Tiểu luận xử lý tín hiệu nâng cao NGHIÊN CỨU VỀ NHỮNG PHƯƠNG PHÁP LỌC TÍN HIỆU SỐ

NGHIÊN CỨU VỀ NHỮNG PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU VỀ NHỮNG PHƯƠNG PHÁP
LỌC TÍN HIỆU SỐ
LỌC TÍN HIỆU SỐ
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA QUỐC TẾ & SAU ĐẠI HỌC
Giảng viên : Ts. Nguyễn Ngọc Minh
Nhóm : 2
Học viên thực hiện : Nguyễn Minh Tuấn
: Nguyễn Trọng Tuấn
: Trần Trung Dũng
: Nguyễn Văn Duy
Lớp : M12CQTE02-B
XỬ LÝ TÍN HIỆU NÂNG CAO
XỬ LÝ TÍN HIỆU NÂNG CAO
NỘI DUNG CHÍNH
2
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
GIỚI THIỆU VỀ LỌC TÍN HIỆU VÀ BỘ LỌC SỐ
CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA CÁC BỘ LỌC SỐ FIR
CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA CÁC BỘ LỌC SỐ IIR
LỌC THICH NGHI-BỘ LỌC KALMAN
KẾT LUẬN
GIỚI THIỆU VỀ LỌC TÍN HIỆU
VÀ BỘ LỌC SỐ
3

Giới thiệu về lọc tín hiệu:

Bộ lọc tương tự: sử dụng các mạch điện tương tự được tạo ra từ
các thiết bị như: điện trở, tụ điện…


Bộ lọc số: sử dụng một bộ xử lý số để hoạt động tính toán số hoá
trên các giá trị được lấy mẫu của tín hiệu.

Bộ lọc số:

Lọc số là quá trình rất quan trọng của xử lý tín hiệu số.

Lọc số gồm có hai công dụng chính:

Phân tích tín hiệu: Là quá trình phân tích lựa chọn tín hiệu
bằng các thuật toán.

Phục hồi tín hiệu: Là quá trình khôi phục tín hiệu thu
được đã bị sai lệch thành tín hiệu ban đầu.
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
ƯU ĐIỂM CỦA BỘ LỌC SỐ
4
1. Có khả năng lập trình được.
2. Dễ dàng thiết kế, dễ kiểm tra và dễ thi hành trên một máy
tính.
3. Ổn định với cả thời gian và nhiệt độ.
4. Xử lý các tín hiệu tần số thấp rất chính xác.
5. Xử lý các tín hiệu tần số cao trong miền âm tần.
6. Xử lý các tổ hợp phức tạp, phần cứng đơn giản và mật độ
tích hợp rất cao.
HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ LỌC SỐ
5
Nhóm 2- Bộ Lọc Số

Nhóm 2- Bộ Lọc Số
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
CỦA BỘ LỌC SỐ
6

Phương pháp trực tiếp: Dùng phép tích chập của tín hiệu vào với
đáp ứng xung của bộ lọc số. (Hay còn gọi là bộ lọc có đáp ứng xung
dài hữu hạn FIR).

Phương pháp đệ quy: Thực hiện bằng phép tích chập, mỗi mẫu
trong tín hiệu ra được tính toán bằng cách tổ hợp có trọng số với các
mẫu trong tín hiệu vào. (Hay còn gọi là bộ lọc có đáp ứng xung dài
vô hạn IIR).
CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG
7

Ở MIỀN THỜI GIAN:

Tốc độ chuyển đổi (Risetime).

Gợn sóng nhô (Overshoot) trong đáp ứng bậc thang.

Pha tuyến tính.

MIỀN TẦN SỐ:

Dải thông (Passband): là dải gồm các tần số được bộ lọc cho
qua.

Dải chắn (Stopband): là dải chứa các tần số bị ngăn cản.


Dải chuyển tiếp (Transitionband): là dải ở vị trí trung gian
của dải thông với dải chắn.

Độ dốc xuống nhanh: là ứng với mỗi dải chuyển tiếp rất hẹp.

Tần số cắt: là tần số phân cách giữa dải thông và dải chuyển
tiếp.
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA CÁC BỘ LỌC SỐ
8
1. Bộ lọc số FIR: (bộ lọc có đáp ứng xung dài hữu hạn).
2. Bộ lọc số IIR : (bộ lọc có đáp ứng xung dài vô hạn).

CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA CÁC BỘ LỌC SỐ FIR:

Phương trình sai phân để thiết kế bộ lọc FIR tổng quát là:
y(n) =

Trong việc thiết kế được viết lại như sau:
y(n) =

Sau biến đổi z ta được :
Y(z) = h(0)X(z) + h(1)z
-1
X(z) + … + h(N)z
-N
X(z)
0

( ) ( )
N
k
h k x n k
=
−
∑
0
( ) ( )
k
h k x n k
∞
=
−
∑
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
BỘ LỌC FIR CÓ CẤU TRÚC NHƯ SAU
9
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
CẤU TRÚC HÀNG RÀO( LATTICE)
CỦA BỘ LỌC FIR
10
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
CÁC BỘ LỌC FIR CÓ PHA TUYẾN TÍNH SỬ
DỤNG CỬA SỔ
11

Có nhiều loại cửa sổ khác nhau được sử dụng trong đó:
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA

BỘ LỌC SỐ IIR
12

Lọc IIR có thể được thiết kế từ lọc tương tự bằng phép biến đổi
song tuyến tính, ánh xạ một-một từ miền s sang miền z và ngược lại

Xét phương trình vào ra tổng quát với các điều kiện ban đầu
bằng 0:
y(n) = a
0
x(n) + a
1
x(n-1) +…+ a
N
x(n-N) – b
1
y(n-1) – b
2
y(n-2) - …
-b
M
y(n-M)

Biến đổi z của y(n), ta được:
Y(z) = a
0
X(z) + a
1
z
-1

X(z) +…+a
N
z
-N
X(z) – b
1
z
-1
Y(z) – b
2
z
-2
Y(z)-…-
b
M
z
-M
Y(z)
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
CẤU TRÚC BỘ LỌC
IIR DẠNG TRỰC TIẾP 1
13

Đối với bộ lọc bậc N, cấu trúc này có 2N bộ trễ biểu thị bằng z
-
1
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
CẤU TRÚC BỘ LỌC
IIR DẠNG TRỰC TIẾP 2
14


Là một trong các cấu trúc thông dụng nhất. Cấu trúc này chỉ
yêu cầu số phần tử trễ bằng một nửa so với dạng trực tiếp 1.
LỌC THICH NGHI-BỘ LỌC KALMAN
15

Bô lọc Kalman: là thuật toán xử lý dữ liệu hồi quy tối ưu. Nó hợp
nhất tất cả thông tin được cung cấp tới nó. Nó xử lý tất cả giá trị sẵn
có, ngoại trừ độ sai số, ước lượng giá trị hiện thời của những giá trị
quan tâm.

Sơ đồ bộ lọc Kalman
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
QUY TRÌNH ƯỚC LƯỢNG
16

Kalman filter: định vị vấn đề chung nhằm ước lượng giá trị
x∈R
n
của tiến trình kiểm soát thời gian gián đoạn biểu diễn bằng
phương trình tuyến stochastic khác nhau:


Với giá trị z∈R
m
:

Trong đó: w và v là 2 vector biến ngẫu nhiên đại diện cho nhiễu hệ
thông và nhiễu đo đạc.

Nhóm 2- Bộ Lọc Số
THUẬT TOÁN KALMAN GIÁN ĐOẠN
17

Bộ lọc Kalman: ước lượng tiến trình bằng việc sử dụng hình thức
kiểm soát phản hồi: bộ lọc ước lượng trạng thái tiến trình tại vài thời
điểm và sau đó thu sự phản hồi trong hình thức của giá trị (độ nhiễu).

Chu kỳ bộ lọc gián đoạn như sau:

THUẬT TOÁN KALMAN GIÁN ĐOẠN
18

Tóm lại mạch lọc Kalman bao gồm 2 bước:
1. Ước đoán trạng thái tiên nghiệm.
2. Dựa vào kết quả đo để hiệu chỉnh lại ước đoán.

Sơ đồ tiến trình:
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
THUẬT TOÁN KALMAN GIÁN ĐOẠN
19

Tín hiệu trước lọc:

Tín hiệu sau lọc Kalman:
Nhóm 2- Bộ Lọc Số
KẾT LUẬN
20


Bộ lọc số có nhiều ưu điểm nên hiện nay được sử dụng rộng rãi.

Nhờ có các bộ xử lý tốc độ cao nên các bộ lọc số ngày càng đáng
tin cậy và chính xác.

Đặc biệt là bộ lọc số Kalman nó có thể:

Loại bỏ nhiễu trắng trên toàn dải thông.

Tín hiệu thu được chính xác, ổn định, không bị sai số về độ lợi
và độ lệch pha tín hiệu.

Có thể kết hợp không chỉ hai tín hiệu, mà có thể kết hợp được
nhiều cảm biến đo ở những dải tần khác nhau

Xử lý tín hiệu chính xác của các cảm biến tọa độ, như cảm biến
la bàn, GPS,…

Nhóm 2- Bộ Lọc Số