Nghiên cứu tính toán mật độ phổ công suất của tín hiệu ngẫu nhiên bằng phần mềm MATLAB
Với chủ trương kết hợp mô hình đào tạo nghiên cứu và sản xuất của học viện công nghệ bưu chính viễn thông, phong trào nghiên cứu khoa học trong học sinh, sinh viên đang được sự tham gia rất nhiệt tình của đông đảo các bạn sinh viên cũng như các thầy cô giáo.
Thông qua hoạt động nghiên cứu khoa học đ• giúp sinh viên làm quen với tác phong tự làm việc, thúc đẩy sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, qua đó bổ sung kiến thức cho bản thân.
......
Nghiªn cøu tÝnh to¸n mËt ®é phæ c«ng suÊt cña tÝn hiÖu
ngÉu nhiªn b»ng phÇn mÒm matlab
1. TÝnh cÊp thiÕt cña ®Ò tµi
Víi chñ tr ¬ng kÕt hîp m« h×nh ®µo t¹o nghiªn cøu vµ s¶n xuÊt cña
häc viÖn c«ng nghÖ bu chÝnh viÔn th«ng, phong trµo nghiªn cøu khoa
häc trong häc sinh, sinh viªn ®ang ®îc sù tham gia rÊt nhiÖt t×nh cña
®«ng ®¶o c¸c b¹n sinh viªn còng nh c¸c thÇy c« gi¸o.
Th«ng qua ho¹t ®éng nghiªn cøu khoa häc ®· gióp sinh viªn lµm quen
víi t¸c phong tù lµm viÖc, thóc ®Èy sù t×m tßi, nghiªn cøu tµi liÖu, qua
®ã bæ sung kiÕn thøc cho b¶n th©n.
C¸c ®Ò tµi nghiªn cøu kh¸ s¸t víi ch¬ng tr×nh nhê vËy nghiªn cøu gióp
sinh viªn hiÓu s©u h¬n bµi häc, ®a thùc hµnh vµo bµi gi¶ng lý thuyÕt
trªn líp.
Hoµ chung vµo kh«ng khÝ thi ®ua häc tËp nhãm sinh viªn chóng em
bao gåm Hoµng M¹nh Th¾ng, §inh ThÞ Thanh H¶i, Ng« Träng HiÕu ®·
thµnh lËp mét nhãm nghiªn cøu khoa häc díi sù híng dÉn cña thÇy gi¸o
§Æng ViÖt Hïng. §Ò tµi cña nhãm lµ “Nghiªn cøu tÝnh to¸n mËt ®é
phæ c«ng suÊt cña tÝn hiÖu ngÉu nhiªn b»ng phÇn mÒm MATLAB ”...
§©y lµ bµi to¸n kh¸ c¬ b¶n trong xö lý tÝn hiÖu. Cã thÓ nãi ®©y kh«ng
ph¶i lµ lÜnh vùc míi bëi v× cã nhiÒu ch¬ng tr×nh ®· ®îc x©y dùng ®Ó
gi¶i quyÕt bµi to¸n nµy. Tuy nhiªn kh«ng v× vËy mµ ®Ò tµi thiÕu tÝnh
míi mÎ còng nh sù cÇn thiÕt cña nã. Bëi v× víi chóng em cßn nhiÒu h¹n
chÕ c¶ vÒ kiÕn thøc lý thuyÕt còng nh kü n¨ng lËp tr×nh, vµ ®ång thêi
nÕu x©y dùng thµnh c«ng ®Ò tµi nµy nã sÏ gãp phÇn thùc hiÖn ý t ëng
vÒ mét phßng thùc hµnh ¶o cña khoa ®· ®Ò ra. Gãp phÇn kÕt hîp gi÷a
lý thuyÕt víi thùc hµnh trªn líp, mét yÕu tè rÊt quan träng ®Ó sinh viªn
cã thÓ hiÓu s©u s¾c bµi häc trong ®iÒu kiÖn trang thiÕt bÞ phôc vô
häc tËp thùc hµnh cßn nhiÒu thiÕu thèn nh hiÖn nay.
2. Néi dung khoa häc cña ®Ò tµi:
- HiÓn thÞ tÊt c¶ c¸c d¹ng tÝn hiÖu vµ mËt ®é phæ c«ng suÊt
cña chóng.
- BiÓu diÔn sù thay ®æi tÝn hiÖu khi thay ®æi c¸c th«ng sè cña
chóng.
- Cho phÐp ®¸nh gi¸ tÝn hiÖu vÒ ph¬ng diÖn c«ng suÊt.
• CÊu tróc cña ch¬ng tr×nh:
- Ch¬ng tr×nh chia ra 8 file .mçi file thùc hiÖn mét chøc n¨ng.
- Cô thÓ:
1. PSD_DISPLAY.m
• Qu¶n lý viÖc vµo, ra, hiÓn thÞ d÷ liÖu chÝnh.
• Gäi c¸c chøc n¨ng kh¸c khi cÇn thiÕt .
• Xö lý gãc nh×n sao cho phï hîp.
2. PSD_FUNCS.m: mét sè hµm mÉu chuÈn.
• C¸c hµm chuÈn víi c¸c th«ng sè cã thÓ thay ®æi ®îc.
3. AM:Vµo ©m thanh (file.wav):
• ¢m thanh Stereo.
• TÇn sè lÊy mÉu:20.050 hz.
• Sè bÝt/mÉu:16.
• KiÓu lÊy mÉu:PCM.
• ¢m thanh Stereo cã hai kªnh:
Kªnh1 : TÝn hiÖu hiÓn thÞ mµu xanh, Phæ hiÓn thÞ mµu
®á.
Kªnh2 : C¶ tÝn hiÖu vµ mËt ®é phæ hiÓn thÞ mµu ®en.
Khi chän c¶ hai kªnh: sÏ hiÓn thÞ lÇn lît (Kªnh 1, sau ®ã Ên
phÝm bÊt kú sÏ hiÓn thÞ Kªnh 2)
4. PSD_RECORD.m: khèi ghi ©m thanh trùc tiÕp.
• Cã thÓ lu tr÷ ©m thanh ghi vµo víi tªn file do m×nh ®Æt
(*.mat & *.wav).
• Chän lùa ®îc c¸c ph¬ng ph¸p ®Þnh d¹ng ©m thanh cho phï
hîp.
5. PSD_MP.m : Khèi xö lý chÝnh- Thùc hiÖn c«nh viÖc
tÝnh to¸n , hiÓn thÞ:
• Xö lý tÊt c¶ c¸c phÐp to¸n.
• TÊt c¶ c¸c lÖnh khi bÊm nót.
6. PSD_STRUCT.m
• VÏ cÊu tróc cña ch¬ng tr×nh chÝnh.
7. PSD.m
• Xem h×nh khëi th¶o cña ch¬ng tr×nh, bao gåm:
- Xem cÊu tróc lu ®å.
- C¸ch sö dông.
- Vµo ch¬ng tr×nh chÝnh.
3. Ph ¬ng ph¸p nghiªn cøu cña ®Ò tµi
§Ó cã thÓ hoµn thµnh tèt ®Ò tµi chóng ta cÇn chuÈn bÞ ®ñ c¶
kiÕn thøc lý thuyÕt lÉn kü n¨ng lËp tr×nh.
- VÒ kiÕn thøc lý thuyÕt :
chóng ta ph¶i gi¶i quyÕt bµi to¸n trªn c¬ s¬ lý thuyÕt ®Ó tõ ®ã
cô thÓ ho¸ bµi to¸n, t×m lêi gi¶i tèi u.
C¸c ph¬ng ph¸p ph©n tÝch phæ :
a/ Ph©n tÝch nèi tiÕp (b»ng c¸ch thay ®æi tÇn sè)
Nguyªn lý cña ph¬ng ph¸p nµy :Víi ph¬ng ph¸p nµy chØ cÇn mét
bé céng hëng. Bé céng hëng nµy cã thÓ thay ®æi tÇn sè trong
kho¶ng gi¶i tÇn tÝn hiÖu. Nã ®¬n gi¶n h¬n ph¬ng ph¸p ph©n
tÝch song song nhng vÒ mÆt thêi gian l¹i chËm h¬n.
b/ Ph©n tÝch song song
Nguyªn lý cña ph¬ng ph¸p nµy :
Sö dông mét hÖ thèng bé läc gi¶i hÑp ®îc s¾p xÕp liªn tiÕp kÒ
nhau theo thang tÇn sè trong gi¶i tÇn. Mçi ®êng cong céng hëng cña
bé läc biÓu thÞ ®¬n gi¶n b»ng mét h×nh ch÷ nhËt, gi¶i th«ng tÇn
cña bé läc lµ ∆ f, nh vËy trong kho¶ng gi¶i tÇn cña tÝn hiÖu cÇn cã
n bé läc.
Ph¬ng ph¸p nµy sö dông cho tÝn hiÖu cã phæ th a, tÇn sè thÊp.
c/ Ph¬ng ph¸p ph©n tÝch sè b»ng c¸ch nÐn tÝn hiÖu trong
miÒn thêi gian
Ph¬ng ph¸p nµy gi¶i quyÕt ®îc vÊn ®Ò vÒ thêi gian nhê viÖc nÐn
tÝn hiÖu tr íc khi qua bé läc .
- Nh îc ®iÓm cña ph ¬ng ph¸p sè:
+ GÆp nhiÒu khã kh¨n vÒ tèc ®é xö lý khi tÝn hiÖu cã tÇn sè
cao. §iÒu nµy cã thÓ kh¾c phôc b»ng c¸ch sö dông c¸c DSP
( Digital Signal Processor).
- Nh îc ®iÓm cña hai ph ¬ng ph¸p t ¬ng tù ë trªn:
+ §iÒu ®Çu tiªn ®¸ng nãi lµ khã kh¨n khi x¸c ®Þnh tÇn sè vµ ®é
ph©n biÖt kh«ng cao khi thay ®æi tÇn sè bé dao ®éng.
+ Kh«ng thuËn tiÖn vµ cã sai sè lín khi ®o ®é réng phæ ,kh«ng
cã kh¶ n¨ng kh¸ch quan khi so s¸nh c¸c d÷ liÖu ®o ®îc trong
qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm vµ ghi laÞ kÕt qu¶ phÐp ®o.
+ §é tuyÕn tÝnh kh«ng cao cña trôc tÇn sè cña mµn ¶nh bëi v×
®iÖn ¸p r¨ng ca kh«ng ph¶i lµ ®iÖn ¸p tuyÕn tÝnh cao, dïng
®Ó t¹o dao ®éng ®iÒu tÇn, do ®ã kh«ng ®¹t ®îc tÝnh tuyÕn
tÝnh cña ®Æc tuyÕn ®iÒu chÕ.
d/ Ph¬ng ph¸p sè dïng phÇn mÒm
+ ¦u ®iÓm h¬n h¼n so víi c¸c ph¬ng ph¸p kh¸c. Gi¶i quyÕt hÇu
hÕt c¸c vÊn ®Ò cña c¸c ph¬ng ph¸p ph©n tÝch t¬ng tù .
+ Nguyªn lý cña ph¬ng ph¸p nµy lµ sö dông phÐp biÕn ®æi to¸n
häc - BiÕn ®æi Fourier .
+ Dïng thuËt to¸n biÕn ®æi Fourier cã c«ng dông nh hµng tr¨m
bé läc. Cã thÓ lËp tr×nh ®îc, ph©n tÝch nhanh. Ph©n tÝch ®îc
c¶ tÝn hiÖu sè vµ tÝn hiÖu t ¬ng tù.
+ Ph©n tÝch song song (nhiÒu kªnh) víi c¸c thiÕt bÞ t ¬ng ®èi
®¬n gi¶n vµ gän nhÑ. Kh¶ n¨ng ph©n gi¶i cao. C¸c d¹ng lÊy
trÞ trung b×nh kh¸c nhau (tuyÕn tÝnh hay hµm mò). Cã bé
biÕn ®æi sè ®Ó ®o ph¬ng sai cña tÝn hiÖu. Cã c¸c thiÕt bÞ
nhí riªng ®Ó lu tr÷ c¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch mËt ®é phæ ®a ra
mµn h×nh d¹ng mËt ®é phæ vµ so s¸nh víi PSD víi nhau... .
Qua c¸c ph©n tÝch trªn ®©y chóng ta ®· cã ®îc c¸i nh×n t ¬ng ®èi
®Çy ®ñ vÒ c¸c ph¬ng ph¸p gi¶i quyÕt bµi to¸n ®Æt ra, thÊy ®îc u,
khuyÕt ®iÓm cña tõng ph¬ng ph¸p . Tõ nh÷ng c¬ s¬ ®ã chóng t«i
®· chän lùa ph¬ng ph¸p ph©n tÝch b»ng phÇn mÒm ®Ó ph©n
tÝch PSD. Vµ mét ®iÒu rÊt quan träng, ®ã lµ ph¶i cã kh¶ n¨ng
tèt vÒ lËp tr×nh chÝnh v× vËy chóng ta ph¶i giµnh nhiÒu thêi
gian cho viÖc n©ng cao kh¶ n¨ng vÒ lËp tr×nh. Mét yÕu tè gióp
biÕn nh÷ng ý t ëng thµnh hiÖn thùc.
4. Kh¶ n¨ng øng dông cña ®Ò tµi
Ch¬ng tr×nh tÝnh to¸n mËt ®é phæ b»ng phÇn mÒm Matlab nh»m
gióp mét phÇn nµo ®ã viÖc nghiªn cøu vµ ph©n tÝch tÝn hiÖu ®îc dÔ
dµng h¬n bëi tÝnh trùc quan cña nã . Khi xem xÐt tÝn hiÖu chóng ta
cã thÓ võa xem xÐt d¹ng tÝn hiÖu, võa xem mËt ®é phæ cña nã, qua
®ã thÊy ®îc gi¶i th«ng còng nh c«ng suÊt trung b×nh cña tÝn hiÖu mµ
kh«ng cÇn bÊt kú mét m¸y ®o cô thÓ nµo, h¬n h¼n c¸c ph¬ng ph¸p ®o
trùc tiÕp nh ph¬ng ph¸p ®o nèi tiÕp hoÆc song song còng nh ph¬ng
ph¸p sè. Tøc lµ ta ®· biÕn m¸y tÝnh thµnh mét m¸y ¶o ®a chøc n¨ng.
- Ch¬ng tr×nh cã thÓ sö dông phôc vô cho viÖc gi¶ng d¹y trªn líp còng
nh ë phßng thÝ nghiÖm. Cã thÓ øng dông vµo viÖc m« pháng c¸c bµi
tËp vµ phôc vô cho viÖc nghiªn cøu c¸c qu¸ ttr×nh ngÉu nhiªn gióp
sinh viªn cã thÓ hiÓu x©u s¾c bµi häc lµm cho giê häc cã tÝnh hÊp
dÉn h¬n .
- Sö dông ë phßng thÝ nghiÖm, cã thÓ dïng ®Ó so s¸nh kÕt qu¶ ®o
phæ cña c¸c phÐp ®o kh¸c tõ c¸c m¸y dao ®éng ký hay thiÕt bÞ ph©n
tÝch phæ .
- Víi c¸c kü s nghiªn cøu vÒ vÊn ®Ò nµo ®ã mµ cÇn tÝnh to¸n mËt ®é
phæ nhÊt lµ trong c¸c nghiªn cøu vÒ xö lý tiÕng nãi cã thÓ dïng ch-
¬ng tr×nh nh mét nh mét c«ng cô ®Ó thùc hiÖn.
Tuy nhiªn, do míi bíc ®Çu tiÕp cËn nghiªn cøu còng nh thêi gian
nghiªn cøu cã h¹n nªn ch¬ng tr×nh ch¾c ch¾n cã nhiÒu h¹n chÕ, thiÕu
sãt chóng em rÊt mong ®îc sù gãp ý, gióp ®ì cña c¸c thÇy c« gi¸o còng
nh cña c¸c b¹n sinh viªn ®Ó ch¬ng tr×nh cã thÓ hoµn thµnh ®îc tèt h¬n.
