(Đề Tài Nckh) Nghiên Cứu Ứng Dụng Thuật Toán Pso Để Thiết Kế Bộ Lọc Notch Thích Nghi.pdf

CHÖÔNG I BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN PSO ĐỂ THIẾT KẾ BỘ LỌC NOTCH THÍCH NGHI M[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TỐN PSO ĐỂ THIẾT KẾ BỘ LỌC NOTCH THÍCH NGHI S K C 0 9 MÃ SỐ: T2014-12 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2014 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 A GIỚI THIỆU Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Bộ lọc Notch (bộ lọc chắn dải) giải pháp để lọc nhiễu tuần hoàn ứng dụng y sinh: đo điện tim… Từ lọc sơ khởi ban đầu để tăng khả lọc nhiều loại nhiễu có tần số khác ngƣời ta tích hợp tính thích nghi vào lọc Bộ lọc Notch thích nghi cổ điển thƣờng dùng thuật toán LMS (Least Mean Square) để thiết kế Tuy nhiên tốc độ hội tụ thuật toán chậm khơng đáp ứng kịp với thay đổi nhiễu khả lọc phụ thuộc nhiều vào bƣớc thích nghi (stepsize) Thuật tốn PSO (Practicle Swarm Optimization) dạng thuật toán tiến hoá quần thể đƣợc ứng dụng giải toán tối ƣu Việc ứng dụng thuật toán PSO vào việc thiết kế lọc làm tăng đáp ứng khả lọc nhiễu cho lọc II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế tăng chất lƣợng lọc Notch III PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cƣ́u lý thuyế t - Xây dựng mơ hình mơ IV PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Nghiên cƣ́u thiết kế lọc dùng giải thuậtt PSO - Mô phần mềm Matlab V NỘI DUNG NGHIÊN CÚU - Nghiên cƣ́u về lọc Notch - Nghiên giải thuật PSO - Xây dƣ̣ng mô hiǹ h mơ Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 B NỢI DUNG Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 Bộ lọc Notch, triệt tín hiệu nhiễu tần số mong muốn, thƣờng đƣợc ứng dụng để triệt tín hiệu nhiễu 50Hz tín hiệu điện tim, điện não Để tăng tính thích nghi, triệt đƣợc nhiễu tần số khác, thuật tốn thích nghi đƣợc sử dụng Điển hình thuật tốn trung bình bình phƣơng tối thiểu (LMS – Least Mean Square) Ứng dụng thuật toán LMS vào tốn lọc nhiễu đƣơc Bernard Widrow cơng bố sớm từ năm 1975 tạp chí IEEE báo “Adaptive Noise Canceling Principles and Applications” Ngày nay, nghiên cứu ông đƣợc áp dụng rộng rãi ứng dụng y sinh: điện não, điện tâm đồ Thuật toán với ƣu điểm đơn giản, nhƣng tốc độ hội tụ không cao, phụ thuộc nhiều vào việc chọn bƣớc thích nghi Chọn khơng dẫn đến tốn khó hội tụ, tốc độ hội tụ chậm, khả triệt nhiễu thấp Thuật toán PSO (Particles Swarm Optization - giải thuật bầy đàn) đƣợc nghiên cứu phát triển Russell Eberhard James Kennedy vào năm 1995 dựa vào mơ hoạt động tìm kiếm thức ăn bầy chim thức tế Các cá thể tìm kiếm theo ngẫu nhiên, sau dùng tín hiệu để báo cho cá thể cịn lại địa điểm tìm đƣợc tốt nhất, đàn tập trung tìm kiếm địa điểm để tìm nơi tốt Thuật toán PSO thuật toán mạnh, đơn giản, không phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn thơng số, khơng gian tìm kiếm rộng, tính hội tụ cao.Ứng dụng cho lọc tăng tốc độ hội tụ, cải thiện khả triệt nhiễu giảm yếu tố phụ thuộc toán vào bƣớc thích nghi Trên giới thuật tồn PSO áp dụng đƣợc thiết kế mạch lọc notch thích nghi đƣợc nghiên cứu năm gần đƣợc đăng tải tạp chí khoa học uy tín “Research and application of the particle swarm optimization in adaptive notch filter design” Shi Haixia tạp chí IEEE 2009 “Application of Quantum Particle Swarm Optimization in Adaptive Notch Filter Design” Zhang Jie tạp chí Scientific.Net 2012 Giải thuật PSO đƣợc ứng dụng rộng rãi cho lọc khác “Analysis The IIR Filter Design Using Praticle Swarm Optimazation Method” Nehan Gupta tạp chí USRRS 2013 Tại Việt Nam, thơng qua q trình tra cứu internet lọc Notch thích nghi đƣợc nghiên cứu với giải pháp nhƣ cải tiến bƣớc thích nghi thuật tốn LMS Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 nhƣ luận án tiến sĩ, tác giả Hồng Mạnh Hà Viện cơng nghệ thơng tin năm 2011 đề tài “Các phương pháp thích nghi lọc nhiễu tín hiệu điện tim” Pham Tran Nhu, Hoang Manh Ha, “Adjustment in central frequency of Adaptive Notch Filter base on Wavelet Transform in frequency Domain” Proceeding of the Second International Conference on Communications and Electronics (HUTICCE), Hoian, Vietnam, June 2008, nghiên cứu lọc notch thích nghi dùng biến đổi Wavelet Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 CHƢƠNG I: BỘ LỌC NOTCH THÍCH NGHI Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 I TỔNG QUAN: Bộ lọc Notch Bộ lọc Notch, lọc triệt tần, với thiết kế triệt tần số, tần số tần số nhiễu Bộ lọc thƣờng đƣợc ứng dụng triệt nhiễu tần số 50Hz tín hiệu y sinh Đáp ứng tần số lọc đƣợc thể hình vẽ f triệt Hình 1.1: Đáp ứng tần số lọc Notch Hàm truyền lọc có dạng nhƣ sau: (1.1) Trong đó: H0 độ lợi mạch lọc Q: hệ số phẩm chất mạch lọc Tùy theo giá trị tần số điểm zero z tần số điểm cực 0 mà ta có dạng mạch lọc khác Nếu z > 0 ta có mạch lọc notch có độ khuếch đại cao tần số thấp (lowpass notch filter), ngƣợc lại ta có high pass notch filter z < 0, z = 0 ta có mạch lọc notch tiêu chuẩn (standard notch filter) Các dạng đáp ứng tần số mạch lọc notch đƣợc trình bày hình sau Trong phạm vi nghiên cứu này, đo khơng có u cầu đặc biệt nên dạng mạch lọc notch tiêu chuẩn đƣợc sửa dụng Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 Hình 1.2: Các dạng mạch lọc Notch Bộ lọc thích nghi Thuật tốn thích nghi thuật tốn đƣợc sử dụng rộng rãi lĩnh vực tự động, điều khiển, lọc nhiễu Thuật toán xây dựng cho đối tƣợng tính thích nghi trƣớc thay đổi thơng số phạm vi định tốn Hình 1.3: Mơ hình tổng qt lọc thích nghi Trong đó: Xk: tính hiệu đầu vào thời điểm k Xk= [xk xk-1 …… xk-L] T Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 Kết mô với lọc Notch thích nghi truyền thống dùng thuật tốn LMS, tần số triệt nhiễu f=50Hz Tín hiệu gốc tín hiệu điện tim đƣợc xây dựng dùng Matlab Tín hiệu nhiễu tín hiệu sin, tần số 50Hz, biên độ 0.2V, góc pha ban đầu = /4 Mơ trình bày kết hình ảnh: Kết tín hiệu sau lọc tín hiệu gốc đồ thị với bƣớc thích nghi stepsize= 0.01 Sai số tín hiệu gốc tín hiệu sau lọc với bƣớc thích nghi stepsize= 0.01 Phổ tín hiệu gốc lẫn nhiễu tín hiệu sau lọc để chứng minh triệt nhiễu với bƣớc thích nghi stepsize= 0.01 Sai số tín hiệu gốc tín hiệu sau lọc với bƣớc thích nghi stepsize= 0.1 bƣớc thích nghi stepsize= 0.01 để chứng minh kết lọc dùng thuật toán LMS phụ thuộc nhiều vào cách chọn bƣớc thích nghi TIN HIEU GOC + NHIEU 2.5 signal 1.5 0.5 0 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.6: Tín hiệu điện tim lẫn nhiễu tần số 50Hz Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 27 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 TIN HIEU SAU LOC VA TIN HIEU GOC DUNG LMS 2.6 tin hieu goc tin hieu sau loc 2.4 2.2 signal 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.7: Tín hiệu điện tim gốc tín hiệu sau lọc dùng LMS với bƣớc thích nghi 0.01 SAI SO DUNG LMS 0.1 signal 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.8: Sai số tín hiệu điện tim gốc tín hiệu sau lọc dùng LMS, bƣớc thích nghi 0.01 Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 28 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 PHO CUA TIN HIEU GOC + NHIEU 2000 1500 Tín hiệu nhiễu 1000 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 350 400 450 500 PHO CUA TIN HIEU SAU LOC DUNG LMS 2000 1500 Tín hiệu nhiễu đƣợc triệt 1000 500 0 50 100 150 200 250 300 Hình 3.9: Phổ tín hiệu gốc lẫn nhiễu tín hiệu sau lọc dùng LMS SAI GIUA TIN HIEU GOC VÀ TIN HIEU SAU LOC DUNG LMS VOI STEPSIZE KHAC NHAU 0.6 stepsize= 0.01 stepsize= 0.1 0.5 0.4 0.3 signal 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.10: sai số tín hiệu sau lọc tín hiệu điện tim ban đầu với bƣớc thích nghi 0.01 0.1 Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 29 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 Nhận xét: thuật toán LMS triệt đƣợc nhiễu theo yêu cầu tần số 50Hz theo kết phân tích phổ Tuy nhiện tốc độ hội tụ chậm, sai số lớn chất lƣơng lọc phụ thuộc nhiều vào cách chọn bƣớc thích nghi Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 30 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 Kết mơ với lọc Notch thích nghi dùng thuật toán PSO, tần số triệt nhiễu f=8Hz Tín hiệu gốc tín hiệu điện tím đƣợc xây dựng dùng matlab Tín hiệu nhiễu tín hiệu sin, tần số 8Hz, biên độ 0.2V, góc pha ban đầu = /4 Có phổ chồng vào phổ tín hiệu điện tim Thông số số cá thể 30, số lần tìm kiếm birdstep= 50, Tần số lấy mẫu 1000 Mơ trình bày kết hình ảnh: Tín hiệu gốc (điện tim) lẫn nhiễu Đồ thị hàm fitness cho thấy q trình học thuật tốn Kết tín hiệu sau lọc tín hiệu gốc đồ thị Phổ tín hiệu lẫn nhiễu tín hiệu lọc cho thấy nhiễu bị triệt DO THI HAM FITNESS 1.235 1.2345 fitness 1.234 1.2335 1.233 1.2325 1.232 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 bird steps Hình 3.11: Quá trình học thuật toán Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 31 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 TIN HIEU GOC + NHIEU 2.5 signal 1.5 0.5 0 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.12: Tín hiệu điện tim lẫn nhiễu có tần số 8Hz TIN HIEU GOC VA TIN HIEU SAU KHI LOC 2.6 tin hieu goc tin hieu sau loc 2.4 2.2 signal 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.13: tín hiệu gốc tiến hiệu sau lọc dùng PSO Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 32 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 SAI SO GIUA TIN HIEU SAU LOC VA TIN HIEU GOC 0.02 0.015 0.01 signal 0.005 -0.005 -0.01 -0.015 -0.02 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.14: sai số tín hiệu sau lọc tín hiệu gốc dùng PSO PHO CUA TIN HIEU GOC + NHIEU 1200 1000 800 Tần số nhiễu 600 400 200 0 50 100 150 200 250 150 200 250 PHO CUA TIN HIEU SAU LOC 1200 1000 800 Tần số nhiễu đƣợc triệt 600 400 200 0 50 100 Hình 3.15: Phổ tín hiệu chứa nhiễu tín hiệu sau lọc Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 33 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 Kết mơ với lọc Notch thích nghi truyền thống dùng thuật toán LMS, tần số triệt nhiễu f=8Hz Tín hiệu gốc tín hiệu điện tím đƣợc xây dựng dùng matlab Tín hiệu nhiễu tín hiệu sin, tần số 8Hz, biên độ 0.2V, góc pha ban đầu = /4 Có phổ chồng vào phổ tín hiệu điện tím Tần số lấy mẫu 1000 Bƣớc thích nghi stepsize= 0.002 Mơ trình bày kết hình ảnh: Tín hiệu gốc (điện tim) lẫn nhiễu Tín hiệu sau lọc tín hiệu gốc đồ thị Sai số tín hiệu sau lọc tín hiệu gốc Phổ tín hiệu gốc lẫn nhiễu tín hiệu sau lọc để chứng minh nhiễu đƣợc triệt TIN HIEU GOC + NHIEU 2.5 signal 1.5 0.5 0 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.16: Tín hiệu gốc lẫn nhiễu Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 34 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 TIN HIEU SAU LOC VA TIN HIEU GOC DUNG LMS tin hieu goc tin hieu sau loc 2.6 2.4 2.2 signal 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.17: Tín hiệu gốc tín hiệu sau lọc dùng LMS SAI SO DUNG LMS 0.15 0.1 0.05 signal -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 200 400 600 800 1000 samples 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 3.18: Sai số tín hiệu gốc tín hiệu sau lọc Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 35 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 PHO CUA TIN HIEU GOC + NHIEU 1000 Tần số nhiễu 500 0 50 100 150 200 250 200 250 PHO CUA TIN HIEU SAU LOC DUNG LMS 1000 Tần số nhiễu đƣợc triệt 500 0 50 100 150 Hình 3.19: Phổ tín hiệu chứa nhiễu tín hiệu sau lọc dùng LMS Nhận xét: Trƣờng hợp nhiễu có tần số trùng với tần số thành phần tín hiệu q trình lọc có khó khăn hơn, sai số tăng so với trƣờng hợp nhiễu có tần số nằm ngồi vùng tần số tín hiệu Tuy nhiên, kết chấp nhận đƣợc sai số nhỏ Chất lƣợng lọc dùng thuật toán PSO tốt so với dùng thuật toán LMS Nhận xét chung:  Kết lọc tốt với lọc Notch thích nghi dùng thuật tốn PSO  Sai số nhiều so với dùng LMS  Tốc độ hội tụ nhanh nhiều so với dùng LMS  Bộ lọc Notch thích nghi dùng PSO đƣợc dùng để triệt nhiễu tần số mong muốn  Dùng giải thuật PSO tìm đƣợc ma trận trọng số W tốt dùng giải thuật truyền thống LMS  Tuy nhiên giải thuật PSO phức tạp tốn thời gian chạy chƣơng trình thuật tốn LMS Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 36 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 C KẾT LUẬN Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 37 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 KẾT LUẬN I  Đề tài đạt đƣợc nhiệm vụ đề ra:  Nghiên cứu thuật toán PSO lọc Notch truyền thống  Thiết kế đƣợc lọc Notch thích nghi dùng giải thuật PSO  Dùng Matlab để mô lọc  Kế t quả của đề tài có thể phu ̣ c vụ cho dạy học nghiên cứu khoa học sở đào ta ̣o II HẠN CHẾ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Hạn chế  Thuật toán PSO phức tạp LMS nên nhiều thời gian thức thi  Chƣa xây dựng đƣợc mơ hình thực nghiệm Hƣớng phát triển  Phát triển cải tiến để giảm thời gian thực thi  Xây dựng mơ hình thực nghiệm  Nghiên cứu thuật toán khác tăng chất lƣợng thời gian thực thi lọc Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 38 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 MỤC LỤC A GIỚI THIỆU I TÍNH CẤP THIẾT II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU III PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU B NỘI DUNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI CHƢƠNG I: BỘ LỌC NOTCH THÍCH NGHI I TỔNG QUAN Bộ lọc Notch Bộ lọc thích nghi Mơ hình lọc Benard Widrow 13 CHƢƠNG II: GIẢI THUẬT TỐI ƢU BẦY ĐÀN (PSO – PARTICLE SWARM OPTIMIZATION) 15 I GIỚI THIỆU 16 II GIẢI THUẬT 17 CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT PSO THIẾT KẾ BỘ LỌC NOTCH THÍCH NGHI 20 C KẾT LUẬN 37 I KẾT LUẬN 38 II HẠN CHẾ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 38 Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 39 Đề tài nghiên cứu khoa học cấ p trường – T2014-12 TÀI LIỆU THAM KHẢO Thomas Drumright, Adaptive Filter, 1998 Phillip A Regalia, A Complex Adaptive Notch Filter , IEEE VOL Nov 2010 Hoàng Mạnh Hà, Một đề xuất thay đổi thay đổi bước thích nghi thuật tốn LMS cho tốn lọc nhiễu thu nhận tín hiệu y sinh, Trƣờng Cao đẳng Kỹ thuật Y tế, Hà Nội Zhang Jie, Research and Application of Particle Swarm Optimization in Adaptive Notch Filter Design , IEEE 2009 Richard Welch, Ganesh K Venayagamoorthy, A Fuzzy-PSO Based Controller for a Grid Independent Photovoltaic System, Proceedings of the 2007 IEEE Swarm Intelligence Symposium (SIS 2007) Nghiên cứu ứng dụng thuật toán PSO để thiết kế lọc Notch thích nghi 40 S K L 0