Giáo trình Tín hiệu và hệ thống (Phần 1)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN TỬ - TIN HỌC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LẠI NGUYỄN DUY NGUYỄN PHÚ QUỚI GIÁO TRÌNH TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 09 - 2018 (LƯU HÀNH NỘI BỘ) i MỤC LỤC CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ...................................................................... 1 1.1. TÍN HIỆU ................................................................................................................... 1 1.1.1. Khái niệm tín hiệu (Signal) ....................................................................... 1 1.1.2. Khái niệm nhiễu (Noise) .......................................................................... 1 1.2. PHÂN LOẠI TÍN HIỆU ............................................................................................ 1 1.2.1. Tín hiệu vật lý và tín hiệu mô hình toán học ........................................... 1 1.2.2. Tín hiệu xác định và tín hiệu ngẫu nhiên .................................................. 2 1.2.3. Tín hiệu năng lượng và tín hiệu công suất ................................................ 2 1.2.4. Phân loại dựa vào dạng tín hiệu ................................................................ 3 1.2.5. Phân loại dựa vào bề rộng phổ (Spectral Width) ...................................... 3 1.2.6. Phân loại dựa vào chiều của tín hiệu ........................................................ 4 1.2.7. Phân loại dựa vào tính nhân quả (Causality) ............................................ 4 1.2.8. Phân loại dựa vào tính tuần hoàn (Periodicity)......................................... 4 1.3. PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TÍN HIỆU ................................................................ 5 1.3.1. Phương pháp biểu diễn liên tục tín hiệu .................................................. 5 1.3.2. Phương pháp biểu diễn rời rạc tín hiệu .................................................... 5 1.3.3. Biểu diễn vector các tín hiệu .................................................................... 5 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 ...................................................................................................... 7 CHƯƠNG 2 ....................................................................................................................... 8 PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN THỜI GIAN ................................................................... 8 2.1. MỘT SỐ DẠNG TÍN HIỆU THÔNG DỤNG ........................................................... 8 2.1.1. Tín hiệu năng lượng .................................................................................. 8 2.1.2. Tín hiệu công suất ................................................................................... 10 2.1.3. Tín hiệu phân bố ..................................................................................... 12 2.2 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA TÍN HIỆU .................................................. 14 2.2.1 Tích phân tín hiệu .................................................................................... 14 2.2.2 Trị trung bình của tín hiệu ........................................................................ 14 2.2.3 Năng lượng của tín hiệu ........................................................................... 15 ii 2.2.4. Công suất trung bình của tín hiệu ........................................................... 15 2.3 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN TÍN HIỆU ................................................................. 16 2.3.1 Thành phần thực - ảo ............................................................................... 16 2.3.2 Thành phần một chiều - xoay chiều ......................................................... 17 2.3.3. Thành phần chẵn - lẻ ............................................................................... 17 2.4. PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN ................................................................................. 18 2.4.1. Tương quan của tín hiệu năng lượng ...................................................... 19 2.4.2. Tương quan của tín hiệu công suất ......................................................... 22 2.4.3. Tín hiệu có công suất trung bình hữu hạn: ............................................. 23 2.4.4 Ví dụ về ứng dụng phân tích tương quan................................................. 24 BÀI TẬP CHƯƠNG 2 .................................................................................................... 25 CHƯƠNG 3 ..................................................................................................................... 30 PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN TẦN SỐ ....................................................................... 30 3.1 BIẾN ĐỔI FOURIER ................................................................................................ 30 3.1.1 Định nghĩa ................................................................................................ 30 3.1.2 Tính chất .................................................................................................. 31 3.2 PHỔ CỦA MỘT SỐ TÍN HIỆU THÔNG DỤNG .................................................... 34 3.2.1 Phổ của tín hiệu năng lượng .................................................................... 34 3.2.2 Phổ của tín hiệu công suất trung bình hữu hạn ........................................ 36 3.2.3 Phổ của tín hiệu tuần hoàn ....................................................................... 37 3.3 MẬT ĐỘ PHỔ .......................................................................................................... 42 3.3.1 Mật độ phổ năng lượng ESD (Energy Spectrum Density) ...................... 42 3.3.2 Mật độ phổ công suất PSD (Power Spectrum Density) ........................... 43 3.3.3 Mật độ phổ công suất của tín hiệu tuần hoàn .......................................... 44 BÀI TẬP CHƯƠNG 3 .................................................................................................... 45 CHƯƠNG 4 TRUYỀN TÍN HIỆU QUA MẠCH TUYẾN TÍNH .................................. 49 4.1 TÍCH CHẬP (CONTINUOUS TIME CONVOLUTION) ........................................ 49 4.1.1 Định nghĩa ................................................................................................ 49 4.1.2 Các tính chất ............................................................................................ 49 4.2 HỆ THỐNG TUYẾN TÍNH BẤT BIẾN LTI (LINEAR TIME INVARIANT SYSTEM) ........................................................................................................................ 50 4.2.1. Định nghĩa ............................................................................................... 50 iii 4.2.2 Đáp ứng xung và đáp ứng tần số ............................................................. 50 4.3 QUAN HỆ GIỮA CÁC ĐẶC TRƯNG TÍN HIỆU .................................................. 51 4.3.1 Ý nghĩa của tích chập ............................................................................... 51 4.3.2 Biểu thức quan hệ .................................................................................... 51 4.3.3 Một số ví dụ ............................................................................................. 52 BÀI TẬP CHƯƠNG 4 .................................................................................................... 55 5.1 CƠ BẢN VỀ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU ........................................................................ 58 5.1.1 Vị trí của điều chế trong hệ thống thông tin ............................................ 58 5.1.2 Mục đích của điều chế ............................................................................. 58 5.1.3 Phân loại các phương pháp điều chế ........................................................ 59 5.2 ĐIỀU CHẾ TƯƠNG TỰ ........................................................................................... 59 5.2.1 Sóng mang trong điều chế tương tự ......................................................... 59 5.2.2 Điều chế biên độ (Amplitude Modulation) .............................................. 60 5.2.3 Điều chế góc ............................................................................................ 68 5.3 ĐIỀU CHẾ XUNG (PULSE MODULATION) ........................................................ 72 5.3.1 Sóng mang trong điều chế xung .............................................................. 72 5.3.2 Hệ thống điều chế PAM (Pulse Amplitude Modulation) ........................ 72 5.3.3 Các hệ thống điều chế xung khác ............................................................ 78 BÀI TẬP CHƯƠNG 5 .................................................................................................... 80 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ............................................................................................ 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 92 CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1 CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. TÍN HIỆU 1.1.1. Khái niệm tín hiệu (Signal) Tín hiệu là biểu diễn vật lý của thông tin mà nó sẽ truyền từ nơi phát (nguồn) đến nơi nhận (thu). Các dạng tín hiệu vật lý được quan tâm chủ yếu: • Dòng điện, điện áp trong các mạch điện- điện tử. • Sóng điện từ được bức xạ trong các hệ thống thông tin vô tuyến. • Nhiễu trong các hệ thống điện tử thông tin. Ví dụ: Tín hiệu âm thanh (voice), hình ảnh (video), tín hiệu vệ tinh, di động. 1.1.2. Khái niệm nhiễu (Noise) Nhiễu là tín hiệu không mong muốn, tác động đến hệ thống tín hiệu mà chúng ta đang quan tâm. Lưu ý: Bản thân nhiễu cũng là một tín hiệu - tín hiệu nhiễu. Ví dụ: Nhiễu nền, nhiễu xuyên kênh, 1.2. PHÂN LOẠI TÍN HIỆU 1.2.1. Tín hiệu vật lý và tín hiệu mô hình toán học Tín hiệu vật lý: biểu diễn của một quá trình vật lý (thực hiện được). Yêu cầu: • Năng lượng hữu hạn • Biên độ hữu hạn và liên tục • Phổ hữu hạn Tín hiệu mô hình: là các hàm (thực, phức, dùng để đơn giản hơn cho quá trình biểu diễn, phân tích và xử lý tín hiệu. Chất lượng của mô hình phụ thuộc vào chất lượng của việc xấp xỉ gần đúng được ứng dụng đang khảo sát và tính thuận tiện khi áp dụng. Lưu ý: Tín hiệu mô hình không bị ràng buộc bởi các yêu cầu như trên. Ví dụ: Tín hiệu vật lý như âm thanh (voice), hình ảnh (video); tín hiệu mô hình như tín hiệu xung vuông, mũ, sin, CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2 1.2.2. Tín hiệu xác định và tín hiệu ngẫu nhiên Tín hiệu xác định (Deterministic signal): quá trình biến thiên được biểu diễn bằng một hàm toán học xác định. Ví dụ: Một tín hiệu xác định Tín hiệu ngẫu nhiên (Random signal): quá trình biến thiên không biết trước được nên không thể mô tả bằng hàm toán học xác định mà chỉ sử dụng các công cụ thống kê. Ví dụ: Một tín hiệu ngẫu nhiên Hình 1.1: a) Tín hiệu xác định, b) Tín hiệu ngẫu nhiên 1.2.3. Tín hiệu năng lượng và tín hiệu công suất Tín hiệu năng lượng (Energy signal): tín hiệu có năng lượng hữu hạn     dttxEx 2|)(| (1.1) Ví dụ: Các tín hiệu mũ giảm, tín hiệu xung vuông, tín hiệu quá độ, Tín hiệu công suất (Power signal): tín hiệu có công suất trung bình hữu hạn    T TT x dttx T P 2|)(| 2 1 lim (1.2) Ví dụ: Các tín hiệu tuần hoàn, tín hiệu dãy xung vuông, ... CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 3 Lưu ý: • Tín hiệu năng lượng sẽ có công suất trung bình hữu hạn bằng zero. • Tín hiệu công suất trung bình hữu hạn sẽ có năng lượng vô hạn. 1.2.4. Phân loại dựa vào dạng tín hiệu Dựa vào biên độ và biến thời gian là liên tục hay rời rạc, người ta chia tín hiệu thành các loại sau: • Tín hiệu liên tục/tương tự (Continuous-time signal/ Analog signal (Hình a) • Tín hiệu rời rạc (Discrete signal) (Hình b) • Tín hiệu lượng tử (Quantized signal) (Hình c) • Tín hiệu số (Digital signal) (Hình d) Hình 1.2: Phân loại tín hiệu theo biên độ và thời gian 1.2.5. Phân loại dựa vào bề rộng phổ (Spectral Width) Gồm các loại tín hiệu sau: • Tín hiệu dải nền (Baseband signal) (Hình d) • Tín hiệu dải thông (Passband signal) (Hình c) • Tín hiệu băng hẹp (Narrowband signal) (Hình c) • Tín hiệu băng rộng (Broadband signal ) (Hình a) • Tín hiệu băng tần giới hạn (Bandlimited signal) (Hình b) (b) (c) (d) t (a) CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4 Hình 1.3: Phân loại tín hiệu theo bề rộng phổ 1.2.6. Phân loại dựa vào chiều của tín hiệu Tín hiệu một chiều/ tín hiệu vô hướng (Scalar signal) Ví dụ: Các tín hiệu điện áp, dòng điện,... x(t): hàm theo một biến thời gian t Tín hiệu đa chiều/ tín hiệu vector (Vector signal) Ví dụ: Tín hiệu 2 chiều (2-D): ảnh tĩnh f(x,y) Tín hiệu 3 chiều (3-D): ảnh động f(x,y,t) Hình 1.4: Phân loại dựa vào chiều của tín hiệu 1.2.7. Phân loại dựa vào tính nhân quả (Causality) Tín hiệu nhân quả (Causal signal): 0,0)(  ttx (1.3) Tín hiệu không nhân quả (Non- causal signal): không thỏa mãn điều kiện trên. 1.2.8. Phân loại dựa vào tính tuần hoàn (Periodicity) Tín hiệu tuần hoàn (Periodic signal): thỏa mãn điều kiện, với T: chu kỳ )()( txnTtx  tnTtxtx  ),()( (1.4) CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 5 Tín hiệu không tuần hoàn (Non- periodic signal): không thỏa mãn điều kiện trên. 1.3. PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TÍN HIỆU 1.3.1. Phương pháp biểu diễn liên tục tín hiệu Dựa trên phép biến đổi (phép tích phân), biến đổi tín hiệu đã cho sang miền khác đề thuận tiện hơn cho việc xử lý.      sdttssXtx TtdtsttxsX T ;),()()( ;),()()(   (1.5) Miền thời gian: x(t) và miền biến đổi: X(s), s: biến phức Ví dụ: 1. Phép biến đổi Laplace (phân tích mạch ở trạng thái quá độ)        dsesXtxdtetxsX stst )()(;)()( 2. Phép biến đổi Fourier (phân tích phổ tín hiệu)            deXtxdtetxX tjtj )( 2 1 )(;)()( 1.3.2. Phương pháp biểu diễn rời rạc tín hiệu Tín hiệu được biểu diễn bằng tập các hàm số hay dãy số (thực, phức).    n k kk ttx 1 )()(  (1.6) trong đó: { k (t)}: là tập hàm cơ sở của không gian tín hiệu { k } : các hệ số biểu diễn rời rạc của x(t) Ví dụ: Chuỗi phức Fourier (phân tích phổ tín hiệu tuần hoàn)         Tt t tjn n n tjn n netx T X TeXtx 0 0 0 0 ,...2,1,0;)( 1 2;)(    1.3.3. Biểu diễn vector các tín hiệu Biểu diễn tín hiệu bằng vector: Gọi { k (t)}: là tập n hàm độc lập tuyến tính tạo nên cơ sở của không gian tín hiệu. Theo cách biểu diễn rời rạc tín hiệu: CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 6    n k kk ttx 1 )()(  (1.7) Trong đó: các hệ số { k } tạo nên một tập n số xác định một điểm trong không gian n chiều với các tọa độ ( 1 ,  2 ,,  n ). Hình 1.5: Biểu diễn tín hiệu bằng vector Như vậy, { k }: là một sự biểu diễn của x(t) trong không gian tín hiệu với cơ sở là tập hàm { k (t)}. Lưu ý: Với mỗi cơ sở sẽ có một biểu diễn vector tương ứng. Do vậy, sẽ có nhiều cách để phân tích một tín hiệu. Khoảng cách giữa hai tín hiệu: là số đo về sự khác nhau giữa hai tín hiệu đó Khoảng cách trung bình bình phương (khoảng cách Euclidean) giữa hai tín hiệu x(t) và y(t) trên khoảng thời gian T là: (K là hằng số) 2/1 2|)()(|),(         T dttytxKyxd (1.8) Lưu ý: - Đây là định nghĩa khoảng cách thường dùng và thuận tiện nhất. - Nếu hai tín hiệu giống nhau thì khoảng cách giữa chúng luôn bằng zero. Ví dụ: Xác định khoảng cách giữa hai tín hiệu sau theo thông số độ trễ . x(t) = Acos 0 t; y(t) = Acos 0 (t-);  d(x,y) = 2A|sin(/T)| (K = 1/T) Tích vô hướng của các tín hiệu: Tích vô hướng của hai tín hiệu x(t) và y(t) trên khoảng thời gian (t1,t2) là: CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7  2 1 )()(, * t t dttytxyx Chuẩn của một tín hiệu:   xxxtdtxx t t ,|||||)(||||| 22 2 1 Tín hiệu trực giao (Orthogonal signals): Hai tín hiệu x(t) và y(t) được gọi là trực giao trên [t1,t2] nếu tích vô hướng của chúng bằng zero.  2 1 )()(, * t t dttytxyx Tập tín hiệu {xk(t)}, 1 k m là tập trực giao nếu : ijitxtx ji  ,,0)(),( Tập trực chuẩn = tập trực giao + mỗi tín hiệu {xk(t)} đều có chuẩn bằng 1. BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Câu 1: Cho biết tín hiệu là gì, cho ví dụ minh họa. Câu 2: Cho biết nhiễu là gì, cho ví dụ minh họa. Câu 3: Phân biệt tín hiệu vật lý và tín hiệu mô hình toán học. Câu 4: Phân biệt tín hiệu xác định và tín hiệu ngẫu nhiên: Câu 5: So sánh tín hiệu năng lượng và công suất, cho ví dụ minh họa. Câu 6: Trình bày phân loại dựa vào dạng tín hiệu dựa vào biên độ và biến thời gian. Câu 7: Phân biệt tín hiệu tương tự và số. Câu 8: Trình bày các phân loại dựa vào vào bề rộng phổ (Spectral Width), chiều của tín hiệu, Câu 9: Trình bày các phân loại dựa vào tính nhân quả (Causality) và tính tuần hoàn (Periodicity) Câu 10: Cho biết các kiểu biểu diễn tín hiệu. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN TẦN SỐ 8 CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN THỜI GIAN 2.1. MỘT SỐ DẠNG TÍN HIỆU THÔNG DỤNG 2.1.1. Tín hiệu năng lượng Xung vuông:   ( ) ( ) t c x t A b (2.1)  x t t b b c 2  b c 2 c0 A Hình 2.1: Tín hiệu xung vuông Xung tam giác:        ( ) t c x t A b (2.2) t 2b c b c bc0 A  x t CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN TẦN SỐ 9 Hình 2.2: Tín hiệu xung tam giác Xung hàm mũ giảm: (2.3) t 0 A  x t Tín hiệu sin suy giảm theo hàm mũ: (2.4) Hình 2.3: Tín hiệu sin suy giảm theo hàm mũ -A 0 x(t) Ae -t -Ae -t t A CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN TẦN SỐ 10 Tín hiệu Sa: (2.5) Hình 2.4: Tín hiệu Sa 2.1.2. Tín hiệu công suất Tín hiệu bước nhảy: (2.6) Hình 2.5: Tín hiệu bước nhảy x(t) 1 0 t / 0 2/ 0 0 X x(t) t t 0 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN TẦN SỐ 11 Tín hiệu hàm mũ tăng: ( ) (1 ) ( ); 0   tx t A e u t (2.7) t 0 A  x t Hình 2.6: Tín hiệu hàm mũ tăng Hàm dấu: (2.8) Hình 2.7: Hàm dấu Tín hiệu sin - cos: Dãy xung vuông lưỡng cực: 1 -1 0 t x(t) x(t) 0 1 t 0 4   0 2   0 2  0 4  0 6 2    -1 t x(t) A -A 0 T/2 T 2T -2T -T CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN TẦN SỐ 12 Dãy xung vuông đơn cực: Hình 2.8: Dãy xuông vuông đơn cực 2.1.3. Tín hiệu phân bố Phân bố Delta Diract: Hình 2.9: Phân bố Delta Diract Định nghĩa: Và: 0; 0 ( ) ( ) ; 0 t x t t t        (2.9) ( ) 1t dt    (2.10) Các tính chất:  Tính chất chẵn: (t) = (- t) (2.11)  Tính chất rời rạc: 0 T 2T -T - 2T Y  t ( )x t 0 1 t (t) 0 A t x(t)= A(t-t0) t 0 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN TẦN SỐ 13 x(t)(t) = x(0)(t) (2.12) x(t)(t- t 0 ) = x(t 0 )(t- t 0 ) (2.13)  Tính chất lặp: x(t)*(t) = x(t) (2.14) x(t)*(t- t 0 ) = x(t- t 0 ) (2.15) Định nghĩa phép chập giữa hai tín hiệu:  Tính chất lọc: (2.16) Và: (2.17) Phân bố lược Định nghĩa: (trong đó: T chu kỳ) (2.18) Hình 2.10: Phân bố lược Các tính chất:  Tính chất chẵn: (2.19)  Tính chất rời rạc: (2.20) x(t) 1 0 -T -2T T 2T x(t) t 0 t 0 1 2 3 -1 x(0)(t) x(1)(t-1) CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN TẦN SỐ 14  Tính chất lặp: (2.21) 2.2 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA TÍN HIỆU 2.2.1 Tích phân tín hiệu (2.22) Ví dụ: Tính tích phân của tín hiệu x(t) = e -t , t  0. Tích phân của tín hiệu: 0 0 [ ] 1 t t x e dt e        2.2.2 Trị trung bình của tín hiệu Nếu tín hiệu tồn tại hữu hạn trong [t 1 ,t 2 ]: (2.23) Nếu tín hiệu có thời gian vô hạn: (2.24) Nếu tín hiệu tuần hoàn, chu kỳ T: (2.25) t 0 A x(t ) T/2 t 0 A T/2 -T/2 -T T 2T 3T 4T CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU MIỀN TẦN SỐ 15 Ví dụ: Tính trị trung bình của tín hiệu x(t) = (1-e -t )u(t). Trị trung bình của tín hiệu:   