Thiết kế mạch thu phân tích phổ tín hiệu âm thanh

Đồ án: Thiết kế mạch thu phân tích phổ tín hiệu âm thanh sử dụng vi điều khiển Vi điều khiển: Module STM32 Sử dụng phần mềm Matlab hiển thị kết quả. File bao gồm báo cáo, slide, và code đầy đủ, và cả file Matlab để chạy.

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ Thiết kế mạch thu phân tích phổ tín hiệu âm Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Đại Dương Bộ môn : Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Viện : Điện MỞ ĐẦU Như biết, lĩnh vực xử lý tín hiệu, mục đích phân tích tín hiệu miền tham số khác để từ xử lý, đánh giá, Phương pháp phân tích Fourier truyền thống trở nên quen thuộc với ngành xử lý tín hiệu với nhiều ứng dụng xử lý ảnh, âm thanh, Phân tích Fourier cho phép phân tích tín hiệu thành phần hàm số sin cosin điều hòa cách biến đổi tín hiệu miền thời gian sang miền tần số ngược lại Trong phạm vi báo cáo : Chương : Giới thiệu chung cảm biến âm thanh, thiết kế mạch đo bước thực việc thu phân tích phổ âm Chương : Tìm hiểu đọc ADC chuyển đổi tín hiệu analog đầu vào mạch đo truyền thông liệu thu từ mạch đo lên máy tính Chương : Tìm hiểu phép biến đổi Fourier rời rạc lọc số Chương : Phân tích phổ âm thu phần mềm Matlab CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Module cảm biến âm Max 9812 Hình 1.1 Module cảm biến âm Cảm biến âm loại module sử dụng để nhận biết âm Module sử dụng để phát cường độ âm Các ứng dụng module chủ yếu bao gồm công tắc, bảo mật giám sát Cảm biến sử dụng micro để cung cấp đầu vào cho đệm, dò đỉnh khuếch đại, thơng báo âm xử lý tín hiệu điện áp tới vi điều khiển Sau đó, thực xử lý theo yêu cầu Cảm biến có khả xác định mức độ tiếng ồn phạm vi DB’s hay decibel tần số kHz - kHz khoảng tai người cảm nhận Trong điện thoại thơng minh, có ứng dụng Android cụ thể máy đo decibel sử dụng để đo mức độ âm 1.2 Thông số kỹ thuật nguyên lý hoạt động Các thông số kỹ thuật cảm biến âm Max 9812 bao gồm: Điện áp cấp 2.7 – 3.6 V 4.5 – 5.5 V Dòng điện hoạt động 230 - 400 uA Trở kháng đầu vào 85 kΩ Trở kháng đầu 0.5 Ω Dải điện áp 2.1 – 2.55 V Tín hiệu đầu Analog Tất thông số kiểm tra nhiệt độ 25°C Nguyên lý hoạt động cảm biến liên quan đến tai người Bởi tai người bao gồm hồnh chức hoành sử dụng rung động biến đổi thành tín hiệu Cịn cảm biến này, sử dụng micrơ chức sử dụng rung động biến đổi thành dịng điện điện áp Nói chung, bao gồm màng ngăn thiết kế nam châm xoắn dây kim loại Khi tín hiệu âm chạm vào màng ngăn, nam châm bên cảm biến rung đồng thời dịng điện kích thích từ cuộn dây Cảm biến tích hợp Amply MAX9812 nên tín hiệu đầu đọc trực tiếp vi điều khiển qua chân analog 1.3 Thiết kế mạch đo Sơ đồ nguyên lý mạch đo Sơ đồ mạch in Mô mạch 3D 1.4 Sơ đồ khối Thu tín hiệu - Đọc ADC chuyển đổi giá trị đầu vào từ mạch đo chế độ DMA - Truyền thông nối tiếp Uart gửi liệu lên máy tính - Nhận liệu truyền tử vi xử lý qua cổng COM xử lý tín hiệu Matlab Truyền tín hiệu Xử lý tín hiệu CHƯƠNG THU VÀ TRUYỀN TÍN HIỆU 2.1 Thu tín hiệu ADC (Analog-to-Digital Converter) chuyển đổi tín hiệu tương tự - số thuật ngữ nói đến chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để dùng hệ thống số (Digital Systems) hay vi điều khiển Trong chuyển đổi ADC, có thuật ngữ mà cần ý đến, độ phân giải (resolution) thời gian lấy mẫu (sampling time) Độ phân giải (resolution): dùng để số bit cần thiết để chứa hết mức giá trị số (digital) sau trình chuyển đổi ngõ Bộ chuyển đổi ADC STM32F407VG có độ phân giải cấu hình (8, 10 12 bits Thời gian lấy mẫu (sampling time): khái niệm dùng để thời gian lần số hóa chuyển đổi Như đồ thị đây, sau thực lấy mẫu, điểm tròn giá trị đưa ngõ số Dễ nhận thấy thời gian lấy mẫu lớn làm cho trình chuyển đổi bị tín hiệu khoảng thời gian khơng nằm thời điểm lấy mẫu Thời gian lấy mẫu nhỏ làm làm cho việc tái thiết tín hiệu trở nên tin cậy Hình : Ví dụ thời gian lấy mẫu ADC DMA (Direct memory access) : sử dụng để cung cấp truyền liệu tốc độ cao thiết bị ngoại vi nhớ nhớ nhớ Dữ liệu di chuyển nhanh chóng DMA mà khơng có hành động CPU Vi xử lý STM32F407VGTx gồm hai điều khiển DMA có tổng cộng 16 luồng (8 luồng cho điều khiển), luồng dành riêng cho quản lý yêu cầu truy cập nhớ từ nhiều thiết bị ngoại Ở DMA sử dụng để đọc liệu từ ADC vào nhớ để giảm công việc cho CPU để CPU dành thời gian cho việc truyền liệu 2.2.1 Cấu hình cho ADC Hình: Cấu hình ADC cho việc thu liệu ADC cấu hình với : • Độ phân giải 12 bits • Hệ số chia clock ADC • Chế độ chuyển đổi liên tục • Thông báo kết thúc chuyển đổi • Thời gian lấy mẫu 480 chu kì clock • Kênh ADC IN5 2.2.2 Cấu hình cho DMA DMA cấu hình với thơng số chính: • • • • DMA kênh luồng DMA từ ngoại vi vào nhớ Chế độ DMA kiểu vòng tròn Mức ưu tiên thấp 2.2 Truyền liệu Trong đồ án nhóm sử dụng kiểu truyền liệu UART (Universal Asynchronous Reciver/Transmister) chuẩn giao tiếp không đồng cho MCU thiết bị ngoại vi Chuẩn UART chuẩn giao tiếp điểm điểm, nghĩa mạng có hai thiết bị đóng vai trị transmister reciver Cách hoạt động giao thức UART UART giao thức truyền thơng khơng đồng bộ, nghĩa khơng có xung Clock, thiết bị hiểu Setting giống UART truyền thông song công(Full duplex) nghĩa thời điểm truyền nhận đồng thời Trong quan trọng Baund rate (tốc độ Baund) khoảng thời gian dành cho bit truyền Phải cài đặt giống gửi nhận Sau định dạng gói tin 2.2.1 Cấu hình UART cho việc truyền liệu Các thơng số UART cấu hình: • Tốc độ baud: 9600 • Độ dài liệu: bit • StopBits: • Khơng có bit chẵn lẻ • Mode truyền nhận liệu Sau kết thúc chuyển đổi ADC liệu DMA chuyển nhớ thành cơng q trình truyền liệu bắt đầu Ở liệu chuyển dạng chuỗi thêm kí tự CR, LR kí tự kết thúc cho q trình chuyển đổi nhận liệu Matlab Sau liệu lưu vào đệm buff tryền nhờ hàm truyền Chương Biến đổi Fourier rời rạc 3.1.Xử lý tín hiệu số (DSP) Tín hiệu âm số tín hiệu gồm mẫu lấy từ tín hiệu gốc analog số hóa theo mã quy định, tín hiệu rời rạc Khi micro nhận dao động âm này, chuyển thành điện áp dao động theo hình SIN, vi điều khiển đọc ADC để lưu lại điện áp thời điểm đó, vi điều khiển đọc cách liên tục mà phải cách khoảng, khoảng thời gian thời gian lần lấy mẫu Và vi điều khiển sóng hình SIN trông đường màu xanh Thời gian lấy mẫu nhanh nhiều điểm (mẫu) đường màu xanh mềm mại gần giống với hình SIN Để chuyển đổi tín hiệu âm tương tự sang tín hiệu âm số trải qua bước • Lấy mẫu ( rời rạc hóa theo thời gian): • Lượng tử hóa (rời rạc hóa theo biên độ) • Mã hóa (gán giá trị nhị phân cho mẫu) Quá trình lấy mẫu lý tưởng giả thiết khoảng thời gian xung lấy mẫu gần không Tuy nhiên thực tế, thời gian cho phép chuyển đổi A/D, giá trị biên độ xung cho mẫu trì đến tận thời gian mẫu lấy Để tránh tượng chồng phổ, tín hiệu tương tự phải có giới hạn dải thơng thích hợp nhỏ Fsample /2 trước chuyển đổi A/D Có quy trình tốn học biết với tên chuyển đổi Fourier, dùng để chuyển đổi tuyến tính thơng tin qua lại hai miền khác Thơng tin hiểu tập số phức hai miền Các miền đại diện cho nhiều thứ khác Ví dụ ta có miền đại diện cho điểm ảnh(pixel) ảnh có miền khác đại diện cho thao tác liên quan đến ảnh Còn DSP, miền thường gọi miền thời gian (time domain) miền tần số (frequency domain) Bình thường tính tốn với miền thời gian miền tần số, giá trị miền thời gian số thực giá trị miền tần số lại số phức Vì mục đích mà bạn muốn biết thơng tin miền thời gian, mục đích khác bạn cần thơng tin miền tần số Chuyển đổi Fourier cho phép bạn chuyển đổi thông tin qua lại hai miền theo ý muốn Ví dụ bạn hồn tồn chuyển đổi thông tin từ miền thời gian sang miền tần số, sau thay đổi thơng tin miền tần số chuyển đổi thông tin chỉnh sửa ngược lại sang miền thời gian Cho tín hiệu rời rạc x(n) , phép biến đổi Fourier x(n) định nghĩa sau: Như phép biến đổi Fourier chuyển tín hiệu x(n) từ miền thời gian sang miền tần số Biểu diễn X(ejꞷ) dạng phần thực phần ảo X(ejꞷ) hàm biến phwusc nê nta biểu diễn miền tần số ꞷ dạng phần thực phần ảo sau Biểu diễn X(ejꞷ) dạng biên độ pha (module argument) Ưu điểm phép biến đổi Fourier tín hiệu rời rạc • Cơng thức giải tích gọc đẹp • Sử dụng rộng rãi để nghiên cứu tín hiệu viết dạng giải tích Bên cạnh có nhược điểm chạy chương trình máy tính • Độ dài tín hiệu (số mẫu tín hiệu đem phân tích vơ cùng) độ dài tín hiệu thực tế hữu hạn • Biến độc lập (ꞷ) X(e^(jꞷT)) biến liên tục, việc xử lý tín hiệu máy tính phải rời rạc hóa, số hóa Phép biến đổi Fourier rời rạc tín hiệu có độ dài hữu hạn có trục tần số rời rạc hóa -> DFT 3.2 Biến đổi Fourier rời rạc DFT (Dicrete Fourier Transform) sử dụng rộng rãi q trình tính toán đánh giá phổ, cài đặt lọc số Đây phép biến đổi Fourier rời rạc tín hiệu x(n) có độ dài hữu hạn có trục tần số rời rạc hóa Trong đó, tín hiệu x(n) có độ dài hữu hạn tín hiệu có giá trị khác khoảng hữu hạn thời gian chúng khoảng lại Với x(n) dùng chu trình tín hiệu, ta xây dựng tín hiệu xp(n) tuần hoàn với chu kỳ N cách xếp chồng tuần hoàn x(n) xếp chồng tuần hoàn, M≤N (với M=N2-N1+1, N1 N2 thời điểm mà tín hiệu tồn tại) hiệ ntuwojng trùm thời gian phần tử xp(n) khơng xảy Ta có cơng thức biến đổi Fourier sau: Trong X(k) chu kỳ Xp(k) bới Xp(k) mẫu đường tròn đơn vị biến đổi z chu kỳ xp(n) Các phép biến đổi Fourier rời rạc DFT tác động tín hiệu có độ dài hữu hạn, nên cần thiết phải hạn chế độ dài tín hiệu có độ dài vơ q lớn để nghiên cứu phổ chúng Để làm điều ta thường dùng hàm window (cửa sổ), tức nhân tín hiệu x(n) với cửa sổ w(n-n0) để nhận đoạn xN(n) khoảng n0 + N-1 để phân tích mà khơng làm ảnh hưởng đến tính chất tín hiệu Việc nhân tí nhiệu với hàm cửa sổ theo thời gian tương đương với việc nhân chập phổ tín hiệu x(n) với phổ cửa sổ Trong XN(f), X(f) W(f) biến đổi fourier tương ứng xN(n), x(n) w(n) Kết nhận từ tín hiệu sau cho qua cửa sổ phụ thuộc vào dạng cửa sổ mà cịn phụ thuộc vào số điểm tín hiệu phân tích N vị trí cửa sổ đặt đâu, tức tìm n0 phù hợp Ta phải chọn vị trí cửa sổ cho cửa sổ bao trùm lên phần quan trọng tín hiệu bỏ qua chỗ có biên độ nhỏ Bên cạnh phải chọn N cho chu kỳ xp(n) xấp xỉ x(n) với sai số cho phép không để xảy tượng trùm thời gian Một số hàm cửa sổ biểu diễn cơng thức Hình dạng phổ loại cửa sổ thông dụng u cầu sóng có biên độ lớn tốt độ rộng sóng chín nhỏ tốt thực tế khó thực điều tăng biên độ sóng độ rộng tăng theo 3.3.Giải thuật chuyển đổi nhanh Fourier FFT DFT hoạt động tính tốn lớn Dù với hạn chế định số lượng giá trị chuỗi thời gian số lượng tần số mà phân tích có lại đặc biệt có hiệu mặt kinh tế giải thuật chuyển đổi nhanh Fourier (Fast Fourier Transform , FFT) lựa chọn thay phù hợp Phương pháp chia độ dài dãy x(n) thành hai thành phần chẵn lẻ tới phần điểm Với FFT bậc N= 2M thực N.M phép tính( nhân phức) so với N2 phép tính DFT thơng thường So sánh phép tính DFT FFT Ví dụ tính FFT cho điểm, sử dụng biểu đồ cánh bướm sau Cứ tiếp tục chía đơi phần chẵn phần lẻ cần tính DFT điểm 3.4.Lọc tín hiệu Các lọc sử dụng để thay đổi giá trị tần số âm Đây khâu xử lý cho chuỗi bước xử lý âm Ví dụ q trình lọc gỡ bỏ nhiễu khỏi trình thu hay tách biệt âm, giọng nói cách cho tần số xác định qua Chính lọc số ứng dụng quan trọng xử lý tín hiệu Các lọc số dần thay lọc tương tự Việc thiết kế lọc số thực tế từ lý thuyết lọc số lý tưởng Các đặc trưng lọc số Các lọc như: • Bộ lọc số thơng thấp (Low pass filter) • Bộ lọc số thơng cao (High pass filter) • Bộ lọc số thơng dải (Band pass filter) • Bộ lọc số chắn dải (Band stop filter) Các lọc sử dụng để lọc tần số nên tất đặc trưng lọc tần số cho theo đáp ứng biên độ Có lọc FIR IIR xét với chiều dài hữu hạn nên xét tới lọc FIR Quy trình thiết kế lọc gồm bước • Xác định đặc tả lọc • Xác định giá trị hệ số lọc dựa phwuong pháp dùng cửa sổ, phương pháp lấy mẫu tần số, phương pháp thiết kế tối ưu • Thực mạch lọc dựa lựa chọn sơ đồ thực dạng tắc hay trực tiếp Giao diện Filter design phầm mềm mô matlab Chương 4.Phân tích phổ âm tần Matlab Ở chương ta thấy thuật tốn FFT có ưu điểm tốt việc phân tích Fourier với tín hiệu rời rạc hữu hạn 4.1.Thơng số phân tích Để phân tích dải tần khoảng từ 20-21000HZ tốc độ lấy mẫu phải có giá trị Fsample lớn lần so với dải tần Khi tính toán độ lớn hệ số FFT, cần phải tìm tần số âm mà hệ số FFT thuộc FFT điểm N cung cấp nội dung tần số tín hiệu N tần số cách nhau, Vì tần số lấy mẫu 42000 mẫu / giây số điểm FFT 1024, khoảng cách tần số 42000/2*1024 = 41 Hz (xấp xỉ) Hệ số mảng bạn hệ số tần số Về mức cơng suất trung bình cho tất tần số Phần cịn lại hệ số bạn tính từ theo bội số 41 Hz bạn đạt đến 512 điểm Khi s đọc giá trị từ cổng COM ( giá trị từ vi điều khển gửi lên qua UART), từ lưu 2000 phần tử vào mảng tạo thành tín hiệu rời rạc x(n) Từ ta dùng hàm lệnh phần mềm matlab để vẽ đồ thị mơ tả tín hiệu rời rạc sau Một số hàm, lệnh matlab Vẽ đồ thị dãy số, plot để thể dạng liên tục, stem để thể dạng rời rạc, thường sử dụng hàm stem để vẽ tín hiệu miền n conv: trả tích chập vector 4.2.Phân tích phổ matlab Đồ thị dạng rời rạc Stem(xn) Đồ thị Plot(xn) Với tần số lấy mẫu 42khz sử dụng hàm fft (Thực biến đổi Fourier rời rạc dãy số có độ dài hữu hạn theo thuật toán biến đổi Fourier nhanh trả kết biến đổi Fourier rời rạc dãy số đó) Xk dãy 1024 số phức với phần thực phần ảo Khi đồ thị đáp ứng theo pha biên độ Đồ thị đáp ứng pha Đồ thị đáp ứng biên độ Với tốc độ lấy mẫu 42Khz phân tích dải tàn số 20-20kHz, tần số cách 41Hz với 512 giá trị tần số Đồ thị phổ tần số (0-20Khz) với delta tần số = 41hz ứng với 512 điểm Khi đo giá trị biên độ lớn phổ tần nhơ cao Tài liệu tham khảo [1] Bài giảng slide Xử lý tín hiệu số Phạm Ngọc Yến [2] https://www.mathworks.com/help/matlab/ref/fft.html [3] https://www.youtube.com/watch?v=vCcALaGNlyw ... : Giới thiệu chung cảm biến âm thanh, thiết kế mạch đo bước thực việc thu phân tích phổ âm Chương : Tìm hiểu đọc ADC chuyển đổi tín hiệu analog đầu vào mạch đo truyền thông liệu thu từ mạch đo... tiếp Uart gửi liệu lên máy tính - Nhận liệu truyền tử vi xử lý qua cổng COM xử lý tín hiệu Matlab Truyền tín hiệu Xử lý tín hiệu CHƯƠNG THU VÀ TRUYỀN TÍN HIỆU 2.1 Thu tín hiệu ADC (Analog-to-Digital... mơ matlab Chương 4 .Phân tích phổ âm tần Matlab Ở chương ta thấy thu? ??t tốn FFT có ưu điểm tốt việc phân tích Fourier với tín hiệu rời rạc hữu hạn 4.1.Thơng số phân tích Để phân tích dải tần khoảng