Bài 08 ứng dụng xử lý tín hiệu số trong đo lường

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐO LƯỜNG
Mai Quốc Khánh
Nguyễn Hùng An
Học viện KTQS
06/2019

*


Tài liệu tham khảo
1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh,
Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019.
2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc
Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm
2019.

2


Bài 8: Ứng dụng xử lý tín hiệu số
trong đo lường
1. Phân tích phổ tín hiệu
2. Tổng hợp tín hiệu số
3. Cải thiện chất lượng và khôi phục tín hiệu

3

1. Phân tích phổ tín hiệu


Phân tích phổ
 Phân tích phổ là một công cụ đa năng để nhận được hầu như

toàn bộ thông tin về các thành phần của tín hiệu.
 Phân tích phổ đóng

vai trò quan trọng
trong đo lường âm
thanh, kiểm tra các
dao động, y học và
các lĩnh vực kỹ thuật
khác.
Hai góc nhìn về tín hiệu: phân tích trên
miền thời gian và phân tích trên miền tần
số (phân tích phổ)

5


Hình ảnh một số máy phân tích phổ
Màn hình máy
phân tích phổ
Rigol DSA
1030

B&K Precision 2683
R&S®FSW-Signal

and spectrum
analyzer

PSA 1301t của TTi

6


Sử dụng FFT để phân tích phổ
 Tín hiệu tương tự được chuyển thành tín hiệu số với tần số

lấy mẫu fs  chuỗi 2n mẫu  tạo dạng bằng hàm cửa sổ 
các vạch phổ với chu kỳ fs/n và độ rộng băng fs/2.

FFT được sử dụng làm công cụ phân tích phổ
7


Sử dụng FFT để phân tích phổ (tt)
Ví dụ về biểu diễn phổ
của một tín hiệu méo sử
dụng phân tích FFT
(a) đồng bộ và (b) không
đồng bộ
(mô phỏng Matlab với
fs=2 kHz, N=320, A1=2V,
A2=1V, A3=0.5V, f1=50 Hz
(trường hợp a), f1=54 Hz
(trường hợp b)
Synchronus: fa=mfs/N

8


Sử dụng FFT để phân tích phổ (tt)
 Ưu điểm:

Bắt nhanh dạng sóng, cho phép bắt những dạng sóng
nhanh hoặc thời gian ngắn
Có khả năng bắt các sự kiện không lặp.
Có thể phân tích pha của tín hiệu
Có thể lưu giữ dạng sóng
 Nhược điểm:
Giới hạn về tần số: Giới hạn chính về tần số và độ rộng
băng của máy phân tích phổ FFT là các bộ chuyển đổi
ADC.
Giá thành: ADC chất lượng cao đòi hỏi giá thành cao.


Máy phân tích phổ sử dụng nhiều bộ lọc
 Mỗi bộ lọc được điều hưởng tới một tần số.
 Để đạt được độ phân giải đủ cho việc phân tích cần sử dụng

một số lượng lớn bộ lọc  Hạn chế: chỉ sử dụng để quan sát
một số hữu hạn hài được lựa chọn (VD: trong bộ san bằng
âm thanh HIFI).

Máy phân tích phổ sử dụng nhiều bộ lọc
10

Máy phân tích phổ sử dụng nhiều bộ lọc
 Ưu điểm:

Phân tích trực tiếp
Thời gian đo lường giảm
Phân tích thời gian thực
Phù hợp cho bất cứ loại tín
hiệu nào
 Nhược điểm:
Độ phân giải tần số càng tốt, kiến trúc mạch càng phức
tạp


Máy phân tích phổ với bộ lọc điều hưởng
 Số lượng lớn bộ lọc được thay thế bởi một (hoặc một số) bộ

lọc được điều hưởng.
 Nhược điểm: Thời gian phân tích tăng đáng kể.

Máy phân tích phổ với bộ lọc điều hưởng
12


Máy phân tích phổ đổi tần (phân tích phổ liên tiếp)
 Thay vì một bộ lọc, sử dụng một bộ tạo dao động được điều

hưởng  nguyên lý siêu ngoại sai (máy thu đổi tần).
RF input
attenuator

mixer

IF gain

IF filter

Input
signal

detector

Log
Amp

Pre-Selector
Or Low Pass
Filter

local
oscillator

video
filter

sweep
generator
Crystal
Reference

Máy phân tích phổ đổi tần

CRT display
13


Máy phân tích phổ đổi tần
Mixer

MIXER

input

RF
f sig

LO

f sig

f LO

f LO + f sig

f LO - f sig

IF

f LO

14


Máy phân tích phổ đổi tần
Mixer
• Là một thiết bị chuyển đổi một tín hiệu từ tần số này sang
tần số khác. Đôi khi còn gọi là bộ dịch tần số
• Bộ trộn là một thiết bị phi tuyến (các tần số tồn tại ở đầu ra
là không có ở đầu vào).
• Đầu ra của bộ trộn gồm 2 tín hiệu ban đầu (fsig và fLO) cũng
như các tần số tổng và hiệu (fLO+fsig) , fLO-fsig).
• Trong máy phân tích phổ, tần số hiệu thực tế là tần số
quan tâm. Bộ trộn sẽ chuyển đổi tín hiệu đầu vào RF
thành tín hiệu IF mà máy phân tích có thể lọc, khuếch đại
và tách sóng cho mục đích hiển thị tín hiệu trên màn hình.
15


Máy phân tích phổ đổi tần
IF Filter

IF FILTER

Input
Spectrum

IF Bandwidth
(RBW)

Display

16


Máy phân tích phổ đổi tần
IF Filter
 Bộ lọc IF là BPF được sử dụng như một cửa sổ để tách tín hiệu.
 Độ rộng băng của nó được gọi là độ rộng băng phân giải (RBW)

của máy, và có thể thay đổi qua mặt trước của máy. Độ phân
giải tần số là khả năng máy phân tích phổ có thể phân tách hai
tín hiệu sin đầu vào thành các đáp ứng riêng biệt.
 Nhờ các thiết lập độ rộng băng phân giải biến đổi dải rộng,
dụng cụ đo có thể được tối ưu cho các điều kiện quét và tín
hiệu, cho phép thỏa hiệp giữa độ chọn lọc tần số (khả năng
phân giải tín hiệu), tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR), tốc độ đo.
 Khi RBW hẹp, độ chọn lọc được cải thiện (ta có thể phân giải
hai tín hiệu đầu vào. Điều này cũng thường cải thiện SNR
17


Máy phân tích phổ đổi tần
Detector

18


Máy phân tích phổ đổi tần
Detector

DETECTOR

amplitude

"bins"

Phát hiện dương: Giá trị lớn nhất
trong bin được hiển thị

Phát hiện âm: Giá trị nhỏ nhất trong
bin được hiển thị
Phát hiện mẫu: Giá trị ở giữa bin
được hiển thị

19


Máy phân tích phổ đổi tần
Detector

20


Máy phân tích phổ đổi tần
Detector
 Máy phân tích phổ phải chuyển đổi tín hiệu IF thành tín

hiệu băng gốc hoặc tín hiệu video để có thể quan sát trên
màn hình hiển thị. Điều này được thực hiện bằng bộ tách
sóng đường bao mà sau đó sẽ làm lệch chùm tia CRT
trên trục y hoặc trục biên độ.

 Nhiều máy phân tích phổ hiện đại có hiển thị số, trước
tiên số hóa tín hiệu video sử dụng chuyển đổi tương tự
số ADC.
 Chế độ phát hiện đỉnh dương sẽ bắt và hiển thị giá trị
đỉnh của tín hiệu trong khoảng thời gian của một bin.
 Chế độ phát hiện đỉnh âm sẽ bắt giá trị cực tiểu của tín
hiệu cho mỗi bin.
21


Máy phân tích phổ đổi tần
Video Filter

VIDEO
FILTER

22


Máy phân tích phổ đổi tần
Video Filter
 Bộ lọc video là bộ lọc thông thấp được đặt sau bộ tách

sóng đường bao và trước ADC
 Bộ lọc này xác định độ rộng băng của bộ khuếch đại
video và được sử dụng để lấy trung bình hoặc làm mượt
hình ảnh trên màn hình.
 Bằng cách thay đổi thiết lập độ rộng băng video, ta có
thể làm giảm biến thiên đỉnh đến đỉnh của tạp âm.

23


Máy phân tích phổ đổi tần
Các thành phần khác

LO
SWEEP
GEN
RF INPUT
ATTENUATOR

frequency
CRT DISPLAY
IF GAIN

24


Máy phân tích phổ đổi tần
Các thành phần khác
 Bộ tạo dao động tại chỗ VCO điều hưởng máy phân tích phổ, có khả

năng được điều chỉnh trên một dải tần số rộng.
 Bộ tạo quét thực tế điều hưởng LO sao cho tần số của nó thay đổi tỷ lệ
với điện áp răng cưa. Nó làm lệch tia CRT theo chiều ngang từ trái qua
phải màn hình, tạo ra miền tần số trên trục x.
 Bộ suy hao đầu vào RF để điều chỉnh mức tín hiệu đến bộ trộn đầu
tiên ở mức tối ưu để tránh quá tải, nén tăng ích và méo.
 Bộ lọc thông thấp hoặc chọn trước Bộ lọc thông thấp chặn tín hiệu tần

số cao không cho tới bộ trộn. Việc lọc này ngăn cản các tín hiệu ngoài
băng không cho trộn với dao động tại chỗ và không cho phép tạo ra
các đáp ứng không mong muốn trên màn hình. Các máy phân tích phổ
sóng cực ngắn thay thế bộ lọc thông thấp bằng bộ chọn trước, đó là
bộ lọc có thể điều chỉnh được mà cho phép loại bỏ tất cả các tần số
ngoại trừ những tần số muốn quan sát.
25