Bài giảng Tín hiệu và hệ thống - Chương 5: Lấy mẫu - Bài 9 - Trần Quang Việt

Ch-5: Lấy mẫu (Sampling)  
Lecture-9  
5.1. Giới thiệu  
5.2. Lý thuyết lấy mẫu  
5.3. Biến đổi Fourier rời rạc (DFT)  
5.4. Biến đổi Fourier nhanh (FFT)  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.1. Giới thiệu  
f(kTs)  
to DSP  
f(t)  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
1
5.1. Giới thiệu  
y(kTs)  
from  
DSP  
i0  
y(t)  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.1. Giới thiệu  
Sample/hold  
∞
Sample  
Hold  
p(t) =  
δ(t −kT )  
∑
s
k=−∞  
f(kTs)  
f(kTs)  
Chu kꢀ lꢁy mꢂu Ts hay tꢃn sꢄ lꢁy mꢂu ωs=2π/Ts , Fs=1/Ts phꢅi thꢆaꢇ  
ꢈK nào?  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
2
5.2. Lý thuyết lấy mẫu  
ꢀ Xét tín hiꢉu cꢃn lꢁy mꢂu f(t) vꢊi bꢋng tꢃn hꢌu hꢍn là B Hz  
ꢀ Tín hiꢉu f(t) ꢎưꢏc lꢁy mꢂu bꢐng cách nhân vꢊi chuꢑi xung ꢎơn vꢒ  
∞
∞
f (t)=f(t)p(t)  
f (t)=f(t)  
ꢓ(t − nT )  
f (t) =  
f(nT )ꢓ(t − nT )  
s s  
∑
s
∑
n=−∞  
n=−∞  
∞
p(t) =  
δ(t − kT )  
∑
s
k=−∞  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.2. Lý thuyết lấy mẫu  
ꢀ Phꢔ cꢕa tín hiꢉu ꢎã ꢎưꢏc lꢁy mꢂu  
f(t) ↔ F(ꢖ)  
∞
2ꢗ  
p(t) ↔ P(ꢖ) =  
ꢓ(ꢖ − nꢖ ); F =1/T , ꢖ =2ꢗF  
s s s s s  
∑
T
n=−∞  
s
∞
−
−
1
1
f (t) ↔ F(ꢖ)= [F(ꢖ)∗P(ꢖ)] =  
2ꢗ  
F(ꢖ− nꢖ )  
s
∑
T
n=−∞  
s
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
3
5.2. Lý thuyết lấy mẫu  
ꢀ Khôi phꢘc tín hiꢉu - ꢈꢒnh lý lꢁy mꢂu: ꢈL Nyquist, ꢈL Shannon  
Low-pass Filter  
ꢖs ≥ 4ꢗB  
F ≥ 2B; F =2B Nyquist rate  
s s  
Tín hiꢉu có phꢔ giꢊi hꢍn là B Hz có thꢙ khôi phꢘc chính  
xác tꢚ các mꢂu cꢕa nó có ꢎưꢏc khi lꢁy mꢂu ꢎꢛu ꢎꢜn vꢊi  
tꢄc ꢎꢝ Fs≥2B mꢂu/s. Nói cách khác tꢃn sꢄ lꢁy mꢂu nhꢆ  
nhꢁt là Fs=2B Hz  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.2. Lý thuyết lấy mẫu  
ꢀ Lꢁy mꢂu vꢊi bꢝ giꢌ mꢂu bꢞc không:  
∞
p(t) =  
δ(t −kT )  
∑
s
k=−∞  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
4
5.2. Lý thuyết lấy mẫu  
ꢀ Phꢔ cꢕa tín hiꢉu ꢎã ꢎưꢏc lꢁy và giꢌ mꢂu:  
| F(ꢖ) |  
Low-pass Filter  
ꢀ Khôi phꢘc tín hiꢉu tꢚ tín hiꢉu ꢎã ꢎưꢏc lꢁy và giꢌ mꢂu:  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.2. Lý thuyết lấy mẫu  
ꢀ Lưu ý khi lꢁy mꢂu thꢟc tꢠ:  
ꢁ Tín hiꢉu có bꢋng tꢃn hꢌu hꢍn: cꢃn lꢁy mꢂu vꢊi tꢄc ꢎꢝ lꢊn hơn  
tꢄc ꢎꢝ Nyquist  
Ideal Filter  
Practical Filter  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5
5.2. Lý thuyết lấy mẫu  
ꢁ Tín hiꢉu thꢟc tꢠ thưꢡng có bꢋng tꢃn vô hꢍn: giꢊi hꢍn bꢋng tꢃn  
bꢐng bꢝ lꢢc chꢄng chꢣng lꢁn phꢔ  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.2. Lý thuyết lấy mẫu  
ꢁ Tín hiꢉu thꢟc tꢠ thưꢡng có bꢋng tꢃn vô hꢍn: giꢊi hꢍn bꢋng tꢃn  
bꢐng bꢝ lꢢc chꢄng chꢣng lꢁn phꢔ  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
6
5.3. Biến đổi Fourier rời rạc DFT  
ꢀ Mꢘc ꢎích: thiꢠt lꢞp mꢄi quan hꢉ giꢌa các mꢂu trong miꢛn thꢡi gian  
vꢊi các mꢂu trong miꢛn tꢃn sꢄ  
∞
1
∞
F(ꢖ)ejꢖtdꢖ  
F(ꢖ)= f(t)e−jꢖtdt  
f(t)=  
∫
−∞  
∫
2ꢗ  
−∞  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.3. Biến đổi Fourier rời rạc DFT  
ꢀ Xét tín hiꢉu f(t) ꢎưꢏc lꢁy mꢂu vꢊi chu kꢀ Ts  
ꢀ Xét tín hiꢉu tuꢃn hoàn fT0(t) do lꢞp lꢍi T0f(t) vꢊi chu kꢀ T0:  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
7
5.3. Biến đổi Fourier rời rạc DFT  
ꢀ Lꢁy mꢂu phꢔ tín hiꢉu ꢎã ꢎưꢏc lꢁy mꢂu vꢊi chu kꢀ ω0  
N0 mẫu  
N0 mẫu  
N0=T /T =ꢖ /ꢖ0  
0
s
s
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.3. Biến đổi Fourier rời rạc DFT  
ꢀ Biꢠn ꢎꢔi DFT thuꢞn:  
ꢁ Do f(t) chꢥ tꢣn tꢍi tꢚ 0 ꢎꢠn T0 (tương ꢤng vꢊi N0 mꢂu):  
N0 −1  
N0 −1  
_
_
F(ꢖ)= f(kT )e− jꢖkT  
s
f (t)= f(kT )ꢓ(t − kT )  
∑
∑
s
s
s
k=0  
k=0  
ꢁ Mꢜt khác trong ꢎoꢍn -ωs/2 ꢎꢠn ωs/2 (tương ꢤng vꢊi N0 mꢂu):  
_
N0 −1  
_
F(ꢖ)  
F(rꢖ )=T F(rꢖ )=T  
f(kT )e− jrꢖ kT  
0
s
F(ꢖ) =  
∑
0
s
0
s
s
T
s
k=0  
ꢁ ꢈꢜt Ω0=ω0Ts=2π/N0; Fr=F(rω0): mꢂu thꢤ r cꢕa F(ω); fk=Tsf(kTs):  
mꢂu thꢤ k cꢕa f(t); ta có:  
N0 −1  
f e−jrꢦ k (Biꢠn ꢎꢔi DFT thuꢞn)  
0
F =  
∑
r
k
k=0  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
8
5.3. Biến đổi Fourier rời rạc DFT  
ꢀ Biꢠn ꢎꢔi DFT ngưꢏc: nhân DFT thuꢞn vꢊi ejmꢦ r sau ꢎó lꢁy tꢔng:  
0
N0 −1  
N −1N −1  
0
0
F ejmΩ r  
=
=
f e−jrꢦ k ejmΩ r  
0
0
0
∑
∑ ∑  
r
k
r=0  
r=0 k=0  
N0 −1  
N0 −1  
N −1  
0
F ejmΩ r  
f
ej(m−k)ꢦ r  
0
0
∑
∑ ∑  
k   
r=0  
r
r=0  
k=0  
N0 −1  
0; k ≠ m  
F ejmΩ r  
=
0
∑
r
N0fk = N0fm;k = m  
r=0  
N0 −1  
1
fk =  
F ejrꢦ k  
0
(Biꢠn ꢎꢔi DFT ngưꢏc)  
∑
r
N0  
r=0  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.4. Biến đổi Fourier nhanh FFT  
ꢈưa ra bꢧi Turkey and Cooley nꢋm 1965, N0 phꢅi là lꢨy thꢚa cꢕa 2  
2
Giꢅm khꢄi lưꢏng tính toán:  
N0 → N0 log N0  
N0 −1  
N0 −1  
1
F e jrΩ k Fr =  
fke− jrΩ k  
Nhân: N0  
Cꢝng: N0-1  
0
0
fk =  
∑
∑
r
N0  
r=0  
k=0  
Tꢔng cꢝng cho các hꢉ sꢄ: N0N0 phép nhân và N0(N0-1) phép cꢝng  
ꢀ ꢈꢜt: WN = e− j 2π / N = e− jΩ  
(
)
0
0
0
ꢀ Các biꢙu thꢤc DFT ꢎưꢏc viꢠt lꢍi:  
N0 −1  
N0 −1  
1
Fr =  
fkWNkr fk =  
F W −kr  
r N0  
∑
∑
0
N0  
k=0  
r=0  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
9
5.4. Biến đổi Fourier nhanh FFT  
ꢀ Chia fk thành 2 chuꢑi: chꢩn và lꢪ theo sꢄ thꢤ tꢟ:  
f0, f4, f6,..., f  
f , f3, f5,..., f  
N0 −1  
N0 −2 1  
ꢀꢁꢁꢁꢂꢁꢁꢁꢃ ꢀꢁꢁꢁꢂꢁꢁꢁꢃ  
sequence gk  
sequence hk  
Biꢙu thꢤc DFT ꢎưꢏc viꢠt lꢍi:  
N
N
0 −1  
0 −1  
2
2
(2k+1)r  
F =  
r
f W 2kr  
+
f
W
N0  
∑
∑
k=0  
2k N0  
2k+1  
k=0  
2
N0  
Ta có:  
N
W =W  
0
2
N
N
0 −1  
0 −1  
2
2
kr  
f W kr +W r  
f
r
2k  
N0  
2k+1  
= Gr +WNr Hr  
N
N
W
0
⇒ F =  
0
∑
∑
k=0  
2
2
0
k=0  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.4. Biến đổi Fourier nhanh FFT  
N
N
0 −1  
0 −1  
2
2
N
N
Fr = Gr +W r Hr  
kr  
⇒
⇒ F =  
f W kr +WNr  
f
W
0
0
∑
∑
k=0  
N0  
r
2k  
2k+1  
0
2
2
k=0  
(0 ≤ r ≤ N0 −1)  
ꢀ Do Gr và Hr là DFT N0/2 ꢎiꢙm nên nó có tính tuꢃn hoàn:  
N
N
0
Gr+ = Gr & H  
= Hr  
0
r+  
2
2
N
N
0
2
0
2
WNr+ =W WN  
r
= e− jπWNr = −WNr  
Mꢜt khác:  
N0  
0
0
0
0
N
0
⇒ Fr+ = Gr+ +WNr+ Hr+  
r
2
N
N
N
0
0
0
N
F
= G −W H  
r N0 r  
0
⇒
r+  
2
2
2
0
2
N0  
Fr = Gr +WNr Hr; 0 ≤ r ≤ −1  
2
0
⇔
N0  
Fr+ = Gr −WNr Hr; 0 ≤ r ≤ −1  
N
0
2
0
2
ꢀ Áp dꢘng tính DFT N0=8 ꢎiꢙm:  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
10  
5.4. Biến đổi Fourier nhanh FFT  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.4. Biến đổi Fourier nhanh FFT  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
11  
5.4. Biến đổi Fourier nhanh FFT  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
5.4. Biến đổi Fourier nhanh FFT  
N0  
Fr = Gr +WNr Hr; 0 ≤ r ≤ −1  
2
0
⇔
N0  
Fr+ = Gr −WNr Hr; 0 ≤ r ≤ −1  
N
0
2
0
2
ꢀ Sꢄ phép toán nhân và cꢝng dùng ꢎꢙ tính DFT dùng giꢅi thuꢞt FFT:  
N0  
ꢁ Sꢄ phép toán nhân:  
log2 N0  
2
ꢁ Sꢄ phép toán cꢝng: N0 log2 N0  
Signals & Systems – FEEE, HCMUT  
12  
pdf 12 trang Thùy Anh 18180 Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Tín hiệu và hệ thống - Chương 5: Lấy mẫu - Bài 9 - Trần Quang Việt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_tin_hieu_va_he_thong_chuong_5_lay_mau_bai_9_tran_q.pdf