Tài liệu Ứng dụng khử nhiễu tích cực cho headphone trên kit dsp 6713

LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn này, tác giả đã nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình, sự hỗ trợ và động viên của nhiều ngƣời, cả về vật chất lẫn tinh thần. Để từ đó có thể hoàn thành đƣợc luận văn nhƣ mong muốn, nay tôi xin đƣợc gửi những lời cảm ơn chân thành và trân trọng nhất của mình. Trƣớc hết, tôi xin cảm ơn thầy PGS-TS. Hoàng Đình Chiến. Em xin cảm ơn thầy đã có những hƣớng dẫn, nhắc nhở đôn đốc, tận tình giúp em thực hiện luận văn này trong suốt thời gian qua. Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy trong khoa Điện - Điện tử và bạn bè lớp cao học khóa 2010A trƣờng ĐH SPKT HCM, thầy cô và đồng nghiệp trƣờng ĐH LẠC HỒNG đã đóng góp cho tôi những lời khuyên, kinh nghiệm quý báu cũng nhƣ đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn tất đề tài này. i TÓM TẮT Trong xã hội, vấn đề giao tiếp là một nhu cầu không thể thiếu, ngày chúng ta phải tiếp xúc với nhiều loại thông tin giao tiếp với nhiều dạng khác nhau, nhƣ âm thanh, hình ảnh, chữ viết… Ở đây, chỉ xét trên khía cạnh âm thanh, chúng ta cũng có muôn vàn các loại tín hiệu âm thanh khác nhau, đôi lúc chúng xen lẫn vào nhau làm cho nội dung thông tin trong âm thanh bị sai lệch, ta gọi là tín hiệu âm thanh bị nhiễu. Vấn đề đặt ra là làm sao các thông tin chúng ta nhận đƣợc phải truyền tải đúng mục đích mà ngƣời đƣa tin mong muốn. Điều khiển nhiễu tích cực nhắm tới mục đích làm giảm các âm thanh không mong muốn và âm thanh khó chịu đƣợc coi là nhiễu đó. Tuy nhiên có nhiều vấn đề liên quan đến các hiện tƣợng âm thanh cũng nhƣ các giới hạn trong việc điều khiển nhiễu tích cực. Nhƣng dù vậy điều khiển nhiễu tích cực vẫn là một đề tài hấp dẫn đƣợc nhiều ngƣời nghiên cứu. Là một học viên yêu thích lĩnh vực trên, tác giả chọn đề tài “Ứng Dụng Khử Nhiễu Tích Cực Cho Headphone Trên Kit DSP 6713” với mong muốn tìm hiểu thêm và áp dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn. Có nhiều phƣơng pháp để thực hiện việc loại bỏ nhiễu này, tùy theo yêu cầu tốc độ, hiệu quả và đáp ứng chi phí. Trong phần luận văn này đề cập 3 giải thuật chính LMS, RLS và FastLMS. Mỗi giải thuật có ƣu khuyết điểm riêng. Trong đó giải thuật FastLMS có gánh nặng tính toán ít nhất nên đƣợc chọn đựa vào phần thi công hệ thống khử nhiễu trên KIT DSK6713. Mô hình đƣợc xây dựng gồm một micro để thu tín hiệu cần nghe đã bị ảnh hƣởng của nhiễu, một micro thu tín hiệu nhiễu tƣơng quan qua bộ lọc nhiễu và phát ra loa. Các kết quả mô phỏng trên máy tính và thực nghiệm đều cho thấy đáp ứng tốt với nhiễu trong môi trƣờng thực tế. ii ABSTRACT Nowadays, communication is necessary and everyday we must communicate signals in forms of sound, image and symbol .In this report, we only pay attention to sound signals, and there are numerous kinds of sound signals which are often interfered with noises, causing incorrect signals. Therefore, one prolem given is how to receive the original signal. To solve this problem, Control Active Noise Cancelation is represented but it has a limitation in decontaminating. However, it is still an attractive topic to scientists. As a student who is interested in this field, I choose the topic "Headphone Using Active Noise Cancellation In DSP 6713" with the purpose of gaining and applying knowledge in real life. Besides, there are many methods to remove noise, depending on speed, offset output and response expense. In this topic, we have three main methods which are LMS, RLS and Fast-LMS and each one has its strengths and weaknesses. Among these methods, Fast-LMS with low calculation is chosen to apply in the decontaminating noise system in DSK6713. Its model is built with one micro to receive signal which has noise and one micro to obtain correlated noise signal through a noise filter. As a result, the simulation on computer and the experiment have proven that this method is applied effectively to reduce noise in real conditions. iii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Lời cảm ơn i Tóm tắt ii Mục lục iv Danh sách các chữ viết tắt vii Danh sách các hình viii Danh sách các bảng x Chương 1. TỔNG QUAN 1 1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1 1.1.1 Giới thiệu chung 1 1.1.2 Khái niệm cơ bản 1 1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 3 1.1.3.1 Một số công trình nghiên cứu trong nƣớc 3 1.1.3.2 Một số công trình nghiên cứu ngoài nƣớc 4 MỤC ĐÍCH VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 4 1.2 1.2.1 Tính cần thiết của đề tài 5 1.2.2 Một số ứng dụng trong thực tế 5 1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 6 1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 8 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ANC 8 2.1.1 Xây dựng mô hình ANC 8 2.1.2 Mô hình ANC truyền thẳng 9 2.2 CÁC THUẬT TOÁN KHỬ NHIỄU THÔNG DỤNG 11 2.2.1 Giải thuật Least Mean Square (LMS) 11 2.2.2 Giải thuật Recursive Least Squares (RLS) 14 iv Giải thuật Fast LMS 2.2.3 15 2.2.3.1 Bộ lọc thích nghi khối 15 2.2.3.2 Giải thuật FastLMS 18 2.2.4 Thuật toán Kalman 20 Chương 3. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN 3.1 23 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN LMS 23 3.1.1 Simulink LMS đơn tần 23 3.1.2 Simulink LMS với tín hiệu thực 24 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN RLS 30 3.2 3.2.1 Simulink RLS đơn tần 26 3.2.2 Simulink RLS với tín hiệu thực 28 3.3 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN FAST LMS 30 3.4 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN KALMAN 34 3.5 SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT CHUNG 35 Chương 4. THỰC NGHIỆM TRÊN KIT DSP6713 38 4.1 MÔI TRƢỜNG LẬP TRÌNH 38 4.2 GIỚI THIỆU KIT DSP 6713 39 4.2.1 Digital Starter Kit 39 4.2.2 Bộ xử lý số tín hiệu TMS320C6713 41 4.2.3 TLV320AIC23 Stereo audio codec 41 4.3 PHỤ KIỆN PHẦN CỨNG BÊN NGOÀI 45 4.3.1 Bộ tiền khuếch đại 45 4.3.2 Microphone 48 4.4 CÁC MÔ HÌNH KHỬ NHIỄU TÍCH CỰC TRÊN DSK6713 49 4.4.1 Khử nhiễu tích cực một ngõ vào 49 4.4.2 Khử nhiễu tích cực 2 ngõ vào 52 Chương 5. KẾT LUẬN 54 v 5.1 QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN 54 5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC CỦA ĐỀ TÀI 54 5.3 CÁC VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI CỦA ĐỀ TÀI 54 5.4 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 58 vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT A/D : Analog-to-Digital ANC: Active Noise Control D/A : Digital-to-Analog DSP : Digital Signal Processing DSK : Digital Starter Kit DSPs : Digital Signal Processors FFT : Fast Fourier Transform FIR : Finite Impulse Response IIR : Infinite Impulse Response IFFT: Inverse Fast Fourier Transform LMS : Least Mean Square MSE : Mean Square Error RLS : Recursive Least Squares TI : Texas Instrument FLMS: Fast Least Mean Square vii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Hình 1.1: Khử tín hiệu bằng 2 dạng sóng ngƣợc pha 1800 Hình 1.2: Mô hình ANC thích nghi Hình 1.3: Mô hình kiểm soát nhiễu trong đƣờng ống Hình 2.1: Sơ đồ mô tai nghe ANC và mô hình tƣơng đƣơng Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống ANC truyền thẳng TRANG 2 2 3 8 9 Hình 2.3: Mô hình ANC truyền thẳng 10 Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống ANC truyền thẳng dùng LMS 10 Hình 2.5: Cấu trúc bộ lọc thich nghi đơn giản 11 Hình 2.6: Tìm điểm cực tiểu trong LMS 12 Hình 2.7: Sơ đồ khối Block Adaptive Filter 16 Hình 2.8: Sơ đồ khối thuật toán Fast LMS 18 Hình 2.9: Mô hình trạng thái không gian sử dụng cho bộ lọc Kalman 21 Hình 3.1: Sơ đồ Simulink đơn tần sử dụng thuật toán LMS 23 Hình 3.2: Kết quả mô phỏng thuật toán LMS đơn tần 24 Hình 3.3: Sơ đồ Simulink tín hiệu thực sử dụng thuật toán LMS 25 Hình 3.4: Kết quả mô phỏng LMS tín hiệu thực 26 Hình 3.5: Sơ đồ Simulink đơn tần sử dụng thuật toán RLS 27 Hình 3.6: Kết quả mô phỏng thuật toán RLS đơn tần 27 Hình 3.7: Sơ đồ Simulink tín hiệu thực sử dụng thuật toán RLS 29 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng RLS tín hiệu thực 29 Hình 3.9: Sơ đồ Simulink Fast LMS 30 Hình 3.10: Kết quả mô phỏng FastLMS tín hiệu thực 30 Hình 3.11: Kết quả dạng phổ của mô hình FastLMS tín hiệu thực 31 Hình 3.12: Kết quả tính BER FastLMS tín hiệu thực 32 Hình 3.13: Kết quả tính SNR FastLMS tín hiệu thực 32 viii Hình 3.14: FLMS với alpha khác nhau 33 Hình 3.15: FLMS với gamma khác nhau (alpha=0.05) 33 Hình 3.16: FLMS với gamma khác nhau (alpha=0.2) 34 Hình 3.17: Tín hiệu qua bộ lọc Kalman 35 Hình 3.18: Hàm MSE của thuật toán FLMS, RLS, LMS 36 Hình 4.1: Từ Simulink đến DSK6713 38 Hình 4.2: Sơ đồ khối của C6713 DSK 40 Hình 4.3: Sơ đồ khối của TLV320AIC23 42 Hình 4.4: Ngõ vào LINE IN 43 Hình 4.5: Mạch chuyển từ hệ thống CD vào ngõ LINE IN 43 Hình 4.6: Ngõ vào MIC IN 44 Hình 4.7: Các tầng khuếch đại của ngõ MIC IN 44 Hình 4.8: Board preamplifier 46 Hình 4.9: Sơ đồ khối của board preamplifier 47 Hình 4.10: Tần số cắt cao tƣơng ứng giá trị C1,C2 48 Hình 4.11: Microphone 48 Hình 4.12: Phần cứng dùng trong mô hình ANC 49 Hình 4.13: Giải thuật FLMS trên KIT 6713dsk 49 Hình 4.14: Tín hiệu error và signal thu từ RTDX của FLMS_DSK.mdl 50 Hình 4.15: Kết quả dạng tín hiệu khử nhiễu 1 ngõ vào trên KIT DSP6713 51 Hình 4.16: Kết quả dạng phổ tín hiệu khử nhiễu 1 ngõ vào trên KIT DSP6713 51 Hình 4.17: Khử nhiễu tích cực 2 ngõ vào 52 Hình 4.18: Tín hiệu error và signal thu từ RTDX của ANC2IN.mdl 53 Hình 4.19: Kết quả dạng tín hiệu khử nhiễu 2 ngõ vào trên KIT DSP6713 54 Hình 4.20: Kết quả dạng phổ tín hiệu khử nhiễu 2 ngõ vào trên KIT DSP6713 54 ix DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG Bảng 3.1: Bảng so sánh các giá trị Anpha FLMS Bảng 3.2: So sánh gánh nặng tính toán của LMS, RLS, FLMS x TRANG 34 35