GIỚI THIỆU
Tổng quan
Sự gia tăng dân số toàn cầu liên tục và sự mở rộng của tầng lớp trung lưu đặt ra nhiều thách thức đối với an ninh lương thực Các nguồn protein chất lượng cao sẵn có như hải sản phải được tăng lên thông qua cải tiến và tăng cường thực hành nông nghiệp Mặc dù ban đầu nuôi trồng thủy sản dựa trên các ao hoặc đầm nhỏ với ít hoặc không có áp dụng kỹ thuật, nhu cầu tăng năng suất đã đẩy nuôi trồng thủy sản vào các hệ thống thâm canh phức tạp hơn [1]
Các loại hải sản như tôm được một số quốc gia trên thế giới đánh giá cao và việc nuôi trồng loại hải sản này đã nổi lên có giá trị đáng kể cho xuất khẩu
(Mathiesen, 2009) Nhiều quốc gia trên thế giới cạnh tranh để đảm bảo thị trường của họ, thương mại hóa sản phẩm trên toàn cầu và được đảm bảo chất lượng ở từng giai đoạn của chuỗi cung ứng Sản lượng tôm có thể được tăng lên bằng cách áp dụng các kỹ thuật nuôi hiện đại gần đây, nó bao gồm việc tăng cường hoạt động nuôi thông qua việc điều chỉnh kích thước, mật độ thả, sục khí và công thức thức ăn Ở Ấn Độ, đặc biệt là ở Andhra Pradesh, nghề nuôi tôm được tìm thấy rộng rãi và cho đến khi nông dân tuân theo các phương pháp truyền thống bao gồm thao tác cho ăn và các hoạt động nuôi trồng, v.v Nếu tôm không được tiêu thụ thức ăn đúng cách, nó sẽ dẫn đến suy yếu chất lượng nước và đất (Newport và Jawahar
1995, Phillips và Lin, 1993) Vì vậy, sử dụng máy cho ăn tự động cho phép người nuôi tôm cho ăn với số lượng ít hơn, lặp lại nhiều hơn và duy trì vệ sinh ao nuôi
Tôm thường thu thập thức ăn trong móng vuốt của chúng để tự giữ thức ăn và bơi đi Điều này sẽ cho phép những con tôm khác có cơ hội bắt được thức ăn Tuy nhiên, tôm thu thập thức ăn khi thức ăn ở trong nước Khi thức ăn chạm đáy, nó sẽ không được sử dụng và dẫn đến phân cấp chất lượng nước Vì vậy, kỹ thuật cho ăn ảnh hưởng đến chất lượng nước và sức khỏe của tôm (Jorry 1995; Cuzon et
2 al., 1982) Theo phương pháp canh tác truyền thống, người nuôi phải rải thức ăn thủ công và không thể rải thức ăn cho diện tích lớn Do đó, tôm sẽ tranh giành thức ăn gây ra hành vi bạo lực dẫn đến stress và bị tiêu diệt Ngoài ra, tôm sẽ không ăn hết được thức ăn do tỷ lệ thức ăn được phân bổ mỗi lần trên một diện tích nhất định để lại một số cặn bã dẫn đến thức ăn lắng xuống đáy ao dẫn đến chất lượng nước bị suy giảm [2]
Để giảm tần suất cho ăn, người nuôi tôm thường sử dụng thức ăn kém bền, cho phép tôm ăn trong thời gian dài Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ ra rằng thức ăn ngâm lâu sẽ bị giảm giá trị dinh dưỡng Ví dụ, tôm ăn thức ăn ngâm trong các khoảng thời gian khác nhau (0, 0,5, 1, 2, 4 giờ) cho thấy tốc độ tăng trưởng giảm đáng kể khi ăn thức ăn đã ngâm trên một giờ Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng kinh tế của việc cho ăn trong thời gian ngắn nhất, cho thấy cho ăn nhiều lần với lượng nhỏ hơn vẫn tốt hơn là cho ăn ít lần với lượng lớn.
Về mặt logic, ngành cần hướng tới các máy cho ăn tự động cho phép cho ăn thường xuyên với số lượng nhỏ Mặc dù điều này giảm thiểu tác động của quá trình rửa trôi và giải quyết nhu cầu tiếp cận thức ăn của tôm trong một thời gian dài, nhưng nó không giải quyết được các vấn đề về lượng ăn vào Ở cá, các công nghệ thích ứng, còn được gọi là cho ăn theo nhu cầu, đã được sử dụng trong nhiều năm với thành công tốt đẹp Ở dạng đơn giản nhất, đây sẽ là quan sát cá ăn thức ăn nổi mà người cho ăn cung cấp thức ăn dựa trên mức độ phản ứng cũng như thức ăn còn lại trên bề mặt Với các hệ thống tự động, điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng nhận dạng hình ảnh, chỉ giới hạn ở tình huống nước trong mà có thể quan sát được thức ăn và cá Những công nghệ tự động này dựa trên các hệ thống trực quan, không áp dụng cho tôm hoặc hệ thống sản xuất của chúng Một phần đo tôm là động vật nhỏ có trọng lượng dưới 50 gram Chúng được nuôi với số lượng lớn lên đến vài triệu con trong các ao có diện tích lên đến 20
3 héc-ta (ha) và có nước đục nên hạn chế kiểm tra bằng camera Đếm và do đó ước tính sinh khối có thể rất khó khăn
Gần đây các công nghệ âm thanh đã được áp dụng cho tôm Hệ thống cho ăn có âm thanh có các thuật toán lọc phức tạp để phân tích âm thanh cho tôm ăn và Thuật toán cho ăn thích ứng (Adaptive Feeding Algorithms) để kiểm soát đầu ra của thức ăn để phù hợp với cường độ cho ăn Hệ thống này có thể được trang bị các cảm biến âm thanh, nhiệt độ và oxy hòa tan (DO - dissolved oxygen) tự động ghi thông tin theo thời gian thực vào một máy tính kết nối mạng Điều này cho phép quan sát theo thời gian thực về nhu cầu thức ăn tương quan với thời gian trong ngày và sự thay đổi của các thông số chất lượng nước (nhiệt độ và oxy hòa tan) [3]
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Ở Việt Nam, Công Ty TNHH Tép Bạc, Sau nhiều năm làm việc và thấu hiểu ngành thuỷ sản, Tép Bạc đã phát triển Farmext - Giải pháp quản lý trang trại thuỷ sản công nghệ cao Farmext bao gồm: Thiết bị IoT quan trắc môi trường nước tự động tích hợp ứng dụng quản lý trang trại trên điện thoại và hệ thống điều khiển tự động cùng cách thiết bị trong trang trại Mang đến cho ngành thuỷ sản có một công cụ làm việc hiệu quả, rủi ro Góp phần cho ngành nông nghiệp minh bạch
Tép Bạc nhận ra vấn đề lớn nhất trong nuôi tôm cá là chưa truy xuất được nguồn gốc, khả năng kiểm soát dịch bệnh và theo dõi sức khỏe tôm nuôi còn kém Ngoài ra, chỉ số môi trường nước ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe vật nuôi, quyết định tốc độ sinh trưởng và tỷ lệ sống của tôm cá
Các phương pháp thủ công truyền thống chỉ cho phép kiểm tra các thông số môi trường theo từng thời điểm cụ thể hoặc cách vài ngày, gây cản trở trong việc theo dõi liên tục và phát sinh nhiều chi phí cho các bộ thử nghiệm Điều này kéo dài thời gian xử lý khi sự cố xảy ra, dẫn đến vật nuôi suy yếu, chậm phát triển thậm chí chết hàng loạt, gây ra thiệt hại kinh tế lớn.
Từ đó, sản phẩm máy đo quan trắc môi trường nước Envisor ra đời dựa trên công nghệ cảm biến và Internet vạn vật (IoT) Dòng máy có tính ứng dụng thực tế cao, góp phần cùng người nông dân nâng cao chất lượng thủy sản Việt Nam Thiết bị có kết nối Wi-Fi 2.4 Ghz, gửi dữ liệu liên tục lên Cloud Người quản lý có thể xem các chỉ số này thông qua ứng dụng quản lý trại nuôi Farmext ở bất cứ đâu [4]
5 Hình 1.1:Thiết bị giúp theo dõi ao nuôi liên tục theo thời gian thực.
Hệ thống AQ1 (Tasmania, Úc) gần đây đã phát triển hệ thống kiểm soát thức ăn dựa trên cảm biến đầu tiên trên thế giới áp dụng cho tôm Hệ thống cho ăn được điều khiển bằng phản hồi này sử dụng công nghệ âm thanh để đo cường độ cho ăn
Cốt lõi của hệ thống là một hydrophone, một micrô dưới nước phân tích nhiều âm thanh phát ra trong ao Những âm thanh này được lọc bởi phần mềm có khả năng phân biệt và nhận biết những tiếng động cụ thể do tôm tạo ra khi chúng ăn
Sau khi biết cường độ cho tôm ăn, các thuật toán điều khiển trong kiểm soát cho ăn sẽ quyết định thời điểm và lượng thức ăn cần thiết và đảm bảo thức ăn được ăn hết Các thuật toán âm thanh mới nhất là tự học, vì vậy các hệ thống có thể được sử dụng cho nhiều loại trang trại và loài khác nhau
Trong ao, hydrophone được lắp đặt bên dưới mặt nước trong các khu vực phân phối được bao phủ bởi máy cho ăn tự động và hệ thống kiểm soát việc cho ăn Các hệ thống này cũng giám sát các thông số môi trường quan trọng và đưa ra các báo động
6 Cấu hình hệ thống dựa trên số lượng và kích cỡ của tôm và loài được nuôi Một hydrophone có thể giám sát nhiều thiết bị cho ăn tự động và một bộ điều khiển có thể giám sát hydrophone cho hai ao Tất cả dữ liệu được truyền không dây đến một máy tính cá nhân Hoạt động cho tôm ăn và tỷ lệ tiêu thụ được ghi lại, và phần mềm kiểm soát sẽ gửi e-mail bản tóm tắt việc cho ăn hàng ngày tới người phụ trách ao Thông tin bổ sung có thể được truy cập từ xa qua Internet [5]
Hình 1.2:Ý tưởng của hệ thống AQ1
Nhìn chung, các hệ thống trên còn thiếu việc thu thập dữ liệu của các trang trại nuôi tôm để tạo thành một bộ cơ sở dữ liệu làm tiền đề cho một tập dữ liệu lớn (big data), phục vụ cho việc phân tích, dự đoán
Nhiệm vụ luận văn
Từ mục tiêu đề tài đặt ra, cần phải thực hiện những nội dung:
Nội dung 1: Tìm hiểu nguyên lý, lý thuyết, phần cứng, giải thuật phần mềm cho bộ thu âm thanh và bộ lọc nhiễu
Để đảm bảo chất lượng thu âm thanh, cần phải lựa chọn cẩn thận các linh kiện và cảm biến phù hợp Tiếp đó, bản vẽ sơ đồ nguyên lý được hoàn thiện, tiếp theo là bước hiện thực hóa board mạch theo thiết kế.
Nội dung 3: Ứng dụng các giải thuật lọc nhiễu để thu được âm thanh mong muốn
LÝ THUYẾT
Cơ bản về mạch khuếch đại thuật toán
Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại điện áp vi sai
Hình 2.1:Op-amp symbol Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong op-amp được tích hợp một số ưu điểm sau:
- Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép op-amp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá-điện, dòng điện sinh học, … thường là nguồn có tính đối xứng)
Bộ khuếch đại hoạt động (op-amp) có độ miễn nhiễu cao do khả năng khuếch đại sự sai lệch giữa các tín hiệu đầu vào Khi tín hiệu nhiễu tác động đồng thời vào cả hai đầu vào, chúng sẽ triệt tiêu nhau, không xuất hiện tại đầu ra Nhờ đó, op-amp có thể khuếch đại các tín hiệu có tần số rất thấp, gần như tín hiệu một chiều.
- Hệ số khuếch đại của op-amp rất lớn do đó cho phép op-amp khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục micro Volt
- Do các mạch khuếch đại vi sai trong op-amp được chế tạo trên cùng một phiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao
- Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối (module hoá)
- Tổng trở ngõ vào của op-amp rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé
- Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép op-amp cung cấp dòng tốt cho phụ tải
- Băng thông rất rộng, cho phép op-amp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau
2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của op-amp a Cấu tạo của op-amp
Hình 2.2:Cấu tạo op-amp – Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v– Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn …
10 – Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhạy cho o-p-amp Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra
– Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tầng này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp op-amp phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau
Op-amp thực tế vẫn có một số khác biệt so với op-amp lý tưởng Nhưng để dễ dàng trong việc tính toán trên op-amp người ta thường tính trên op-amp lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bổ chính (bù) giúp op-amp thực tế tiệm cận với op-amp lý tưởng b Nguyên lý hoạt động
Dựa vào ký hiệu của op-amp ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra Vout theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:
– Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vout = Av0.V+
– Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: Vout = Av0.V-
– Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass):
Vout = Av0.(V+ - V- ) = Av0.(ΔVin) Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass (lúc này chỉ cần cho một trong hai ngõ vào nối mass ta sẽ có hai trường hợp kia) Op-Amps có đặc tính truyền đạt như hình sau
11 Hình 2.3:Đặc tuyến op-amp
Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng:
– Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra Vout tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé
– Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở +Vcc
– Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -Vcc
Trên thực tế, op-amp hiếm được sử dụng ở trạng thái vòng hở vì hệ số khuếch đại lớn (Av0) nhưng điện áp ngõ vào tuyến tính lại rất nhỏ (µV) Chỉ cần nhiễu nhỏ hoặc trôi theo nhiệt độ cũng có thể khiến ngõ ra đạt ±Vcc Do đó, mạch khuếch đại vòng hở chỉ dùng tạo xung và dao động Để khuếch đại tuyến tính, cần hồi tiếp âm để giảm Av0 xuống mức phù hợp Sau đó, vùng tuyến tính của op-amp sẽ mở rộng, giúp op-amp hoạt động ở trạng thái vòng kín (Close Loop).
Op-amp không phải lúc nào cũng đòi hỏi phải cung cấp một nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC, nó có thể làm việc với một nguồn không đối xứng có giá trị thấp hơn (ví dụ như +12VDC và -3VDC) hay thậm chí với một nguồn đơn +12VDC Tuy nhiên việc thay đổi về cấu trúc nguồn cung cấp cũng làm thay đổi một số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng của nguồn như op-amp sẽ không lấy điện áp tham chiếu (reference) là mass mà chọn như hình sau:
Hình 2.4:Dạng sóng op-amp khi cấp nguồn đôi và nguồn đơn
Mặc dù nguồn đơn có ưu điểm là đơn giản trong việc cung cấp nguồn cho op-amps nhưng trên thực tế rất nhiều mạch op-amp được sử dụng nguồn đôi đối xứng
2.1.4 Phân cực cho op-amp làm việc với tín hiệu AC
Cũng như mạch khuếch đại nối tầng RC, các op-amp dùng trong khuếch đại tín hiệu AC cần có tụ để tránh ảnh hưởng của thành phần DC giữa các tầng khuếch đại Dưới đây là sơ đồ một mạch khuếch đại âm tần có độ lợi 40dB Sử dụng nguồn đơn [6]
13 Hình 2.5:Ví dụ mạch khuếch đại âm tầng
2.1.5 Một số mạch khuếch đại cơ bản a Mạch khuếch đại đảo (inverting amplifier):
Hình 2.6:Mạch khuếch đại đảo
- Hệ số khuếch đại điện áp:
➢ Nhận xét: Hệ số khuếch đại của mạch không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại vòng hở của op-amp
➢ Trở kháng vào: 𝑍 𝑖𝑛 = 𝑅 1 b Mạch khuếch đại không đảo (non-inverting amplifier):
Hình 2.7:Mạch khuếch đại không đảo
- Hệ số khuếch đại điện áp:
➢ Nhận xét: Hệ số khuếch đại của mạch không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại vòng hở của op-amp
➢ Trở kháng vào: 𝑍 𝑖𝑛 = ∞ c Mạch lặp (voltage follower):
Mạch lặp thường được sử dụng như mạch đệm phối hợp trở kháng
- Có thể xem như mạch khuếch đại không đảo với các điều kiện:
- Hệ số khuếch đại điện áp:
2.1.6 Một số thông số cơ bản của op-amp thực
- Input bias current: Là dòng trung bình đi tới hai ngõ vào khi mà điện áp ngõ ra bằng 0 Dòng bias của op-amp 741 khoảng 80nA Dòng bias gây suy giảm điện áp tín hiệu đi tới ngõ vào của op-amp
- Input offset current: Là dòng chênh lệch trên hai ngõ vào khi mà điện áp ngõ ra bằng 0 Dòng offset của op-amp 741 khoảng 20nA
- Input offset voltage: Là điện áp bù trên ngõ vào nhằm giữ điện áp trên ngõ ra bằng 0 khi không có tín hiệu vào
- Common-mode rejection ratio (CMRR):
Trong đó, Ad là hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai, Ac là hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha
- Slew rate: Là tốc độ thay đổi nhanh nhất của tín hiệu ra khi tín hiệu vào có dạng bước nhảy
Hình 2.9:Minh hoạ slew rate [7]
Tìm hiểu về phần cứng
Hydrophone (từ tiếng Hy Lạp "ὕδωρ" - nước và "φωνή" - âm thanh) là thiết bị micro chuyên dùng dưới nước để ghi hoặc nghe các nguồn âm thanh thủy âm Phần lớn các hydrophone đều dựa trên cơ chế chuyển đổi áp điện, tức là tạo ra điện thế dưới tác động của những thay đổi về áp suất như sóng âm.
17 Hydrophone có thể phát hiện âm thanh trong không khí nhưng sẽ không nhạy vì nó được thiết kế để phù hợp với trở kháng âm thanh của nước, một chất lỏng đặc hơn không khí Âm thanh truyền trong nước nhanh hơn 4.3 lần so với trong không khí và sóng âm trong nước tạo ra áp suất gấp 60 lần áp suất do sóng âm có cùng biên độ trong không khí Tương tự, một chiếc micro tiêu chuẩn có thể được chôn dưới đất hoặc ngâm trong nước nếu đặt trong hộp chống thấm nước, nhưng sẽ cho hiệu suất kém do trở kháng âm kém tương ứng đầu thu sóng trong nước [8]
Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thuận nghịch, xảy ra trong một số chất rắn như thạch anh, gốm kỹ thuật, Khi đặt dưới áp lực thì bề mặt khối chất rắn phát sinh điện tích, và ngược lại nếu tích điện bề mặt thì khối sẽ nén dãn Hiệu ứng có mức cực đại ở các phương cắt xác định cho mảnh cắt từ tinh thể chất rắn đó, và trong nhiều loại vật liệu thì phương cắt này là góc 45° so với trục chính của tinh thể
Các đầu thu chuyển sóng áp suất (sóng dọc) sang điện áp, và dùng cho thu sóng trong môi trường nước nên gọi là Hydrophone, dẫu vậy nó làm việc trong mọi chất lỏng
Trong đề tài này, ta sử dụng Hydrophone H1A của hãng Aquarian
- Độ nhạy: -185dB lại: 1V/àPa (+/- 4dB 20Hz-4KHz)
- Phạm vi hoạt động: Từ 1Hz đến 100KHz (không được đo trên 100KHz, độ nhạy gần đỳng tại 100KHz = -220dB với 1V/àPa)
- Phản ứng cực: Đa hướng (ngang)
Dây của Hydrophone tuy dài, nhưng không đủ để kéo dài quá ao, hoặc từ ao vào trạm Ta không thể túc trực 24/24 lúc nào cũng có mặt ngoài ao để cho ăn, thu thập tiếng tôm ăn được Hệ thống có máy cho ăn tự động, vì thế chúng ta cũng cần một thiết bị có thể Stream tiếng tôm để có thể lắng nghe được
Các thiết bị này sử dụng mạng để Stream → Nên phải đặt gần trạm, nơi có Router kết nối mạng, tuy vậy, dây sử dụng sẽ không đủ Vì thế chúng ta sẽ sử dụng đầu nối XLR
Hình 2.11:Các loại đầu nối XLR
19 Các chuẩn XLR khác nhau được sử dụng cho hệ thống và mục đích khác nhau Với âm thanh chúng ta thường sử dụng XLR 3 Pin
Giắc cắm XLR hay jack Canon là một kết nối cho đầu nối XLR đực/cái, thường thấy trên thiết bị âm thanh, ánh sáng và công nghiệp Khi muốn truyền tín hiệu cho hệ thống âm thanh chuyên nghiệp ta phải dùng jack canon để kết nối Vì nó mang tín hiệu cân bằng (balanced) truyền tín hiệu ổn định, đem lại hiệu quả trong việc giảm nhiễu tín hiệu, các điểm tiếp xúc tốt, giữ chặt các điểm nối không bị sút ra hay lỏng lẻo
Khác với hầu hết các đầu nối, jack XLR đã có một sự phát triển mạnh mẽ Với khởi đầu là loại đầu Cannon
X Tuy nhiên, đầu nối này dễ bị lỏng, làm gián đoạn luồng tín hiệu Năm 1950, một chốt đã được thêm vào bộ phận lắp ráp để giảm thiểu vấn đề này tạo thành phần XL của đầu nối Năm 1955, phần cách điện cao su tổng hợp được thêm vào để phủ các chân tiếp xúc của đầu nối cái, cuối cùng tạo thành đầu nối XLR Đầu nối ba chân là loại phổ biến nhất và đã trở thành tiêu chuẩn cho tín hiệu âm thanh cân bằng (balanced) Phần lớn các micrô chuyên nghiệp sử dụng đầu nối XLR3, nhưng nó cũng được sử dụng với loa có ứng dụng hệ thống PA Các ứng dụng phổ biến khác của XLR3 là trong các đầu vào bộ trộn và bộ khuếch đại, và các dây dẫn mở rộng âm thanh
Tiêu chuẩn EIA RS-297-A mô tả việc sử dụng XLR ba chân - được gọi là XLR3 - cho các ứng dụng mức tín hiệu âm thanh cân bằng:
20 Hình 2.12:Định nghĩa chân cho XLR3
2.2.3 Linh kiện thụ động dùng trong âm thanh
Linh kiện thụ động dùng trong các thiết bị âm thanh, đặc biệt là các bộ khuếch đại thường có những yêu cầu nghiêm ngặt về các đặc tính: sai số thấp, vật liệu cấu tạo phải tốt, …
Một số hãng cung cấp các linh kiện thụ động chuyên dùng cho ứng dụng âm thanh như: tụ của Wima có sai số rất thấp (2.5%), Tụ của Nichicon, điện trở của Dale
21 Hình 2.13:Linh kiện thụ động dùng cho ứng dụng âm thanh
Tìm hiểu về giải thuật lọc nhiễu âm thanh
Vấn đề ước tính (hoặc trích xuất) tín hiệu này từ tín hiệu khác phát sinh khá thường xuyên Trong nhiều ứng dụng, tín hiệu mong muốn (giọng nói, tín hiệu radar, điện não đồ, hình ảnh, ) không có sẵn hoặc không được quan sát trực tiếp Thay vào đó, tín hiệu mong muốn có thể bị nhiễu hoặc bị phá hủy Trong một số tình huống đơn giản, có thể thiết kế bộ lọc cổ điển (LPF, HPF, BPF) để giải quyết tín hiệu mong muốn từ dữ liệu Tuy nhiên, những bộ lọc này hiếm khi tối ưu theo nghĩa là tạo ra ước tính tốt nhất về tín hiệu Vì vậy, các bộ lọc số tối ưu, trong đó có bộ lọc Wiener và Kalman, được quan tâm
Bộ lọc Wiener là một phương pháp xử lý tín hiệu được sử dụng để giảm nhiễu và tái tạo tín hiệu ban đầu từ tín hiệu đã bị nhiễu Bộ lọc này được đặt theo tên của Norbert Wiener, một nhà toán học và kỹ sư người Mỹ
Bộ lọc Wiener được thiết kế để tối ưu hóa giá trị trung bình bình phương của sai số giữa tín hiệu đã lọc và tín hiệu ban đầu Nó sử dụng thông tin thống kê của tín hiệu và nhiễu để tính toán các hệ số lọc tối ưu để giảm thiểu sai số
Bộ lọc Wiener là một kỹ thuật xử lý tín hiệu được sử dụng rộng rãi để khử nhiễu và cải thiện chất lượng tín hiệu trong các ứng dụng xử lý hình ảnh và âm thanh.
22 Hình 2.14:Mô hình ước lượng tín hiệu mong muốn sử dụng bộ lọc Wiener
Bộ lọc Wiener rời rạc được thiết kế để khôi phục tín hiệu mong muốn d(n) từ tín hiệu bị nhiễu quan sát được:
Wiener xem việc thiết kế bộ lọc W(z) là để tối ưu hóa giá trị trung bình bình phương của sai số (MMSE) của d[n]
Do đó, vấn đề ở đây là thiết kế bộ lọc sao cho cực tiểu 𝜉 Chúng ta cần thiết kế một bộ lọc FIR Wiener tối ưu giá trị MMSE của tín hiệu mong muốn d[n] bằng cách lọc một bộ các quan sát của một quá trình có liên quan đến thống kê x[n]
Hàm truyền của bộ lọc:
𝑊(𝑧) = ∑ 𝑝−1 𝑛=0 𝑤[𝑛]𝑧 −𝑛 (2.7) Với p là bậc của bộ lọc
Do đó với đầu vào là x[n] thì ngõ ra:
24 Trung bình bình phương sai số
(Ta có công suất của tín hiệu 𝑃 𝑥 = 𝐸(𝑥 2 ) = ||𝑥|| 2 2 = 1
Giả sử cả hai tín hiệu d[n] và x[n] là tín hiệu dừng (có đặc tính thống kê không thay đổi theo thời gian)
𝜎 𝑑 2 = 𝐸(𝑑 2 [𝑛]): Công suất tín hiệu mong muốn
𝑟 𝑑𝑥 = 𝐸(𝑥[𝑛]𝑑[𝑛]): tương quan giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ngõ vào của bộ lọc
𝑅 𝑥𝑥 = 𝐸(𝑥[𝑛]𝑥 𝑇 [𝑛]): ma trận tự tương quan của tín hiệu ở ngõ vào bộ lọc
𝐽(𝑤) = 𝑤 𝑇 𝑅 𝑥𝑥 𝑤 − 2𝑤 𝑇 𝑟 𝑥𝑑 + 𝜎 𝑑 2 (2.10) Điều kiện để J(w) đạt cực tiểu:
➢ Chuyển sang tính toán ở miền tần số:
Giả sử v[n] và d[n] không tương quan nên 𝐸{𝑣[𝑛]𝑑 ∗ [𝑛 − 𝑘]} = 0
Chuyển sang miền tần số ta được:
Với S là mật độ phổ công suất (power spectral density)
Ta thêm hệ số overest để góp phần giảm noise, và thêm biên dưới để tránh hệ số bộ lọc âm nếu chọn biên bằng 0 hoặc để giữ một số thành phần tín hiệu nếu chọn lớn hơn 0
+ Hmin: biên dưới (lower bound)
+ Kover: hệ số overestimation, Kover càng lớn thì nhiễu càng trọng số của nhiễu và lớn và ngược lại [9]
Spectral Subtraction là một phương pháp phổ biến được sử dụng trong xử lý tín hiệu âm thanh để giảm nhiễu Mục tiêu của spectral subtraction là nâng cao chất lượng tín hiệu bằng cách giảm tác động của nhiễu nền Ý tưởng cơ bản đằng sau phương pháp này là ước tính nhiễu trong miền tần số của tín hiệu và sau đó trừ nhiễu ước tính này khỏi tín hiệu ban đầu
Giả sử tín hiệu thu được y(n) = x(n) + d(n)
Với x(n) là tín hiệu mong muốn và d(n) là nhiễu
Chuyển sang miền tần số:
Ta có thể biểu diễn 𝑌(𝜔):
+ 𝜙 𝑦 (𝜔) là pha của tín hiệu thu được
Tương tự cho tín hiệu nhiễu ta có :
Với pha nhiễu 𝜙 𝐷 (𝜔) ta có thể xem nó như là pha tín hiệu thu 𝜙 𝑦 (𝜔) vì thực chất pha sẽ không ảnh hưởng đến độ nhận dạng tín hiệu, chỉ ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu ở vài độ
Hình 2.16:Mối quan hệ về pha giữa tín hiệu thu được, nhiễu và tín hiệu mong muốn
𝑋̂(𝜔) = [|𝑌(𝜔)| − |𝐷̂(𝜔)|]𝑒 𝑗𝜙 𝑦 (𝜔) (2.17) Với 𝑋̂(𝜔) là tín hiệu mong muốn ước lượng và 𝐷̂(𝜔) là tín hiệu nhiễu ước lượng
Ta thêm điều kiện để tránh trường hợp phổ biên độ của tín hiệu mong muốn ước lượng bị âm:
0 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 (2.18) Chuyển đổi từ phân tích phổ biên độ sang phân tích phổ công suất:
Xấp xỉ |𝐷(𝜔)| 2 , 𝑋(𝜔) 𝐷 ∗ (𝜔),và 𝑋 ∗ (𝜔)𝐷(𝜔) thành 𝐸{|𝐷(𝜔)| 2 }, 𝐸{𝑋(𝜔) 𝐷 ∗ (𝜔)}, và 𝐸{𝑋 ∗ (𝜔)𝐷(𝜔)}, với E[.] là toán tử kỳ vọng.𝐸{|𝐷(𝜔)| 2 } được ước lượng trong quá trình phi tiếng nói và ký hiệu là |𝐷̂(𝜔)| Giả sử d(n) có trung bình bằng 0 và không tương quan với x(n) thì 𝐸{𝑋(𝜔) 𝐷 ∗ (𝜔)} và 𝐸{𝑋 ∗ (𝜔)𝐷(𝜔)} = 0 Do đó ta được:
➢ Công thức tổng quát cho giải thuật spectral subtraction:
|𝑿̂(𝝎)| 𝒑 = |𝒀(𝝎)| 𝒑 − |𝑫̂ (𝝎)| 𝒑 (2.20) Với p = 1: cho spectral subtraction biên độ p = 2: cho spectral subtraction công suất [10]
29 Hình 2.17:Sơ đồ tổng quát giải thuật spectral subtraction
Tín hiệu bị nhiễu sẽ được phân đoạn và áp dụng cửa sổ Hamming, sau đó biến đổi FFT và đưa vào khối ước lượng nhiễu và khối tăng cường giọng nói Ước tính nhiễu có tác động lớn đến chất lượng và độ rõ của tín hiệu được tăng cường Nếu ước tính tiếng ồn quá thấp, tiếng ồn dư thừa không mong muốn sẽ có thể nghe được, nếu ước tính tiếng ồn quá cao, giọng nói sẽ bị méo
Sau đó sẽ áp dụng công thức spectral subtraction cho tín hiệu bị nhiễu và ước lượng nhiễu.
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
Tổng quan về hệ thống thiết kế
Hình 3.1:Tổng quan về hệ thống thiết kế 1
Hình 3.2:Tổng quan về hệ thống thiết kế 2
Để xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu âm thanh của tôm khi cho ăn hiệu quả, nghiên cứu này đã sử dụng hydrophone đặt dưới nước Phương pháp này được thực hiện theo ba mô hình cụ thể, mỗi mô hình có đặc điểm riêng.
- Mô hình 1: thực hiện thí nghiệm trên hồ hoặc thùng nuôi nhỏ, dữ liệu thu được sẽ đến bộ pre-amp sau đó sẽ được ghi nhận lại
- Mô hình 2: triển khai ở ao nuôi tôm, dữ liệu thu dược sẽ đi qua bộ XLR converter, sau đo thông qua cáp XLR để đi đến bộ Pre-amp và từ bộ Pre- amp, dữ liệu sẽ được chuyển qua máy tính cá nhân thông qua Wifi để phân tích, đánh giá
- Mô hình 3: tương tự mô hình 2 nhưng sẽ sử dụng các module, sound card để so sánh đánh giá mô hình 2
Yêu cầu thực hiện
- Cần cấp nguồn phù hợp cho op-amp ở bộ pre-amp, lựa chọn linh kiện phù hợp cho ứng dụng âm thanh
- Cần cấp nguồn phù hợp cho op-amp ở bộ pre-amp, bộ XLR converter, lựa chọn linh kiện phù hợp cho ứng dụng âm thanh
- Các ngoại vi cần thiết khác: raspberry pi hoặc điện thoại di động để streaming dữ liệu, cáp XLR
- Cần cấp nguồn phù hợp cho sound card
- Các ngoại vi cần thiết khác: sound card để khuếch đại tín hiệu, điện thoại di động để streaming dữ liệu, cáp XLR
Phân tích yêu cầu thực hiện
- Lựa chọn op-amp NE5532 có đặc tính nhiễu thấp, băng thông unity- gain cao, distortion thấp, slew rate cao và được ứng dụng để khuếch đại âm thanh
- Lựa chọn linh kiện thụ động dành cho ứng dụng âm thanh (sai số thấp, vật liệu cấu tạo tốt): tụ của hãng Wima, Nichicon, trở của hãng Dale,…
- Nguồn cung cấp cho mạch dùng pin sạc lithium 12V 4800mAh cho thời gian hoạt động lâu
Hình 3.3:Pin sạc lithium 12V 4800mAh 3.3.2 Mô hình 2
- Lựa chọn op-amp NE5532 có đặc tính nhiễu thấp, băng thông unity- gain cao, distortion thấp, slew rate cao và được ứng dụng để khuếch đại âm thanh
- Lựa chọn linh kiện thụ động dành cho ứng dụng âm thanh (sai số thấp, vật liệu cấu tạo tốt): tụ của hãng Wima, Nichicon, trở của hãng Dale,…
- Lựa chọn Raspberry pi 3 để streaming dữ liệu, raspberry hỗ trợ đầy đủ các ngoại vi bao gồm cổng USB, module wifi để truyền nhận dữ liệu
- Lựa chọn các ngoại vi cần thiết khác: cáp XLR có shield để chống nhiễu tốt, dây chuyển đổi tín hiệu từ 3.5mm sang USB có tốc độ cao, ở đây sử dụng dây chuyển của hãng Ugreen cho tốc độ lấy mẫu 24bit/96kHz
Hình 3.4:Dây chuyển đổi tín hiệu 3.5mm sang USB
- Sử dụng Adapter nguồn 12V/5A cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, sử dụng module tăng áp XL6019 để tạo nguồn phantom 40V cho tín hiệu XLR, sử dụng module nguồn đôi để tạo nguồn ±15V và dùng IC LM7812 và LM7912 để ổn áp về ±12V cung cấp cho op-amp ở mạch pre-amp Ngoài ra còn sử dụng module lọc nhiễu EMI giúp nguồn ổn định hơn
- Sử dụng mạch XLR converter như ở mô hình 2
- Sử dụng sound card Soundcard Behringer U-Phoria UM2
Soundcard USB U-Phoria UM2 do Behringer sản xuất có độ phân giải 48kHz, tích hợp preamp micro XENYX, 1 đầu vào nhạc cụ, 1 đầu ra tai nghe và 2 đầu ra ngoài, đi kèm nguồn phantom 48V, kích thước nhỏ gọn 4,6 x 12,8 x 11,8mm.
Hình 3.5:Soundcard Behringer U-Phoria UM2
- Sử dụng BeagleBone Black để điều khiển cũng như cấp nguồn cho mạch preamp Chất lượng chống nhiễu của BBB hơn Raspberry hay các máy tính nhúng khác, việc điều khiển sound card cũng yêu cầu sự ổn định khá cao
Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống
Hình 3.7:Sơ đồ khối tổng quát của mô hình 1 Ở mô hình 1, bộ pre-amp sẽ thu âm thanh trực tiếp từ hydrophone và gửi đến thiết bị thu âm (máy ghi âm, điện thoại di động,…)
Ở mô hình 2 và 3, bộ chuyển đổi XLR sẽ chuyển đổi tín hiệu từ thủy âm thành dạng XLR giúp truyền đi xa Sau đó, bộ khuếch đại âm thanh nổi (sound card ở mô hình 3) nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi XLR và gửi tới điện thoại để ghi âm hoặc gửi tới Raspberry Pi/điện thoại để phát trực tiếp.
Sơ đồ khối chi tiết
Hình 3.9:Sơ đồ khối chi tiết của mô hình 1
Bộ pre-amp được cấp nguồn từ pin sạc lithium 12V 4800mAh, tín hiệu từ hydro phone sẽ được đưa vào bộ pre-amp để khuếch đại, ngõ ra bộ pre-amp sẽ kết nối với bộ ghi âm
Hình 3.10:Sơ đồ khối chi tiết của mô hình 2
Sử dụng Adapter nguồn 12V/5A cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, nguồn 12V sẽ đi qua 2 nhánh:
+ Module tăng áp XL6019 để tạo nguồn phantom 40V cho tín hiệu XLR
+ Module nguồn đôi để tạo nguồn ±15V và dùng IC LM7812 và LM7912 để ổn áp về ±12V cung cấp cho op-amp ở mạch pre-amp
Ngoài ra còn sử dụng module lọc nhiễu EMI giúp nguồn ổn định hơn
Tín hiệu từ Hydrophone đi qua bộ XLR convert để tạo tín hiệu XLR, sau đó đi vào bộ pre-amp để khuếch đại, ngõ ra bộ pre-amp sẽ kết nối với các bộ ghi âm hoặc streaming
Hình 3.11:Sơ đồ khối chi tiết của mô hình 3
Tín hiệu từ Hydrophone đi qua bộ XLR convert để tạo tín hiệu XLR, sau đó đi vào sound card để khuếch đại, ngõ ra sound card sẽ kết nối với mạch chuyển 3.5mm rồi đến điện thoại, tín hiệu từ điện thoại sẽ được record hoặc streaming lên nền tảng
Discord Ngoài ra, ta dùng Air-Droid platform để điều khiển điện thoại từ xa
Sơ đồ mạch chi tiết
Hình 3.12: Sơ đồ mạch chi tiết bộ pre-amp mô hình 1
- Op-amp NE5532 được cấp nguồn từ pin sạc lithium 12V 4800mAh thông qua J2
- Tụ C7, C12, C8, C9, C12, C13, C14 được dùng để DC Blocking
Lựa chọn tụ C7 và C12 là tụ không phân cực (nonpolar) để tránh tình trạng tín hiệu ngõ vào vượt quá biên độ 6V (DC bias) gây phân cực ngược nếu sử dụng tụ phân cực (polar), dẫn đến hỏng tụ.
- Cặp điện trở R2, R3, R8, R9 chia điện áp 12V thành 6V dùng để DC bias cho tín hiệu ở ngõ vào Do 6V này chỉ dùng để DC bias cho ngõ vào op-amp nên chọn điện trở R4, R10 lớn (340 kOhm) Tụ C4, C11, C5, C6 là tụ coupling dùng để lọc nguồn
Diod D2, D4, D5, D7 cắt biên dương khi biên dương lớn hơn hoặc bằng 3,6V Diod D3, D6 cắt biên âm khi biên âm nhỏ hơn hoặc bằng -6,5V.
- C7, R2, R3, R4, C4 và C12, R8, R9, R10, C11 tạo thành bộ lọc thông cao với tần số cắt (do R2//R3//C4