การออกแบบตัวกรองดิจิตอล digital filters design ...
DESCRIPTION
การออกแบบตัวกรองดิจิตอล Digital Filters Design Chapter 1 Introduction to DFD. Asst. Prof. Dr. Peerapol Yuvapoositanon , PhD,DIC Department of Electronic Engineering and Graduate School of Electrical Engineering Mahanakorn University of Technology. Course Web page. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
การออกแบบตวกรองดจตอลDigital Filters Design
Chapter 1 Introduction to DFD
Asst. Prof. Dr. Peerapol Yuvapoositanon, PhD,DIC
Department of Electronic Engineering and
Graduate School of Electrical Engineering Mahanakorn University of Technology
Course Web page http://embedsigproc.wordpress.com/eeet0
770/
2Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
3Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
What is Signals ? สญญาณ (Signals) : คอ การแปรรปของพลงงานท
ทงมองเหนและมองไมเหน ไดยนและไมไดยน สมผสไดและสมผสไมได ใหเปนปรมาณทางไฟฟา
สญญาณเรดาร เสยงพด เสยงเพลง เสยงปลาวาฬ อนฟราเรด คลนสญญาณโทรศพท คลนสนาม สญญาณมอของจราจร กลนไวน แรงกระแทก และ อนๆ อกมากมาย...
Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon 4
Digital Signal Processing
DSP เปน กระบวนการ (Process) ทางดจตอลทชวยหาความหมาย ของสญญาณ (signals) ทไมสามารถเขาใจไดดวย ตา ห จมก ลน สมผส โดยเนนไปทสญญาณเชงกำาหนด (deterministic signals)
5Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
สญญาณ
Continuous-Time V.S.
Discrete-Time Signals
0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T 12T 13T 14T 15T 16T 17T
Continuous time, Continuous Amplitude
Discrete time , Continuous Amplitude
1( )x t
t2( )x t
t
6Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Sampled Signal เราสรางสญญาณ sampled output ไดจากการใช “ส
วทซ”
t nT
1( )x t
0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T 12T 13T 14T 15T 16T 17T
2( )x t
t
Input Sampled Output
7Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Other Discrete-time
001010011100101
001010011100101
0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T 12T 13T 14T 15T 16T 17T
0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T 12T 13T 14T 15T 16T 17T
0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T 12T 13T 14T 15T 16T 17T
Discrete time, Discrete Amplitude
Continuous time, Continuous Amplitude,
Uniform time steps
Continuous time, Discrete AmplitudeUniform time steps
3( )x t
t4( )x t
t5( )x t
t
8Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
DSP System Block Diagram
DSP Processor D/AA/D
( )x t ( )y n ( )y t( )x n
9Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Sampling การสมสญญาณ x(t) ทำาใหไดสญญาณ x(n)
ผลลพธคอ x(n) เขยนเปน
( )x t ( )x n
สมดวยความถ=
sf
( ) ( )t nT
x n x t
... 1
s
Tf
t
( )x t
10Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
สญญาณ x(n) = สญญาณสม “s(n)” คณ สญญาณ “x(t)”
S(n) ประกอบจาก อลเมนทยอย คอ อมพลส
Combination of Sampling
nT
t
n
( )x t
( )x n
11Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Elements of the Sampling Signal
S(n) นนประกอบจากสวนยอยๆ
n
Tn
n
n
nT 2T 3T
s(n)+
+
+
=
12Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
An Impulse is Delta Function
อมพลส คอ เดลตาฟงกชน ใหคา “1” เมอ n=0
และ ใหคา “0” เมอ n เปนคาอนๆ
เขยนเปน
n01, 0
( )0, 0n
nn
1
( ) ( )t nT
n t
อมพลส
13Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
อมพลสนำามารวมกนไดเปน s(n) ไดจากการเลอนคา
n0
1
n1
1อมพลสทถกเลอนไปชวงเวลา 1 ลำาดบ
( 1)n
อมพลสทไมมการเลอนคา
( )n
0
14Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Summing of Shifted Delta
( )n
( )n T
( )n T
+
+
( 3 )n T +
n
n
n
nT 2T3T
+
+
+=
0
n( ) ( ) ( 2 ) ( 3 )n n T n T n T
15Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Sampling Signals=Summing of Impulses
สญญาณทเปนสญญาณสมนนประกอบดวย เดลตาฟงกชนทมคาการเลอนแตกตางกน
หรอ เขยนใหมในรปกะทดรดไดเปน
( ) ( ) ( ) ( 2 ) ( 3 )s n n n T n T n T
3
0( ) ( )
ks n n kT
16Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Discrete-time Signal x(n) x(n) สรางจาก ผลคณของ x(t) และ s(n)
( ) ( ) ( )k
x t t kT x n
t
( )x t
n
( )x n
n=X …
17Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ระบบ
System with Delta function
สมดวยความถ=
sf
( ) ( )h n n
( ) ( )h n n
( )x n ( )x n
18Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Sampled Signal(0) (0)x
(1) ( 1)x n +
(3) ( 3)x n
+
n
n
n
n1 2
+
+
+=
0
(2) ( 2)x n
+
3
19Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ระบบ
System with Delayed Delta function
( 1)x n สมดวยความถ=
sf
( ) ( 1)h n n
( ) ( 1)h n n
( )x n ( )x n
20Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Delayed Signal( 1) (0)x
(0) ( 1)x n +
(2) ( 3)x n +
n=0
n=1
n=2
n=3
+
+
= (1) ( 2)x n +
+
1 20 3
21Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Convolution สญญาณถกดดแปลง หากระบบไมใชเดลตาฟงกชน เราเรยกการกระทำาของระบบวา Convolution หรอ การประสาน
( )x n ( )y n
1
0( ) ( ) ( )
K
kh n h k n k
ระบบ
(0)h(1)h
22Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Convolved Signal
+
+
= +
n=0
n=1
n=2
n=3
+
+
+
(0) (0) ( 1) (1)x h x h
(1) (0) (0) (1)x h x h
(2) (0) (1) (1)x h x h
(3) (0) (2) (1)x h x h
1 20 3 1 20 3
23Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Convolution Effect รวมคาจากสองกราฟ
+
รวมสญญาณ
สญญาณไมเหมอนเดม
ผลจาก h(1)ผลจาก h(0)
24Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Nyquist Frequency ความถแซมปลงทเหมาะสมจงตองมากกวา 2 เทาของ
แบนดวทของสญญาณ:
เมอ Fs เปนความถ sampling และ B แบนดวทของสญญาณ
2B เรยก อตราไนควสต (Nyquist Rate) และ เรยก Fs/2 วาเปน ความถไนควสต (Nyquist
Frequency)
Fs > 2B
25Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Aliasing หากการสมไมเปนไปตามทฤษฎการสมจะเกด แอลแอส มวร แพทเทรน (moire pattern) เปนผลของแอลแอส ในเรอง
Image processing
ไมเกดมวรแพทเทรนเกดมวรแพทเทรน
26Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Signal Reconstruction การคนรปสญญาณทำาไดโดยการใชกรอง (filter) เอา
เพยงแต copy เดยว
จงเหลอเพยงหนง copy ของสญญาณ
filtering
f
f
27Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Fourier Transform Pair
f t
FT
f t
FT
Rectangular(f) sinc(t)
sinc(f) Rectangular(t)
28Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
DFT : Discrete Fourier Transform
บางครงองคประกอบเชงความถของสญญาณ กเปนเรองสำาคญในการวเคราะห
Fourier Transform เปนการแปลงสญญาณโดเมนเวลา (t) ไปเปนโดเมนความถ (f)
FTt
ความถเวลา
29Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Time Domain Signal and its Frequency
ความถของสญญาณ time domain
30Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
DFTs of Various Functions
แปลง DC จะได อมพลส
แปลง อมพลส จะได DC
แปลงความถ
แปลง sine
แปลงพลส
31Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
DFT Fundamental ผลการแปลง FT ไดความถแบบตอเนอง
DFT เปน FT แบบดจตอล--ไดความถแบบไมตอเนอง
FTt
DFTn
x(n)
x(t)
k
f( )X k
( )X f
32Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
DFT Frequency ตวแปรเชงความถ
FsFs/21
2
1/2
p radiansHz
000fnorm
f
( )X f
33Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Number of Points in DFT
= ผลการแปลง DFT ของ x(n)
ผลการแปลง DFT ใหหนวยของ ความถในรป ลำาดบ k N เปน จำานวนจด (N-point) ของ DFT
4-point
0 1 2 3
( )X k
= ผลการแปลง FTk
34Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
8-point DFT เมอใชจำานวนจดเพมขนเปน 8 จด จะไดแซมเป ลมากขน
8-point( )X k
k0 1 2 3= ผลการแปลง DFT ของ x(n)= ผลการแปลง FT
35Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
16-point DFT เมอใชจำานวนจดเพมขนเปน 16 จด จะไดแซมเป ลมากขน
แตไมเพม resolution 16-point( )X k
k150 8= ผลการแปลง DFT ของ x(n)= ผลการแปลง FT
36Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
FFT: Fast Fourier Transform
FFT เปนกรรมวธทชวยให DFT ทำางานเรวขน โดยอาศยการซำ�ากนของคาสมประสทธ
อยาลมวา…
ดงนนใน Matlab และ Simulink จะไมมคำาสงหรอ บลอกสำาหรบทำา DFT จะมแตของ FFT
FFT = DFT
37Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Fourier Series จากทฤษฎของฟรเยร (Fourier) ทมใจความสำาคญวา
สญญาณทเปนคาบเวลา (periodic) ใดๆ นน เกดขนจากองคประกอบของฟงกชนพนฐานทางตรโกณมต คอ Sine และ Cosine ทตางคาความถและขนาด
ทฤษฎนเปนทรจกกนวาเปน อนกรมฟรเยร (Fourier Series)
38Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Fourier Series of Square Wave
กรณสญญาณเปน สเหลยม
เราไดวา จากอนกรมฟรเยร
T/2 Time (ms)0
1
T-T -T/2
-1
3T/2-3T/2
1 1 14 4 4( ) sin(2 ) sin(2 3 ) sin(2 5 ) ...
3 5x t f t f t f t
สมประสทธ
ฮารโมนก
39Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Fourier Series of Sawtooth
สญญาณอนๆ กสรางไดเชนเดยวกน ตย. เชน
ผลรวมเปนสญญาณฟนเลอย(Sawtooth)1 1 1 1
2 2 2 2( ) sin 2 sin 2 2 sin 2 3 sin 2 4 ...2 3 4
x t f t f t f t f t
40Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Digital Filters ตวกรองดจตอล (Digital Filters) คอ อปกรณททำา
หนาท “ดดแปลง สญญาณ ทงเชงความถ และ เชงเวลา ” ตวกรองดจตอลมทง Finite Impulse Response
(FIR) และ Infinite Impulse Response (IIR) ตวกรองดจตอล ประกอบดวย อปกรณการบวก ตวคณ
ตวหนวงเวลา และ สมประสทธ FIR ไมมสวนของ feedback IIR มสวน feedback
41Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
FIR ไมมสวนของ feedback
Finite Impulse Response (FIR)
1 2 3( ) ( ) ( 1) ( 2)y n b x n b x n b x n
Delay
NB. Simulink Design
42Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Infinite Impulse Response (IIR)
IIR มสวนของ feedback0 0 1 2( ) ( 1) ( ) ( 1) ( 2)y n a y n b x n b x n b x n
Feedback
43Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Transfer Function I ฟงกชนถายโอน (transfer function) คอ อตราสวน
ระหวางคา การแปลง z ของเอาทพท เทยบกบอนพท การแปลง z =การแปลงสมการใหอยในรป
1 21 2 3( ) ( ) ( ) ( )Y z b X z b z X z b z X z
1 2 3( ) ( ) ( 1) ( 2)y n b x n b x n b x n
z -Transform
สงเกตวา การหนวงเวลา k ถกเปลยนเปน z-k
+- ´ ¸
44Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Transfer Function VS Frequency Response
1 21 2 3
( ) ( )( )
Y z b b z b z H zX z
ฟงกชนถายโอน
1 2
1 2
( )( )( )( )( )z z z zH zz p z p
โดยทวไปฟงกชนถายโอนจะอยในรป เศษสวน
1 2, ,...z z = ซโร (zero) (o)= โพล (pole) (x)1 2, ,...p p
45Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Z-Transform การแปลงแซด
je เปนเวคเตอรขนาดหนงหนวย
1je
เปนคาความถเชงมม p 0
cos sinj
z j
e
46Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ขนาดผลตอบสนองความถเปน ขนาดจากซโร ไปยงวงกลมหนงหนวย หารดวย ขนาดจากโพลไปยงวงกลมหนงหนวย ณ ความถหนง
Frequency Response from Poles and Zeros
1 2
1 2
( )( )( )
( )( )j z z z z
H ez p z p
.234
p 0AB
.234( )j BH eA
ขนาดท .234
47Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Example for Frequency Response
p 0AB
p 0AB
p 0AB
B > A B = A B < A1( )jH e w = มาก = กลางๆ = นอย
สมมตวา โพล = .8 ซโร =0 ความถตำา ความถกลางๆ ความถสง
1( )jH e w 1( )jH e w
48Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Example for Frequency Response
ความถ
( )jH e w p 0ABp 0
ABp 0AB
ความถตำา ความถกลางๆ ความถสง
49Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Basic Filter Topology
0 c c
1 1
0
1 1
11 22
Lowpass filter(LPF )
Highpass filter(HPF)
Bandpass filter(BPF)
Bandstop filter(BSF)
( )jD e
0 c c
0 1 22 1
( )jD e
( )jD e ( )jD e
50Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
FIR Filter Design
1
0
( )jH e
c
0.5
Ideal lowpass = ( )jD e
51Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
FIR Filter Design Parameters
1 p
1 p1
s
0p s
( )jH e
c
แถบผาน แถบหยด
แถบเปลยน
0.5
pA
sA
120log dB
1p
pp
A
20log dBs sA
Ideal
52Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
FIR Design with Window Method
การออกแบบ FIR หากตองการตวกรองตำาผานแบบอดมคต นนใหผลในการตดสญญาณดงน
แตปญหาคอ Sinc Function นนสรางไมไดจรงเพราะมสญญาณ –inf ถง +inf และมคาเวลาเปนคาลบ n<0 ดวย
Sinc function
Inverse FTf
……
( )jD e
53Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Realizable Filter ทำาตวกรองจรงไดโดยการ คณ sinc และ ฟงกชน
หนาตาง “ ”Sinc function
f n
w(n)
0 N-1
1x
n0 N-1
h(n)
สญญาณทใชงานได มจำานวนแซมเปลทจำากด
54Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
หนาตางแบบตางๆ ใหประสทธภาพแตกตางกน
Different Windows
n0 N-1
1
n0 N-1
1
n0 N-1
1
Rectangular Hamming Kaiser
55Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Windows Performance
1
( )jH e
c
0.5
n0 N-1
1
n0 N-1
1
n0 N-1
1Small sidelobesBroad transition
Big sidelobesNarrow transition
56Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Analogue Filter Prototypes
ตวกรองแบบแอนะลอกนนมทฤษฎการออกแบบมาอยางดแลว
เราเรยกวาตนแบบแอนะลอก เราใชตนแบบแอนะลอกในการออกแบบตวกรองดจตอล
ตวอยางเชน Butterworth, Chebychev, Elliptic
57Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
IIR Filter Design
c adbM
2( )pLPH jW
0 dB-3 dB
Cutoff Frequency Attenuation Frequency
อตราการลดทอนท a
0
58Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Filter Design and Analysis (FDA) Tool
เราใช FDA Tool ใน Signal Processing Toolbox ของ MATLAB เพอการออกแบบ digital filter ทสะดวกรวดเรว
>>fdatool
59Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
FIR Design by FDA Tool ตวอยาง การออกแบบ FIR แบบฟงกชนหนาตาง เปลยนพารามเตอรเพอดผลลพธ
ชนดหนาตาง อนดบ (order)
60Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
FIR Design by FDA Tool
Realize Filter
Realize Filter
61Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Frequency Response of Filter
Lowpass
+
+ +
+
+ +Lowpass
62Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ใชสญญาณทความถปรบตอเนอง --- Chirp Signal
ใชสญญาณทมทกๆ ความถ --- White Noise
Two ways to find Freq. Resp.
Lowpass
Chirp
Lowpass
f f
63Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
เราสรางสญญาณทประกอบดวยทกความถเทาๆ กน จาก Random Source
White Noise Generator
frequency
time
64Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 4: Filter Testing Chirp Signal input สำาหรบตวกรอง IIR
65Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 4: Filter Testing
66Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 4: Filter Testing Impulse response ของระบบ FIR
67Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 4: Filter Testing ทดลองใช Random Source และ Digital Filter
รวมกราฟ
Short-Time FFT
FFT
White noise
Generator
ทฤษฎ
68Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 4: Filter Testing ผลการทดลอง สงเกตความเขากนไดของผลจากการ
ทดลองและทฤษฎ
69Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
ทดลองออกแบบตวกรอง FIR ดวย fdatool
70Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
71Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
72Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
73Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
74Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
75Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
76Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
การ export คาจะไดอยในรปบลอก simulink
77Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
78Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
ตอบลอก sine wave และ scope เพม
79Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
แยกแสดงผล
80Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
81Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
82Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
10,800 Hz-6 dB (0.5V)
83Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
15,100 Hz-20 dB (0.1 V)
84Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
85Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
86Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
87Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 5: FIR Design by Fdatool
10.8 kHz-6 dB
88Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
IIR design โดยใชตนแบบ Butterworth
89Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
-3 dB @Fc
เราสามารถเลอก order ไดเอง
90Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
91Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
92Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
93Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
94Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
95Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
เราสามารถเปลยนโครงสรางของตวกรองเปนแบบอนๆได
96Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
Lattice
97Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
98Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
ใชการแปลง sos2tf ใน MATLAB
99Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
100Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 6: IIR Design by Fdatool
12 kHz-3 dB
101
Part IIIFundamental of Random Signals
102Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Random Signals สญญาณโดยทวไปนนอยในรปสญญาณทไมแนนอน เรยกสญญาณทมความไมแนนอนนนวาสญญาณสม
(Random Signal)
สญญาณรบกวน
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500-3
-2
-1
0
1
2
3
4
เสยงพดวา Matlab
103Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Statistics Values เราไมสามารถ ใช spectrum ในการหาความหมายของ
สญญาณสม ได
เราใช คาสถต (Statistics) คาเฉลย (Mean) คา Correlation
104Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Expectation Value คาเฉลยของสญญาณ (mean) แสดง ปรมาณกลาง
ของสญญาณ
n
1( )x n
0 1K 1( )x n
E{x(n)} = คาคาดหวง (expected value) ของสญญาณ
105Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Correlation คา correlation นนไดเปนการบอกวาสญญาณมความเหมอนกน
หรอไม? ทเวลาการหนวงเทาใด? คำานวณจากคาเฉลยเชงสถตของผลคณของสองสญญาณ คาเฉลยเชงสถตดงกลาวเรยกวา คาคาดหวง (expectation
value) ตวอยางคา correlation ของ A และ B ม สญลกษณ
ÄA B = E{A*B}
E{ } =Expectation operatorÄA A = E{A*A}
Cross-correlationAuto-correlation
106Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Auto and Cross correlation
Autocorrelation
Cross-correlationÄA
AC
ÄA
BD
107Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Random Signal สมมตวา สญญาณสม (เชน เสยงพด) เปนดงรป
108Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
เราทำาการหา autocorrelation ของ สญญาณสม
AutoCorrelation
ÄA
A
109Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Different Signals หากมสญญาณสม B ท ไมเหมอน A
110Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Different Random Signals
ความแตกตาง
A
A
A-A
A
B
A-B
111Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Cross Correlation คณสมบตสญญาณสมนนไมสามารถดได (หรอดไดยาก) จาก “ตา
เปลา แตสามารถใช ” cross correlation ตรวจสอบได
ÄA
B
112Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Cross Correlation สำาหรบสญญาณทไมเหมอนกน ไมม
crosscorrelation
ÄA
C
113Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Communication Signal สญญาณในการสอสารดจตอล เชน โทรศพทมอถอนนจะเปน
สญญาณทเปนขอมลขาวสาร (information) ตามทฤษฎขอมล (Information Theory) ของ C.E.
Shannon นน ยงสญญาณมความเปนขอมลมาก กยงมความเปนสญญาณสมมากดวย
1 0 1 0 1 01 1 1 001
ขอมลขาวสาร = สญญาณสม
114Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Cross Correlation ApplicationCode Division Multiple Access
(CDMA) ใชการเขารหส
1 0 1 0 1 01 1 1 01 1
0 1 01 1Code
1 X
“1”….
….
Bit 1 Bit 2
Chip
Modulation
DATA1 1 0
115Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
CDMA Receiver
0 1 01 1Code
1 X Correlation
1 0 1 0 1 01 1 1 01 1“1”
….Bit 1 Bit 2Chip
1 1 0
Integration
116Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Simulink Model of CDMA
Note: ในทางปฏบต เราใช +1 และ -1 แทนขอมล 1 และ 0 ตามลำาดบ
117Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Decoding
Code ถกตอง
Code ไมถกตอง
สญญาณ mod
สญญาณ mod
สญญาณ Demod
สญญาณ Demod
118Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Adaptive Signal Processing
การประมวลผลสญญาณแบบอนพทเปนแบบ สญญาณสม โดยเฉพาะ เรอง การประมวลผลสญญาณแบบปรบตวได (adaptive signal processing)
ความตองการคอ การหกลางผลทไมตองการ เชน ผลของ channel ในเรอง Equalisation ผลของ room ในเรองของ Echo Cancellation ผลของ transfer function ของผวหนงในการวด ecg
119Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Channel Equalisation
Multipath Channel
11 0 1 0
21 0 ? ?
1
ไมม multipath
ม multipath
I)
II)
120Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Transfer Function เมอแปลงผลของ channel ดวยการทำาการแปลง z
กรณไมม multipath H(z) =1 Multipath ทำาใหเกดการผดเพยนทางโดเมนเวลา เราแกไขงายกวาหากแก Multipath ทางโดเมนความถ
1 2 zft
1z
ft
H(z)=1
H(z)=?
ไมม multipath
ม multipath
121Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Basic Equalisation I เราใช Equaliser ในการดดแปลง channel ใหมคา H(z) เปน 1 ดวยการทำา inverse
Channel Equaliser
H(z) 1/H(z)
*
122Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Basic Equalisation II กรณท ไมทราบ channel H(z) เราตองอาศยการ
ปรบคาเองจาก error
Channel Adaptive Equaliser
H(z) 1/H(z) *
+ e
d
y +-x
123Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Adaptive Algorithm คาผดพลาด error= d-y
คาใหม = คาเดม + สเกล * คาผดพลาด*อนพท
เรยกวา Least-Mean Square (LMS) algorithm
w(n)=w(n-1) + mu*e(n)*x(n)
For n=1:N
end
e(n)= d(n)-y(n)
Algorithm
124Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
LMS Algorithm Block บลอก LMS
Normalization
125Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Adaptive Equalisation ตวอยางการใชบลอก LMS สรางระบบ Adaptive
Equaliser
126Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Noise Cancellation สญญาณรบกวนเปนสงทเราไมตองการ
วธการทงายทสดกคอ แกดวย หฟงแบบพเศษ
127Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
การสรางสญญาณกลบเฟสทำาใหเกดบรเวณเงยบ Active Noise Canceller สรางสญญาณกลบเฟสดวยอลกอ
รธม DSP
Basic of Noise Cancellation
FeedbackANC
สญญาณรบกวนPilot Mic
Loudspeaker
บรเวณเงยบ
n
n-n
128Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Active Noise Cancellation Headphones
การใชงาน ANC ทไดผลด คอ ใน Headphones
LX-18 Active Noise Cancelling Headphones
129Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Diagram of Active Noise Cancellation Headphones
H(z)n n
y
1. สญญาณเขา n ท Ext.Mic2. n ถกดดแปลงเปน n จาก H(z)ท Pilot Mic.3. ANC พยายามสราง y เปน n
ทกลบเฟส ( คอ –n)
1 2
3
H(z) เปนโมเดลทาง Acoustic
Ext.Mic
Pilot MicQuiet Zone
130Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ANC แปลงโมเดล
Loudspeaker
Algorithm
+
Exterior Mic
e
yn
Pilot Micn
ANC
FIR
131Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ANC Simulink Model Dspanc_win32.mdl
132Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Adaptive Time Delay Estimation
จากเรองของการทำา Adaptive Time Delay
Adaptive Equaliser + error
d
y +-x
Delayd
+
Noise
133Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ADTE: Simulink Model lmsadte.mdl
คาสมประสทธตวกรองแสดงตำาแหนงของการหนวง
9
9
134Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ECG Measurement สญญาณ ECG เปนสญญาณทสำาคญ เพอตรวจสอบ
อาการผดปกตตางๆ ของ หวใจ
135Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ECG Signal ใช Matlab ในการสราง ecg
136Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
ECG Measuring Circuit บลอกไดอะแกรมของวงจรสำาหรบการวด ECG
137Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Diagram of ECG Measurement with Noise
H(z)
1 2
3
H(z) เปนTransfer Function ของผวหนง
ECG Sensor
220 Vac 50Hz
ผวหนงขนาดและเฟสของ 220 V ถกเปลยนแปลงดวย H(z)
ECG
4
50 Hz
50 Hz
138Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
50Hz Notch Filtering เราจะทำาการตดสญญาณ 50 Hz ดวย Notch filter
From ECG Sensor
Notch FilterFiltered ECG
50 Hz f50 Hz
139Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 7: 50Hz Canceling in ECG
ออกแบบ Notch filter ดวย Fdatool บลอกใน Simulink
50Hz
50 Hz f
Fpass140 Hz
Fstop145 Hz
Fpass255 Hz
Fstop260 Hz
140Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 7: 50Hz Canceling in ECG
ระบบ 50Hz Canceling ดวย Notch filter
Notch Filter
141Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 7: 50Hz Canceling in ECG
142Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
กรณสญญาณเขามาเปนม distortion เชน สญญาณไมเปน sine แทจรง เชน มการ clipping
Lab 7: 50Hz Canceling in ECG
Nonlinear Wave
Transfer Functionขอ
งผวหนง
143Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 7: 50Hz Canceling in ECG
ฮารโมนกไมลด
144Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 7: 50Hz Canceling in ECG
ทดลองสราง adaptive filter ดวยบลอก nLMS
145Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Lab 7: 50Hz Canceling in ECG
ฮารโมนกลดลง
146Digital Filter Design @2009 P. Yuvapoositanon
Conclusion Matlab และ Simulink เหมาะสมในการศกษาและ
ทดสอบระบบ DSP ทงระดบพนฐานและการทำางาน DSP BLockset มทงฟงกชนทวไปและฟงกชนระดบสง
ทาง DSPใหเลอกใช การใช DSP ดวย Matlab Simulink และ DSP
BLockset นนสามารถใชงานไดงาย โดยผใชงานสามารถเลอกบลอกใชงานไดอยางสะดวก
แตการทำางาน DSP อยางจรงจงตองอาศยความเขาใจทางทฤษฎดวย
147
Thank You