BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC GIAO THOÂNG VAÄN TAÛI LUAÄN AÙN TOÁT NGHIEÄP CAO HOÏC ÑEÀ TAØI: NGHIEÂN CÖÙU ÖÙNG DUÏNG CAÙC CHIP DSPs TRONG XÖÛ LYÙ TÍN HIEÄU THOÂNG TIN. APPLICATIONS OF DSP CHIPs FOR COMMUNICATION SIGNAL PROCESSING HOÏC VIEÂN THÖÏC HIEÄN : TRÖÔNG THÖÔÏNG KHAÙNH CHUYEÂN NGAØNH : KYÕ THUAÄT ÑIEÄN TÖÛ MAÕ SOÁ : 60-52-70 GIAÙO VIEÂN HÖÔÙNG DAÃN TIEÁN SÓ LEÂ MAÏNH VIEÄT THAÙNG 10 - NAÊM 2006 Luaän aùn toát nghieäp cao hoïc Muïc luïc MUÏC LUÏC Trang MUÏC LUÏC ----------------------------------- 1 CHÖÔNG I: GIÔÙI THIEÄU ----------------------------------- 5 CAÙC PHAÀN THÖÏC HIEÄN TRONG LUAÄN AÙN --------------------------- 6 TOÅNG QUAN VEÀ XÖÛ LYÙ SOÁ TÍN HIEÄU ---------------------------------- 7 1.1 Caùc khaùi nieäm veà tín hieäu rôøi raïc --------------------------------- 7 1.2 Tín hieäu naêng löôïng vaø tín hieäu coâng suaát ----------------------- 8 1.3 Moät vaøi pheùp bieán ñoåi cuûa tín hieäu rôøi raïc ----------------------- 9 1.2 Heä thoáng rôøi raïc -------------------- 9 1.2 Phaân loaïi heä thoáng rôøi raïc ----------------------------------- 10 1.1 Heä thoáng ñoäng vaø heä thoáng tónh --------------------------- 10 1.2 Heä thoáng baát bieán vaø heä thoáng bieán ñoåi theo thôøi gian 10 1.3 Heä thoáng tuyeán tính vaø phi tuyeán tính -------------------- 11 1.4 Heä thoáng nhaân quaû vaø khoâng nhaân quaû ------------------ 11 1.5 Heä thoáng oån ñònh vaø khoâng oån ñònh ----------------------- 12 1.3 Phaân tích moät heä thoáng tuyeán tính baát bieán -------------------------- 12 1.1 Caùc phöông phaùp phaân tích moät heä thoáng tuyeán tính baát bieán 12 1.2 Ñaùp öùng xung ----------------------------------- 13 1.1 Ñaùp öùng cuûa moät heä thoáng tuyeán tính baát bieán ñoái vôùi tín hieäu vaøo baát kyø ----------------------------------- 13 1.2 Tính chaát cuûa toång chaäp ----------------------------------- 15 1.3 Ñaùp öùng xung cuûa heä thoáng tuyeán tính baát bieán vaø nhaân qua - 15 1.4 Tính oån ñònh cuûa heä thoáng tuyeán tính baát bieán ------------------ 17 1.4 Söï töông quan cuûa tín hieäu rôøi raïc --------------------------------- 18 1.2 Töông quan cheùo vaø töï töông quan -------------------------------- 19 1.3 Ñaëc tính cuûa chuoãi töông quan cheùo vaø töï töông quan --------- 20 CHÖÔNG II: HEÄ VI XÖÛ LYÙ DSP 2.1 Caáu truùc phaàn cöùng cuûa moät vi xöû lyù DSP ----------------------- 22 2.1 Caáu truùc Harvard ----------------------------------- 23 2.2 Pipelining ----------------------------------- 24 GVHD: TS.Leâ Maïnh Vieät 1 HVTH: Tröông Thöôïng Khaùnh Luaän aùn toát nghieäp cao hoïc Muïc luïc 2.3 Caùc maïch coäng vaø maïch nhaân ----------------------------------- 25 2.4 Caùc leänh ñaëc bieät ----------------------------------- 26 2.6 Boä nhôù beân trong ----------------------------------- 27 2.2 Giôùi thieäu moät vi xöû lyù DSP phoå bieán ---------------------------- 28 2.1 Hoï TMS320 cuûa Texas Instrument -------------------------------- 28 2.2 Hoï DSP56000 cuûa Motorola ----------------------------------- 29 2.3 Hoï ADSP2100 cuûa Analog Devices ------------------------------- 30 2.3 Giôùi thieäu Chip xöû lyù tín hieäu soá coù daáu chaám ñoäng cuûa nhaø saûn xuaát TEXAS INSTRUMENTS : TMS320C6713 -------------------------- 31 2.1 Giôùi thieäu chung ----------------------------------- 31 2.2 Sô ñoà khoái chöùc naêng vaø CPU (loõi DSP) ------------------------- 32 2.1Moâ taû CPU ( loõi DSP) ----------------------------------- 32 2.2 Khoái ñieàu khieån PLL vaø PLL ----------------------------- 35 2.3 Port noái tieáp aâm taàn ña keânh McASP -------------------------- 35 2.4 Maïch tích hôïp beân trong ( I2C – Inter integrated circuit) - 36 2.5 Baûng phaân chia vuøng nhôù trong DSP --------------------- 37 2.3 Moâ taû Kit TMS320C6713 (DSK) ---------------------------------- 39 2.4 Sơ đồ mạch của KIT TMS320C6713 ------------------------------- 42 CHÖÔNG III: LYÙ THUYEÁT CÔ SÔÛ 3.1 Bieán ñoåi Fourier ----------------------------------- 53 3.2 Ñieàu kieän toàn taïi cuûa bieán ñoåi Fourier ---------------------------- 54 3.3 Phoå bieân ñoä, phoå pha vaø phoå maät ñoä naêng löôïng --------------- 54 3.4 Tính chaát cuûa bieán ñoåi Fourier ñoái vôùi tín hieäu rôøi raïc --------- 56 3.5 Phaân tích heä thoáng tuyeán tính baát bieán trong mieàn taàn soá ----- 62 3.1 Ñaùp öùng taàn soá (Frequency Response) ------------------- 62 3.2 Quan heä haøm truyeàn ñaït vaø ñaùp öùng taàn soá cuûa heä thoáng 64 3.3 Ñaùp öùng taàn soá cuûa heä thoáng gheùp noái ------------------- 64 3.1 Heä thoáng gheùp noái tieáp ----------------------------------- 64 3.2 Heä thoáng gheùp song song ----------------------------------- 64 3.6 Laáy maãu vaø khoâi phuïc tín hieäu ----------------------------------- 65 3.1 Laáy maãu tín hieäu töông töï vaø khoâi phuïc tín hieäu töø caùc maãu ----------------------------------- 65 3.2 Laáy maãu vaø khoâi phuïc tín hieäu töông töï treân mieàn taàn soá 69 3.3 Laáy maãu vaø khoâi phuïc tín hieäu rôøi raïc treân mieàn taàn soá 71 3.4 Bieán ñoåi Fourier rôøi raïc cuûa chuoãi tín hieäu rôøi raïc coù GVHD: TS.Leâ Maïnh Vieät 2 HVTH: Tröông Thöôïng Khaùnh Luaän aùn toát nghieäp cao hoïc Muïc luïc ñoä daøi höõõu haïn ----------------------------------- 73 3.7 Tính chaát cuûa DFT ----------------------------------- 74 3.2 Bieán ñoåi Wavelets, Filter bank ----------------------------------- 81 3.1 Bieán ñoåi wavelets lieân tuïc ----------------------------------- 84 3.2 Caùc tính chaát cuûa bieán ñoåi Wavelets lieân tuïc ----------- 85 3.3 Ví duï Morlet wavelets ----------------------------------- 88 3.2 Bieán ñoåi Wavelets rôøi raïc ----------------------------------- 89 3.1 Chuoãi wavelets rôøi raïc ----------------------------------- 91 3.2 Caùc tính chaát cuûa chuoãi wavelets rôøi raïc ----------------- 92 3.3 Wavelets song tröïc giao ----------------------------------- 93 3.1 Phaân tích trong ïmieàn thôøi gian ----------------------------- 96 3.2 Phaân tích filter banks ña keânh------------------------------ 99 3.3 Filter banks nhieàu keânh vaø wavelets packet ------------- 100 CHÖÔNG IV: XAÂY DÖÏNG HEÄ THOÁNG XÖÛ LYÙ SOÁ TÍN HIEÄU 4.1 Tính toaùn nhanh DFT ----------------------------------- 103 4.1 Tính tröïc tieáp DFT ----------------------------------- 104 4.2 Thuaät toaùn tính FFT theo cô soá 2 ---------------------------------- 104 4.3 Thuaät toaùn tính DFT theo cô soá 4 ---------------------------------- 107 4.4 Thuaät toaùn Goertzel ----------------------------------- 110 4.5 Thuaät toaùn tính IFFT ----------------------------------- 111 4.2 Thöïc hieän boä loïc FIR ----------------------------------- 114 4.1 Thieát keá maïch loïc FIR phase tuyeán tính baèng phöông phaùp cöûa soå ----------------------------------- 115 4.2 Thieát keá maïch loïc FIR baèng phöông phaùp laáy maãu taàn soá ---- 118 4.3 Maïch loïc soá coù ñaùp öùng xung voâ haïn IIR ------------------------ 120 4.1 Thieát keá maïch loïc IIR töø maïch loïc töông töï --------------------- 121 4.2 Thieát keá maïch loïc IIR baèng phöông phaùp töông ñöông vi phaân 122 4.3 Thieát keá maïch loïc IIR baèng phöông phaùp tính ñaùp öùng xung baát bieán ----------------------------------- 124 4.4 Kyõ thuaät traûi phoå ----------------------------------- 126 4.1 Traûi phoå chuoãi tröïc tieáp ----------------------------------- 126 4.2 Traûi phoå nhaûy taàn ----------------------------------- 128 4.1 Ñaëc tính cuûa tín hieäu dòch taàn ------------------------------ 128 4.2 Toác ñoä dòch taàn ----------------------------------- 129 4.3 Traûi phoå nhaûy taàn chaäm ----------------------------------- 130 GVHD: TS.Leâ Maïnh Vieät 3 HVTH: Tröông Thöôïng Khaùnh Luaän aùn toát nghieäp cao hoïc Muïc luïc 4.4 Traûi phoå nhaûy taàn nhanh ----------------------------------- 132 4.5 Heä thoáng lai ----------------------------------- 132 4.6 So saùnh giöõa DSSS vaø FH ----------------------------------- 135 4.7 Khaû naêng choáng can nhieãu baêng heïp.5 Bieán ñoåi wavelets nhanh (Thuaät giaûi Mallat) -------------------- 137 4.1 Tính toaùn caùc boä loïc ----------------------------------- 137 4.2 Tính toaùn caùc heä soá bieán ñoåi wavelets rôøi raïc DWT ----------- 138 4.3 Bieán ñoåi wavelets ngöôïc IDWT ----------------------------------- 139 4.6 Khöû nhieãu baèng Wavelets ----------------------------------- 143 4.1 Laáy ngöôõng cöùng ----------------------------------- 143 4.2 Laáy ngöôõng meàm ----------------------------------- 144 4.3 Laáy ngöôõng quantile ----------------------------------- 144 CHÖÔNG V:MOÂ PHOÛNG VAØ ÑAÙNH GIAÙ KEÁT QUAÛ 5.1 Giôùi thieäu moâ hình ----------------------------------- 146 5.2 Moâ phoûng caùc chöông trình ----------------------------------- 148 5.1 Chöông trình FFT vaø IFFT ----------------------------------- 148 5.2 Chöông trình DWT vaø IDWT ----------------------------------- 148 5.3 Chöông trình loïc FIR ----------------------------------- 149 5.4 Ñieàu cheá tín hieäu ----------------------------------- 150 5.1 Ñieàu cheá bieân ñoä ASK ----------------------------------- 151 5.2 Ñieàu cheá FSK ----------------------------------- 154 5.3 Ñieàu cheá phase PSK ----------------------------------- 156 5.4 Ñieàu cheá traûi phoå ----------------------------------- 158 5.5 Loïc nhieãu duøng wavelets ----------------------------------- 161 CHÖÔNG VI: KEÁT LUAÄN 6.1 Veà caáu truùc cuûa boä vi xöû lyù DSP----------------------------------- 165 6.2 Lyù thuyeát cô sôû cho heä thoáng xöû lyù soá ---------------------------- 166 6.3 Thöïc hieän vieát caùc chöông trình öùng duïng ----------------------- 166 6.4 Moâ phoûng chöông trình ----------------------------------- 167 6.5 Höôùng phaùt trieån cuûa ñeà taøi ----------------------------------- 167 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO ----------------------------------- 169 Phuï luïc source code ----------------------------------- 171 GVHD: TS.Leâ Maïnh Vieät 4 HVTH: Tröông Thöôïng Khaùnh Luaän aùn toát nghieäp cao hoïc Chöông I: Giôùi thieäu CHÖÔNG I GIÔÙI THIEÄU Xöû lyù tín hieäu laø ngaønh khoa hoïc ñöôïc öùng duïng trong nhieàu lónh vöïc khaùc nhau nhö: Vieãn thoâng, Tin hoïc, Ñieän töû, Töï ñoäng hoaù, Vaät lyù v. Veà maët lòch sö,û xöû lyù tín hieäu ñaõ xuaát hieän töø raát sôùm. Ban ñaàu, xöû lyù tín hieäu ñaët neàn taûng treân kyõ thuaät töông töï.
Maëc duø kyõ thuaät naøy ñaõ coù ñöôïc nhieàu thaønh töïu ñaùng ñöôïc ghi nhaän nhöng beân caïnh ñoù vaãn coøn toàn taïi moät soá nhöôïc ñieåm khoù traùnh khoûi. Töø khi kyõ thuaät soá ra ñôøi vaø ñaëc bieät laø söï xuaát hieän cuûa maùy tính ñieän töû, ngaønh xöû lyù soá tín hieäu treân maùy tính ñaõ coù böôùc phaùt trieån nhaûy voït. Xöû lyù soá tín hieäu trôû thaønh moät ngaønh coù taàm quan troïng raát lôùn vaø ñöôïc öùng duïng roäng raõi. Treân maùy tính, ngöôøi ta ñaõ thöïc hieän ñöôïc caùc pheùp xöû lyù phöùc taïp maø kyõ thuaät xöû lyù töông töï khoâng theå thöïc hieän ñöôïc.
Vieäc söû duïng maùy tính ñeå xöû lyù tín hieäu coøn coù moät öu ñieåm quan troïng khaùc laø tính meàm deûo vaø linh hoaït. Tuy nhieân, xöû lyù tín hieäu soá treân maùy tính cuõng coù moät nhöôïc ñieåm laø khoâng ñaûm baûo ñöôïc thôøi gian thöïc do toác ñoä cuûa caùc boä vi xöû lyù bò haïn cheá. Ñeå khaéc phuïc phaàn naøo nhöôïc ñieåm naøy, cuøng vôùi söï phaùt trieån cuûa coâng ngheä vi ñieän töû, caùc haõng saûn xuaát vi maïch ñaõ ñöa ra thò tröôøng caùc boä vi xöû lyù chuyeân duïng phuïc vuï cho coâng vieäc DSP vôùi ñoä chính xaùc cao, toác ñoä xö ûlyù nhanh vaø ñaëc bieät laø coù theå thöïc hieän linh hoaït caùc chöùc naêng xöû lyù khaùc nhau. Caùc boä vi xöû lyù ñoù ñöôïc goïi laø vi xöû lyù xöû lyù tín hieäu soá (hay goïi taét laø caùc chip DSPs: Digital Signal Proccessor).
Ba nhaø saûn xuaát vi maïch ñöùng ñaàu trong saûn phaåm DSPs hieän nay laø Motorola, Texas Instrument vaø Analog Devices. Vôùi söï ra ñôøi cuûa caùc chip DSPs ñaõ môû ra cho chuyeân ngaønh xöû lyù tín hieäu moät höôùng ñi môùi. Vieäc söû duïng caùc chip DSPs ñaõ môû roäng ñöôïc phaïm vi öùng duïng cuûa xöû lyù tín hieäu soá trong thöïc tieãn. So vôùi phöông phaùp xöû lyù tín hieäu tröôùc ñaây, xöû lyù soá tín hieäu baèng caùc chip DSPs coù nhöõng öu ñieåm noåi baät: GVHD: TS.Leâ Maïnh Vieät Trang 5 HVTH: Tröông Thöôïng Khaùnh Luaän aùn toát nghieäp Chöông I: Giôùi thieäu ♦ Toác ñoä xöû lyù nhanh, ñaûm baûo ñöôïc thôøi gian thöïc: öu ñieåm naøy coù tính chaát ñoät phaù vì noù giaûi quyeát ñöôïc nhöõng khoù khaên trong vieäc xöû lyù tín hieäu soá trong xöû lyù tieáng noùi, xöû lyù aûnh ñoäng, ñieàu khieån.
♦ Tính naêng xöû lyù cao: do caùc chip DSP ñöôïc thieát keá ñaëc bieät neân noù coù khaû naêng thöïc hieän nhieàu pheùp xöû lyù khaùc nhau vôùi ñoä chính xaùc cao. ♦ Tính linh hoaït vaø meàm deûo: khi muoán thöïc hieän caùc pheùp xöû lyù khaùc nhau chæ caàn thay ñoåi chöông trình ñieàu khieån, khoâng nhaát thieát thay ñoåi phaàn cöùng. Trong noäi dung cuûa luaän aùn naøy, vôùi ñeà taøi "Nghieân cöùu öùng duïng caùc chip DSPs trong vieäc xöû lyù tín hieäu trong thoâng tin", taùc giaû seõ thöïc hieän moät soá coâng vieäc cuï theå sau: 1. Tìm hieåu sô löôïc veà caáu truùc phaàn cöùng cuûa caùc hoï DSPs phoå bieán nhö: TI, Motorola, Analog Devide 2.
Nghieân cöùu lyù thuyeát veà xöû lyù soá tín hieäu .