Đồ án Ứng dụng lọc thích nghi trong triệt nhiễu và triệt tiếng vọng (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Ứng dụng lọc thích nghi trong triệt nhiễu và triệt tiếng vọng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ỨNG DỤNG LỌC THÍCH NGHI TRONG TRIỆT NHIỄU VÀ TRIỆT TIẾNG VỌNG GVHD: Ths. Ngô Quốc Cường SVTH : Võ Phong Phú MSSV : 10117050 SVTH: Ðỗ Minh Toán MSSV : 10117070 S K L 0 0 3 2 4 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Đề tài: : ỨNG DỤNG LỌC THÍCH NGHI TRONG TRIỆT NHIỄU VÀ TRIỆT TIẾNG VỌNG GVHD : Ths. Ngô Quốc Cường SVTH : Võ Phong Phú MSSV : 10117050 Đỗ Minh Toán MSSV : 10117070 TP. Hồ Chí Minh, tháng 8/ 2014
3. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang i LỜI CẢM ƠN Nhóm thực hiện đề tài xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử, và nhất là quý Thầy cô thuộc bộ môn Điện Tử Viễn Thông đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho người thực hiện đồ án trong thời gian vừa qua. Đặc biệt nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Ngô Quốc Cường vì sự tận tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho người thực hiện đồ án để có thể thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này. Nhóm thực hiện đồ án cũng không quên cảm ơn các bạn trong lớp đã trao đổi, góp ý để người thực hiện hoàn thành đề tài này một cách tốt đẹp và đúng thời gian. Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức cũng như khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn từ nơi quý thầy cô và các bạn sinh viên. Nhóm sinh viên thực hiện đề tài Lời cảm ơn.
4. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang ii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii LIỆT KÊ BẢNG v LIỆT KÊ HÌNH vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii PHẦN A : GIỚ THIỆU ix TÓM TẮT x ABSTRACT xi PHẦN B : NỘI DUNG 1 CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 2 1.1 Tình hình nghiên cứu chung. 2 1.2 Tính cấp thiết của đề tài. 3 1.3 Mục tiêu đề tài 4 1.4 Phạm vi nghiên cứu 4 1.5 Bố cục của đồ án 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Bộ lọc số. 6 2.2 Lọc thích nghi. 9 2.2.1 Một số khái niệm cơ bản. 10 2.2.1.1 Biến ngẫu nhiên. 10 2.2.1.2 Quá trình ngẫu nhiên 10 2.2.1.3 Đặc tính từng phần của quá trình ngẫu nhiên rời rạc theo thời gian 10 2.2.1.4 Tương quan của các tín hiệu. 11 2.2.2 Giới thiệu về lọc thích nghi. 12 2.2.3 Các cấu trúc lọc thích nghi. 13 2.2.3.1 Khử nhiễu. 13 Liệt kê bảng.
5. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang iii 2.2.3.2 Nhận dạng hệ thống. 13 2.2.3.3 Bộ dự đoán thích nghi. 14 2.2.4 Các thuật toán lọc thích nghi. 14 2.2.4.1 Thuật toán LMS. 15 2.2.4.1.1 Bộ kết hợp thích nghi tuyến tính. 15 2.2.4.1.2 Hàm mục tiêu. 17 2.2.4.2 Thuật toán RLS. 20 2.3 Giới thiệu phần mềm CCS và kit TMS320C6713 25 2.3.1 Giới thiệu về phần mềm CCS. 25 2.3.2 Giới thiệu về kit TMS320C6713. 26 2.3.2.1 Sơ đồ khối và các đặc trưng của kit TMS320C6713. 28 2.3.2.2 Hoạt động cơ bản. 29 2.3.2.3 Bản đồ nhớ. 29 2.3.3 Các thành phần của kit TMS320C6713. 30 2.3.3.1 CPLD. 30 2.3.3.2 AIC23 Codec. 30 2.3.3.3 SDRAM. 32 2.3.3.4 Bộ nhớ FLASH. 33 2.3.3.5 LED và Switch. 33 2.3.3.6 Giao tiếp card mở rộng. 34 CHƯƠNG 3 : ỨNG DỤNG BỘ LỌC THÍCH NGHI TRONG TRIỆT NHIỄU VÀ TRIỆT TIẾNG VỌNG 35 3.1 Ứng dụng lọc thích nghi trong triệt nhiễu. 35 3.1.1 Các chế độ khử nhiễu kiểu thích nghi. 35 3.1.2 Các thuật toán cập nhật cho các bộ lọc. 36 3.1.2.1 Thực hiện giải thuật LMS . 38 3.1.2.2 Thực hiện giải thuật RLS. 42 3.2 Ứng dụng lọc thích nghi trong triệt tiếng vọng. 46 3.2.1 Các loại tiếng vọng. 47 Liệt kê bảng.
6. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang iv 3.2.2 Quá trình triệt tiếng vọng. 47 3.2.3 Sử dụng lọc thích nghi để triệt tiếng vọng. 48 3.2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng triệt tiếng vọng. 51 CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN TRIỆT NHIỄU, TRIỆT TIẾNG VỌNG TRÊN KIT TMS320C6713 53 4.1 Triệt nhiễu thích nghi dùng thuật toán LMS trên kit DSP TMS320C6713. 53 4.2 Triệt nhiễu thích nghi dùng thuật toán RLS trên kit DSP TMS320C6713. 56 4.3 Triệt tiếng vọng dùng thuật toán LMS trên kit TMS320C6713 57 4.4 Triệt tiếng vọng dùng thuật toán RLS trên kit TMS320C6713. 61 CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 5.1 Kết quả đạt được. 63 5.2 Thiếu sót 63 5.3 Hướng phát triển. 64 PHẦN C : PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 Phụ lục A. 66 1. Hướng dẫn biên dịch Simulink sang code C. 66 2. Hướng dẫn cài đặt CCS V3.3 trên Windows XP. 73 Phụ lục B : Code Matlab. 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Liệt kê bảng.
7. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang v LIỆT KÊ BẢNG Bảng 3.1: Bảng số phép toán của thuật toán LMS 38 Bảng 3.2: Bảng số phép toán của thuật toán RLS 42 Bảng 3.3: Bảng so sánh thông số ERLE giữa thuật toán LMS và RLS 51 Liệt kê bảng.
8. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang vi LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1: Quá trình hoạt động của một bộ lọc số 6 Hình 2.2: Đáp ứng xung, đáp ứng bước và đáp ứng tần số của bộ lọc 8 Hình 2.3: Cấu trúc bộ lọc thích nghi cơ bản 12 Hình 2.4: Cấu trúc bộ lọc thích nghi cho khử nhiễu 13 Hình 2.5: Cấu trúc bộ lọc thích nghi cho nhận dạng hệ thống 14 Hình 2.6: Cấu trúc bộ lọc thích nghi cho bộ dự đoán thích nghi 14 Hình 2.7: Bộ kết hợp tuyến tính nhiều ngõ vào 15 Hình 2.8: Bộ kết hợp tuyến tính thích nghi với một ngõ vào 16 Hình 2.9: Đường biểu diễn chất lượng làm việc của 1 hệ số 17 Hình 2.10: Tìm điểm cực tiểu theo một trọng số 18 Hình 2.11: Giản đồ cập nhật trọng số 21 Hình 2.12: Lưu đồ phát triển phần mềm tạo ra mã đối tượng từ ngôn ngữ C 26 Hình 2.13: Board DSK 6713 27 Hình 2.14: Các thành phần đi kèm với DSK TMS320C6713 27 Hình 2.15: Sơ đồ khối DSK C6713 28 Hình 2.16: Bản đồ nhớ và tổ chức bộ nhớ của DSK C6713 30 Hình 2.17: Hệ thống DSP với tín hiệu vào, ra tương tự 31 Hình 2.18: Giao tiếp của Codec trên DSK 32 Hình 2.19: Sơ đồ khối TLV320AIC23 codec 33 Hình 3.1: Cấu trúc triệt nhiễu thích nghi 35 Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán LMS 39 Hình 3.3: Triệt nhiễu tích cực sử dụng thuật toán LMS 40 Hình 3.4: So sánh tốc độ hội tụ của thuật toán LMS khi µ thay đổi 41 Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán RLS 43 Hình 3.6: Triệt nhiễu tích cực sử dụng thuật toán RLS 44 Hình 3.7: So sánh thông số MSE giữa LMS và RLS 45 Hình 3.8: Cơ chế hình thành Echo 46 Liệt kê hình.
9. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang vii Hình 3.9: Sơ đồ tạo Echo trong DSP 46 Hình 3.10: Hoạt động của một bộ triệt tiếng vọng 47 Hình 3.11: Sơ đồ hệ thống triệt tiếng vọng 48 Hình 3.12: Sơ đồ hệ thống sử dụng lọc thích nghi triệt tiếng vọng 48 Hình 3.13: Tín hiệu Echo 49 Hình 3.14: Triệt tiếng vọng sử dụng thuật toán LMS 49 Hình 3.15: Mô hình triệt tiếng vọng dùng thuật toán RLS 50 Hình 3.16: Triệt tiếng vọng sử dụng thuật toán RLS 50 Hình 3.17: Biểu đồ so sánh ERLE giữ thuật toán RLS và LMS 52 Hình 4.1: Hệ thống triệt nhiễu thích nghi dùng thuật toán LMS 53 Hình 4.2: Mô hình chi tiết khối Noise Channel 53 Hình 4.3: Mô hình kết nối kit TMS320C6713 hệ thống ANC 54 Hình 4.4: Tín hiệu ngõ vào hệ thống triệt nhiễu thích nghi dùng thuật toán LMS . 54 Hình 4.5: Tín hiệu cộng nhiễu sử dụng thuật toán LMS 55 Hình 4.6: Tín hiệu thu được sau khi triệt nhiễu dùng thuật toán LMS 55 Hình 4.7: Hệ thống triệt nhiễu thích nghi dùng thuật toán RLS 56 Hình 4.8: Tín hiệu ngõ vào cộng với nhiễu dùng thuật toán RLS 56 Hình 4.9: Tín hiệu thu được sau khi triệt nhiễu dùng thuật toán RLS 57 Hình 4.10: Mô hình kết nối kit TMS320C6713 hệ thống AEC 57 Hình 4.11: Hệ thống tạo tiếng vọng 58 Hình 4.12: Hệ thống triệt tiếng vọng dùng thuật toán LMS 58 Hình 4.13: Tín hiệu ngõ vào hệ thống triệt tiếng vọng dùng thuật toán LMS 59 Hình 4.14: Tín hiệu echo dùng thuật toán LMS 59 Hình 4.15: Tín hiệu thu được sau khi triệt tiếng vọng dùng thuật toán LMS 60 Hình 4.16: Hệ thống triệt tiếng vọng sử dụng thuật toán RLS 61 Hình 4.17: Tín hiệu Echo dùng thuật toán RLS 61 Hình 4.18: Tín hiệu thu được sau khi triệt tiếng vọng dùng thuật toán RLS 62 Liệt kê hình.
10. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT A AEC Acoustic Echo Canceller Triệt tiếng vọng âm học AF Adaptive Filters Lọc thích nghi ANC Active Noise Canceller Triệt nhiễu thích nghi C CCS Code Composer Studio CPLD Complex Programmable Logic Device Thiết bị logic lập trình được D DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số E ERL Echo Return Loss Suy hao phản hồi tiếng vọng ERLE Echo Return Loss Enhancement Tăng cường ERL F FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn I IIR Infinite Impulse Response Đáp ứng xung vô hạn IDE Integrated Development Environment Môi trường phát triển tích hợp L LMS Least Mean Squared Bình phương trung bình tối thiểu M MSE Mean Squared Error Sai số bình phương trung bình N NLMS Normalized Least Mean Squared Chuẩn hóa LMS R RLS Recursive Least Squares Bình phương cực tiểu đệ quy. Danh mục từ viết tắt.
11. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang ix PHẦN A : GIỚI THIỆU Phần A: Giới thiệu.
12. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang x TÓM TẮT Làm sao để loại bỏ hoàn toàn tiếng vọng và nhiễu? Là một câu hỏi, một bài toán lớn đặt ra cần thiết phải giải quyết trong các hệ thống viễn thông hiện nay. Vấn đề nhiễu trong môi trường truyền tín hiệu đã đến lúc phải quan tâm do sự phát triển của khoa học công nghệ đã dẫn đến ra đời nhiều loại máy móc hạng nặng, động cơ ồn ào, nhiễu từ các thiết bị điện tử thu, phát tín hiệu, từ môi trường sống như tiếng ồn công nghiệp, tiếng xe, máy Tiếng vọng được tạo ra bởi các phản xạ của sóng âm thanh bởi các bức tường của căn phòng và những thứ khác tồn tại trong phòng. Vấn đề này sẽ gây ra chất lượng tín hiệu điện thoại xấu đi và do đó người nói không thể nghe rõ nội dung của cuộc trò chuyện, thậm chí còn mất thông tin quan trọng. Vấn đề loại bỏ nhiễu và tiếng vọng, cung cấp một môi trường truyền tốt, các cuộc gọi điện thoại ít bị tác động bởi nhiễu, tiếng vọng là vấn đề cấp thiết cần giải quyết trong thời đại công nghệ số. Trong nhiều năm qua các thuật toán thích nghi khác nhau đã được đầu tư nghiên cứu, phát triển để làm sao loại bỏ nhiễu hiệu quả nhất. Trong đồ án này, nhóm thực hiện đề tài đã tìm hiểu lý thuyết về lọc số, lọc thích nghi, nghiên cứu,thực hiện các bộ lọc thích nghi sử các thuật toán LMS và RLS mô phỏng trên MATLAB tính toán các thông số MSE, ERLE, SNR để so sánh, đánh giá hiệu suất, chất lượng của các thuật toán trong việc loại bỏ nhiễu, triệt tiếng vọng. Nhóm thực hiện đề tài cũng nghiên cứu đưa ứng dụng các bộ lọc thích nghi vào thực tế, hệ thống triệt echo và hệ thống khử nhiễu được thực thi trên KIT DSP TMS320C6713 DSK. Phần A: Giới thiệu
13. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang xi ABSTRACT Echo and noise are common occurrence in today's telecommunication systems. Noise problems in the environment have gained attention due to the tremendous growth of technology that has led to noisy engines, heavy machinery, high speed wind buffeting and other noise sources. This acoustic echo is actually the noise which is created by the reflection of sound waves by the wall of the room and the other things exist in the room. This problem will cause the bad quality of voice signal and thus talkers could not hear clearly the content of the conversation, even thought lost the important information. The problem of cancellation the noise and echo provides an echo free environment for speakers during conversation .In last few years, various adaptive algorithms are developed for noise cancellation. In this project, we implemented LMS and RLS algorithms on MATLAB software with the intention to compare their performance in noise cancellation. We simulate the adaptive filter in MATLAB with a noisy tone signal and white noise signal and analyze the performance of algorithms in terms of MSE percentage noise removal, computational complexity and stability. Also the concept of echo cancellation system and noise cancellation system are studied, simulated and implemented in Matlab and TI TMS320C6713 DSK. Phần A: Giới thiệu
14. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1 PHẦN B : NỘI DUNG Phần B : Nội dung
15. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2 CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 1.1 Tình hình nghiên cứu chung. Xử lý thích nghi là một lĩnh vực có ý nghĩa học thuật và gắn liền với những ứng dụng thực tế như khử nhiễu thích nghi, triệt echo, cân bằng kênh truyền Ban đầu ứng dụng của xử lý tín hiệu thích nghi giới hạn trong các mô hình nhận dạng, sửa sóng, lọc nhiễu và sử dụng các thuật toán Newton, Steepest Descent, LMS, RLS Sự thay đổi của tập dữ liệu đầu vào và các điều kiện ràng buộc ngày càng phức tạp kéo theo đòi hỏi cải tiến các thuật toán thích nghi để có được hiệu năng xử lý cao hơn so với các mạch lọc tương tự trước đây [3]. Ngoài ra việc giải quyết vấn đề nâng cao hiệu năng thuật toán còn đòi hỏi việc xây dựng các điều kiện đảm bảo thuật toán có thể sử dụng được. Mục tiêu của việc cải tiến thuật toán thích nghi là tăng tốc độ hội tụ với yêu cầu về độ chính xác, độ ổn định, đã được nhiều tác giả nghiên cứu giải quyết theo nhiều hướng: thay đổi cấu trúc bộ lọc thích nghi [1], sử dụng kích thước bước thích nghi thay đổi VSLMS, VSNLMS [9] [7]. Cải tiến các thuật toán thích nghi sử dụng cấu trúc động [11], thông số tự thay đổi như thuật toán NLMS, tăng độ ổn định, đồng thời độ phức tạp của thuật toán sẽ tăng lên đáng kể. Sử dụng các thuật toán lọc thích nghi LMS, NLMS, RLS để áp ứng được các mục tiêu có tính thực tế, các ứng dụng thời gian thực [8]. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam, tác giả Lê Tiến Lộc nghiên cứu Ứng dụng khử nhiễu tích cực cho Headphone [12] sử dụng thuật toán thích nghi LMS, fast LMS, RLS theo mô hình ANC có khả năng khử động tự động khử tiếng ồn môi trường bên ngoài. Tác giả Thái Văn Tiến nghiên cứu và thiết kế bộ khử tiếng vọng âm thanh [13] sử dụng thuật toán thích nghi LMS, NLMS, RLS và các phương pháp đánh giá chất lượng của tiếng nói. Chương 1 : Giới thiệu
16. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3 Để giải quyết yêu cầu mới của bài toán cũ này như là độ chính xác cao hơn, tốc độ hội tụ nhanh hơn, độ ổn định cao hơn, những năm gần đây (từ 2002 đến 2010) đã có một số công trình nghiên cứu giải quyết bằng các hướng mới như : - Giải quyết bằng các thuật toán lập trình song song của các nhà khoa học Mỹ và Canada. - Thay đổi bậc thuật toán LMS của các nhà khoa học Hàn Quốc. - Cải tiến trên các thuật toán như: LMS, RLS theo hướng thay đổi kích thước bước thích nghi của các nhà khoa học Pháp. Yêu cầu cao về phần cứng và khả năng cài đặt thuật toán đang làm chậm việc triển khai trên thực tế. Một hướng nghiên cứu khác có ưu điểm là độ phức tạp của thuật toán là vừa phải, chấp nhận được, yêu cầu bộ nhớ không cao có thể thực hiện trên KIT DSP. Tuy nhiên các thuật toán đề xuất chưa vẫn chưa đạt được các chỉ tiêu mong muốn về tính ổn định, tốc độ hội tụ. Nhóm thực hiện đề tài cũng nhận thấy rằng các kết quả thu được trong việc nghiên cứu quy luật cập nhật cho kích thước bước trong những năm gần đây đều nhằm thoả mãn yêu cầu là kích thước nhận giá trị nhỏ khi ở gần vị trí tối ưu để đảm bảo tính ổn định và nhận giá trị lớn khi ở xa điểm tối ưu để đảm bảo tốc độ hội tụ của thuật toán. Nhóm thực hiện cũng nghiên cứu áp dụng các thuật toán thích nghi LMS, RLS để thiết kế các hệ thống khử nhiễu thích nghi, hệ thống triệt tiếng vọng thích nghi trên KIT DSP TMS320C6713. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài. Trong những năm gần đây, điện thoại có loa và điện thoại tế bào hand-free đã được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới cho các ứng dụng hội nghị truyền hình và hội thảo qua video từ xa. Tiếng nói từ người gọi đầu xa được phát đi bởi điện thoại có loa hoặc điện thoại tế bào hands-free và rồi lặp lại chính nó bởi sự phản xạ bên trong bề mặt của căn phòng, âm thanh lặp lại này được gọi là tiếng vọng (echo). Tiếng vọng được thu bởi micro đầu gần, tạo ra một vòng lặp, ở đó người gọi đầu xa nghe lại tiếng nói của chính họ. Vấn đề này sẽ gây ra chất lượng tín hiệu điện thoại xấu Chương 1 : Giới thiệu
17. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4 đi và do đó người nói không thể nghe rõ nội dung của cuộc trò chuyện, thậm chí còn mất thông tin quan trọng. Bên cạnh đó vấn đề nhiễu trong môi trường truyền cũng ngày càng được quan tâm hơn, bởi nhiều nguyên nhân sau : - Sự tăng nhanh các thiết bị, nguồn phát nhiễu như động cơ, máy quạt, máy biến thế, máy nén . - Tốc độ đô thị hoá, mật độ dân số và các phương tiện giao thông ngày càng tăng. Theo báo cáo của tổ chức sức khoẻ thế giới nhiễu và rung chấn là nguyên nhân gây ra cảm giác khó chịu và nguy hại đến sức khoẻ con người . Những phạm vi cần thiết kiểm soát nhiễu như : - Ở gần sân bay nhiễu phát ra do việc cất cánh và hạ cánh của máy bay. - Đường cao tốc và đường ray tàu hoả ở gần khu dân cư và môi trường tự nhiên. - Nhiễu do động cơ, máy móc thiết bị trong công nghiệp ( cắt kim loại, cắt gỗ, máy khoan ). - Các công trình xây dựng, các khu công nghiệp Vấn đề kiểm soát nhiễu, triệt tiếng vọng, cung cấp một môi trường truyền tốt, các cuộc gọi điện thoại ít bị tác động bởi nhiễu, là tiêu điểm của nhiều nghiên cứu trong những thập niên qua. 1.3 Mục tiêu đề tài Chính vì để chứng minh khả năng hoạt động hiệu quả của các bộ lọc thích nghi sử dụng thuật toán LMS, RLS và có thể áp dụng bộ lọc này trong thực tế cuộc sống, nhóm thực hiện đã chọn nghiên cứu đề tài : “ Ứng dụng lọc thích nghi trong triệt nhiễu và triệt tiếng vọng.” Nghiên cứu việc ứng dụng các kỹ thuật lọc thích nghi để khử nhiễu, khử tiếng vọng âm học nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu tiếng nói trong thông tin liên lạc. 1.4 Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết của bộ lọc số, bộ lọc thích nghi, các thuật toán thích nghi LMS, RLS. - Mô phỏng và đánh giá chất lượng các thuật toán qua các thông số MSE, ERLE bằng MATLAB. Chương 1 : Giới thiệu
18. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5 - Nhóm thực hiện cũng nghiên cứu, thiết kế các ứng dụng lọc thích nghi như hệ thống khử nhiễu, hệ thống triệt tiếng vọng âm học trên môi trường KIT DSP TMS320C6713. - Phân tích và đánh giá kết quả đạt được. - Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo. 1.5 Bố cục của đồ án Nội dung đồ án gồm có 5 chương : Chương 1: Giới thiệu. Nói về tính cấp thiết của đề tài, tình hình nghiên cứu chung, mục tiêu của đề tài, phạm vi nghiên cứu, tóm tắt nội dụng của đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Nói về tầm quan trọng của bộ lọc số trong vấn đề lọc nhiễu tín hiệu, lý do cần thiết chọn bộ lọc số thay vì lọc tương tự, nguyên lý, cách thức làm việc của bộ lọc số. Trình bày khái niệm, cấu trúc bộ lọc thích nghi, tìm hiểu các thuật toán thích nghi LMS, RLS. Giới thiệu trình biên dịch CCS, sơ đồ khối, các thành phần của TMS320C6713. Chương 3: Ứng dụng bộ lọc thích nghi trong triệt nhiễu và triệt tiếng vọng. Trình bày nguyên lý, cách thức làm việc của bộ lọc thích nghi ứng dụng để khử nhiễu, triệt echo dùng thuật toán LMS, RLS. So sánh hiệu quả làm việc của 2 thuật toán qua các thông số MSE, ERLE. Chương 4:Thực hiện triệt nhiễu, triệt tiếng vọng trên KIT TMS320C6713. Tiến hành triệt nhiễu, triệt tiếng vọng trên KIT TMS320C6713 sử dụng các thuật toán thích nghi LMS, RLS để đánh giá khả năng hoạt động của các thuật toán thích nghi trong các ứng dụng thực tế. Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển. Sau quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài, nhóm thu được một số kết quả, bên cạnh đó những mặt còn tồn tại chưa thực hiện được, hướng phát triển của đề tài trong tương lai. Chương 1 : Giới thiệu
19. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ lọc số. Lọc số là quá trình rất quan trọng của xử lý tín hiệu số, vì chính những khả năng phi thường của các bộ lọc số đã làm cho chúng trở nên rất phổ biến như ngày nay. Các bộ lọc số gồm có hai ứng dụng chính : phân tích tín hiệu và phục hồi tín hiệu. Phân tích tín hiệu được áp dụng khi tín hiệu mong muốn bị giao thoa với các tín hiệu khác hay bị các loại nhiễu tác động vào nó. Còn phục hồi tín hiệu là khi tín hiệu mà ta mong muốn hay cần để đánh giá bị sai lệch đi bởi nhiều yếu tố của môi truờng tác động vào, làm cho nó bị biến dạng gây ảnh hưởng đến kết quả đánh giá. Có hai kiểu lọc chính: tương tự và số. Chúng khác nhau hoàn toàn về cấu tạo vật lý và cách làm việc. Một bộ lọc tương tự sử dụng các mạch điện tương tự được tạo ra từ các thiết bị như là điện trở, tụ điện, hay opamp, Có các chuẩn kỹ thuật tốt đã tồn tại trong một thời gian dài cho việc thiết kế một mạch bộ lọc tương tự. Còn một bộ lọc số thì sử dụng một bộ xử lý số để hoạt động tính toán số hoá trên các giá trị được lấy mẫu của tín hiệu. Bộ xử lý có thể là một máy tính mục đích chung như một PC, hay một chíp DSP chuyên dụng. Các quá trình hoạt động của một bộ lọc số được thể hiện như hình 2.1 sau: Hình 2.1: Quá trình hoạt động của một bộ lọc số. Chương 2 :Cơ sở lý thuyết.
20. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7 Nói chung các công việc của bộ lọc số có thể được thực hiện bởi bộ lọc tương tự. Các bộ lọc tương tự có ưu điểm là giá thành rẻ, tác động nhanh, dải động về biên độ và tần số đều rộng. Tuy nhiên các bộ lọc số thì có các cấp độ thực hiện hơn hẳn các bộ lọc tương tự, ví dụ như: các bộ lọc số thông thấp có thể có độ lợi 1+/-0.0002 từ DC đến 1000Hz và độ lợi sẽ nhỏ hơn 0.0002 ở các tần số trên 1001Hz. Tất cả các hoạt động diễn ra chỉ trong khoảng 1Hz. Điều này không thể thực hiện được ở các bộ lọc tương tự. Và vì vậy các bộ lọc số sẽ dần dần thay thế cho các bộ lọc tương tự với các ưu điểm cụ thể như sau: 1) Một bộ lọc số thì có khả năng lập trình được, còn một bộ lọc tương tự, muốn thay đổi cấu trúc thì phải thiết kế lại bộ lọc. 2) Các bộ lọc số dễ dàng thiết kế, dễ kiểm tra và dễ thi hành trên một máy tính mục đích chung hay một trạm làm việc. 3) Đặc điểm các mạch lọc tượng tự là bị ảnh hưởng bởi sự trôi và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Các bộ lọc số thì không có các vấn đề này, và rất ổn định với cả thời gian và nhiệt độ. 4) Các bộ lọc số có thể xử lý các tín hiệu tần số thấp rất chính xác. Tốc độ của công nghệ DSP ngày càng tăng lên, làm cho các bộ lọc số có khả năng xử lý các tín hiệu tần số cao trong miền âm tần, mà trong quá khứ là lĩnh vực độc quyền của công nghệ tương tự. 5) Các bộ lọc số linh hoạt hơn nhiều trong xử lý tín hiệu, với nhiều cách khác nhau hay chính là sự xử lý thích nghi. 6) Các bộ xử lý DSP nhanh có thể xử lý các tổ hợp phức tạp, phần cứng tương đối đơn giản, và mật độ tích hợp rất cao. Để nâng cao chất lượng của các bộ lọc tương tự, ta chú trọng khắc phục hạn chế của linh kiện như độ chính xác, độ ổn định, sự phụ thuộc vào nhiệt độ và Còn đối với các bộ lọc số, vốn dĩ bản thân nó đã có nhiều ưu điểm nên ta chỉ chú trọng đến các hạn chế của tín hiệu và các phương pháp thiết kế về thuật toán chương trình xử lý tín hiệu. Chương 2 :Cơ sở lý thuyết.
21. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8 Trong xử lý tín hiệu số, ta thường nói tín hiệu vào và ra của một bộ lọc đều ở miền thời gian, bởi vì tín hiệu thường được tạo ra bằng cách lấy mẫu ở các thời điểm cách đều nhau. Tuy nhiên, ta cũng có thể lấy mẫu ở các vị trí cách đều nhau trong không gian hay trong một số phạm trù khác, nhưng thông thường nhất là lấy mẫu trong miền thời gian và miền tấn số. Trong xử lý tín hiệu số thì từ miền thời gian ta có thể liên hệ tổng quát đến các phạm trù khác. Ví dụ hình 2.2 sau sẽ mô tả điều đó. Mỗi bộ lọc tuyến tính đều có một đáp ứng xung, một đáp ứng bước và một đáp ứng tần số. Mỗi đáp ứng này đều chứa đầy đủ thông tin về bộ lọc, nhưng dưới mỗi dạng khác nhau. Nếu một trong ba đáp ứng được xác định thì hai đáp ứng kia cũng sẽ được tính ra trực tiếp. Cả ba đáp ứng này đều rất quan trọng, vì chúng mô tả bộ lọc ở các hoàn cảnh khác nhau. Với đáp ứng xung là đầu ra của hệ thống khi đầu vào là xung đơn vị, đáp ứng bước là đầu ra của hệ thống khi đầu vào là hàm bước nhảy đơn vị. Vì hàm bước nhảy là tích phân của hàm xung đơn vị, nên đáp ứng bước chính là tích phân của đáp ứng xung. Từ đó ta có hai cách tìm đáp ứng bậc thang:  Đưa một sóng bước nhảy vào bộ lọc và xem kết quả ở đầu ra hay.  Lấy tích phân của đáp ứng xung. Còn đáp ứng tần số lấy từ biến đổi Fourier của đáp ứng xung. Hình 2.2: Đáp ứng xung, đáp ứng bước và đáp ứng tần số của bộ lọc. Phương pháp trực tiếp nhất để thực hiện lọc số là dùng phép tích chập của tín hiệu vào với đáp ứng xung của bộ lọc số, khi đó đáp ứng xung được xem là cốt lõi cho việc Chương 2 :Cơ sở lý thuyết.