LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Sơn Hà ii LỜI CẢM TẠ Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình từ nhiều phía. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Thanh Hùng, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành được luận văn.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám Hiệu, Khoa Điện, Khoa Khoa học cơ bản Trường Cao Đẳng Cơ điện và Nông Nghiệp Nam Bộ nơi tôi công tác và gia đình tôi đã tạo mọi điều kiện để tôi có thể học tập, nghiên cứu và hoàn thành được luận văn này. iii TÓM TẮT Hệ thống tăng âm ngày nay đóng vai trò rất quan trọng và hữu ích trong cuộc sống của con người, nó được sử dụng rất rộng rãi trong các phòng họp, giảng đường, các sân khấu âm nhạc, các phòng thu âm,…cho đến các thiết bị viễn thông và di động. Tuy nhiên khi sử dụng các hệ thống tăng âm vẫn còn tồn tại nhược điểm đó là vẫn thường xuyên xuất hiện tiếng hú trong hệ thống khi có sự phản hồi âm thanh trở lại micro, hiện tượng này còn được gọi là hiệu ứng Larsen, hiện tượng này sẽ làm giảm chất lượng âm thanh và gây khó chịu cho người nghe. Lĩnh vực này cũng đã được nghiên cứu từ nhiều thập kỷ qua và đã có nhiều phương pháp đã được đưa ra áp dụng như nhóm phương pháp biến điệu pha và sử dụng các bộ lọc thích nghi nhưng mỗi phương pháp lại có ưu và khuyết điểm riêng.
Nhóm phương pháp biến điệu pha bao gồm các phương pháp như: Biến điệu pha tuần hoàn, biến điệu tần số tuần hoàn và dịch chuyển tần số. Sử dụng các bộ lọc thích nghi bao gồm bộ lọc NLMS và bộ lọc RLS. Đề tài đã nghiên cứu bản chất của hiệu ứng Larsen và thực hiện lại tất cả các phương pháp nêu trên sau đó đánh giá lại những ưu và hạn chế của các phương pháp để tìm ra được các phương pháp tối ưu nhất trong từng trường hợp cụ thể. Đề tài được thực hiện nhờ sự hỗ trợ của phần mềm mạnh về xử lý tín hiệu và mô phỏng đó là phần mềm Matlab.
iv ABSTRACT Today, the sound reinforcement system that is very widely used in many places such as conference room, lecture hall, musical theater and recording studio… plays a very important and useful role in human life. In addition, it is also used more popular in telecommunication and mobile devices. However, there is a effect of using this system. That is the existence of howling which can be known as the Larsen effect appearing in the system, when there is audio feedback back to the microphone.
This phenomenon could reduce the sound quality and cause unpleasant to the listener. This field has been studied for many decades before and many methods have been proposed such as have phase modulation method and using adaptive filters. However, each method also amply both advantages and disadvantages. Group of phase modulation method includes some methods such as periodic phase modulation, periodic frequency modulation and frequency shifting.
Using adaptive filters includes LMS standard and RLS filters. Thesis has been researched about the nature of Larsen effects and experiments are repeated basing on all the above methods then evaluated the advantages and limitations of these methods to find the optimal method in each case. Thesis thanks to one of the powerful software for signal processing and simulation is Matlab software. v MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân………………………………………………………….
i Lời cam đoan…………………………………………………………………………… ii Cảm tạ…………………………………………………………………………………. iv Mục lục………………………………………………………………………………… vi Danh sách các chữ viết tắt……………………………………………………………. viii Danh sách các hình……………………………………………………………………. ix Danh sách các bảng…………………………………………………………………….
xii Chƣơng 1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu đã được công bố…. Nguyên nhân phát sinh tiếng hú trong hệ thống tăng âm……………………. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã thực hiện…………………… 1 1.
Mục đích của đề tài………………………………………………………………. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài …………………………………………………. Nhiệm vụ của đề tài…………………………………………………………… 4 1. Giới hạn của đề tài…………………………………………………………….
Phương pháp nghiên cứu…………………………………………………………. Phân tích hiệu ứng Larsen………………………………………………………. Khái niệm hiệu ứng Larsen…………………………………………………… 6 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc phát sinh hiệu ứng Larsen…………………… 7 2.
Mô hình hệ thống có phản hồi âm……………………………………………. Các phương pháp khắc phục hiệu ứng Larsen………………………………… 12 2. Phương pháp biến điệu pha………………………………………………… 12 2. Biến điệu pha tuần hoàn………………………………………………….
Biến điệu tần số tuần hoàn………………………………………………. Dịch chuyển tần số………………………………………………………. Bộ lọc thích nghi…………………………………………………………… 17 2.1 Bộ lọc LMS……………………………………………………………… 19 2.2 Bộ lọc RLS……………………………………………………………… 21 Chƣơng 3. NGĂN CHẶN HIỆU ỨNG LARSEN SỬ DỤNG NHÓM PHƢƠNG PHÁP BIẾN ĐIỆU PHA…………………………………………………………….
Khảo sát đặc tính của hiệu ứng Larsen………………………………………… 24 vi 3. Sử dụng phương pháp biến điệu pha tuần hoàn………………………………… 37 3.3 Sử dụng phương pháp biến điệu tần số tuần hoàn……………………………… 45 3.4 Phương pháp dịch chuyển tần số………………………………………………….5 Ưu điểm và hạn chế của nhóm phương pháp biến điệu pha………………………62 Chƣơng 4. NGĂN CHẶN HIỆU ỨNG LARSEN SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC THÍCH NGHI………………………………………………………………………… 64 4.1 Ngăn chặn hiệu ứng Larsen sử dụng bộ lọc LMS……………………………….2 Ngăn chặn hiệu ứng Larsen sử dụng bộ lọc RLS…………………………………79 4.3 Ưu điểm và hạn chế của việc sử dụng bộ lọc thích nghi……………….2 Hướng phát triển…………………………………………………………………. 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………….
94 PHỤ LỤC……………………………………………………………………………… 97 vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Cụm từ Nghĩa tiếng Việt PM Phase Modulation Biến điệu pha FM Frequency Modulation Biến điệu tần số FS Frequency Shifting Dịch chuyển tần số PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất MSE Mean-squared Spectrum Error Phổ biên độ trung bình tín hiệu sai số DSP Digital Signal Processing Xử lý số tín hiệu FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier nhanh AGC Automation Gain Control Tự động điều khiển độ lợi AEQ Automation Equalizer Tự động cân bằng tần số FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn LMS Least Mean Squares Tối thiểu hóa trung bình bình phương NLMS Normalized Least Mean LMS chuẩn hóa Squares RLS Recursive Least Squares Tối thiểu hóa bình phương đệ quy viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ minh họa hệ thống âm thanh có hiện tượng phản hồi âm…………….2: Sơ đồ một đường truyền của hệ thống âm thanh…………………………….3: Mô hình thời gian rời rạc của hệ thống tăng âm với S micro và L loa……….4: Biến điệu pha tuần hoàn…………………………………………………….5: Hàm Bessel loại 1 với các bậc khác nhau n=0,…,5………………………… 14 Hình 2.6: Biến điệu tần số tuần hoàn………………………………………………….7: Dịch chuyển tần số………………………………………………………….8: Sơ đồ khối bộ lọc thích nghi……………………………………………….9: Cấu trúc bộ lọc thích nghi………………………………………………….10: Sơ đồ khối bộ lọc LMS…………………………………………………… 19 Hình 2.11: Sơ đồ khối bộ lọc RLS…………………………………………………….1: Sơ đồ mô phỏng thu thập dữ liệu liên tục………………………………….2: Đặt thông số cho tín hiệu âm thanh ngõ vào……………………………….3: Tín hiệu được biểu diễn theo thời gian của thực nghiệm 1………………… 27 Hình 3.4: PSD của tín hiệu trên miền tần số đối với thực nghiệm 1………………….5: Xác định tần số có biên độ cực đại gây nên tiếng hú thực nghiệm 1……….6: Tín hiệu được biểu diễn theo thời gian của thực nghiệm 2………………… 29 Hình 3.7: PSD của tín hiệu trên miền tần số đối với thực nghiệm 2………………….8: Xác định tần số có biên độ cực đại gây nên tiếng hú thực nghiệm 2……….9: Tín hiệu được biểu diễn theo thời gian của thực nghiệm 3………………… 31 Hình 3.10: PSD của tín hiệu trên miền tần số đối với thực nghiệm 3………………… 32 Hình 3.11: Xác định tần số có biên độ cực đại gây nên tiếng hú thực nghiệm 3…….12: Tín hiệu được biểu diễn theo thời gian của thực nghiệm 4……………….13: PSD của tín hiệu trên miền tần số đối với thực nghiệm 4………………… 35 Hình 3.14: Xác định tần số có biên độ cực đại gây nên tiếng hú thực nghiệm 4……… 35 Hình 3.15: Sơ đồ mô phỏng sử dụng phương pháp PM……………………………… 37 Hình 3.16: Đặt thuộc tính cho hàm biến điệu pha tuần hoàn………………………… 37 Hình 3.17: Đặt thuộc tính cho khối lấy phần thực tín hiệu PM……………………….18: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng PM đối với thực nghiệm 1 ……….19: PSD của tín hiệu dùng phương pháp PM đối với thực nghiệm 1………… 39 Hình 3.20: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng PM đối với thực nghiệm 2 ………….21: PSD của tín hiệu dùng PM đối với thực nghiệm 2….22: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng PM đối với thực nghiệm 3………….23: PSD của tín hiệu dùng PM đối với thực nghiệm 3……………………….24: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng PM đối với thực nghiệm 4 ………….25: PSD của tín hiệu PM đối với thực nghiệm 4 …………………………….26: Sơ đồ mô phỏng sử dụng phương pháp FM……………………………….27: Đặt thuộc tính cho hàm FM……………………………………………….28: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng FM đối với thực nghiệm 1………….29: PSD của tín hiệu dùng FM đối với thực nghiệm 1.30: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng FM đối với thực nghiệm 2………….31: PSD của tín hiệu dùng FM đối với thực nghiệm 2 ……………………….32: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng FM đối với thực nghiệm 3………….33: PSD của tín hiệu dùng FM đối với thực nghiệm 3……………………….34: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng FM đối với thực nghiệm 4………….35: PSD của tín hiệu dùng FM đối với thực nghiệm 4……………………….36: Sơ đồ mô phỏng sử dụng phương pháp FS……………………………….37: Đặt thuộc tính cho hàm dịch chuyển tần số……………………………….38: Đặt thuộc tính cho hàm cửa sổ…………………………………………….39: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng FS đối với thực nghiệm 1…………… 56 Hình 3.40: PSD của tín hiệu dùng FS đối với thực nghiệm 1………………………… 56 Hình 3.41: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng FS đối với thực nghiệm 2…………… 57 Hình 3.42: PSD của tín hiệu dùng FS đối với thực nghiệm 2………………………… 58 Hình 3.43: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng FS đối với thực nghiệm 3.44: PSD của tín hiệu dùng FS đối với thực nghiệm 3………………………… 59 Hình 3.45: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng FS đối với thực nghiệm 4…………… 60 Hình 3.46: PSD của tín hiệu dùng FS đối với thực nghiệm 4………………………….47: So sánh giữa phương pháp PM, FM và FS……………………………….1: Sơ đồ mô phỏng sử dụng bộ lọc NLMS…………………………………….2: Tín hiệu d(n), y(n) và e(n) theo thời gian dùng bộ lọc NLMS đối với thực nghiệm 1……………………………………………………………………………….3: Tín hiệu e(n) được phóng to đối với thực nghiệm 1……………………….4: MSE của tín hiệu sai số bộ lọc NLMS đối với thực nghiệm 1…………….5: Các hệ số của bộ lọc NLMS tại bước lặp 1251 đối với thực nghiệm 1…….