Luận Văn Nghiên cứu và thực hiện khử nhiễu tín hiệu âm thanh trên TMS320C6711 DSK sử dụng bộ DSP TMS320C6711

Mở đầu

Chúng ta cần trao đổi các thông tin mang tính chính xác của sự vật, hiện tượng, mặt khác chúng ta cũng mong muốn tiếp nhận các tín hiệu mà mỗi nguời cần quan tâm riêng nhưng không làm mất đi tính trung thực của nguồn gốc thông tin, và cũng có khi chúng ta cần những thông tin mà không có thật trong thực tế vì mục đích riêng nào đó,.v.v.; như vậy để đáp ứng các nhu cầu đó thì con người ngày đêm không ngừng tạo ra các sản phẩm thoả mãn nhu cầu của con người.Trong các hướng đi và các cách giải quyết khác nhau cho các vấn đề nêu trên, thì lĩnh vực xử lý tín hiệu số( DSP) mỗi ngày càng phát triển mạnh mẽ và vững vàng. Lý do của sự thành công đó là nhờ sự phát triển phần cứng chi phí thấp, áp dụng các phần mềm đơn giản, linh hoạt nhưng không thiếu đi sự mạnh mẽ về hiệu quả thi hành. Và thực tế ngày nay, DSP đã được áp dụng rộng rãi trong hầu hết tất cả các ngành.
Sống trong thế giới hiện đại như ngày nay, chúng ta tiếp xúc với biết bao loại tín hiệu và dưới nhiều dạng khác nhau. Có các tín hiệu rất cần thiết như âm thanh, hình ảnh hay các tín hiệu giải trí như âm nhạc .v.v.Và bên cạnh cũng luôn tồn tại các tín hiệu khó chịu hoặc không cần thiết trong hoàn cảnh riêng nào đó, mà ta gọi đó là nhiễu. Xử lý tín hiệu là trích lấy, tăng cường, lưu trữ và truyền thông tin có ích mà con người cần quan tâm trong vô vàn thông tin có ích cũng như vô ích. Sự phân biệt giữa thông tin có ích và vô ích là phụ thuộc vào ý thức chủ quan của mỗi người. Nếu tín hiệu ta không quan tâm thì đó là tín hiệu vô ích và ta có thể xem là nhiễu. Xuất phát từ lẽ đó, đồ án này sẽ đi nghiên cứu và thực hiện khử nhiễu tín hiệu âm thanh trên TMS320C6711 DSK sử dụng bộ DSP TMS320C6711 của hãng Texas Instruments.
Hầu hết các bộ DSP được sử dụng nằm trong hai mục đích chính là: phân tích tín hiệu và lọc tín hiệu.
Phân tích tín hiệu: liên quan đến việc đo các đặc tính của tín hiệu, thường thao tác ở trong miền tần số. Nó có một số ứng dụng như sau:
Phân tích phổ( tần số và/hoặc pha)
Nhận dạng tiếng nói
Xác nhận người nói
Dò tìm mục tiêu
Lọc tín hiệu: là công việc với nét đặc trưng có tín hiệu vào và tín hiệu ra. Các hệ thống thực hiện các nhiệm vụ này thường được gọi là các bộ lọc. Nó có một số ứng dụng như sau:
Khử tạp âm nền
Khử giao thoa nhiễu
Tách rời các dãi tần
Định dạng phổ tần tín hiệu
Khôi phục tín hiệu bị nhiễu và giảm cấp
Cân bằng kênh
Đồ án này chú trọng vào việc khử nhiễu trong tín hiệu thoại mà cốt lõi của vấn đề này là nghiên cứu về bộ lọc số kiểu thích nghi; xem hiệu quả hoạt động của nó về khử nhiễu ngẫu nhiên như thế nào. Bộ lọc này liên tục thay đổi hệ số lọc theo một thuật toán định trước để ước lượng hàm truyền của nhiễu. Sự ước lượng càng chính xác thì quá trình khử nhiễu của bộ lọc càng đạt hiệu quả cao. Đồ án này gồm có năm chương, chương một nêu tổng quan về lọc số; chương hai nghiên cứu lý thuyết về bộ lọc thích nghi; ở chương ba, chúng ta sẽ đi nghiên cứu về khử nhiễu bằng bộ lọc thích nghi dựa trên các lý thuyết đã nêu rất rõ ở các chương trên; chương bốn, chúng ta sẽ tìm hiểu về phần cứng dùng để chạy chương trình thời gian thực về khử nhiễu kiểu thích nghi, đó là board TMS320C6711 DSK của hãng TI; và cuối cùng là chương năm sẽ là chương trình thực thi khử nhiễu kiểu thích nghi trên TMS320C6711 DSK. Để hiểu rõ hơn chúng ta xem xét cụ thể từng phần sau trong đồ án này.


MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ LỌC SỐ 5
1.1.MỞ ĐẦU: 5
1.2.GIỚI THIỆU VỀ LỌC SỐ: [14] 7
1.3.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN THỜI GIAN: [14] 8
1.3.1.Tốc độ chuyển đổi hay thời gian lên( Risetime): 8
1.3.2.Gợn sóng nhô( Overshoot) trong đáp ứng bậc thang: 9
1.3.3.Pha tuyến tính: 9
1.4.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN TẦN SỐ: [14] 10
1.5.CÁC BỘ LỌC THÔNG THẤP, THÔNG CAO, THÔNG DẢI, VÀ CHẮN DẢI: [4] & [14] 11
1.6.CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA CÁC BỘ LỌC SỐ: [2] & [3] & [4] & [5] 15
1.6.1.Bộ lọc FIR: 16
1.6.1.1.Phép biến đổi Z( Z-Transform): 16
1.6.1.2.Các bộ lọc FIR: 18
1.6.1.3.Cấu trúc hàng rào( Lattice) FIR: 19
1.6.1.4.Các bộ lọc FIR có pha tuyến tính sử dụng các cửa sổ( Window): 20
1.6.2.Bộ lọc IIR: 21
1.6.2.1.Cấu trúc bộ lọc IIR dạng trực tiếp I: 23
1.6.2.2.Cấu trúc bộ lọc IIR dạng trực tiếp II: 23
1.7.KẾT LUẬN: 24
CHƯƠNG 2:CÁC BỘ LỌC THÍCH NGHI 25
2.1.MỞ ĐẦU: 25
2.2.MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN: 25
2.2.1.Biến ngẫu nhiên: 25
2.2.2.Quá trình ngẫu nhiên: 25
2.2.3.Đặc tính từng phần của quá trình ngẫu nhiên rời rạc theo thời gian: 26
2.2.4.Tương quan của các tín hiệu: 26
2.3.GIỚI THIỆU LỌC THÍCH NGHI: [9] & [10] 27
2.4.CÁC CẤU TRÚC THÍCH NGHI: [9] & [10] 28
2.4.1.Khử nhiễu: 28
2.4.2.Nhận dạng hệ thống: 28
2.4.3.Bộ dự đoán thích nghi: 29
2.5.CÁC BỘ LỌC WIENER: [2] & [9] & [10] 29
2.5.1.Giới thiệu: 29
2.5.2.Bộ lọc FIR Wiener: 32
2.5.3.Các thuật toán lọc thích nghi: 35
2.5.3.1.Giới thiệu: 35
2.5.3.2.Thuật toán LMS: 37
2.5.3.3.Thuật toán RLS: 40
2.5.3.4.Thuật toán NLMS: [7] 43
2.5.3.4.1.Giới thiệu: 43
2.5.3.4.2.Số bước khác nhau APA: 44
2.5.3.4.3.Kết quả sự mô phỏng: 48
2.6.KẾT LUẬN: 48
CHƯƠNG 3:KHỬ NHIỄU KIỂU THÍCH NGHI. 49
3.1.MỞ ĐẦU: 49
3.2.LÝ THUYẾT KHỬ NHIỄU KIỂU THÍCH NGHI: [5] 49
3.2.1.Các chế độ khử nhiễu kiểu thích nghi: 49
3.2.2.Các kiểu lọc của khử nhiễu thích nghi: 51
3.2.3.Các thuật toán cập nhật cho các bộ lọc: 51
3.3.KẾT LUẬN: 54
CHƯƠNG 4:CẤU TRÚC TMS320C6711 DSK 55
4.1.MỞ ĐẦU: 55
4.2.TMS320C6711 DSK: [5] & [18] & [19] 55
4.2.1. Giới thiệu bộ xử lý TMS320C6711: 56
4.2.1.1.Giới thiệu chung: 56
4.2.1.2.Sơ đồ khối chức năng TMS320C6711: 58
4.2.1.2.1.CPU: 59
4.2.1.2.2.Bản đồ bộ nhớ: 60
4.2.1.2.3.Các đường truyền dữ liệu: 61
4.2.1.2.4.Đường ống( Pipeline): 63
4.2.1.2.5.Ngắt( Interrupt): 64
4.2.1.3.Các cổng đệm nối tiếp đa kênh( McBSP): 65
4.2.2.TLC320AD535: [17] 67
4.2.2.1. Giới thiệu: 67
4.2.2.2.Các đặc tính của AD535: 67
4.2.2.3.Sơ đồ khối chức năng: 68
4.3.KẾT LUẬN: 68
CHƯƠNG 5:THỰC HIỆN BỘ LỌC THÍCH NGHI ĐỂ KHỬ NHIỄU TRÊN TMS320C6711 DSK 69
5.1.MỞ ĐẦU: 69
5.2.TỔ CHỨC CHƯƠNG TRÌNH VÀ CÁC LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA CHƯƠNG TRÌNH KHỬ NHIỄU KIỂU THÍCH NGHI: 69
5.2.1.Tổ chức chương trình: 69
Chương trình khử nhiễu kiểu thích nghi được tổ chức theo sơ đồ sau: 69
5.2.2.Các lưu đồ thuật toán: 70
5.3.KẾT LUẬN: 74
Kãút luáûn vaì hæåïng phaït triãøn âãö taìi 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
PHỤ LỤC 79
1.CÁC THANH GHI CỦA BỘ XỬ LÝ TMS320C6711: 79
2.CHƯƠNG TRÌNH KHỬ NHIỄU KIỂU THÍCH NGHI: 80
2.1.Chương trình chính: khunhieuthichnghi.c 80
2.2.Chương trình thư viện tạo chuỗi nhiễu: Tao_nhieu.h 83
2.3.Chương trình tạo hệ số chuỗi nhiễu bằng Matlab: taoheso.m 83
2.4.Chương trình khởi tạo ngắt DSK: C6xdskinit.c 84
3.CHƯƠNG TRÌNH KHỬ NHIỄU KIỂU FIR BÌNH THƯỜNG: khunhieuFIR.c 88