Xử lý tín hiệu thời gian thực bằng phương pháp số trên môi trường phát triển ứng dụng DSP56307EVM áp dụng trong các hệ định vị vô tuyế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







Lê Hồng Hà






XỬ LÝ TÍN HIỆU THỜI GIAN THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SỐ TRÊN MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG
DSP56307EVM
ÁP DỤNG TRONG CÁC HỆ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN










LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







Lê Hồng Hà

XỬ LÝ TÍN HIỆU THỜI GIAN THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SỐ TRÊN MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG
DSP56307EVM
ÁP DỤNG TRONG CÁC HỆ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN

Ngành: Công nghệ điện tử - viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00







LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. BẠCH GIA DƯƠNG








Hà Nội - 2008

1
PHỤ LỤC
DANH MỤC HÌNH 5
DANH MỤC BẢNG 8
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 9
MỞ ĐẦU 10
PHẦN I - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11
Chương 1 Tín hiệu và hệ thống xử lý tín hiệu 11
1.1 Định nghĩa tín hiệu 11
1.2 Phân loại tín hiệu 11
1.3 Tín hiệu rời rạc [1] 12
1.3.1 Cách biểu diễn tín hiệu 12
1.4 Các tín hiệu rời rạc cơ bản 12
1.5 Các phép toán cơ bản của dãy 13
1.6 Hệ thống xử lý tín hiệu [1, 2 ] 13
1.6.1 Hệ thống thời gian rời rạc (hệ thống rời rạc) 14
1.6.2 Đáp ứng xung của một thống rời rạc 14
1.6.3 Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống 14
1.7 Phân loại hệ thống rời rạc 15
1.7.1 Hệ thống không nhớ (hệ thống tĩnh) 15
1.7.2 Hệ thống tuyến tính 15
1.7.3 Hệ thống bất biến theo thời gian 15
1.7.4 Hệ thống nhân quả 15
1.7.5 Hệ thống ổn định 16
1.7.6 Hệ thống bất biến theo thời gian (LTI) 16
1.8 Hệ thống xử lý số tín hiệu 17
1.8.1 Bộ biến đổi tương tự số (A/D) 17
1.8.2 Bộ biến đổi số sang tương tự (D/A) 18
1.8.3 Mạch lọc trước 18
1.8.4 Mạch lọc sau 18

1.9 Định lý lấy mẫu 19
Chương 2 Các thuật toán xử lý tín hiệu số 20
2.1 Biến đổi Z [1] 20
2.1.1 Khái niệm về biến đổi Z 20
2.1.2 Miền hôi tụ (ROC). 20
2.1.3 Cực và zeros 20
2.2 Biến đổi Z ngược. [1] 21
2.2.1 Định nghĩa 21
2.2.2 Định lý tích phân Cauchy 21
2.3 Các tính chất của biến đổi Z [1] 21
2.3.1 Tuyến tính 21
2.3.2 Dịch thời gian 21
2.3.3 Thay đổi thang đo trong miền z 22

2
2.3.4 Đảo thời gian 22
2.3.5 Vi phân trong miền z 22
2.3.6 Nhân chập 22
2.3.7 Tương quan 22
2.3.8 Tích của hai dãy 22
2.3.9 Định lý giá trị đầu 22
2.4 Tổng chập 23
2.4.1 Định nghĩa 23
2.4.2 Các tính chất của tổng chập 23
2.5 Các phép tính tương quan của các tín hiệu rời rạc và tính chất 23
2.5.1 Tương quan chéo 23
2.5.2 Tự tương quan 23
2.5.3 Các tính chất của tương quan chéo và tự tương quan 23
2.6 Phân tích hệ thống LTI trong miền Z [1,2] 24
2.6.1 Hàm truyền đạt của hệ thống LTI 24

2.6.2 Hàm truyền đạt của hệ thống được đặc trưng bởi phương trình sai
phân tuyến tính hệ số hằng (LCCDE). 24
2.6.3 Sự kết nối các hệ thống LTI [2] 25
Chương 3 Phân tích tín hiệu 26
3.1 Lấy mẫu tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số [1] 26
3.1.1 Lấy mẫu trong miền thời gian và khôi phục tín hiệu tương tự 26
3.1.2 Lấy mẫu trong miền tần số và khôi phục tín hiệu rời rạc theo thời
gian 26
3.2 Phân tích tần số của tín hiệu [1] 27
3.2.1 Tần số của tín hiệu rời rạc 27
3.2.2 Phân tích tần số của một tín hiệu liên tục tuần theo thời gian 29
3.2.3 Phân tích tần số của tín hiệu liên tục không tuần hoàn 29
3.2.4 Phân tích tần số của tín hiệu rời rạc 30
3.2.5 Phân tích tần số của tín hiệu rời rạc không tuần hoàn 31
3.3 Các tính chất của biến đổi Fourier của tín hiệu rời rạc theo thời gian 31
3.4 Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) [1, 2] 31
3.4.1 Quan hệ giữa DFT với các hệ số chuỗi Fourier của dãy tuần hoàn 32
3.4.2 Quan hệ giữa DFT với phổ của dãy có độ dài hữu hạn 32
3.4.3 Quan hệ DFT và biến đổi Z 33
3.4.4 Các tính chất của biến đổi Fourier rời rạc 34
Chương 4 Biểu diễn và phân tích hệ thống rời rạc 36
4.1 Hệ thống IRR đệ qui 36
4.1.1 Dạng trực tiếp I 36
4.1.2 Dạng trực tiếp II 37
4.1.3 Dạng chuẩn tắc 37
4.2 Hệ thống FIR không đệ qui. 38
4.3 Phân tích hệ thống LTI trong miền tần số [1,2] 38
4.3.1 Quan hệ vào ra trong miền tần số 38

3

4.3.2 Hàm đáp ứng tần số 39
4.4 Hệ thống LTI và mạch lọc số 40
4.4.1 Lọc thông thấp lý tưởng 40
4.4.2 Lọc thông cao lý tưởng 40
4.4.3 Lọc thông dải lý tưởng 40
4.4.4 Lọc triệt giải lý tưởng đáp ứng tần số 41
4.4.5 Lọc thông tất 41
4.4.6 Mạch lọc thực tế 41
Chương 5 Thiết kế bộ lọc 43
5.1 Đặt các cực và zeros trên mặt phẳng phức [1,2] 43
5.2 Thiết kế bộ lọc FIR 43
5.2.1 Thiết kế bộ lọc FIR pha tuyến tính dùng cửa sổ 43
PHẦN II PHÂN TÍCH BOARD DSP56307EVM, THỰC NGHIỆM VÀ
ỨNG DỤNG 46
Chương 6 Vi xử lý (core) DSP56307 [4] 47
6.1 Đặc trưng 47
6.2 Các khối chức năng của Core DSP56300 48
6.2.1 Bộ logic và thuật toán dữ liệu (ALU). 48
6.2.2 Bộ phát địa chỉ (AGU) 49
6.2.3 Bộ điều khiển chương trình (PCU) 49
6.2.4 Bộ phát xung và vòng bám pha (PLL) 50
6.2.5 Module OnCE và JTAG TAP. 50
6.2.6 Bộ nhớ On-chip 50
6.2.7 Bộ nhớ mở rộng off-chip 51
6.2.8 Các đường bus trong 51
6.3 Sơ đồ khối của DSP56307 52
6.4 DMA 53
6.5 Cấu trúc 53
6.5.1 Chức năng của GPIO 54
6.5.2 Giao diện HI08 54

6.5.3 Giao diện ESSI 55
6.5.4 Giao diện SCI 56
6.5.5 Module định thời 56
6.6 Bộ đồng xử lý lọc tăng cường (EFCOP) [4, 6] 56
6.6.1 Các thanh ghi của EFCOP 58
Thanh ghi điều khiển ALU (FACR) 61
6.7 Sơ đồ chân vi xử lý DSP56307 64
6.8 Nhóm chân tín hiệu 65
6.9 Chức năng chi tiết của các chân trên vi xử lý DSP56307 66
6.9.1 Nhóm nguồn 66
6.9.2 Nhóm chân nối đất 66
6.9.3 Nhóm xung nhịp (CLOCK) 67
6.9.4 Nhóm vòng bám pha 67

4
6.9.5 Nhóm cổng mở rộng bộ nhớ ngoài (Cổng A) 67
6.9.6 Điều khiển Mode và ngắt 70
6.9.7 Cổng HI08 71
Chương 7 Cấu trúc board DSP56307EVM [3] 73
7.1 Bộ nhớ FSRAM 74
7.1.1 Liên kết bộ nhớ FSRAM với DSP56307 74
7.2 Bộ nhớ Flash 75
7.3 Codec âm thanh CS4218-KQ [3, 5] 75
7.3.1 Codec vào/ra tương tự 78
7.3.2 Giao diện số Codec 78
7.4 Bộ chuyển đổi lệnh 80
7.5 Các giao diện off-board 82
7.5.1 Giao diện truyền tin nối tiếp (SCI) 82
7.5.2 Cổng nối tiếp tăng cường (ESSI) 83
Cổng nối tiếp tăng cường 1 (ESSI1). 84

7.5.3 Cổng HI08 86
7.5.4 Điều khiển Bus mở rộng 87
Chương 8 Ngôn ngữ lập trình và phần mềm hỗ trợ [3] 89
8.1 Chương trình Asambly 89
8.2 Chương trình gỡ rối Evm30xw 92
8.2.1 Cửa sổ giao diện chính của chương trình Evm30xw 93
8.2.2 Thanh công cụ 93
8.2.3 Các cửa sổ chức năng chính 97
8.2.4 Cách chạy một chương trình 100
Chương 9 Các chương trình và kết quả thực ngiệm 102
9.1 Chương trình liên kết giao codec với DSP 102
9.2 Sử dụng bộ lọc tăng cường EFCOP 104
Mô hình thực nghiệm: 106
9.2.1 Thực hiện lọc thông thấp 106
9.2.2 Sử dụng bộ lọc tăng cường EFCOP thực hiện lọc thông cao 109
9.2.3 Sử dụng bộ lọc tăng cường EFCOP thực hiện lọc thông dải 112
9.2.4 Sử dụng bộ lọc tăng cường EFCOP thực hiện lọc chặn dải 116
9.3 Thực hiện bộ lọc dùng phương pháp cửa sổ trượt Hanning 120
9.4 Thực hiện lọc sử dụng phương pháp tích luỹ 122
9.5 Thực hiện chương trình tạo tiếng vọng 126
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 128
1. Kết luận 128
2. Nâng cao tốc độ lấy mẫu 128
3. Sử dụng thuật toán bù khử và ứng dụng trong hệ định vị vô tuyến. . 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO 135
PHỤ LỤC A 136



5

DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Các loại tín hiệu 12
Hình 2. Các tín hiêụ rời rạc cơ bản 13
Hình 3. Các hệ thống xử lý tín hiệu 14
Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống xử lý số tín hiệu 17
Hình 5. Các thành phần của bộ biến đổi A/D 17
Hình 6. Sơ đồ khối bộ lấy mẫu và giữ mẫu 18
Hình 7. Biểu diễn z trên toạ độ cực 20
Hình 8. Sơ đồ khối hệ thống LTI mắc nối tiếp 25
Hình 9. Sơ đồ khối hệ thống LTI mắc song song 25
Hình 10. Giá trị góc của tín hiệu tuần hoàn 28
Hình 11. Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống IIR dạng trực tiếp I 36
Hình 12. Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống IIR dạng trực tiếp II 37
Hình 13. Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống IIR dạng chuẩn tắc 38
Hình 14. Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống FIR không đệ quy 38
Hình 15. Đáp ứng tần số của mạch lọc thông thấp lý tưởng 40
Hình 16. Đáp ứng tần số của mạch lọc thông cao lý tưởng 40
Hình 17. Đáp ứng tần số của mạch lọc thông dải lý tưởng 41
Hình 18. Đáp ứng tần số của mạch lọc triệt dải lý tưởng 41
Hình 19. Đáp ứng tần số của mạch lọc thông tất lý tưởng 41
Hình 20. Đáp ứng tần số của bộ lọc thực tế 42
Hình 21. Board DSP56307EVM 46
Hình 22. Sơ đồ khối DSP56307 53
Hình 23. Sơ đồ khối EFCOP 57
Hình 24. Kênh truyền 0 của DMA 64
Hình 25. Kênh truyền 1 của DMA 64
Hình 26. Sơ đồ chân DSP56307 65
Hình 27. Sơ đồ các thành phần trên board DSP56307EVM 73
Hình 28. Sơ đồ khối chức năng của DSP56307EVM 74

Hình 29. Sơ đồ liên kết DSP56307 với FSRAM 74
Hình 30. Sơ đồ liên kết DSP56307 với bộ nhớ Flash 75
Hình 31. Sơ đồ khối CODEC CS4218-KQ 76
Hình 32. Định dạng dữ liệu CODEC 78
Hình 33. Sơ đồ codec vào/ra tương tự 78
Hình 34. Giao diện kết nối Codec CS4218 với DSP56307 79

6
Hình 35. Kết nối giữa DSP với máy tính qua giao diện RS-232 81
Hình 36. Quá trình của một chương trình chạy trên DSP56307EVM 89
Hình 37. Một chương trình nguồn được viết bằng Notepad 90
Hình 38. Thư mục các file thủ tục 91
Hình 39. Sử dụng trình dịch asm56300 91
Hình 40. Thư mục các file thủ tục và các file được dịch 92
Hình 41. Chương trình Evm30xw sau khi được cài đặt 93
Hình 42. Giao diện chương trình gỡ rối Evm30xw 93
Hình 43. Thanh công cụ (Tool bar) 93
Hình 44. Giao diện tab file 94
Hình 45. Giao diện tab view 94
Hình 46. Giao diện tab run 94
Hình 47. Giao diện tab symbol 95
Hình 48. Giao diện tab Breakpoint 95
Hình 49. Giao diện tab Config 95
Hình 50. Giao diện tab Window 96
Hình 51. Giao diện tab help 96
Hình 52. Giao diện đầy đủ các cửa sổ 97
Hình 53. Giao diện cửa sổ Unassembly 97
Hình 54. Giao diện cửa sổ dữ liệu 98
Hình 55. Giao diện cửa sổ lệnh 98
Hình 56. Giao diện cửa sổ các thanh ghi 99

Hình 57. Nạp chương trình 100
Hình 58. Chọn chương trình chạy 100
Hình 59. Chương trình nạp lên board DSP56307 101
Hình 60. Chạy chương trình 101
Hình 61. Dạng tín hiệu vào/ra trên Codec 103
Hình 62. Giao diện cửa sổ lệnh của MATHLAB 104
Hình 63. Đặt các tham số cho bộ lọc 104
Hình 64. Dạng đáp ứng xung tương ứng 105
Hình 65. Chọn xuất hệ số bộ lọc 105
Hình 66. Đặt tên cho các tham số có liên quan đến chương trình
Hình 67. Lưu file
Hình 68. Mô hình thực nghiệm sử dụng bộ lọc EFCOP 106
Hình 69. Đáp ứng xung có dạng 107
Hình 70. Mô hình thuật toán bộ lọc thông thấp 107
Hình 71. Tín hiệu đầu vào với f = 762.929Hz 107
Hình 72. Tín hiệu đầu vào với f = 2.89503 KHz 108

7
Hình 73. Tín hiệu đầu vào với f = 3.22135 KHz 108
Hình 74. Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao 109
Hình 75. Tần số tín hiệu f = 513.359 Hz 110
Hình 76. Tần số tín hiệu f = 2.90624 KHz 111
Hình 77. Tần số tín hiệu f = 3.07148KHz 111
Hình 78. Tần số tín hiệu f = 3.300049 KHz 112
Hình 79. Đáp ứng xung bộ lọc thông dải 113
Hình 80. Thực hiện với tần số F = 958.889 Hz 114
Hình 81. Thực hiện với tần số F = = 1.19474 KHz 114
Hình 82. Thực hiện với tần số F = 1.58968 KHz 115
Hình 83. Thực hiện với tần số F = 3.13355 KHz 115
Hình 84. Thực hiện với tần số F = 3.34873 KHz 116

Hình 85. Đáp ứng tần số của bộ lọc chặn dải 117
Hình 86. Thực hiện với tần số f = 599.031 Hz 118
Hình 87. Thực hiện với tần số f = 2.18571 KHz 118
Hình 88. Thực hiện với tần số f = 2.99481 KHz 119
Hình 89. Thực hiện với tần số F = 3.25145 KHz 119
Hình 90. Mô hình thực nghiệm 120
Hình 91. Đáp ứng tần số bộ lọc thông thấp cửa sổ Hanning 121
Hình 92. Dạng tín hiệu vào/ ra sau khi qua bộ l 122
Hình 93. Mô hình thực nghiệm 123
Hình 94. Mô hình thuật giải 123
Hình 95. Đệm trên không gian nhớ dữ liệu X 124
Hình 96. Kết quả thực nghiệm 124
Hình 97. Dạng xung tín hiệu vào (1) tín hiệu sau xử lý (2) 125
Hình 98. Dạng xung tín hiệu vào (1) tín hiệu sau xử lý (2) 125
Hình 99. Kết quả chương trình tạo tiếng vọng 126
Hình 100. Kết quả chương trình tạo tiếng vọng 127
Hình 101. Ghép nối CODEC ngoài và DSP56307EVM thông qua cổng HI08
130
Hình 102. Sơ đồ khối hệ thống định vị vô tuyến 131
Hình 103. Sơ đồ thuật toán bù khử 133
Hình 104. Sơ đồ bộ đệm trễ trên không gian nhớ dữ liệu X 133




8
DANH MỤC BẢNG

Nội dung
Trang

Bảng 1. Các hàm cửa sổ tiêu biểu
45
Bảng 2. Không gian nhớ trên On-chip
51
Bảng 3. Địa chỉ cơ sở của các thanh ghi EFCOP
58
Bảng 4 .Các bit của thanh ghi FCNT
59
Bảng 5. Chức năng của các bit trên FCSR
61
Bảng 6. Chức năng của các bit trên FACR
62
Bảng 7. Chức năng của các bit trên FDCH
63
Bảng 8. Nhóm chân của vi xử lý DSP56307
66
Bảng 9. Chân chức năng nguồn cung cấp
66
Bảng 10. Chân chức năng các chân nối đất
67
Bảng 11. Bảng chân xung nhịp
67
Bảng 12. Bảng chân vòng bám pha
67
Bảng 13. Nhóm bus địa chỉ ngoài
68
Bảng 14. Nhóm bus dữ liệu ngoài
68
Bảng 15. Chân chọn chip và địa chỉ bổ sung
68

Bảng 16. Nhóm điều khiển bus ngoài
70
Bảng 17. MODE và ngắt
71
Bảng 18. Bảng chân cổng HI08
72
Bảng 19. Chọn tần số mẫu trên khối Jum J9
77
Bảng 20. Chức năng khối jum J5
79
Bảng 21. Chức năng của khối jum J4
79
Bảng 22. Chức năng Jum J8
81
Bảng 23. Chân RS-232 với DSP56002
81
Bảng 24. Kết nối khối jum J6 với cáp của card chuyển đổi
lệnh trực tiếp
82
Bảng 25. Đầu nối chân ra của giao diện SCI
82
Bảng 26. Jum J7
83
Bảng 27. Đầu nối cổng nối tiếp DSP (P1)
83
Bảng 28. Các chân ESSI
84
Bảng 29. Chân đấu nối ESSI0 (J5)
84
Bảng 30. Chân đấu nối ESSI1 (J4)

84
Bảng 31. Các thanh ghi chung cổng ESSI/GPIO
85
Bảng 32. Các thanh ghi ESSI
85
Bảng 33. Các thanh ghi GPIO
86
Bảng 34. Chân đầu nối HI08
87
Bảng 35. Jump J2
87
Bảng 36. Chọn chế độ khởi động cho DSP56307
88



9
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Nội dung
LTI
Linear Time-Invariant System
Hệ thống tuyến tính bất biến
FIR
Finite Impulse Response
Đáp ứng xung hữu hạn
IIR
Infinite Impulse Response
Đáp ứng xung vô hạn
LCCDE

Linear Constant-Coefficient
Difference Equations
Phương trình sai phân tuyến tính hệ
số hằng
A/D
Analog Digital Conversion
Biến đổi tương tự số
D/A
Digital Analog Conversion
Biến đổi số tương tự
ROC
Region Of Covergen
Miền hội tụ
DFT
Discrete Fourier Tranform
Biến đổi Fourier rời rạc
IDFT
Inverse Discrete Fourier
Tranform
Biến đổi Fourier rời rạc ngược
DMA
Direct Memory Access
Truy cập bộ nhớ trực tiếp
ALU
Arithmetic Logic Unit
Bộ tính số học và logic
AGU
Address Generation Unit
Bộ phát địa chỉ
PCU

Program Control Unit
Bộ điều khiển chương trình
MAC
Multiplier-Accumulator
Bộ nhân tích luỹ
GPIO
General Purpose Input/Output
Vào ra đa năng
ESSI
Enhanced Synchronus Serial
Interface
Giao diện nối tiếp đồng bộ tăng
cường
SCI
Serial Comunication Interface
Giao diện truyền tin nối tiếp
DSP
Digital Signal Processor
Xử lý tín hiệu số
EFCOP
Enhanced Filter Coprocessor
Bộ đồng xử lý lọc tăng cường
HI
Host Interface
Giao diện ngoại vi
FDIR
Filter Data Input Register
Thanh ghi dữ liệu vào bộ lọc
FDOR
Filter Data Out Register

Thanh ghi dữ liệu ra bộ lọc
FKIR
Filter K-Constant Input Register
Thanh ghi hằng số K của bộ lọc
FCNT
Filter Count Register
Thanh ghi đếm của bộ lọc
FCSR
EFCOP Control Status Register
Thanh ghi trạng thái bộ lọc
FACR
EFCOP ALU Control Register
Thanh ghi điều khiển thuật toán bộ
lọc
FDBA
EFCOP Data Base Address
Thanh ghi địa chỉ cơ sở dữ liệu bộ lọc
FCBA
EFCOP Coefficient Base
Address
Thanh ghi địa chỉ cơ sở hệ số bộ lọc
FDCH
Decimation/ Channel Count
Register
Thanh ghi đếm chiều/ kênh bộ lọc
HPCR
Host Port Control Register
Thanh ghi điều khiển cổng
HDDR
Host Data Direction Register

Thanh ghi hướng dữ liệu

10
MỞ ĐẦU
Lời đầu tiên tôi xin được trân trọng cảm ơn sâu sắc tới TS. Bạch Gia Dương,
người thầy đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện
luận văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô và các anh chị trong Trung tâm nghiên cứu
Điện tử Viễn thông đã dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tạo điều kiện về trang thiết bị
trong thời gian làm thực nghiệm và trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu ở
trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội.
Cùng với công nghệ máy tính phát triển, các thiết bị vi xử lý ngày càng hoàn
thiện đã làm tăng lên mạnh mẽ sử dụng bộ vi xử lý số trong các lĩnh vực ứng
dụng như xử lý tín hiệu bằng phương pháp số, mô phỏng, xử lý tín hiệu thời gian
thực, thiết lập hệ tích hợp tính toán song song,….
Luận văn “ Xử lý tín hiệu thời gian thực bằng phương pháp số trên môi trường
phát triển ứng dựng DSP56307EVM, áp dụng trong các hệ định vị vô tuyến”.Nội
dung được trình bày xoay quanh một bộ vi xử lý số được tích hợp trên môi
trường phát triển ứng dụng khả trình thực hiện các bài toán xử lý tín hiệu số thời
gian thực và ứng dụng trong các hệ định vị vô tuyến.
Bố cục luận văn được chia làm 2 phần:
Phần 1. Cơ sở lý thuyết.
Tổng quan các định nghĩa về xử lý số, các phương pháp và giải thuật toán được
chọn ứng dụng trong xử lý tín hiệu.
Phần 2. Phân tích board DSP56307EVM, thực nghiệm và ứng dụng
Mô tả về cấu trúc của board DSP56307EVM và cách thức ghép nối các module
khả trình tạo ra các bài toán ứng dụng linh hoạt.
Thực hiện lập trình liên kết hoạt động của các module trên DSP56307EVM, đặc
biệt phân tích sâu hơn về cấu trúc Codec CS4218 và giao diện song song HI08
trên cơ sở đưa ra thiết kế bộ Codec ngoài với tốc độ xử lý tín hiệu tốc độ cao.

11
PHẦN I - CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 1 Tín hiệu và hệ thống xử lý tín hiệu
1.1 Định nghĩa tín hiệu
Tín hiệu là một đại lượng vật lý chứa thông in. Về mặt toán học, tín hiệu được biểu
diễn bằng một hàm của một hay nhiều biến độc lập.
Ví dụ:
- Tín hiệu âm thanh là dao động cơ học lan truyền trong không khí, mang
thông tin đến tai.
- Tín hiệu hình ảnh tĩnh hai chiều được đặc trưng bởi một hàm cường độ sáng
của hai biến không gian
Giá trị của hàm tương ứng với một giá trị của biến được gọi là biên độ của tín hiệu.
1.2 Phân loại tín hiệu
Tín hiệu được phân loại dựa vào nhiều cơ sở khác nhau và tương ứng có các cách
phân loại khác nhau. Dựa vào sự liên tục hay rời rạc của hời gian và biên đô để
phân loại, có các loại tín hiệu như sau:
- Tín hiệu tương tự: thời gian liên tục và biên độ cũng liên tục
- Tín hiệu rời rạc: thời gian rời rạc và biên độ liên tục.
- Tín hiệu lượng tử hoá: thời gian liên tục và biên độ rời rạc.
- Tín hiệu số: thời gian rời rạc và biên độ cũng rời rạc.

(a) (b)

12

(c) (d)
Hình 1. Các loại tín hiệu
(a) Tín hiệu tương tự (b) Tín hiệu rời rạc
(c) Tín hiệu lượng tử hoá (d) Tín hiệu số

1.3 Tín hiệu rời rạc [1]
1.3.1 Cách biểu diễn tín hiệu
Một tín hiệu rời rạc có thể được biểu diễn bằng một dãy các giá trị (thực hoặc
phức). Phần tử thứ n của dãy được kỹ hiệu là x(n) và một dãy được ký hiệu như sau
x = { x(n)} với - ∞ < n < + ∞ (1.1)
và cũng có thể biểu diễn theo kiểu liệt kê, phần tử đượcchỉ bởi mũi tên là phần tử
tương ứng với n = 0

1.4 Các tín hiệu rời rạc cơ bản
Tín hiệu xung đơn vị






0,0
0,1
)(
n
n
n

(1.2)
Tín hiệu hằng: tín hiệu này có giá trị bằng nhau với tất cả các giá trị của n
x(n) = A, với - ∞ < n < + ∞ (1.3)
Tín hiệu nhảy bậc

13







0,0
0,1
)(
n
n
nu
(1.4)
Tín hiệu hàm mũ
x(n) = A α
n
(1.5)
Tín hiệu tuần hoàn
Tín hiệu được gọi là tuần hoàn với chu kỳ N khi: x(n+N) = x(n), với mọi n

Hình 2. Các tín hiêụ rời rạc cơ bản
(a) tín hiệu xung đơn vị; (b) tín hiệu hằng
(c) tín hiệu nhảy bậc; (d) tín hiệu hàm mũ
1.5 Các phép toán cơ bản của dãy
Cho 2 dãy x
1

= { x
1
(n)} và x
2

= { x
2
(n)} các phép toán trên hai dãy được định nghĩa
như sau:
- Phép nhân 2 dãy: y = x
1
. x
2 =
{x
1
(n) . x
2
(n)} (1.6)
- Phép nhân 1 dãy với 1 hệ số: y = a. x
1
=

{ a . x
1
(n)} (1.7)
- Phép cộng 2 dãy: y = x
1
+ x
2
= { x
1
(n) + x
2
(n) } (1.8)

- Phép dịch một dãy, dịch phải n
0
mẫu một dãy x: y(n) = x(n–n
0
), với n
0
> 0
(1.9).
1.6 Hệ thống xử lý tín hiệu [1, 2 ]
Phân loại các hệ thống theo chính tín hiệu cần xử lý. Theo đó, ta có các loại hệ

14
thống xử lý như:
Hệ thống tương tự
Tín hiệu tương
tự x(t)
Tín hiệu tương
tự y(t)

Hệ thống rời rạc
Tín hiệu rời rạc
x(n)
Tín hiệu rời rạc
y(n)

Hệ thống số
Tín hiệu số
x(n)
Tín hiệu số
y(n)

Hình 3. Các hệ thống xử lý tín hiệu
1.6.1 Hệ thống thời gian rời rạc (hệ thống rời rạc)
Hệ thống rời rạc là một thiết bị hay là một thuật toán mà nó tác động lên một tín
hiệu vào để cung cấp một tín hiệu ra theo một qui luật hay một thủ tục tính toán nào
đó.
 
)()( nxTny 
(1.10)
)()( nynx
T


1.6.2 Đáp ứng xung của một thống rời rạc
Đáp ứng xung h(n) của hệ thống rời rạc, là đáp ứng của hệ thống khi kích thích là
tín hiệu xung đơn vị δ(n).
 
(n))(

Tnh 
(1.11)
1.6.3 Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống
Các phần tử cơ bản trong sơ đồ khối biểu diễn hệ thống
- Phần tử cộng
+
x
1
(n)
x
2

(n)
y(n) = x
1
(n) + x
2
(n)


15
- Phần tử nhân
x
x
1
(n)
x
2
(n)
y(n) = x
1
(n).x
2
(n)

- Phần tử trễ một mẫu
x(n)
y(n) = x(n-1)
z
-1

1.7 Phân loại hệ thống rời rạc

Hệ thống được phân loại dựa vào các thuộc tính của nó.
1.7.1 Hệ thống không nhớ (hệ thống tĩnh)
Là một hệ thống mà đáp ứng y(n) ở mỗi thời điểm n chỉ phụ thuộc vào giá trị của
tác động x(n) ở cùng thời điểm đó.
1.7.2 Hệ thống tuyến tính
Hệ thống thoả mãn nguyên lý chồng chất
T{a.x
1
(n) + b.x
2
(n)} = a.T{x
1
(n)} + b.T{x
2
(n)} = a.y
1
(n) + b.y
2
(n) (1.12)
a, b là các hằng số bất kỳ
y
1
(n), y
2
(n) lần lượt là đáp ứng của hệ thống tương ứng với các tác động x
1
(n), x
2
(n)
1.7.3 Hệ thống bất biến theo thời gian

Hệ thống bất biến theo thời gian nếu tín hiệu vào bị dịch n
d
mẫu thì đáp ứng cũng
dịch n
d
mẫu
nếu y(n) = T{x(n)} và x
1
(n) = x(n – n
d
)
thì y
1
(n) = T{x
1
(n)} = T{x(n – n
d
)} = y (n-n
d
) (1.13)
1.7.4 Hệ thống nhân quả
Nếu đáp ứng tại thời điểm n=n
0
chỉ phụ thuộc vào các giá trị kích thích ở các thời

16
điểm n ≤ n
0
.
Y(n) = T{x(n)} = F{x(n), x(n-1), x(n-2),….} (1.14)

1.7.5 Hệ thống ổn định
Với mỗi tín hiệu vào giới hạn sẽ cung cấp dãy ra giới hạn.

x
Bnx )(
(1.15)

y
Bny )(
(1.16)
1.7.6 Hệ thống bất biến theo thời gian (LTI)
LTI là hệ thống thoả mãn đồng thời hai tính chất tuyến tính và bất biến
 









k
knkxTnxTny )()()()(

(1.17)
 





k
Tkxny k)-(n)()(

(1.18)
Vì hệ thống có tính bất biến nên
 
)()( knTknh 

(1.19)




k
knhkxny )()()(
(1.20)
Các hệ thống bất biến theo thời gian đặc biệt
- Hệ thống LTI ổn định: thoả mãn biểu thức




k
khs )(
(2.21)
- Hệ thống LTI nhân quả: một hệ thống LTI có tính nhân quả nếu đáp ứng
xung h(n) của nó thoả mãn điều kiện H(n) = 0 với
0n
(2.22).

- Hệ thống với đáp ứng có chiều dài hữu hạn (FIR) và hệ thống với đáp ứng
với chiều dài vô hạn (IR): hệ thống FIR là một hệ thống mà đáp ứng xung
của nó tồn tại một số hữu hạn các mẫu khác 0; hệ thống IR đáp ứng xung của
nó có vô hạn số mẫu khác 0.
- Hệ thống đảo : Một hệ thống LTI có đáp ứng xung là h(n), hệ thống đảo của
nó, nếu đáp ứng xung h
i
(n) thoả mãn biểu thức

17
h(n)*h
i
(n) = h
i
(n)*h(n) = δ(n) (2.23) [1, 2]
- Hệ thống có phương trình sai phân tuyến tính hệ số hằng (LCCDE): Một hệ
thống LTI mà quan hệ giữa tác động x(n) và đáp ứng y(n) thoả mãn phương
trình sai phân tuyến tính hệ số hằng bậc N dưới dạng
 
 

N
k
M
r
rk
rnxbknya
0 0
)()(
(2.24)

a
k
, b
r
là các thông số đặc trưng cho hệ thống
- Hệ thống rời rạc đệ quy [1]
Một hệ thống rời rạc đệ quy là hệ thống mà đáp ứng y(n) ở mỗi thời điểm n phụ
thuộc vào một số bất kỳ các giá trị y(n-1); y(n-2);… ở các thời điểm trước đó.
Một hệ thống đệ quy được mô tả bằng phương trình LCCDE có bậc N≥1, ngoài
việc tính bằng phương pháp trực tiếp, phương pháp biến đổi z thì có thể xác định
y(n) dựa vào các giá trị của đáp ứng ở các thời điểm đã tính được trước đó
Với điều kiện ban đầu đã cho y(-1), y(-2),…., y(-N).
- Hệ thống rời rạc không đệ quy [1]
Một hệ thống mà đáp ứng y(n) chỉ phụ thuộc vào kích thích ở thời điểm hiện
hành và ở các thời quá khứ.
1.8 Hệ thống xử lý số tín hiệu
Mạch lọc
trước
Tín hiệu tương
tự x(t)
A/D
x(t)
Bộ xử lý
số
x(n)
D/A
y(n)
Mạch lọc
sau
y(t)

Tín hiệu tương
tự x(t)

Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống xử lý số tín hiệu
1.8.1 Bộ biến đổi tương tự số (A/D)
Lấy mẫu và
giữ mẫu
Tín hiệu tương
tự x
a
(t)
Lượng tử
hoá
x
sh
(t)
Tín hiệu số
x
q
(t)

Hình 5. Các thành phần của bộ biến đổi A/D

18
- Bộ lấy mẫu và giữ mẫu. Lấy mẫu là quá trình biến đổi tín hiệu liên tục sang
tín hiệu rời rạc với chu kỳ lấy mẫu Ts.
Tín hiệu tương
tự x
a
(t)

Giữ mẫu
Có tần số
Fs=1/Ts
x(n) = x
a
(nTs)
Tín hiệu liên tục
dạng bậc thang
x
hs
(t)

Hình 6. Sơ đồ khối bộ lấy mẫu và giữ mẫu
Quá trình lấy mẫu và lượng tử hoá không thể làm đồng thời, và thông thường
quá tình lượng tử hoá phải mất thời gian. Vì vậy bộ giữ mẫu duy trì giá trị của
một mẫu trong khoảng thời gian nhất định.
- Bộ lượng tử hoá và mã hoá
Trong quá trình mã hoá, mỗi giá trị tín hiệu rời rạc được gán bởi một mã nhị
phân m bit, tương ứng sẽ có 2m mức lượng tử. Nếu biên độ tín hiệu lấy mẫu
được chuẩn hoá trong khoảng -A

≤ x(n) ≤ A thì bước lượng tử hoá sẽ là:
∆ = 2A/2
m
= A/2
m-1
(1.25) [2]
1.8.2 Bộ biến đổi số sang tương tự (D/A)
Nguyên tắc chung của biến đổi D/A là nối các điểm rời rạc bằng một phương pháp
nội suy nào đó. Có nhiều kiểu biến đổi D/A như: kiểu xấp xỉ bậc thang, nội suy

tuyến tính, nội suy bậc hai….Với một tín hiệu có băng tần hữu hạn, lý thuyết lấy
mẫu sẽ định một hình thức nôi suy tối ưu. [2]
1.8.3 Mạch lọc trước
Có tác dụng chống hiện tượng biệt danh, đây là mạch lọc thông thấp có chức năng
lọc bỏ các thành phần tần số cao hơn Fs/2.
1.8.4 Mạch lọc sau
Là một mạch lọc thông thấp, có chức năng làm trơn để sửa dạng tín hiệu tương tự
thu được ở lối ra chính xác hơn. [2]

19
1.9 Định lý lấy mẫu
Nếu tần số cao nhất chứa trong tín hiệu tương tự x
a
(t) là F
max
thì tín hiệu chỉ có thể
khôi phục một cách chính xác từ các mẫu của nó nếu tần số lấy mẫu Fs ≥ 2F
max.
Fs = 2F
max
được goi là tần số Nyquist [1]

20
Chương 2 Các thuật toán xử lý tín hiệu số
2.1 Biến đổi Z [1]
2.1.1 Khái niệm về biến đổi Z
Biến đổi Z của một dãy x(n) được định nghĩa như là chuỗi luỹ thừa





n
n
znxzX )()(
với z là biến phức (2.1)
Biểu diễn theo tọa độ cực z= r.e
jω

(2.2)
Đặc biệt nếu r = 1 biến đổi Z trở thành biến đổi Fourier

Hình 7. Biểu diễn z trên toạ độ cực
2.1.2 Miền hôi tụ (ROC).
Với một dãy x(n) xác định, tập hợp các giá trị z sao cho G hội tụ được gọi là miền
hội tụ, tức
)(zX
với mọi z trong ROC.
Điều kiện đủ để biến đổi Z hội tụ





n
n
znx )(
(2.3)
2.1.3 Cực và zeros
Một loại biến đổi Z thông dụng và quan trọng là biến đổi z mà X(z) của nó có dạng
là một hàm hữu tỉ với mọi z trong ROC
X(z) = P(z)/Q(z) (3.4)
Các giá trị z sao cho X(z) = 0 được gọi là các zeros của X(z), và các giá trị z sao
cho mẫu số X(z) = ∞ được gọi là các cực (Poles) của X(z). Các cực là các nghiệm
xác định của đa thức mẫu số Q(z) và thêm vào các giá tri z = 0 hay z = ∞.

21
2.2 Biến đổi Z ngược. [1]
2.2.1 Định nghĩa

Nếu X(z) là biến đổi Z của x(n), thì x(n) là biến đổi Z ngược của X(z).
X(z)x(n)
Z

Công thức tính dãy x(n) từ X(z) được thành lập dựa vào các định lý Cauchy.
2.2.2 Định lý tích phân Cauchy








C
k
k
k
dzz
j
1,0
1,1
2
1

(2.4)
Với C là đường cong kín có ngược chiều kim đồng hồ và bao quanh gốc toạ độ.




C
n
dzzzX
j
nx
1
)(
2
1
)(

(2.5)
2.3 Các tính chất của biến đổi Z [1]
Giả sử có các cặp biến đổi Z
)()( zXnx
Z

với ROC = R
x

)()(
11
zXnx
Z

với ROC = R
x1

)()(
22

zXnx
Z

với ROC = R
x2
)()( zYny
Z

với ROC = R
y
2.3.1 Tuyến tính
)()()()(
2121
zbXzaXnbxnax
Z

(2.6)
a, b là các hằng số bất kỳ. Miền hội tụ R
y
của aX
1
(z) + bX
2
(z) nhỏ nhất là phần giao
giữa R
x1
và R
x2
. Nếu tổ hợp tuyến tính aX
1

(z) + bX
2
(z) phát sinh các cực điểm zeros
khử đi một số cực điểm thì miền hội tụ R
y
được mở rộng ra.
2.3.2 Dịch thời gian
)()( zXzknx
k
Z


(2.7) với k là số nguyên dương.

22
ROC của z
-k
X(z) là R
x
trừ ra z = 0 nếu k>0 hoặc trừ ra z=∞ nếu k<0.
2.3.3 Thay đổi thang đo trong miền z
)()(
a
x
Xnxa
Z
n

(2.8)
với a là hằng số thực hoặc phức bất kỳ. Miền hội tụ ROC của X(z/a) là a.Rx

2.3.4 Đảo thời gian
)()(
1
 zXnx
Z
(2.9) Miền hội tụ ROC của Z(z
-1
) là 1/R
x

2.3.5 Vi phân trong miền z
dz
zdX
zzYnnxny
Z
)(
)()()( 
(2.10) Miền hội tụ R
y
= R
x
( ngoại
trừ trường hợp thêm vào hay loại bỏ các điểm cực tại z=0 hay z=∞).
2.3.6 Nhân chập
)().()()(*)()(
2121
zXzXzXnxnxnx
Z

(2.11) Miền hội tụ R

x
của
X(z) nhỏ nhất là miền giao nhau của ROCx
1
và ROCx
2
. Nếu có các zeros được sinh
ra khử đi một số điểm cực thì miền hội tụ R
x
được mở rộng ra.
2.3.7 Tương quan
)()()()()()(
1
21212121





zXzXzRnkxkxnr
xx
Z
k
xx
(2.12)
2.3.8 Tích của hai dãy



C

Z
dvvvzXvX
j
zXnxnxnx
1
213213
)/()(
2
1
)()()()(

(2.13) C là đường cong
bao quanh gốc toạ độ và nằm trong miền hôi tụ của X
1
(v) và X
2
(1/v).
2.3.9 Định lý giá trị đầu
Nếu x(n) là dãy nhân quả thì
)(lim)0( zXx
z 

(2.14)

23
2.4 Tổng chập
2.4.1 Định nghĩa
Tổng chập của hai dãy x
1
(n) và x

2
(n) bất kỳ, ký hiệu * được định nghĩa bởi biểu
thức sau:




k
knxkxnxnxny )()()(*)()(
2121
(2.15)
2.4.2 Các tính chất của tổng chập
- Tính giao hoán
Cho hai dãy x
1
(n), và x
2
(n) y(n) = x
1
(n)*x
2
(n) = x
2
(n)*x
1
(n) (2.16)
- Tính phân phối Cho ba dãy x
1
(n), x
2

(n) và x
3
(n)
y(n) = [x
1
(n)*x
2
(n)]*x
3
(n) = x
1
(n)*[x
2
(n)*x
3
(n)] (2.17)
2.5 Các phép tính tương quan của các tín hiệu rời rạc và tính chất
2.5.1 Tương quan chéo
Xét hai dãy x
1
(n) và x
2
(n), giả sử ít nhất một rong hai dãy có năng lượng hữu hạn,
khi đó tương quan chéo của x(n) và y(n) được định nghĩa bởi biểu thức sau




k
xy

nkykxnr )()()(
với n=0, ±1, ±2, ±3, …. (2.18)
2.5.2 Tự tương quan
Nếu x(n)=y(n) thì




k
xx
nkxkxnr )()()(
với n=0, ±1, ±2, ±3, …. (2.19)
2.5.3 Các tính chất của tương quan chéo và tự tương quan
Với hai dãy có năng lượng hữu hạn




n
x
nxE )(
2
và




n
y
nyE )(

2
(2.20)
- E
x
= r
xx
(0) và E
y
= r
yy
(0) (2.21)
- r
xy
(n) = r
yx
(-n) (2.22)