Kiểm soát nhiễu theo phương pháp tích cực thích nghi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  HUỲNH VĂN TUẤN KIỂM SOÁT NHIỄU THEO PHƯƠNG PHÁP TÍCH CỰC THÍCH NGHI CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ VÔ TUYẾN & ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 62 44 03 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Tp. Hồ Chí Minh - 2010 - i - Lời cam đoan Tôi xin cam đoan về tính chân thực của bản luận án này. Các số liệu trong bản luận án là của chính bản thân thực hiện. Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa và PGS.TS. Nguyễn Hữu Phương mà không phải sao chép từ bất cứ công trình nào của người khác. Tp.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2010 Nghiên cứu sinh Huỳnh Văn Tuấn - ii - Lời cảm ơn Đề tài “Kiểm soát nhiễu theo phương pháp tích cực thích nghi” đã hoàn thành với sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Dương Hoài Nghĩa (Khoa Điện-Điện tử – Trường Đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh). Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy, Thầy đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Hữu Phương, Thầy đã trực tiếp hướng dẫn và có những chỉ bảo kịp thời để tôi hoàn thành luận án một cách tốt nhất. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Đặng Văn Liệt, PGS.TS. Châu Văn Tạo cùng các Thầy Cô trong Khoa Vật Lý - Vật Lý Kỹ Thuật, Khoa Điện Tử Viễn Thông, Bộ môn Vật lý Tin học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình công tác để tôi tập trung hoàn thành luận án này. Tôi xin được gửi đến gia đình mình, nơi đã dành cho tôi tất cả tình thương và sự chuẩn bị về mọi mặt để tôi có được kết quả như ngày hôm nay, cùng các anh chị và bạn bè đã động viên, cổ vũ nhiệt tình về mặt tinh thần cho tôi trong quá trình thực hiện luận án lời cảm ơn chân thành nhất. Cuối cùng tôi xin gửi lời tri ân đến em, em đã luôn tạo niềm tin cũng như chia sẻ với tôi những lúc khó khăn để tôi hoàn tất chương trình nghiên cứu sinh này. Tp.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2010 Nghiên cứu sinh Huỳnh Văn Tuấn - iii - Mục lục Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu vi Danh mục các chữ viết tắt viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ix Danh mục các bảng xiv MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN 6 1.1 Tính cấp thiết của luận án 6 1.2 Các ứng dụng của hệ thống ANC 7 1.3 Các phương pháp kiểm soát nhiễu 8 1.3.1 Phương pháp thụ động 8 1.3.2 Phương pháp tích cực 9 1.4 Các công trình liên quan 10 1.4.1 Các phương pháp dùng giải thuật lọc thích nghi 10 1.4.2 Các phương pháp dùng mạng nơron và logic mờ 15 1.4.3 Các phương pháp tiếp cận khác 17 1.5 Các yêu cầu để thiết kế và thực hiện hệ thống ANC 18 1.6 Mục tiêu thực hiện luận án 19 1.7 Giới hạn luận án 19 Chương 2 CÁC HỆ THỐNG ANC TRONG MIỀN THỜI GIAN 21 2.1 Tổng quan về các phương pháp ANC 21 2.1.1 Phương pháp truyền thẳng 21 2.1.2 Phương pháp truyền thẳng và hồi tiếp 22 2.1.3 Phương pháp hồi tiếp 23 - iv - 2.2 Hệ thống ANC truyền thẳng 23 2.2.1 Hệ thống ANC truyền thẳng băng rộng 23 2.2.2 Hệ thống ANC truyền thẳng băng hẹp 28 2.3 Hệ thống ANC hồi tiếp 30 2.3.1 Hệ thống ANC hồi tiếp không thích nghi 30 2.3.2 Hệ thống ANC hồi tiếp đơn tần số 32 2.3.3 Hệ thống ANC hồi tiếp đa tần số 36 2.4 Kết luận 38 Chương 3 XÂY DỰNG CÁC HỆ THỐNG ANC HỒI TIẾP 39 3.1 Hệ thống ANC dùng lọc thích nghi 39 3.2 Hệ thống ANC dùng mạng nơron 45 3.3 Hệ thống ANC dùng mạng nơron-mờ loại 1 (T1-FNN) 52 3.4 Hệ thống ANC hồi tiếp dùng mạng nơron-mờ loại 2 (T2-FNN) 61 3.5 Hệ thống ANC đa kênh 69 3.6 Kết luận 75 Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76 4.1 Các thông số mô phỏng 76 4.2 Mô hình mô phỏng các hệ thống ANC 77 4.3 Kết quả 79 4.3.1 Nguồn nhiễu đơn tần số 79 4.3.2 Nguồn nhiễu đa tần số 83 4.3.3 Hệ thống ANC đa kênh 88 4.3.4 Kết luận 89 4.4 So sánh các hệ thống ANC 90 4.4.1 Hiệu quả kiểm soát nhiễu của các hệ thống ANC 90 4.4.2 Tốc độ hội tụ của các hệ thống ANC 91 4.4.3 Độ phức tạp của các hệ thống ANC 93 4.5 Khảo sát tính bền vững của các hệ thống ANC 95 - v - 4.5.1 Sai số cho phép của mô hình 95 4.5.2 Ảnh hưởng của khâu bổ chính bão hòa 98 4.6 Kết luận 105 Chương 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 106 5.1 Mô hình ANC thời gian thực 106 5.2 Kết quả 107 5.2.1 Nguồn nhiễu đơn tần số 107 5.2.2 Nguồn nhiễu đa tần số 112 5.2.3 Hệ thống ANC đa kênh 118 5.3 Khảo sát tính bền vững của các hệ thống ANC 122 5.3.1 Sai số cho phép của mô hình 122 5.3.2 Ảnh hưởng của khâu bổ chính bão hòa 125 5.3.3 Bán kính kiểm soát nhiễu 127 5.4 Tách tín hiệu ra khỏi nhiễu 129 5.4.1 Tách tín hiệu ra khỏi nhiễu đơn tần số 129 5.4.2 Tách tín hiệu ra khỏi nhiễu đa tần số 136 5.5 Kết luận 145 KẾT LUẬN 146 A. Kết luận 146 B. Hướng phát triển 147 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO 149 - vi - Danh mục các ký hiệu d(k) : nhiễu sơ cấp sau khi truyền qua hàm truyền sơ cấp P(z) )( ˆ kd : ước lượng của nhiễu sơ cấp )( ˆ kd : vectơ các tín hiệu vào )( ˆ kd :   T Lkdkdkdkd )( ˆ )1( ˆ )( ˆ )( ˆ   e(k) : nhiễu tổng hợp f : tần số của tín hiệu G(z) : hàm truyền thứ cấp )( ˆ zG : giá trị ước lượng của hàm truyền thứ cấp G(z) g j : đáp ứng xung của hàm truyền thứ cấp     J j j j zgzG 0 )( j g ˆ : đáp ứng xung của hàm truyền )( ˆ zG H : khối hồi tiếp J : bậc của bộ lọc G(z) k : chỉ số thời gian L : bậc lọc của bộ lọc thích nghi W(z) M : số kênh của hệ thống ANC đa kênh P : môi trường truyền âm P(z) : hàm truyền sơ cấp P x’ : công suất của tín hiệu tham chiếu x’ R(z) : hàm truyền của micro sơ cấp s(k) : nguồn nhiễu sơ cấp S(v) : khâu bão hòa )( ˆ vS : giá trị ước lượng của S(v) t : thời gian T(z) : hệ thống truyền thẳng x(k) : nhiễu sơ cấp - vii - y(k) : nhiễu thứ cấp tại ngõ ra bộ lọc W(z) hoặc mạng nơron hoặc mạng T1-FNN hoặc mạng T2-FNN W(z) : bộ lọc thích nghi FIR u : tín hiệu điều khiển u(k) : nhiễu thứ cấp sau khi qua khâu bão hòa v(k) : nhiễu thứ cấp sau khi truyền qua hàm truyền thứ cấp G(z) V(k) : hàm mục tiêu w(k) : các hệ số của bộ lọc FIR hoặc các trọng số của mạng nơron hoặc mạng T1- FNN hoặc mạng T2-FNN )(kw : vectơ các hệ số của bộ lọc FIR hoặc của mạng nơron hoặc mạng T1-FNN hoặc mạng T2-FNN )(kw l : hệ số thứ l của bộ lọc FIR thích nghi W(z) bậc L tại thời điểm k  : hằng số học )(kV  : gradient của )(kV  : tham số (*) : tổng chập tuyến tính (convolution) - viii - Danh mục các chữ viết tắt A/D : Analog-to-Digital ANC : Active Noise Control CMAC : Cerebellar Model Arithmetic Computer D/A : Digital-to-Analog DSP : Digital Signal Processing DSPs : Digital Signal Processors FEA : Finite Element Analysis FF/FB : Feedforward and Feedback FFT : Fast Fourier Transform FIR : Finite Impulse Response FLS : Fuzzy Logic System FxLMS : Filtered-x Least Mean Square FSLMS : Filtered-S Least Mean Square FxNLMS : Filtered-x Normalized Least Mean Square IIR : Infinite Impulse Response LMS : Least Mean Square MIMO : Multi-Input Multi-Output MSE : Mean Square Error NN : Neural Network NLMS : Normalized Least Mean Square PNC : Passive Noise Control RBF : Radial Basis Function RLS : Recursive Least Squares SISO : Single-Input Single-Output T1-FNN : Type 1 Fuzzy-Neural Network T2-FNN : Type 2 Fuzzy-Neural Network - ix - Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1. 1 - Nguyên lý kiểm soát nhiễu tích cực 9 Hình 1. 2 - ANC trong đường ống 14 Hình 1. 3 - ANC trong tai nghe và ANC trong không gian kín 14 Hình 1. 4 - Mô hình ANC trong cabin xe tải 15 Hình 1. 5 - Mô hình ANC trong cabin xe hơi 15 Hình 1. 6 - Mô hình thực nghiệm kiểm soát nhiễu đường ống sử dụng logic mờ 16 Hình 1. 7 - Mô hình kiểm soát nhiễu trong phòng kín sử dụng logic mờ 17 Hình 2. 1 - Hệ thống ANC truyền thẳng 21 Hình 2. 2 - Hệ thống ANC truyền thẳng và hồi tiếp 22 Hình 2. 3 - Hệ thống ANC hồi tiếp 23 Hình 2. 4 - Hệ thống ANC truyền thẳng 24 Hình 2. 5 - Sơ đồ hệ thống ANC truyền thẳng. 25 Hình 2. 6 - Hệ thống ANC sử dụng giải thuật FxLMS 26 Hình 2. 7 - Hệ thống ANC truyền thẳng băng hẹp 28 Hình 2. 8 - Hệ thống ANC hồi tiếp 30 Hình 2. 9 - Hệ thống ANC hồi tiếp cổ điển. 30 Hình 2. 10 - Hệ thống ANC hồi tiếp cơ bản 32 Hình 2. 11 - Hệ thống ANC hồi tiếp thích nghi đơn tần số. 33 Hình 2. 12 - Thuật toán ANC hồi tiếp như lọc thích nghi tiên đoán 34 Hình 2. 13 - Hệ thống ANC hồi tiếp đa tần số 36 Hình 2. 14 - Hệ thống ANC hồi tiếp hai tần số 37 Hình 3. 1 - Hệ thống ANC hồi tiếp dùng lọc thích nghi 39 Hình 3. 2 - Hệ thống ANC hồi tiếp dùng lọc thích nghi có bổ chính bão hòa 40 Hình 3. 3 - Hệ thống ANC hồi tiếp dùng mạng nơron 45 Hình 3. 4 - Cấu trúc của một perceptron 46 [...]... Phương tiện giao thông vận chuyển: máy bay, tàu thủy, thuyền, xe môtô, đầu máy xe lửa, … 1.3 Các phương pháp kiểm soát nhiễu Có hai phương pháp kiểm soát nhiễu: phương pháp thụ động (passive) và phương pháp tích cực (active) 1.3.1 Phương pháp thụ động Phương pháp kiểm soát nhiễu truyền thống được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị cơ khí như xe ôtô, xe máy và các hệ thống cơ khí khác, … phương pháp. .. là tạo ra nhiễu thứ cấp có cùng biên độ nhưng ngược pha với nhiễu sơ cấp sao cho nhiễu tổng hợp giảm đi trong vùng cần kiểm soát nhiễu (hình 1.1) Hiệu quả của việc kiểm soát nhiễu tùy thuộc vào độ chính xác về biên độ và về pha của nhiễu thứ cấp Nhiễu sơ cấp Nhiễu tổng hợp + = Nhiễu thứ cấp Hình 1 1 - Nguyên lý kiểm soát nhiễu tích cực Phương pháp ANC được ứng dụng thành công so với phương pháp PNC... hạn chế các ứng dụng của phương pháp kiểm soát nhiễu thụ động trong thực tế Vì vậy, hệ thống kiểm soát nhiễu không sử dụng vật liệu hấp thụ âm đã được tập trung nghi n cứu trong những thập niên gần đây, phương pháp này được biết đến như là phương pháp ANC [43] 1.3.2 Phương pháp tích cực Để giải quyết những hạn chế của phương pháp PNC, người ta đã quan tâm rất nhiều đến phương pháp ANC Nguyên lý chung... micro Kết quả là tại các tần số chính, nhiễu suy giảm khoảng 36 dB Đặc điểm của phương pháp này là kiểm soát nhiễu tuần hoàn có tần số nhỏ hơn 1 KHz - Narahari [100] nghi n cứu vấn đề khử nhiễu trong tai nghe (noise cancellation in headphones, năm 2003) Tác giả đã sử dụng giải thuật thích nghi FxLMS để kiểm soát nhiễu Đặc điểm của phương pháp này là kiểm soát nhiễu tại các tần số thấp - Nijsse [102]... logic mờ loại 1 [84] cũng được các nhà nghi n cứu quan tâm đến trong lĩnh vực kiểm soát nhiễu [44] Hình 1 6 - Mô hình thực nghi m kiểm soát nhiễu đường ống sử dụng logic mờ - 16 - Hình 1 7 - Mô hình kiểm soát nhiễu trong phòng kín sử dụng logic mờ 1.4.3 Các phương pháp tiếp cận khác - Cazzolato [27] nghi n cứu các hệ thống cảm biến để kiểm soát âm thanh tích cực truyền trong đường ống (Sensing systems... gồm: kiểm soát nhiễu băng rộng và nhiễu băng hẹp dùng phương pháp truyền thẳng, kiểm soát nhiễu dùng phương pháp hồi tiếp thích nghi, các giải thuật ANC cho hệ thống kiểm soát nhiễu đơn tần số và nhiễu đa tần số Tác giả cũng nhấn mạnh đến khả năng thực nghi m các hệ thống kiểm soát nhiễu theo hướng xử lý tín hiệu thích nghi và các ứng dụng thời gian thực - Lee [83] trình bày ANC trong ống khói xe hơi... Tóm tắt các phương pháp dùng lọc thích nghi Tài liệu Cấu trúc Mô hình Giải thuật thích nghi [52] Phương pháp truyền thẳng (hình 0.1) Mô hình FIR Giải thuật RLS Lọc Kalman [80] Phương pháp truyền thẳng (hình 0.1) Mô hình FIR Giải thuật FxLMS [83] Phương pháp truyền thẳng (hình 0.1) Mô hình FIR Giải thuật FxLMS [93] Phương pháp hồi tiếp (hình 0.2) Mô hình FIR Giải thuật FxLMS [100] Phương pháp truyền... quả kiểm soát nhiễu tại tần số 80Hz trong miền thời gian 79 Hình 4 6 - Kết quả kiểm soát nhiễu tại tần số 145Hz trong miền thời gian 80 Hình 4 7 - Kết quả kiểm soát nhiễu tại tần số 80Hz trong miền tần số 81 Hình 4 8 - Kết quả kiểm soát nhiễu tại tần số 145Hz trong miền tần số 82 Hình 4 9 - ANC đa tần dùng lọc thích nghi trong miền thời gian 84 Hình 4 10 - ANC đa tần dùng lọc thích nghi. .. tần số thấp (dưới 2000Hz) Do sử dụng phương pháp hồi tiếp nên các hệ thống ANC trong luận án không ứng dụng để kiểm soát các nguồn nhiễu ngẫu nhiên Hệ thống ANC trong luận án sử dụng phương pháp hồi tiếp để kiểm soát các loại nguồn nhiễu băng hẹp hoặc nguồn nhiễu có chu kỳ (bao gồm các nguồn nhiễu đơn tần số và đa tần số) Chúng tôi hướng đến những ứng dụng kiểm soát nhiễu trong một không gian giới hạn... nhanh Đặc điểm của phương pháp này là kiểm soát nhiễu băng hẹp, có thể kiểm soát nhiễu tại nhiều tần số khác nhau - Strauch [133] thực hiện ANC trong đường ống (active control of nonlinear noise processes in a linear duct, năm 1998) Tác giả đã sử dụng giải thuật LMS với mô hình FIR thực hiện trên bộ DSPs để kiểm soát nhiễu Kết quả là nhiễu trong đường ống giảm 12 dB Đặc điểm của phương pháp này là dễ thực