Điều khiển thiết bị bằng giọng nói sử dụng thiết bị Raspberry Pi

1.1 GIỚI THIỆU 1.1.1 Lý do chọn đề tài, lĩnh vực nghiên cứu Với tình hình phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin đang trở nên nóng hơn bao giờ hết. Công nghệ hiện đại, tự động hóa trở thành một điểm nóng của các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển. Để mọi thứ trở nên tiện lợi hơn các nhà khoa học đã không ngừng miệt mài phát triển các phần mềm, ứng dụng, phần cứng để phục vụ cho nhu cầu sống hằng ngày để trở nên tiện lợi hơn. Ngày nay, vấn đề đảm bảo an toàn và tự động hoá ngày càng được các doanh nghiệp, cơ quan đánh giá cao về ích lợi mà hệ thống đem lại. Một số công ty ở Việt Nam cũng đã không ngừng đầu tư và phát triển có nhiều hệ thống và điều khiển bằng giọng nói như: Switch air, BKAV (dự án Smart home),… ngoài ra Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng suất lao động. Đặc biệt sự ra đời và phát triển các công nghệ mới nhằm tạo ra sự tự động hóa, sự tiện lợi trong xã hội cũng như trong công nghiệp. Đối với các nước ngoài thì việc điều khiển bằng giọng nói đã được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng vào đời sống và sản suất cũng chỉ mới ra đời vài năm trở lại đây. Như ở MỸ đã được ứng dụng để điều khiển robotcam trong y khoa. Riêng ở nước ta lĩnh vực này còn khá mới. Do đó chúng ta cần có sự đầu tư để nghiên cứu theo kịp công nghệ mới này để phục vụ cho nhu cầu xã hội. Từ những lý do trên, thấy được khả năng phát triển và nhu cầu tìm hiểu về điều khiển bằng giọng nói của chính bản thân và của những người yêu thích mong muốn được sử dụng công nghệ này, tôi đã bắt tay vào thực hiện nghiên cứu đề tài tôi đã quyết định thực hiện đề tài: “ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG GIỌNG NÓI THÔNG QUA MÁY TÍNH NHÚNG RASPBERRY PI”

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ HỒNG BÀNG

PHẠM KIM PHƯỢNG

Tên đề tài luận văn:

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG GIỌNG NÓI VỚI RASPBERRY PI 2

Chuyên ngành : Khoa học máy tính

Mã số học viên : 126011019

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS BÙI VĂN MINH

TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA

ĐỀ TÀI

Trình bày tổng kết lại những kết quả đạt được của luận văn, những mặt còn hạn chế và hướng phát triển của đề tài trong tương lai để tạo ra được một sản phẩm hoàn chỉnh ứng dụng rộng rãi với mô hình điều khiển thiết bị điện thông qua

giọng nói

7 MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 14

1.1 GIỚI THIỆU 14

1.1.1 Lý do chọn đề tài, lĩnh vực nghiên cứu 14

1.1.2 Những nghiên cứu đã thực hiện trên máy tính nhúng Raspberry Pi và câu hỏi, giả thiết nghiên cứu của đề tài 15

1.1.3 Mục tiêu nghiên cứu đối tượng nghiên cứu, giới hạn phạm vi nghiên cứu: 19

1.1.4 Những nội dung chính yếu cần nghiên cứu 19

1.2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 20

1.2.1 Raspberry Pi là gì ? 20

1.2.2 Các phiên bản của Raspberry Pi [23] 20

1.2.3 Các hệ điều hành cho máy tính nhúng Raspberry Pi 2 27

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 31

2.1 KHÁI NIỆM VỀ ÂM THANH 31

2.1.1 Khái niệm về âm thanh: 31

2.1.2 Các hiệu ứng âm thanh: 32

2.1.3 Nguyên lý chuyển đổi A/D: 33

2.1.4 Điều chế xung biên: 34

2.1.5 Lấy mẫu lý tưởng: 35

2.1.6 Định lý Nyquist và hiện tượng chồng phổ: 37

2.1.7 Lấy mẫu thực tế: 38

2.1.8 Lượng tử hoá: 40

2.1.9 Mã hoá: 45

2.1.10 Dither: 46

2.1.11 Các tần số lấy mẫu chuẩn: 49

2.1.12 Chức năng tiền nhấn: 50

2.2 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ TIẾNG NÓI 51

2.2.1.Tổng quan về xử lý tiếng nói 51

2.2.2 Cấu trúc ngôn ngữ nói 55

2.3 XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TRONG XỬ LÝ TIẾNG NÓI 59

2.3.1 Xử lý tín hiệu số 59

2.3.2 Phép biến đổi Fourier 60

2.3.3 Phép biến đổi Fourier rời rạc 60

2.3.4 Các bộ lọc số và cửa sổ 62

2.3.5 Biểu diễn tín hiệu tiếng nói: 62

2.3.6 Mã hóa tiếng nói 66

2.4 NHẬN DẠNG TIẾNG NÓI 70

2.4.1 Các hệ thống nhận dạng tiếng nói 70

2.4.2 Mạng Neuron nhân tạo (Artificial Neural Network- ANN) 77

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN, THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN BẰNG GIỌNG NÓI 83

3.1 Nhận dạng giọng nói là gì ? 83

3.2 Tổng hợp âm thanh là gì ? 84

3.3 Nền tảng thực hiện 84

3.4 Giới thiệu về Jasper 84

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ LẮP ĐẶT THIẾT BỊ 86

4.1 Thiết kế điều khiển 86

4.2 Lắp đặt thiết bị điện 86

4.3 Cơ chế hoạt động: 89

4.4 Sử dụng thư viện 90

4.5 Thiết kế điều khiển 91

4.6 Sơ đồ kết nối 92

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 97 5.1 Kết quả đạt được 97

5.2 Thuận lợi: 97

5.3 Khó khăn 97

5.4 Hạn chế 97

5.5 Hướng phát triển đề tài 97

8 DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình lắp ráp chiếc xe ô tô điều khiển từ xa sử dụng Raspberry Pi Hình 1.2 Bộ RasPiLapse của Rick Adam

Hình 1.3 Hệ thống máy tính Raspberry Pi trên xe ô tô của Suzuki Swift

Hình 1.4 Máy pha cafe

Hình 2.5 Chi tiết trên Board RaspberryHình 2.6 40 chân GPIO

Hình 2.7 Giao diện hệ điều hành Raspbian

Hình 2.8 Hệ điều hành Noobs

Hình3.1: Nguyên lý chuyển đổi A/D:

Hình3.2 : Điều chế xung biên

Hình 3.3 Quá trình lấy mẫu (PAM) trong miền thời gian (sau điều chế biên độ xung)

Hình 3.4 Phổ điều chế với các biên phụ (fs∀fmax) xung quanh tần số lấy mẫu trong miền tần số

Hình 3.5 Khôi phục tín hiệu audio tương tư

Hình 3.6 Hiện tượng chồng phổ

Hình 3.7 Lấy mẫu thực tế của hiện tượng chồng phổ

Hình 3.8 Quá trình lấy mẫu và giữ trong miền tần số

Hình 3.9 a) thời gian lấy mẫu và giá trị lượng tử hoá 4 bit

Hình 3.9 b) giá trị giư

Hình 3.9 c) sai số lượng tử hoa

Hình 3.10 Mức lượng tử và lỗi lượng tư

Hình 3.11 Xác suất trung bình nằm giữa hai giá trị là +Q/2 và – Q/2:

Hình 4.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống chuyển đổi văn bản thành tiếng nói

Hình 4.2 : Chuyển đổi các từ đã chuẩn hóa sang các âm vị tương ứng

Hình 4.3 : Bộ máy phát âm

Hình 5.1 : Mô hình hóa nguồn âm đối với âm hưu thanh

Hình 5.2 Cách biểu diễn lý học và toán học

a Mô hình lý học giữa đoạn ống m và m + 1

b Mô hình toán học của đoạn ống thứ m

Hình 5.3 một số ứng dụng trong lĩnh vực xử lý tiếng nói

Hình 6.1 tần số cơ bản không thay đổi của không dấu

Hình 6.2 tần số cơ bản giảm dần của dấu huyền

Hình 6.3 Tần số cơ bản tăng dần của dấu sắc

Hình 6.4 Tần số cơ bản của dấu nặng

Hình 6.5 Tần số cơ bản của dấu hỏi

Hình 6.6 Tần số cơ bản của dấu ngã

Hình 6.7 Biên độ và tần số cơ bản giảm dần về phía cuối câu.của các từ trong câu trần thuật

Hình 6.8 Hình ảnh dạng sóng và tần số cơ bản của câu không có ngữ điệu và câu

có từ để hỏi

Hình 6.9 Các chuyển tiếp trạng thái trong mô hình Markov

Hình 6.10 Sự tiến hóa của mô hình Markov

Hình 6.11: Kiến trúc tổng quát của một ANN

Hình 6.12: Quá trình xử lý thông tin của một ANN

Hình 6.13: Mối quan hệ giữa Internal Activation và kết quả (output)

Hình 8.1 Relay

Hình 8.2 : Cơ chế hoạt động của phần mềm

Hình 8.3: Mô hình thiết kế điều khiển

Bảng 5.1 Công thức cho biến đổi ZT

Bảng 5.2 Các dãy và DFT tương ứng của chúng

Bảng 9.1 Kết quả nhận dạng

10 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DSP: Diagital Signal Processor – Xử lý tín hiệu số

PCM: Pulse Code Modulation – Kỹ thuật điều chế xung mã

PAM: Pulse Amplitude Modulation - Phương pháp điều chế xung biên PAM

TTS: Text-to-Speech - Hệ thống chuyển văn bản thành tiếng nói

NTSC (National Teltevision System Committee) - hệ video được sử dụng hầu hết ở Bắc Mỹ và Nam Mỹ

PAL (Phase Alternating Line) - hệ Video được dùng phần lớn ở Châu Âu, châu

Á

FT (Fourier Transform) - biến đổi Fourier

FFT (Fast Fourier Transform) - biến đổi Fourier nhanh

HMM (Hidden Markov Model) - Mô hình Markov ẩn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU

1.1.1 Lý do chọn đề tài, lĩnh vực nghiên cứu

Với tình hình phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin đang trở nên nóng hơn bao giờ hết Công nghệ hiện đại, tự động hóa trở thành một điểm nóng của các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển Để mọi thứ trở nên tiện lợi hơn các nhà khoa học đã không ngừng miệt mài phát triển các phần mềm, ứng dụng, phần cứng để phục vụ cho nhu cầu sống hằng ngày để trở nên tiện lợi hơn Ngày nay, vấn đề đảm bảo an toàn và tự động hoá ngày càng được các doanh nghiệp, cơ quan đánh giá cao về ích lợi mà hệ thống đem lại Một số công ty ở Việt Nam cũng đã không ngừng đầu tư và phát triển có nhiều hệ thống

và điều khiển bằng giọng nói như: Switch air, BKAV (dự án Smart home),… ngoài ra Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng suất lao động Đặc biệt sự ra đời và phát triển các công nghệ mới nhằm tạo ra sự tự động hóa, sự tiện lợi trong xã hội cũng như trong công nghiệp Đối với các nước ngoài thì việc điều khiển bằng giọng nói đã được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng vào đời sống và sản suất cũng chỉ mới ra đời vài năm trở lại đây Như ở MỸ đã được ứng dụng để điều khiển robotcam trong y khoa Riêng

ở nước ta lĩnh vực này còn khá mới Do đó chúng ta cần có sự đầu tư để nghiên cứu theo kịp công nghệ mới này để phục vụ cho nhu cầu xã hội

Từ những lý do trên, thấy được khả năng phát triển và nhu cầu tìm hiểu về điều khiển bằng giọng nói của chính bản thân và của những người yêu thích mong muốn được sử dụng công nghệ này, tôi đã bắt tay vào thực hiện nghiên cứu đề tài tôi đã quyết định thực hiện đề tài: “ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG GIỌNG NÓI THÔNG QUA MÁY TÍNH NHÚNG RASPBERRY PI”

- Tình hình nghiên cứu đề tài (Giới thiệu và đánh giá sơ bộ các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến đề tài luận văn):

Những ứng dụng tuyệt vời từ Raspberry Pi:

Raspberry Pi là máy tính Linux phục vụ cho những công việc thông thường có kích thước như một chiếc thẻ tín dụng được sản xuất bởi Raspberry

Pi Foundation, là tổ chức phi lợi nhuận với tiêu chí xây dựng hệ thống mà nhiều người có thể sử dụng được trong những công việc tùy biến khác nhau

Nhiệm vụ ban đầu của dự án Raspberry Pi là tạo ra máy tính rẻ tiền có khả năng lập trình cho những sinh viên, nhưng Pi đã được sự quan tầm từ nhiều đối tượng khác nhau Tuy nhiên, với sức sáng tạo vô biên của con người, chúng ta đã biến Raspberry Pi thành rất nhiều sản phẩm khác nhau với khả năng ứng dụng tuyệt vời

1.1.2 Những nghiên cứu đã thực hiện trên máy tính nhúng Raspberry Pi và câu hỏi, giả thiết nghiên cứu của đề tài

1.1.2.1 Làm xe ô tô điều khiển từ xa [23]

Trang CMProgrammers đã đưa lên một clip giới thiệu cách làm một chiếc ô tô điều khiển từ xa với việc lặp đặt lên đó một bộ máy tính Raspberry Pi

Hình 1.1 Quá trình lắp ráp chiếc xe ô tô điều khiển từ xa sử dụng Raspberry Pi

1.1.2.2 Thiết bị hỗ trợ chụp time – lapse: [23]

RasPiLapse là một bộ thiết bị do Rick Adam chế tạo dựa trên nền tảng thiết bị của Raspberry Pi Một thiết bị hỗ trợ chụp ảnh time-lapse chuyên nghiệp có thể lấy đi của chúng ta đến 650 USD (khoảng 13,6 triệu đồng), thế nhưng, với sản phẩm được điều khiển bởi Pi của nhà phát triển Rick Adam, cái giá này giảm xuống chỉ còn vài chục USD

Hình 1.2 Bộ RasPiLapse của Rick Adam

1.1.2.3 Raspberry Car – Hệ thống máy tính cho ô tô [23] [24]

Nếu chúng ta lái một chiếc xe hơi thế hệ cũ, chưa được trang bị các thiết bị giải trí tối tân, hãy để Raspberry Pi giúp ta Tính đến thời điểm này, đã có vài hệ thống máy tính cho xe hơi được phát triển từ Pi, thậm chí chúng còn đi kèm với một màn hình cảm ứng Có thể kể đến ví dụ điển hình của suzukiswift

Hình 1.3 Hệ thống máy tính Raspberry Pi trên xe ô tô của Suzuki Swift

1.1.2.4 Máy pha cà phê hoạt động qua di động [23]

Một nhà phát triển người Đức có tên Sacha Wolter cùng một vài người bạn của mình đã “chế tạo” lại chiếc máy pha cà phê Nespresso bằng cách gắn nó với một chiếc Raspberry Pi Kết quả là phiên bản mới của chiếc máy pha cà phê này có thể được kích hoạt thông qua điện thoại

Hình 1.4 Máy pha cafe

1.1.2.5 Làm Quang phổ kế với Raspberry Pi [23]

Bob LeSuer đã chế tạo một bộ Quang phổ kế giá rẻ và hữu dụng dựa trên Raspberry Pi Điều ấn tượng là họ đã kết hợp giữa ngôn ngữ Mathematica và C

Đó là ứng dụng đầu tiên của ngôn ngữ Mathematica, đã nhìn thấy trên Pi và cho thấy đó là một nền tảng tuyệt vời để tạo ra các đồ thị khoa học

Hình 1.5 Quang phổ kế

1.1.2.6 Đo nhiệt và độ ẩm [23] [25]

Chúng ta đều cần đo nhiệt độ và độ ẩm cho phòng máy chủ hoặc phòng làm việc, phòng họp, nhưng thiết bị chuyên dụng có thể đắt đỏ Raspberry Pi có thể làm điều này chỉ với chi phí chừng 50 USD Thiết bị giám sát sẽ truy cập đến cơ

sở dữ liệu SQL và lấy dữ liệu từ nhiều cảm biến, tạo thành đồ thị giao diện web

Vì hướng đẫn theo từng bước nên qua đó, ta cũng có thể biết được cảm biến Raspberry Pi đọc dữ liệu và lưu trữ kết quả của cảm biến như thế nào đến cơ sở

dữ liệu

Hình 1.6 Thiết bị đo nhiệt và độ ẩm

Trong luận văn này tôi nghiên cứu tập trung vào việc trả lời câu hỏi: làm

sao để lập trình ứng dụng trên thiết bị Raspberry Pi 2,Việc thu nhận tín hiệu

và xử lí tín hiệu từ Raspberry Pi như thế nào? Lắp đặt sao cho phù hợp? Lập trình xử lý giọng nói như thế nào? Xử lý tín hiệu từ các cảm biến ra sao? rờ

le hoạt động như thế nào?

1.1.3 Mục tiêu nghiên cứu đối tượng nghiên cứu, giới hạn phạm vi nghiên cứu:

• Nghiên cứu cách sử dụng các chân tín hiệu của mạch Raspberry P2 và ứng dụng của nó vào việc lập trình cho đề án

• Sử dụng thư viện của Jasper để xử lý giọng nói

• Cách thiết lập và xử lý giọng nói

• Cách kết nối mạch Raspberry Pi

• Cách lập trình xử lý giọng nói để điều khiển thiết bị

• Cách điều khiển thiết bị điện (đèn, quạt, cửa, rèm …) thông qua rờ le

1.1.4 Những nội dung chính yếu cần nghiên cứu

• Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình python, hệ điều hành Raspbian

• Tìm hiểu thư viện của Jasper

• Xử lý giọng nói và điều khiển bật tắt thiết bị điện 220V và ứng dụng cảm biến nhiệt để xác định được nhiệt độ

• Tìm hiểu phương thức hoạt động của Relay trong việc ngắt nguồn mạch

điện chính

• Tìm hiểu cách lập trình, cách sử dụng hiệu quả máy tính nhúng Raspberry

Pi 2 để phục vụ đề tài

1.2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Trình bày tổng quan về các bước thực hiện chọn thiết bị, phần mềm cài đặt, lý thuyết về xử lý tiếng nói và công nghệ liên quan từ đó chọn giải pháp thực hiện cho luận văn

1.2.1 Raspberry Pi là gì ?

Raspberry Pi là máy tính giá 35USD kích cỡ như iPhone và chạy HĐH Linux Với mục tiêu chính của chương trình là giảng dạy máy tính cho trẻ em Được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation – là tổ chức phi lợi nhuận với tiêu chí xây dựng hệ thống mà nhiều người có thể sử dụng được trong những công việc tùy biến khác nhau.[5]

1.2.2 Các phiên bản của Raspberry Pi [23]

1.2.2.1 Raspberry Pi Zero

Ngày 25/11/2015 Raspberry Pi Foundation đưa ra một sản phẩm mới nhất, được mệnh danh là nhỏ nhất trong các sản phẩm Raspberry Pi với tên

gọi Raspberry Pi Zero Bo mạch chỉ dài 65mm, rộng 30mm và dày 5mm Nó

có điều khác biệt so với các sản phẩm trước

Trong khi Raspberry Pi 2 đánh dấu một mốc quan trọng trong cấu hình lẫn thiết kế bên ngoài của Raspberry Pi thì phiên bản Zero lại gần như đi ngược lại Raspberry Pi Zero giảm cả về kích thước lẫn giá tiền Nó nhỏ hơn tới 3 lần

so với Raspberry Pi 2 Tuy nhiên nó vẫn là anh em nhà RPI và chúng ta sẽ theo dõi các thông tin chi tiết hơn về bản Zero này ở phía dưới

Hình 2.1 Raspberry Pi Zero

Thông số kỹ thuật của Raspberry Pi Zero

• CPU: Broadcom BCM2835, tốc độ tối đa 1GHz

Các kết nối trên Raspberry Pi Zero

• Khe cắm thẻ MicroSD: Như Raspberry Pi 2, Pi Zero sử dụng thẻ MicroSD để lưu trữ và cài đặt hệ điều hành

• Cổng Mini HDMI: Đầu ra video trên Pi Zero là cổng mini HDMI Việc kết nối cũng đơn giản như các phiên bản trước Vì sử dụng cổng mini

HDMI nên trong bộ kit Pi Zero sẽ có đi kèm một đầu chuyển Mini HDMI sang HDMI

• Micro USB: Có 2 cổng Micro USB trên Pi Zero Một cổng cho kết nối dữ liệu, cổng còn lại để cấp nguồn điện Và vì sử dụng cổng dữ liệu là Micro USB nên bộ kit của Pi Zero cũng có một cáp USB OTG để ta có thể kết nối đến một USB Hub khác, giúp ta có thể sử dụng nhiều cổng USB hơn cho chuột, bàn phím,

• Chân GPIO: Pi Zero cũng có 40 chân GPIO như A+, B+ và RPi2, nhưng chỉ là các khe chân có sẵn Để sử dụng ta cần mua thêm các chân và hàn vào mạch Bộ kit của Pi Zero cũng bao gồm cả 40 chân này

• Chân RUN Mode: Pi Zero có thêm 2 chân được gọi là RUN mode, nó có thể được sử dụng để làm nút reset Pi Zero

Hình 2.2 Raspberry Pi 2 Model B

1.2.2.2 Sự khác biệt giữa Raspberry Pi 2 Model B và Pi Zero:

Pi Zero sử dụng bộ vi xử lý lõi đơn BCM2835 với RAM 512MB như trong Raspberry Pi 1

Để tiết kiệm không gian một số thiết bị đã được thay thế bằng các thiết bị tương ứng nhỏ hơn hoặc loại bỏ hoàn toàn, ví dụ:

• 4 cổng USB và cổng Ethernet đã được thay thế bằng một cổng Micro USB dữ liệu trên Pi Zero

• 40 chân GPIO có sẵn nhưng không có các giắc đi kèm Ta sẽ cần có thêm

bộ jack để có 40 chân GPIO hoàn chỉnh

• Cổng HDMI trên Raspberry Pi 2 được thay thế bằng cổng Mini HDMI trên Pi Zero Điều này đòi hỏi một bộ chuyển đổi từ Mini HDMI sang HDMI để có thể sử dụng trong các thiết bị thông dụng như tivi, màn hình máy tính đời mới Tuy nhiên Pi Zero vẫn hỗ trợ Full HD 1080p

• Chân cắm camera và màn hình đã được gỡ bỏ cùng với jack AV 3.5 cũ

1.2.2.3 Raspberry Pi 3 – Hỗ Trợ Wifi Và Bluetooth – Made In The UK

Ngày 29/01/2016, Raspberry Pi Foundation chính thức ra mắt Raspberry

Pi 3 với rất nhiều điểm cải tiến mới với cấu hình mạnh hơn, hỗ trợ nhiều tính năng hơn Raspberry Pi 3 với CPU ARM Cortex-A53 Quadcore 1.2GHz 64-bit, RAM 1GB và đặc biệt hỗ trợ chuẩn Wifi 802.11n cùng Bluetooth 4.1 Bên cạnh

đó, Raspberry Pi 3 hoàn toàn tương thích ngược với Raspberry Pi 2, vì vậy có thể sử dụng các phụ kiện như vỏ, nguồn, bàn phím, thẻ nhớ cũ mà không phải đầu tư mới

Hình 2.3 Raspberry Pi 3

Hơn nữa, hệ điều hành Raspbian chuyên dùng với máy tính Raspberry Pi cũng được cập nhật lên phiên bản mới để hỗ trợ khả năng tính toán 64-bit, những nền tảng khác ví dụ như RetroPie hay KODI ta phải chờ cập nhật lên thì mới ứng dụng 64-bit được

Thông tin cấu hình Raspberry Pi 3:

• Broadcom BCM2837 chipset running at 1.2 GHz

• 64-bit quad-core ARM Cortex-A53

• 802.11 b/g/n Wireless LAN

• Bluetooth 4.1 (Classic & Low Energy)

• Dual core Videocore IV® Multimedia co-processor

• 1 x HDMI video/audio connector

• 1 x RCA video/audio connector

• 4 x USB 2.0 ports

• 40 GPIO pins

• Chip antenna

• DSI display connector

• MicroSD card slot

• Dimensions: 85 x 56 x 17 mm

Raspberry Pi không thay thế hoàn toàn hệ thống để bàn hoặc máy xách tay Ta không thể chạy Windows trên đó vì BCM2835 dựa trên cấu trúc ARM nên không hỗ trợ mã x86/x64, nhưng vẫn có thể chạy bằng Linux với các tiện ích như lướt web, môi trường Desktop và các nhiệm vụ khác Tuy nhiên Raspberry Pi là một thiết bị đa năng đáng ngạc nhiên với nhiều phần cứng có giá thành rẻ nhưng rất hoàn hảo cho những hệ thống điện tử, những dự án DIY, thiết lập hệ thống tính toán rẻ tiền cho những bài học trải nghiệm lập trình

Hình 2.5 Chi tiết trên Board Raspberry

• Các lỗ bắt vít, kích thước, hình dạng và vị trí các chân cổng không thay đổi

• Có 4 cổng USB 2.0

• 40 GPIO giúp cho việc kết nối và giao tiếp với các module và cảm biến trở nên dễ dàng

Hình 2.6 40 chân GPIO

• Cổng HDMI chuẩn với chất lượng hình ảnh Full HD

• Cổng Ethernet giúp dễ dàng kết nối mạng

• Cổng đầu ra 3.5mm cho cả hình ảnh và âm thanh

• Cổng kết nối với Raspberry Pi Camera Module CSI

• Cổng kết nối với ngõ màn hình hiển thị riêng của Raspberry Pi DSI

• Khe cắm thẻ MicroSD Card thay cho ổ cứng

• Nhân xử lý hình ảnh VideoCore VI 3D mạnh mẽ

- Nguồn: [3]

1.2.3 Các hệ điều hành cho máy tính nhúng Raspberry Pi 2

Nhân xử lý ARM Cortex A7 giúp Raspberry Pi 2 có thể chạy được tất cả các hệ điều hành ARM GNU/Linux, bao gồm Snappy Ubuntu Core, đồng thời hãng Microsoft cũng đã ra quyết định hỗ trợ phiên bản Windows 10 cho Raspberry Pi, đây là một lợi thế rất lớn cho các nhà phát triển.[5]

Đây là một số hệ điều hành dành cho Raspberry pi 2:

1.2.3.1 Raspbian

Raspbian là phiên bản hệ điều hành phổ biến nhất trên Raspberry Pi Đa

số người dùng sẽ được khuyên sử dụng phiên bản HĐH này Nhưng tại sao?

Hình 2.7 Giao diện hệ điều hành Raspbian

Raspbian là một hệ điều hành dễ sử dụng và với sự hỗ trợ tốt của cộng đồng trên thế giới Hơn thế nữa, Raspbian là phiên bản không chính thức của Debian Wheezy – một phiên bản Linux có tiếng Raspbian rất đơn giản và quen thuộc Nó là nền tảng rất tốt cho những người mới bắt đầu làm quen với

Raspberry Pi nói riêng và Linux nói chung Giống như một chiếc máy tín Windows, Raspbian bao gồm các ứng dụng đa phương tiện và đồ họa (xem ảnh, xem phim, soạn thảo notepad), và nếu chúng ta cần nhiều hơn, ta có thể cài thêm các gói phần mềm khác như trình duyệt internet, nhắn tin, bộ phần mềm văn phòng,…

1.2.3.1.1.Cài đặt hệ điều hành Raspbian cho pi [33]

1.2.3.1.2 Cài đặt WEBIOPI [33]

1.2.3.1.4 Cài đặt thư viện DHT11 [33]

2.3.1.4 Hướng dẫn chạy file [33]

1.2.3.2 Noobs

Như chúng ta đã biết, HĐH NOOBS hiện tại hỗ trợ 6 hệ điều hành bao gồm:

Raspbian, Pidora, OPENELEC, RaspBMC, RISC OS và Arch Linux Thông thường, ta có thể download từng hệ điều hành xuống và sử dụng hệ điều hành

nào ta cảm thấy cần thiết NOOBS thì khác, nó gom tất cả 6 hệ điều hành trên

vào một gói ứng dụng Chúng ta chỉ cần download về, copy vào thẻ nhớ và có một bộ cài đặt hỗ trợ đầy đủ các hệ điều hành trên

1.2.3.3 Windows 10 IOT core

Microsoft hiện tại đã chính thức công bố Windows 10 IoT Core, một bản Windows 10 được tinh gọn để phù hợp với việc sử dụng trên các thiết bị Internet

of Things Hiện có hai bo mạch IoT đã hỗ trợ cho hệ điều hành mới này là Raspberry Pi 2 và Minnowboard Max Nó có thể hoạt động mà không cần màn hình hiển thị, phù hợp để làm OS cho những máy móc công nghiệp hay các loại thiết bị nhỏ gọn Thực chất Windows 10 IoT Core cũng không có giao diện desktop hay cửa sổ truyền thống như Windows 10 bình thường, thay vào đó lập trình viên sẽ phải viết ra các ứng dụng universal để đóng vai trò giao diện So với bản thử nghiệm lúc trước thì bản chính thức ngày hôm nay đã hỗ trợ đầy đủ

cho Bluetooth, Wi-Fi, ngôn ngữ lập trình Python và bộ khung Node.js, cùng với

đó là nhiều tính năng liên quan đến universal app

1.2.3.3.1 Cài đặt Windows 10 IOT core [33]

1.2.3.3.2 Những thiết bị cần thiết khi cài đặt Windows 10 IOT core [33] 1.2.3.3.3 Cài đặt hệ điều hành Windows 10 trên máy tính [33]

1.2.3.3.4 Cài đặt Visual Studio 2015 Community [33]

1.2.3.3.5 Cài Windows 10 IOT Core [33]

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 KHÁI NIỆM VỀ ÂM THANH

2.1.1 Khái niệm về âm thanh:

Âm thanh được phát ra từ sự rung động của các vật thể trong không khí sóng âm lan truyền do sự dao động của không khí, năng lượng sóng âm cũng bị hấp thu

và phản xạ trên các vật cản và dĩ nhiên sóng cũng đi vòng qua các vật cản nhỏ (hiện tượng nhiễu xạ) và bị làm lệch đi khi vận tốc truyền âm qua các môi trường bị thay đổi Vd: môi trường không khí, hay môi trường nước (hiện tượng khúc xạ) Đặt tính vật lý của âm: tần số, chu ky, áp lực âm học

- Tần số: tần số dao động trong thời gian một giây

- Chu kỳ: thời gian hoàn thành một dao động

- Áp lực âm học: các dao động của vật thể tuỳ theo hướng dịch chuyển gây ra tác động nén hoặc giãn lên một vật thể khác (có thể là vật thể dùng để đo), đơn

vị tính là Pascal, N/m2

- Biên độ: giá rị cực đại của áp lực âm học

- Cường độ: chỉ công suất âm thanh tác dụng lên bề mặt là 1cm2, cường độ tỷ lệ với bình phương áp lực âm học Đơn vị tính của cường độ là W/cm2 - Bước sóng là đoạn đường truyền sóng đi được trong một chu ky

- Tần số riêng: khi ta đặt tay vào một vật và vật đó rung lên và sẽ phát ra các sóng âm, ở sóng âm nghe được rõ nhất ứng với một tần số xác định thì được gọi

là tần số riêng của vật Tần số riêng thay đổi tuỳ theo kích thước hình học, bản chất của vật bị kích thích

- Tần số cộng hưởng: dao động với biên độ mạnh nhất của một vật thể, lúc đó các dao động ở dạng tích luỹ năng lượng Kích thích và dạng năng lượng ở dạng tổn hao ít nhất

2.1.2 Các hiệu ứng âm thanh:

Âm thanh được cảm nhận qua tai và được sự phân tích hình dạng của thần kinh thị giác Bản chất của các âm thanh là các dao động vật chất, nó chịu nhiều ảnh hưởng của nhiều yếu tố khách quan và chủ quan Đặt tính cảm thụ của ta với các tác động của nguồn âm như sau:

- Nghe âm thanh: các chấn động của không khí tạo tác động nén và dãn lên

màng nhĩ, sự rung động của màng nhĩ được thần kinh thính giác truyền về đại não, các trung khu thần kinh nghe sẽ giải mã và tạo ra các cảm giác nhận dạng

để biết nội dung của các âm vừa đến kích thích màng nhĩ

- Phổ âm thanh: tai người cảm nhận được các rung động có tần số từ 20hz đến

20khz Các âm thanh quá thấp tai người không nghe được, đó là phần ngoại âm, những âm lớn hơn 20khz gọi là siêu âm Tiếng nói của người chiếm dãy tần từ 80hz tới 1,2khz khoảng 4 bát độ, độ nhạy cảu tai thay đổi tuỳ theo tần số và tuỳ theo áp lực âm thanh

Người có tai tốt thì mức nghe thấy là 1dB Thực tế khi nghe nhạc có sự khác biệt 3dB thì nhận biết rõ ràng Các nghiên cứu cho thấy tai người không thể phân biệt sự khác nhau của mức âm thanh nhỏ hơn 1dB Trong không gian yên tĩnh người ta đo được áp lực âm thanh của các nguồn âm thanh như sau:

- 0dB ngưỡng nghe thấu được im lặng tuyệt đối

-90dB: tiếng còi xe lửa (150m)

-100dB: tiếng động tàu

-110dB: cưa máy

-120dB: động cơ máy bay (3m)’

-130dB: ngưỡng đau tai

-140dB: còi xe cứu hoả, tiếng pháo cối

- Âm vang - âm dội: 1 âm được nghe với một đuôi âm tắt dần gây ra cảm giác

lạ tai gọi là âm vang Một âm được nghe với nhịp lặp lại vài lần với cường độ

âm nhỏ được gọi là âm dội Ở trong phòng kín với phản xạ có hệ số hấp thu nhỏ khi đó âm thường bị vang Trong một không gian đủ lớn và có các mặt phản xạ thường có điều liện tạo ra hiệu ứng âm dội Khi nghe các âm vang hay âm dội người nghe thường liên tưởng đến sự mở rộng của không gian xung quanh, điều này cũng gây ra cảm giác thích thú cho người nghe

- Hiệu ứng DOPPLER: người quan sát nghe các nguồn âm thì tần số của nguồn

âm thay đổi tuỳ theo phương vận tốc tương đối giữa người quan sát và nguồn

âm Khi cả hai tiếng lại gần thì tần số nghe như tăng lên Khi cả hai lùi ra xa thì tần số nghe như giảm xuống Nếu dùng mạch biến âm tạo ra các tần số thay đổi

sẽ gây cho người nghe cảm giác những nguồn âm đang chuyển động

- Âm lượng: cường độ hay lượng của âm thanh được xác định bằng sự rung của

thành phần không khí, các sóng biến động trong không khí với lượng nhỏ sẽ phát sinh âm nhỏ (gần nguồ âm mới nghe được ), trong trường hợp này màng nhĩ không rung nhiều, âm thanh được xem như ở mức thấp, các sóng dao động với biên độ cao sẽ tạo nên âm thanh lớn Khi đó màng nhĩ rung nhiều âm thanh

sẽ được xem là lớn Nếu sóng quá lớn âm thanh quá cao, màng nhĩ có thể bị tổn thương

2.1.3 Nguyên lý chuyển đổi A/D:

Trong thực tế hiện tại, các bộ chuyển đổi âm thanh tiêu chuẩn như các microphone, loa phóng thanh đều là các thiết bị tương tự Vì vậy, các tín hiệu

điện liên tục theo thời gian phải được chuyển đổi thành các định dạng số dùng cho xử lý số tín hiệu (DSP: Diagital Signal Processor)

Công nghệ xử lý tín hiệu dựa trên nguyên lý kỹ thuật PCM (Pulse Code Modulation – kỹ thuật điều chế xung mã PCM) Trong kỹ thuật PCM tín hiệu analog được chuyển thành dãy xung Những giá trị biên độ của các xung riêng lẻ được biểu diễn ở mã nhị phân Quá trình được thực hiện theo sơ đồ khối sau:

Hình 3.1: Nguyên lý chuyển đổi A/D:

2.1.4 Điều chế xung biên:

Mở đầu cho kỹ thuật điều chế xung mã (PCM) là phương pháp điều chế xung biên PAM (Phương pháp điều chế xung biên), với sự hổ trợ của phương pháp này, tín hiệu âm tần mang đặt tính liên tục về thời gian và giá trị được biến đổi thành một dãy các xung rời rạc Mỗi xung PAM riêng rẻ này có một giá trị biên

độ nhất định, sở dĩ phải biến đổi một tính hiệu liên tục thành các xung rời rạc vì

bộ biến đổi A/D chỉ có thể chuyển đổi từng giá trị biên độ riêng lẻ Sau khi đổi xong một giá trị, biên đô này nó mới có thể biến đổi tiếp một biên độ khác Quá trinh biến đổi một tín hiệu analog thành một dãy xung PAM rời rạc:

Hình3.2 : Điều chế xung biên

a) tín hiệu analog

b) thời gian lấy mẫu

c) nguyên lý mạch lấy mẫu và giữ

d) Quá trình lấy mẫu tạo thành các xung PAM

Các xung PAM rời rạc, được tạo ra nhờ một mạch lấy mẫu và giữ bằng một đảo mạch có tốc độ cực nhanh, tín hịeu analog đầu vào liên tục được chia thành những mẫu rời rạc Những giá trị biên độ của các mẫu đó được tích trong một tụ giữ suốt cho đến giá trị mẫu tiếp theo Điện áp tích trong tụ tương ứng với giá trị biên độ cảu mỗi xung PAM Quá trình này lặp đi lặp lại gọi là lấy mẫu Dễ dàng nhận thấy rằng, sau khi tích phân dạng tính hiệu trên hình ta thu được tính hiệu analog với đặt tính liên tục về giá trị và thời gian như tín hiệu gốc

Một yếu tố quan trọng trong quá trình chuyển đổi A/D là mức độ chất lượng tín hiệu audio số nhận được có thể đạt được Nó cũng gíơi hạn vùng dãy động âm thanh và độ méo âm trong quá trình khôi phục tín hiệu âm thanh

.Lấy mẫu (rời rạc hoá theo thời gian )

.Lượng tử hoá ( rời rạc hoá theo biên độ )

.Mã hoá (gán các giá trị nhị phân cho các mẫu )

2.1.5 Lấy mẫu lý tưởng:

Nguyên lý lý mẫu là quá trình lấy biên độ của dạng sóng tương tự tại từng thời điểm theo một chu kỳ nhất định

Việc lấy mẫu chính xác phụ thuộc vào tần số lấy mẫu, giá trị lấy mẫu này chính

là sự kết hợp giữa quá trình lấy mẫu chính xác cao và độ phức tạp của thiết bị Quá trình lấy mẫu là việc nhân các tín hiệu audio tương tự với một chuỗi xung

có thời gian lặp lại với tần số lấy mẫu Đó là quá trình điều biên xung (PAM) trong miền thời gian và trong miền tần số

Hình 3.3 Quá trình lấy mẫu (PAM) trong miền thời gian (sau điều chế biên độ

tần của chúng Điều này được hiểu rằng do sóng mang không có dạng hình sin ngoại trừ dãy xung tại tần số lấy mẫu Dạng tín hiệu này được vẽ trong miền tần

số bao gồm tập hợp các thành phần tần số là bội của tần số lấy mẫu

Cũng giống như quá trìng điều chế biên độ, quá trình khôi phục tín hiệu audio tương tự (giải điều chế ) được thực hiện nhờ bộ lọc thông thấp

Hình 3.5 Khôi phục tín hiệu audio tương tư

Nếu fmax là tần số cực đại của phổ tín hiệu tương tự và fs là tần số lấy mẫu, dải băng tần trên và dưới được giới hạn bới fs+fmax và fs – fmax

2.1.6 Định lý Nyquist và hiện tượng chồng phổ:

Khi lấy mẫu dưới tần số qui định sẽ vi phạm vào định lý Nyquist và điều đó làm cho méo do chồng phổ, hiện tượng tần số lấy mẫu thấp hơn hai lần tần số cao nhất của tín hiệu tương tự Vì vậy để tránh hiện tượng chồng phổ, tín hiệu tương

tự phải có giới hạn dãy thông nhỏ hơn hay bằng fs/2 trước khi được chuyể đổi A/D

Khi xảy ra hiện tượng chồng phổ, tín hiệu tương tự khôi phục từ tín hiệu PAM (trong quá trình chuyển đổi D/A) sẽ bị gấp phổ (foldback ) tại vị trí có tần số cao hơn fs/2 khi khôi phục lại tín hiệu dạng cơ bản Các thành phần tần số bị chồng

phổ sẽ cho kết quả tín hiệu âm thanh gốc được nô tả như một kiểu âm thanh lẫn tiếng kim khí

Hình 3.6 Hiện tượng chồng phổ

2.1.7 Lấy mẫu thực tế:

Quá trình lấy mẫu lý tưởng giả thiết khoảng thời gian xung lấy mẫu gần bằng không Tuy nhiên trong thực tế, trong thời gian cho phép bộ chuyển đổi A/D giá trị biên độ xung cho mỗi mẫu sẽ được duy trì đến tận thời gian mẫu tiếp theo được lấy Còn được gọi là qua trình lấy mẫu và giữ Vì vậy tạo ra tín hiệu audio tương tự đã được lấy mẫu có dạng bậc thang Và khoảng thời gian tồn tại này đúng bằng chu kỳ lấy mẫu như hình sau:

Hình 3.7 Lấy mẫu thực tế của hiện tượng chồng phổ

Đặc tuyến tần số trong quá trình này có kết quả từ các quá trình giữ các xung lấy mẫu là phép biến đổi Fourier Nó làm suy giảm ở các tần số cao, gọi là sai số apature erro Đường bao suy giảm giống như bộ lọc có đáp ứng tần số hàm Sinx/x Nội dung của phổ tín hiệu lấy mẫu có các giá trị 0 tại các vị trí nfs như hình sau:

Hình 3.8 Quá trình lấy mẫu và giữ trong miền tần số

2.1.8 Lượng tử hoá:

Từng mẫu của tín hiệu nguyên thuỷ được ấn định cho một giá trị mã nhị phân bởi một thiết bị, còn gọi là bộ lượng tử hoá Trong hệ thống 4 bit, sẽ có 16 giá trị nhị phân để mã hoá tương ứng biên độ xung cho mỗi mẫu

Trong hình ví dụ 3.9 a) sau: tín hiệu nguyên thuỷ audio có dạng sóng hình sin đựơc lấy biên độ tại mỗi mẫu Vì chỉ có 16 giá trị mã nhị phân thể hiện 16 giá trị biên độ cho mỗi mẫu, do đó các giá trị biên độ trong thực tế có thể nằm trong khoảng giữa hai gái trị nhị phân Trong trường hợp này giá trị gần biên độ này

sẽ được chọn Quá trình này làm phát sinh lỗi lượng tử, tương ứng với sự khác nhau giữa dạng sóng sin của tín hiệu audio nguyên thuỷ và dạng bậc thang của tín hiệu audio sau lấy mẫu như hình 3.9 b và 3.9 c

Hình 3.9 a) thời gian lấy mẫu và giá trị lượng tử hoá 4 bit

Hình 3.9 b) giá trị giư

Hình 3.9 c) sai số lượng tử hoa

Từ ví dụ trên ta có các kết luận chung như sau:

Vùng giá trị nhị phân miêu tả không đối xứng với các chuyển dịch dương và

âm của tín hiệu audio gốc Một giá trị số nhị phân được biểu diễn là phần bù của

2 sẽ được dùng để biểu diễn các giá trị âm Bit có trọng số lớn nhất (msb) của giá trị các mẫu được chỉ ra trong hình sau: ở đây mô tả một hệ thống 20 bit, biên

độ lớn nhất được giới hạn bởi các giá trị (số hex) 7FFFF và 8000

Tín hiệu audio tương tự có biên độ thấp được lượng tử hoá với rất ít các mức rời rạc Điều này gây nên lỗi lượng tử của tín hiệu vào mức thấp Vì vậy, để giảm độ lớn của lõi lượng tử có thể bằng cách tăng số mức rời rạc với hệ thống lượng tử hoá audio 16 bit 65.535 (216-1) khoảng lượng tử Một bộ biến đổi A/D

có độ chính xác cao se đạt được khi có số bit lượng tử là 20 bit Một phương pháp khác để giảm độ lớn của lỗi lượng tử là làm tăng tần số lấy mẫu Phương pháp này còn có tên là oversampling (lấy mẫu tần số cao ) khi đó tần số lấy mẫu

sẽ là bôi của tần số lấy mẫu tiêu chuẩn 48KHz

Nếu biên độ audio tương tự vượt qua vùng lượng tử thì quá trình cắt số sẽ được thực hiện

Lỗi lượng tử có giá trị lớn nhất khi biên độ mẫu nằm giữa các bước lượng tử và

bộ lượng tử hoá lấy giá trị nhị phân gần nhất như hình sau:

Hình 3.10 Mức lượng tử và lỗi lượng tư

Lỗi lượng tử phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như một lượng nhỏ tạp âm sinh ra trong quá trình xen âm giữa các thành phần tín hiệu đầu vào ngẫu nhiên tạo ra, đặc biệt là khi giá trị lấy mẫu nằm giữa hai mức lượng tử Kết quả là các lỗi gây

ra có thể thấy rõ khi tạp âm bị lẫn vào tín hiệu gốc, làm chất lượng tín hiệu bị giảm và có khi gây ra chất lượng âm thanh bị chói hay bị gợn âm

Tỉ số tín trên nhiễu được biểu diễn bằng tỉ số của giá trị căn bình phương trung bình của tín hiệu sóng sin lớn nhất (dưới mức cắt )trên giá trị căn bình phương trung bình (RMS) của lỗi lượng tử hoá Để thựn hiện chuyển đổi từ tương tự sang số của bộ A/D n bit, một nửa số mức lượng tử 2n-1 được dùng để lượng tử một cực tín( ví dụ cực dương ) của sóng sin Gọi V là giá trị RMS lớn nhất của tín hiệu sóng sin:

Tín hiệu audio tương tự có phổ tần rộng và giá trị biên độ lớn thì lỗi lượng tử hoá có xác suất trung bình nằm giữa hai giá trị là +Q/2 và – Q/2 như trong hình sau:

Hình 3.11 Xác suất trung bình nằm giữa hai giá trị là +Q/2 và – Q/2:

Có những giá trị ngẫu nhiên Q trong một khoảng lượng tử, từ đó phổ của lỗi lượng tử bằng phẳng và giá trị xác suất trung bình là 1/Q Giá trị RMS của tạp

âm lượng tử được biểu diễn bởi căn bình phương tổng trung bình của lỗi bình phương, ta có:

.Tổng các lỗi bình phương:





2 /

2 /

2

Q

Q

de e

.Trung bình của tổng:





2 /

2 /

2

1 Q

Q

de e Q

.Căn bình phương trung bình:

12

1 /2

2 /

e Q RSM

12 12

Q

Q N

2.1.9 Mã hoá:

Mỗi giá trị nhị phân sau khi lượng tử hóa được mã hoá theo một cấu trúc thích hợp để tạo nên cấu trúc mẫu tín hiệu phục vụ cho truyền dẫn và các thiết bị lưu trữ Hầu hết các hệ thống thường dùng là phương pháp điều xung mã (PCM), điều chế xung rộng (PWM), mã hoá vi sai (DPCM), điểm di động (floating point)

PCM là hệ thống mã hoá tín hiệu tiếng được dùng phổ biến và rộng rãi nhất, nhưng nó có hiệu quả thấp và đơn giản Toàn bộ mức lượng tử đều của PCM là

cố định và được tính trung bình vùng biên độ tín hiệu Độ phân giải chính xác của một hệ thống A/D (như 18 bit) xác định số mức lượng tử (nghĩa là

218=26144) sẵn sàn để mã hoá tín hiệu audio tương tự Toàn bộ mức lượng tử này được gắn những từ mã tương ứng

2.1.10 Dither:

Để giảm méo lượng tử vùng có biên độ tín hiệu thấp, một thũ thuật có tên là

“Dither “được đưa vào sử dụng, thực chất nó là một bộ cộng tạp âm trắng vào tín hiệu Việc cộng tạp âm trắng vào tín hiệu đem lại hiệu quả quan trọng, giá trị RMS của tạp âm lẫn trong tín hiệu lúc này sẽ không lớn hơn 1/3 khoảng lượng

tử hoá

Tín hiệu tương tự thu được sau bộ đổi D/A không có mối quan hệ với tín hiệu gốc Tuy nhiên bộ lọc thông thấp tái tạo tín hiệu trong thời gian trung bình của tín hiệu Ở đây các xung tạp nhiễu sẽ bị lọc bỏ và có thể tái tạo lại một tín hiệu gần như tín hiệu ban đầu

Hình a) minh hoạ một tín hiệu tương tự dạng sin mức thấp đã được số hoá Ta thấy rằng việc phát hiện lỗi lượng tử là rất quan trọng vì chúng sẽ được biến đổi trở lại tương tự

Hình b) minh hoạ tín hiệu tương tự khôi phục bị lẫn tạp âm Khi biên độ tín hiệu

tương tự biến đổi gần đến 0 thì giá trị tín hiệu ra từ bộ A/D còn lại sẽ là 0

Khi biên độ tín hiệu tăng lên, mức đỉnh dương của tín hiệu tạp âm cộng vào tín hiệu vượt quá Q/2 Vì vậy bộ biến đổi A/D giữ lại khoảng giữa hai mức lượng tử xoá Kết quả là tín hiệu tương tự khôi phục tại đầu ra của bộ biến đổi D/A có mức đỉnh vẫn là giá trị cực đại dương của tín hiệu Khi giảm giá trị điện áp âm cực đại ta có kết quả thu được tương tự

Sau khi lấy giá trị trung bình ta có dạng tín hiệu thu được sau bộ đổi A/D minh hoạ trên hình d) tín hiệu này không bị méo lượng tử và tạp âm nền chỉ tăng lên một lượng nhỏ 2dB Quá trình dither đã phân phối đều lỗi lượng tử thành một lỗi ngẫu nhiên làm bằng phẳng các hiệu ứng mỗi nhọn của các mức lượng tử gây ra hiện tượng chói tai trong tín hiệu âm thanh

Dải động: Dải động của một kênh truyền dẫn cho biết tỉ lệ giữa các mức điện áp

ra cực đại và cực tiểu mà không bị ảnh hưởng của tạp âm, biểu thị bằng dB Giá trị cực đại phụ thuộc vào khả năng điều chế của hệ thống, giá trị cực tiểu phụ thuộc vào độ nhiễu và tạp âm toàn kênh