Bài giảng Kỹ thuật hệ thống viễn thông - Chương 02: Tín hiệu và phổ - Nguyễn Thanh Tuấn
2.1 Tín hiệu.
2.2 Khai triển (chuỗi) Fourier và phổ vạch.
2.3 Biến đổi Fourier và phổ liên tục.
2.4 Tích chập và tương quan.
2.5 Xác suất và nhiễu
2.2 Khai triển (chuỗi) Fourier và phổ vạch.
2.3 Biến đổi Fourier và phổ liên tục.
2.4 Tích chập và tương quan.
2.5 Xác suất và nhiễu
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật hệ thống viễn thông - Chương 02: Tín hiệu và phổ - Nguyễn Thanh Tuấn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- bai_giang_ky_thuat_he_thong_vien_thong_chuong_02_tin_hieu_va.pdf
Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật hệ thống viễn thông - Chương 02: Tín hiệu và phổ - Nguyễn Thanh Tuấn
- 2.1 Tín hiệu ▪ Biểu thức ▪ Dạng sóng ▪ Giá trị trung bình ▪ Công suất/Năng lượng ▪ Phổ ▪ Mật độ phổ công suất/năng lượng ▪ Băng thông Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 2
- Tín hiệu xác định và ngẫu nhiên Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 4
- Tín hiệu tuần hoàn ▪ Định nghĩa: tồn tại T > 0 sao cho x(t) = x(t + T) t ▪ Chu kì tuần hoàn: T nhỏ nhất ▪ Tần số tuần hoàn – Hz: F = 1/T – Rad/s: = 2 F ( w = 2 f ) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 6
- Công thức Euler ▪ Thực tế: tất cả tín hiệu giá trị thực. ▪ Toán học: tín hiệu có thể giá trị phức. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 8
- Ví dụ 1 (t R) Kiểm tra tín hiệu thực và tuần hoàn hay không? 1) cos( t/3) 7) cos(t/3) + cos(t/4) 2) cos(t/3) 8) cos(t/3) + cos( t/3) 3) exp(j t/3) 9) exp(j t/3) + exp(j t/4) 4) exp(jt/3) 10)exp(j t/3) + exp(-j t/3) 5) exp(-t/3) 11)exp(jt/3) + exp(jt/4) 6) cos( t/3) + cos( t/4) 12)exp(jt/3) + exp(-jt/3) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 10
- Hàm xung chữ nhật và tam giác ❖ Triangular (tri) ➢ Phổ biến (mặc định): tri(t) = (t) = rect(t/2).(1 - |t|) ➢ Ngoại lệ: tri(t) = (t) = rect(t).(1 - |t|) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 12
- Hàm bước và hàm dấu ❖Hàm bước ❖Hàm dấu Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 14
- Vẽ dạng sóng cơ bản 1) A.cos(2 Ft+) + B 2) A.sinc(t/) 3) A.{(t – t0)/} 4) A.k{{(t – kT – t0)/}} 5) A. {(t – t0)/} 6) A.k{{(t – kT – t0)/}} 7) k{Ak.(t – tk)} Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 16
- Giá trị trung bình ▪ Ký hiệu: , 푣ҧ, mv, vDC, E{v(t)}, ▪ Tín hiệu không tuần hoàn – Thời gian vô hạn 1 Thời gian hữu hạn 푣 푡 푡 – − ▪ Tín hiệu tuần hoàn Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 18
- Công suất và Năng lượng ▪ Công suất tức thời: p(t) = x2(t) thực dương ▪ Công suất đỉnh: Ppeak = max{p(t)} {(Công suất tổng (năng lượng): E = {p(t ▪ ➢ Tín hiệu hữu hạn trong khoảng thời gian {(Năng lượng: E = E = {p(t • average • Năng lượng trung bình: E = E / ➢ Tín hiệu tuần hoàn chu kì T → E = {(Năng lượng 1 chu kì: ET = {p(t • • Công suất (trung bình): P = Paverage = ET / T 1/2 • Giá trị hiệu dụng: xrms = P Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 20
- Đơn vị ▪ Tín hiệu: dòng (A) hoặc áp (V) ▪ Năng lượng (J) và công suất (W): xem như ứng với trở kháng chuẩn 1 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 22
- Ví dụ tính công suất ▪ Tín hiệu cosine (AC) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 24
- Bạn có biết? 1) Tín hiệu công suất có năng lượng thế nào? 2) Tín hiệu năng lượng có công suất thế nào? 3) Tín hiệu không tuần hoàn là tín hiệu năng lượng hay công suất? a) Thời gian hữu hạn b) Thời gian vô hạn 4) Tín hiệu tuần hoàn là tín hiệu năng lượng hay công suất? 5) Có tồn tại tín hiệu không phải là tín hiệu năng lượng cũng không phải là tín hiệu công suất (Ex = ∞, Px = ∞) hay không? Cho ví dụ minh họa? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 26
- Tính công suất ở miền thời gian? ▪ A ▪ A.cos(2 Ft+) ▪ A.cos(2 Ft+) ± B ▪ A.cos2(2 Ft+) ▪ A.cos(2 F1t+1) ± B.cos(2 F2t+2) ▪ A.cos(2 Ft+1) ± B.cos(2 Ft+2) ▪ A.cos(2 Ft+1) ± A.cos(2 Ft+2) ▪ A.cos(2 Ft+) ± A.sin(2 Ft+) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 28
- Vấn đề 2 ▪ Cho tín hiệu x(t) = A1.cos(2 F1t+1) 1) Vẽ dạng sóng. 2) Từ dạng sóng có thể dễ dàng xác định chính xác biểu thức hay không? 3) Từ dạng sóng có thể dễ dàng xác định giá trị trung bình hay không? 4) Từ dạng sóng có thể dễ dàng xác định năng lượng/ công suất hay không? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 30
- Vấn đề 4 ▪ Cho tín hiệu x(t) = A0 + A1.cos(2 F1t+1) + A2.cos(2 F2t+2) 1) Vẽ dạng sóng. 2) Từ dạng sóng có thể dễ dàng xác định chính xác biểu thức hay không? 3) Từ dạng sóng có thể dễ dàng xác định giá trị trung bình hay không? 4) Từ dạng sóng có thể dễ dàng xác định năng lượng/ công suất hay không? 5) Giả sử biết trước biểu thức tổng quát, có thể dễ dàng xác định các thông số của biểu thức hay không? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 32
- Ví dụ phổ vạch 1 phía Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 34
- Ví dụ phổ vạch 2 phía ▪ So sánh với phổ vạch 1 phía? Mối liên hệ qua lại? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 36
- Vấn đề 1 (phổ) ▪ Cho tín hiệu x(t) = A0 1) Vẽ phổ, phổ biên độ và phổ pha (2 phía). 2) Từ phổ có thể dễ dàng xác định chính xác biểu thức hay không? 3) Từ phổ có thể dễ dàng xác định giá trị trung bình hay không? 4) Từ phổ có thể dễ dàng xác định năng lượng/ công suất hay không? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 38
- Vấn đề 3 (phổ) ▪ Cho tín hiệu x(t) = A0 + A1.cos(2 F1t+1) 1) Vẽ phổ, phổ biên độ và phổ pha (2 phía). 2) Từ phổ có thể dễ dàng xác định chính xác biểu thức hay không? 3) Từ phổ có thể dễ dàng xác định giá trị trung bình hay không? 4) Từ phổ có thể dễ dàng xác định năng lượng/ công suất hay không? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 40
- Vẽ phổ 2 phía? (phổ biên độ và phổ pha) ▪ A ▪ A.cos(2 Ft+) ▪ A.cos(2 Ft+) ± B ▪ A.cos2(2 Ft+) ▪ A.cos(2 F1t+1) ± B.cos(2 F2t+2) ▪ A.cos(2 Ft+1) ± B.cos(2 Ft+2) ▪ A.cos(2 Ft+1) ± A.cos(2 Ft+2) ▪ A.cos(2 Ft+) ± A.sin(2 Ft+) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 42
- Biểu đồ pha 2 phía ▪ Biểu đồ pha (phasor) 2 phía chứa thông tin biên độ (dương) và pha của tín hiệu x(t) = A.exp{j.(0t+)} = A.exp{j.(2 f0t+)} dưới dạng vec-tơ quay theo tần số (âm/dương). ▪ Tuyến tính (xếp chồng): cộng vec-tơ (khi cùng tốc độ quay). Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 44
- Khai triển Fourier dạng lượng giác Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 46
- Phổ vạch ▪ All frequencies are integer multiples (or harmonics) of the fundamental frequency f0 ▪ The DC component c0 equals the average value of the signal. ▪ If the signal is real, then Hermitian symmetry which means that the amplitude spectrum has even symmetry and the phase spectrum has odd symmetry Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 48
- Chuỗi xung chữ nhật Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 50
- Chuỗi xung chữ nhật (3) ▪ Below figures are amplitude and phase spectra in the case where τ / T0 = 1/4. The function sinc fτ can be recognized from the envelope of the amplitude spectrum. The amplitude of the DC component is c0= Aτ / T0. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 52
- Chuỗi xung chữ nhật (5) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 54
- Khai triển Fourier của một số hàm tuần hoàn Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 56
- Tính chất khai triển Fourier Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 58
- 2.3 Biến đổi Fourier ▪ Dùng cho tín hiệu không tuần hoàn ▪ Nếu v(t) giá trị thực thì V( -f ) = V*( f ) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 60
- Ví dụ biến đổi Fourier Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 62
- Xung chữ nhật (2) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 64
- Vấn đề 5 ▪ Xác định chu kì tuần hoàn và vẽ phổ của các tín hiệu sau 1) x1(t) = A1cos(2 F1t) 2) x2(t) = A2cos(2F2t) 3) x3(t) = A1cos(2 F1t) + A2cos(2F2t) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 66
- Biến đổi Fourier tổng quát (2) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 68
- Cặp biến đổi Fourier Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 70
- Tín hiệu âm thanh (dùng Matlab) ▪ recObj = audiorecorder % help for more information ▪ recordblocking(recObj, 1); % speak into microphone in 1 second ▪ play(recObj); ▪ y = getaudiodata(recObj); ▪ plot(y) ▪ save voice_Nam.mat recObj y % then load ▪ audiowrite(‘voice_Nam.wav’,y, recObj. SampleRate) % then audio read Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 72
- Ví dụ tín hiệu âm thanh (miền thời gian) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 74
- Ví dụ tín hiệu âm thanh (miền tần số) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 76
- Một số quy ước băng thông ▪ Nếu phổ tín hiệu (phía dương) chỉ có 1 vạch tần số W – Fmax = W – Fmin = 0 – Băng thông 1 phía BW1=[0 ÷ W] = W – Băng thông 2 phía BW2=[-W ÷ W] = 2W ▪ Nếu phổ tín hiệu (phía dương) có nhiều hơn 1 vạch tần số – Băng thông 1 phía BW1=[Fmin ÷ Fmax] = Fmax – Fmin – Băng thông 2 phía BW2=[-Fmax ÷ -Fmin] và [Fmin ÷ Fmax] = 2(Fmax – Fmin) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 78
- Bạn có biết? 1) Tín hiệu tương tự có phổ thế nào? a) Tuần hoàn b) Không tuần hoàn 2) Tín hiệu thời gian hữu hạn có băng thông thế nào? 3) Tín hiệu băng thông hữu hạn có thời gian thế nào? 4) Tín hiệu âm thanh (thoại, nhạc), truyền hình (đen/trắng, màu), có phổ thế nào? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 80
- Băng thông null-to-null Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 82
- 2.4 Tích chập và tương quan ▪ Tích chập ▪ Tự tương quan Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 84
- Ví dụ tự tương quan Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 86
- 2.5 Xác suất và nhiễu ▪ Xác suất và hàm mật độ xác suất (pdf) – Đều (uniform) – Chuẩn (normal, Gaussian) ▪ Giá trị trung bình (mean, average) ▪ Giá trị trung bình bình phương (mean square) ▪ Độ lệch chuẩn (standard deviation) và phương sai (variance) ▪ Tín hiệu ngẫu nhiên độc lập → xếp chồng phương sai → tương tự công suất (xoay chiều) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 88
- Hàm xác suất (liên tục) ▪ Hàm phân phối tích lũy (cumulative distribution function, còn gọi là hàm phân phối xác suất -probability distribution function): FX(x)=P(X x) – 0 FX(x) 1, FX(-)=0, FX()=1 – P(x1 < X x2) = FX(x2) – FX(x1) với x1 x2 ▪ Hàm mật độ xác suất (probability density function): pX(x)=dFX(x)/dx 0 ▪ Lưu ý 1: pX(x) P(X=x) vì P(X=x)=0 x ▪ Lưu ý 2: pX(x) có thể lớn hơn 1. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 90
- Ghi nhớ ▪ Hàm mật độ xác suất giống như trọng số trong việc tính trung bình. ▪ Giá trị trung bình bình phương giống như tính công suất trung bình. ▪ Khi giá trị trung bình bằng 0 thì giá trị trung bình bình phương (công suất trung bình) chính bằng phương sai. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 92
- Nhiễu Gaussian ▪ Phân bố chuẩn (Normal) hay Gaussian có hàm mật độ ➢ m là giá trị trung bình ➢ σ2 là phương sai ➢ σ > 0 là độ lệch chuẩn ▪ Lưu ý ký hiệu – N(m, σ2): phổ biến – N(m, σ) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 94
- N(m, 2) và Q(k) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 96
- Hàm Q(.) và hàm erfc(.)/erf(.) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 98
- Nhiễu trắng ▪ Hàm mật độ phổ của nhiễu trắng (white) có dạng hằng số N0/2 (W/Hz). ▪ Ví dụ: nhiễu nhiệt Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 100
- Nhiễu AWGN ▪ Xem xét phổ biến trong hệ thống truyền thông, thường có giá trị trung bình 0. ▪ Tên thuật ngữ tiếng Anh? ▪ Cách tính công suất nhiễu này? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 102
- Tóm tắt ▪ Phân loại tín hiệu miền thời gian? ▪ Vẽ dạng sóng? ▪ Khai triển và biến đổi Fourier thuận ngược? ▪ Vẽ phổ, phổ biên độ và phổ pha tín hiệu? ▪ Các tính chất cơ bản của phổ tín hiệu? ▪ Tính đối ngẫu thời gian-tần số? ▪ Phân loại tín hiệu miền tần số? ▪ Cách tính băng thông? ▪ Cách tính giá trị trung bình ở miền thời gian và miền tần số? ▪ Cách tính công suất/năng lượng ở miền thời gian và miền tần số? ▪ Đặc tính và cách tính công suất nhiễu AWGN? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 104
- Bài tập 2 ▪ Tìm và vẽ phổ biên độ, tính giá trị trung bình và năng lượng/công suất của các tín hiệu sau: 1) -1@ 2) 10cos(1@ t) 3) 10sin(1@ t) 4) 10cos(1@ t) – 10 5) 10 – 10sin(1@ t) 6) 10cos(1@ t) – 10sin(1@ t) 7) 10cos(1@ t) – 20sin(1@ t) 8) 10cos(1@ t) – 10sin(2@ t) 9) 10cos(1@ t) – 20sin(2@ t) 10) 10cos(1@ t) + 20cos(1@ t + /3) 11) 10cos(1@ t) + 20cos(1@ t – /3) 12) 10cos(1@ t) + 20sin(1@ t – /3) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 106
- Bài tập 4 ▪ Tìm, vẽ phổ biên độ và xác định băng thông của các tín hiệu sau: 1) (t) – 1@ 2) (t – 1@) 3) (1@t) 4) (t/1@) 5) (3t – 1@) 6) (t/1@ – 2) 7) ((t – 2)/1@) 8) ((t – 1@)/2) 9) ((3t – 2)/1@) 10) (t).10.cos(1@ t) 11) {1 + (t)}.10.cos(1@ t) 12) {1 + (t – 2)}.10.cos(1@ t) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 108
- Bài tập 6 ▪ Cho tín hiệu thực x(t) có băng thông [0 W] (rad/s). Tìm băng thông của các tín hiệu sau: 1) y(t) = x(t).cos(Wt) 2) y(t) = x(t).sin(Wt) 3) y(t) = x(t).cos(10Wt) 4) y(t) = x(t).cos(Wt) + x(t).sin(Wt) 5) y(t) = x(t).cos(Wt) – x(t).sin(Wt) 6) y(t) = {1 + x(t)}.cos(Wt) 7) y(t) = {1 – x(t)}.cos(Wt) 8) y(t) = {1 + 2x(t)}.cos(Wt) 9) y(t) = x(t) + cos(Wt) 10) y(t) = x(t) * cos(Wt) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 110
- Bài tập 8 ▪ Cho các tín hiệu thực x1(t) và x2(t) có băng thông [0 W] (Hz). Tìm băng thông của các tín hiệu sau: 1) y(t) = x1(t) + x2(t) 2) y(t) = x1(t) – x2(t) 3) y(t) = x1(t).x2(t) 4) y(t) = x1(t) * x2(t) 5) y(t) = {x1(t) + x2(t)}.cos(Wt) 6) y(t) = x1(t) + x2(t).cos(Wt) 7) y(t) = x1(t) + x2(t).cos(10Wt) 8) y(t) = x1(t).cos(Wt) + x2(t).sin(Wt) 9) y(t) = x1(t).cos(10Wt) + x2(t).sin(10Wt) 10) y(t) = x1(t).cos(Wt).cos(10Wt) Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 112
- Bài tập 10 1) Rút gọn 2) Chỉ ra cách khôi phục tín hiệu m(t) có băng thông rất nhỏ hơn fc từ tín hiệu x1(t) hoặc x2(t). Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 114
- Bài tập 12 ▪ Vẽ dạng sóng x(t) trong 1 chu kì tuần hoàn. ▪ Tìm công suất Px ▪ Tìm băng thông 98% công suất. Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 116
- Bài tập 14 ▪ Vẽ phổ vạch. ▪ Tìm băng thông 3dB ▪ Tìm băng thông 40dB ▪ Tìm băng thông 98% công suất ▪ Tìm băng thông 99% công suất Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 118
- Bài tập 16 ▪ Tính các giá trị sau: Câu Giá trị 1) Q(0) 1 2) Q(0.5@) 2 3) Q(1.1@) 3 4) Q(1.9@) 4 5) Q(3.@) 5 6) Q(4.@) 6 7) Q(5.@) 7 8) Q(–1.1@) 8 9) Q(–1.9@) 9 10) Q(–3.@) 10 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 120
- Bài tập 18 ▪ Cho biến ngẫu nhiên X phân bố Gauss (0, 1), tính các xác suất sau: 1) Pr(X > 0.5@) Câu Theo hàm Q(.) Giá trị 2) Pr(X > –0.5@) 1 3) Pr(X < 1.@) 2 4) Pr(X < –1.@) 3 5) Pr(–0.5@ < X < 0.5@) 4 6) Pr(0.5@ < X < 1.@) 5 7) Pr(–0.5@ < X < 1.@) 6 8) Pr(–1.@ < X < -0.5@) 7 9) Pr(–1.@ < X < 0.5@) 8 10) Pr(–1.@ < X < 1.@) 9 10 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 122
- Bài tập 20 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 124
- Bài tập 22 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 126
- Bài tập 24 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 128
- Bài tập 26 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 130
- Bài tập 28 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 132
- Bài tập 30 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 134
- Bài tập 32 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 136
- Bài tập 34 Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 138
- Bài tập 36 1) Tính năng lượng của các tín hiệu x(t) và gi(t)? 2) Tính hệ số tương quan giữa tín hiệu x(t) và các tín hiệu gi(t)? Th.S. Nguyễn Thanh Tuấn 140