế việc hiểu chính xác thông tin trong truyền thông là cực kỳ quan trọng. Biết đƣợc tầm quan trọng ấy, con ngƣời đã không ngừng nghiên cứu và tạo ra các ứng dụng nhằm thỏa mãn các mục đích trên. Sống trong thế giới hiện đại ngày nay, chúng ta tiếp xúc với rất nhiều loại tín hiệu với nhiều dạng tồn tại khác nhau. Ở đây ta chỉ xem xét về vấn đề âm thanh. Tín hiệu mong muốn là cái mà ta mong muốn đƣợc nghe và thu nhận. Còn những tín hiệu âm thanh khác sẽ đƣợc gọi chung là nhiễu. Nhiễu làm chúng ta khó khăn trong việc thu nhận thông tin. Bởi thế ta phải lọc bỏ nó để có thể thu nhận đƣợc các thông tin mà chúng ta đang cần. Từ những yêu cầu trên, ngƣời nghiên cứu tiến hành thiết kế trên nền Matlab nhằm tạo ra một ứng dụng để thực hiện chức năng lọc bỏ nhiễu trong âm thanh. Để ngƣời dùng có thể thu nhận đƣợc các tín hiệu mong muốn một cách tối ƣu. 1.2. Mục tiêu và nhiệu vụ nghiên cứu. Sau khi hoàn thành tiểu luận cần phải đạt đƣợc các mục tiêu sau: Tìm hiểu và nắm bắt đƣợc các phần quan trọng của Matlab để ứng dụng trong lĩnh vực chuyên ngành. Thiết kế các bộ lọc FIR trên giao diện GUI và mộ phỏng trên công cụ Fdatool để lọc các tín hiệu cần thiết. . Tìm hiếu các khuyết điểm còn tồn tại của phƣơng pháp thực hiện. Tiểu luận môn DSP. Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 9 Chương 2: Cơ Sở Lí Thuyết Thiết Kế Lọc FIR. 2.1. Bộ lọc. Bộ lọc là một hệ thống xử lý tín hiệu thực hiện chức năng chọn lọc tín hiệu theo tần số (bộ lọc cho tín hiệu trong một dãi tần số nào đó đi qua và ngăn chặn không cho tín hiệu trong các dãi tần khác đi qua). Dãi cho qua gọi là dãi thông và dãi không cho qua gọi là dãi chắn. 2.2. Lọc số. Lọc số là một trƣờng hợp riêng của bộ lọc. Trong đó tín hiệu vào và tín hiệu ra là số thƣờng dùng máy tính, IC, vi xử lý. Sơ đồ khối chức năng của quá trình lọc số: Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng của quá trình lọc số. Phân loại lọc số: Dựa vào dãi thông và dãi chắn chia làm 4 loại: Lọc thông thấp LPF. Lọc thông cao HPF. Lọc thông dãi BPF. Lọc chắn dãi BSF. Căn cứ vảo độ dài của đáp ứng xung h(n) của bộ lọc: Đáp ứng xung hữu hạn (lọc FIR). Đáp ứng xung vô hạn (lọc IIR). Dựa vào tính nhân quả (khả năng thực hiện bộ lọc): Bộ lọc lý tƣởng. Bộ lọc thực tế. 2.3. Đặc tuyến tần số của bộ lọc. 2.3.1. Đặc tuyến tần số của bộ lọc lý tưởng. Việc thiết kế các bộ lọc số thực tế đều đi từ lý thuyết các bộ lọc số lý tƣởng. Bốn bộ lọc số tiêu biểu là: Bộ lọc số thông thấp Bộ lọc số thông cao Bộ lọc số thông dải Bộ lọc số chắn dải Tiểu luận môn DSP. Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 10 Lọc ở đây chúng ta hiểu là lọc tần số chính, vì vậy mà tất cả các đặc trƣng của lọc tần số đều đƣợc cho theo đấp ứng biên độ. 2.3.2. Bộ lọc số thông thấp lý tưởng. Đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông thấp lý tƣởng đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Khi đó đáp ứng xung của bộlọc thông thấp lý tƣởng với trễ nhóm α là: 2.3.3. Bộ lọc thông cao lý tưởng. Cũng giống nhƣ bộ lọc số thông thấp lý tƣởng, bộ lọc số thông cao lý tƣởng cũng đƣợc định nghĩa theo đáp ứng biên độ. Đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông cao lý tƣởng đƣợc định nghĩa nhƣ sau : - Khi đó đáp ứng xung của bộ lọc thông cao lý tƣởng với trễ nhóm α là: 2.3.4. Bộ lọc số thông dải lý tưởng. Đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông dải lý tƣởng đƣợc định nghĩa nhƣ sau : Khi đó đáp ứng xung của bộ lọc thông dải lý tƣởng với trễ nhóm α là: 2.3.5. Bộ lọc chắn dải lý tưởng. Đáp ứng biên độ của bộ lọc chắn dải lý tƣởng đƣợc định nghĩa nhƣ sau: [...]... định hƣớng với ứng dụng của cửa sổ Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 26 Tiểu luận môn DSP Chương 3: Thiết kế bộ lọc FIR 3.1 Mục tiêu thiết kế Thiết kế các bộ lọc thông thấp, thông cao, thông dải bằng phƣơng pháp cửa sổ Các đặc tính kỹ thuật cần có : Nhập một số tấn số của tín hiệu và các tín hiệu lại với nhau: tạo thành tín hiệu tổng Có thể thiết kế các bộ lọc FIR khác nhau để... lọc FIR Có ba phương pháp: Phương pháp cửa sổ: Dùng các cửa sổ để hạn chế chiều dải đáp ứng xung của bộ lọc số lý tƣờng và đƣa về nhân quả Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 14 Tiểu luận môn DSP Phương pháp lấy mẫu tần số: trong vòng tròn tần số lấy các điểm khác nhau để tổng hợp bộ lọc Phương pháp lọc tối ưu: Phƣơng pháp gần đúng Tchebyshef, tìm sai số cực đại Emax của bộ lọc thiết kế. .. đáp ứng xung lọc đƣợc thiết kế hd (n) từ đáp ứng tần số mong muốn H d ( ) , và sau đó áp một cửa sổ Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 16 Tiểu luận môn DSP thích hợp Vì vậy phƣơng pháp nên đƣợc gọi là phƣơng pháp Fourier – window, hơn là phƣơng pháp cửa sổ 2.6.2 Cửa sổ chữ nhật Thật sự, sự cắt cụt đột ngột đƣợc đề cập ở trên là một cửa sổ đơn giản nhất đƣợc gọi là cửa sổ chữ nhật :... phát sinh sử dụng M file: hann, hamming and blackman in Matlab) Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 19 Tiểu luận môn DSP w(n) Hình 2.8: Những cửa sổ thông thƣờng đƣợc vẽ nhƣ hàm của n thời gian liên tục (nhƣng thật sự những cửa sổ là hàm rời rạc n mẫu) Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 20 Tiểu luận môn DSP (a) (b) (c) (d) Hình.2.9: dB đáp ứng tần số của cửa sổ cố định với... lại, lọc FIR cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ: Lọc FIR yêu cầu nhiều hệ số để đạt tới cùng chất lƣợng của đáp ứng tần số, vì vậy đòi hỏi nhiều thời gian tính toán và cất dữ lớn Lọc FIR không giống lọc tƣơng tự, vì vậy ta không thiết kế nó bằng những kỹ thuật tƣơng tự 2.4.2 Các loại bộ lọc FIR: Bộ lọc FIR đƣợc chia làm 4 loại: Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 11 Tiểu luận môn DSP Bộ lọc. .. ứng dụng Có chức năng vẽ hình, dạng sóng, phổ của các tín hiệu…để có thể quan sát hiệu quả của bộ lọc 3.2 Thiết kế Thiết kế trên nền Matlab, lập trình M file để quan sát mô phỏng trên giao diện GUI… 3.2.1 Bài toán thiết kế Thiết kế FIR pha tuyến tính theo phƣơng pháp cửa sổ Hamming với các chỉ tiêu thiết kế theo từng ứng dụng của ngƣời dùng Hình 3.1: Các chỉ tiêu của bộ lọc FIR Các thông số của bộ lọc. .. số của bộ lọc FIR: 1: Độ gợn dải thông 2: Độ gợn dải chắn Ws :Dải chắn Wp : Dải thông Rp : Độ gợn sóng trong dải thông tính theo dB Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 27 Tiểu luận môn DSP As: Suy hoa trong dải chắn 3.2.2 Phương pháp thiết kế Bƣớc 1: chọn cửa sổ sử dụng (nghiên cứu sâu vào cửa sổ Hamming) Bƣớc 2: Xác định bâc N của bộ lọc Khi sử dụng cửa sổ Hamming, ta tính... Bartlett, (b) Hanning, (c) Hamming, (d) Blackman Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 21 Tiểu luận môn DSP (a) (b) (c) (d) Hình 2.10: dB dáp ứng tần số cảu những cửa sổ khác với M = 50 (a) Bartlett, b) Hanning, (c) Hamming, (d) Blackman Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 22 Tiểu luận môn DSP Bảng 2.2 liệt kê những đặc điểm khác nhau của những cửa sổ thông thƣờng Băng thông... dung rằng ứng dụng đầu tiên sẽ là cửa sổ tam giác, hay cửa sổ Bartlett, mô tả trong hình 2.7 Thiết kế bộ lọc FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ Trang 18 Tiểu luận môn DSP w(n) 1.0 0.8 0 M/2 M n Hình.2.7: Cửa sổ tam giác (cửa sổ Bartlett) Múi bên của cửa sổ tam giác vẫn cao vì vuốt thon vẫn còn thô Với vuốt thon trơn hơn, cosinusoid thì thích hợp trong hàm cửa sổ Sự quan sát này dẫn đến ba cửa sổ đƣợc biết:... Emax của bộ lọc thiết kế với bộ lọc lý tƣởng, rồi làm cực tiểu hóa đi sai số này Các bƣớc cực tiểu sẽ đƣợc máy tính lặp đi lặp lại Trong bài nghiên cứu này, nhóm nghiên cứ phƣơng pháp cửa sổ để tổng hợp bộ lọc FIR pha tuyến tính vì đây là một trong những phƣơng pháp hiệu quả và có đƣợc ứng dụng nhiều hiện nay 2.6 Thiết kế lọc FIR dùng phương pháp cửa sổ Thiết kế của một lọc FIR bắt đầu với đặc tính kỹ . Lọc FIR. 11 2.4.1. Ƣu điểm và khuyết điểm của lọc FIR 11 2.4.2 Các loại bộ lọc FIR: 11 2.5. Các phƣơng pháp thiết kế lọc FIR. 14 2.6. Thiết kế lọc FIR. FIR bẳng phƣơng pháp cửa sổ. Trang 3 Chƣơng 4: Kết quả mô phỏng thiết kế các bộ lọc FIR. 29 4.1 Giao diện GUI mô phỏng các bộ lọc. 29 4.2 Bộ lọc FIR