thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống âm thanh kỹ thuật số phục vụ giảng đường đại học nha trang

Hiện nay tại các giảng đường đại học Nha Trang vẫn sử dụng hệ thống âm thanhtương tự.Những hệ thống này là các máy tăng âm có công suất vừa và nhỏ được lắpđặt cố định và di động.Hạn ché

Sinh viên thực hiện : ĐINH THẾ VƯƠNG

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ÂM THANH KỸ THUẬT SỐ PHỤC VỤ GIẢNG ĐƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các

số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Choemđượcgửilờicảmơnchânthànhđến thầy giáo Trần Tiến Phức và thầy giáoNguyễn Văn Hân là những người đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập

và nghiên cứu đồ án đề ra

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1Soundcraft Unveils New Vi3000 Digital Console 4

Hình 1.2 DSP ứng dụng điều khiển động cơ một chiều 5

Hình 1.3 DSP ứng dụng điều khiển chuyển động 6

Hình 2.1: Xử lý tín hiệu số 8

Hình 2.2: Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại 9

Hình 2.3: Ic khuếch đại thuật toán STK4050II 10

Hình 2.4 Mạch khuếch đại tín hiệu đầu từ 10

Hình 2.5 Mạch khuếch đại công suất tín hiệu âm thanh dùng transistor 11

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống âm thanh 15

Hình 2.7 Nguyên lý hệ thống âm thanh mini xác tay 18

Hình 2.8 Mạch nguyên lý tiền khuếch đại 1 transistor .18

Hình 2.9 Mạch nguyên lý khuếch đại dùng LA44440 19

Hình 2.10 Sơ đồ khối DSP 20

Hình 2.11 So sánh đáp ứng tần số các bộ lọc thực tế 21

Hình 2.12 Hình dạng của các cửa sổ lọc số thông dụng 22

Hình 2.13 Hình dạng của các cửa sổ lọc số thông dụng 23

Hình 2.14 Hình dạng của các cửa sổ lọc số thông dụng 24

Hình 2.15 So sánh bộ lọc FIR và IIR 24

Hình 2.16 Biểu đồ phát triển và lĩnh vực ứng dụng của ARM 25

Hình 2.17 Biểu đồ phát triển và thị phần ARM 30

Hình 2.18 Trình tự thực hiện cài đặt bộ lọc số 30

Hình 3.1 Hàm đơn vị 41

Hình 3.7 Bộ lọc FIR loại 1 trên MATLAB 44

Hình 3.8 Lọc mẫu thu âm sẵn với MATLAB 45

Hinh 3.9 Trình tự cài đặt bộ lọc số lên vi điều khiển 45

Hình 3.10 Cấu trúc chung ARM KEIL 46

Hình 3.11 KIT STM32F4 47

Hình 3.12 Phần mềm STM32 ST-LINK Unility 48

Hình 3.13 Phần mềm FIVIEW 49

Hình 3.14 Phần mềm FIVEW 49

Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán 51

Hình 3.16 Cấu trúc xắp xếp mã code trong KEIL ARM 51

Hình 3.17 Thư viện ngoại vi của ST 52

Hình 3.18 Cài đặt thư viện dùng cho ARM vào KEIL ARM 52

Hình 3.19 Cây cấu trúc project trong KEIL ARM 53

Hình 3.20 Biên dịch KEIL ARM 54

Hình 3.21 Thư mục chứa project chương trình 55

Hình 3.22 Sắp xếp thư mục chứa project chương trình 55

Hình 3.23 Cấu hình cho project trên ARM 56

Hình 3.24 Cấu hình cho project trên ARM 56

Hình 3.25 Tương quan thời gian lấy mẫu và tốc độ xử lý 58

Hình 3.26 Sơ đồ thuật toán chương trình 59

Hình 4.1 Bộ lọc LowPass 60

Hình 4.2 Bộ lọc high pass 61

Hình 4.3 Bộ lọc band pass 62

Hình 4.4 Bộ lọc Stop band 63

Hình 4.5Tương quan lấy mẫu tín hiệu 64

Hình 4.6 Sơ đồ mạch HM2007 64

Hình 4.7 KIT HM2007 65

Hình 4.8 Sơ đồ truy cấp bộ nhớ DMA nhận diện giọng nói 65

Hình 4.9 So sánh Cortex-M7 với SoC khác 68

Hình 4.10 Phân khúc chip Cortex của ARM trong thị trường nhúng 69

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số thiết bị hệ thống âm hội trường 1 16

Bảng 2.2 Các loại của sổ thông dụng 24

Bảng 2.3 Một số dạng lõi ARM 27

Bảng 2.4 So sánh ARM7TDMI-S và cácdòng Cortex-M 33

Bảng 4.1 Nhóm lệnh xử lí giọng nói trong thư viện xử lí giọng nói C# 66

Hiện nay tại các giảng đường đại học Nha Trang vẫn sử dụng hệ thống âm thanhtương tự.Những hệ thống này là các máy tăng âm có công suất vừa và nhỏ được lắpđặt cố định và di động.Hạn ché của hệ thống này là không thiết kế tối ưu cho tínhiệu tiếng nói như không tự động chống hú, rít và nhiễu.

Nhận thấy sự quan trọng và cần thiết đó em đã nghiên cứu đề tài “Thiết kế và chếtạo thử nghiệm hệ thống âm thanh kĩ thuật số phục vụ giảng đường trường Đại HọcNha Trang” với mục đích kĩ thuật xử lý tín hiệu số xử lý tín hiệu âm thanh xử lýnhững hạn chế mà hệ thống tương tự tồn tại như hú rít, nhiễu…

Qua quá trình nghiên cứu và thử nghiệm đã đạt được những kết quả nổi bật nhưthành công trong việc số hóa âm thanh trong thời gian thực và xử lý tín hiệu đó với

độ trễ tính bằng micro giây

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Tên đề tài: “ Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống âm thanh kỹ thuật sốphục vụ giảng đường trường đại học Nha Trang.”

1.1.1Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay với việc thuyết giảng nói chung và việc thuyết giảng trong môitrường sư phạm ngày càng được nâng cao cả về chất lượng học viên và giảng viên,chất lượng kiến thức lẫn cơ sở hạ tầng

Trong không gian giảng đường với số lượng học viên lớn và không giantrong phòng khá lớn, người thuyết giảng làm việc với cường độ liên tục trong ngày,

để thuận tiện trong việc thuyết giảng, nhà trường đã xây dựng những hệ thống âmthanh tương tự phục vụ cho việc thuyết giảng được thuận lợi hơn, tuy nhiên trongquá trình sử dụng hệ thống tương tự đã bộc lộ nhiều khuyết điểm như : Mức nhiễucao, khó khăn trong việc kiểm soát độ ồn không mong muốn : rè, hú, …

Vi điều khiển ARM là một vi điều khiển hiện đại đã và đang được sử dụngtrong các lĩnh vực xử lý tín hiệu, điều khiển, hệ thống nhúng,… việc cài đặt cácthuật toán xử lý tín hiệu số trên vi điều khiển ARM để đưa vi điều khiển vào sửdụng xử lý âm thanh nói chung và hệ thống âm thanh giảng đường nói riêng là mộtviệc làm cấp thiết

Chính vì những lý do đó Tôi chọn đề tài“ Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống

âm thanh kỹ thuật số phục vụ giảng đường trường đại học Nha Trang.”

1.1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

1.1.3Đồi tượng và phương pháp nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu

- Vi điều khiển ARM

- Lý thuyết xử lý tín hiệu số,các bộ lọc số

- MATLABxử lý tín hiệu số

 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu điều khiển lập trình dùng

1.1.4Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Tìm hiểu về lý thuyết và lập trình mô phỏng các thí nghiệm về xử lí tín hiệu số trên phần mềm MATLAB

-Tìm hiểu và sử dụng phần mềm KEIL ARM, cách thiết đặt và lập trình cho vi điều khiển ARM Cortex M4 và phần cứng KIT STM32F4

- Tìm hiểu và sử dụng phần mềm STM32 ST-LINK Utility để thực hiện các thao tácxóa, ghi, khóa dữ liệu từ máy tính lên vi điều khiển ARM Cortex M4 đã được thiết đặt phần cứng trên KIT STM32F4

- Tìm hiểu phần mềm FIVIEW để tiến hành thực nghiệm các bộ lọc số như Low pass filter, High pass filter,Band pass filter, Stop band filter

- Tính toán, thiết kế hoàn thiện mô hình thí nghiệm: Tiến hành thực hiện xây dựng

hệ thống mô hình, kết nối các khối chức năng thông qua các jack cắm, thực hiện

xây dựng hệ thống nút nhấn, công tắc đèn báo, jack tính hiệu đề kết nối hoàn thiện

mô hình

1.2TỔNG QUAN LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Ngày nay, với sự hội nhập quốc tế, sự cạnh tranh của nền kinh tế toàn cầu ngàycàng cao, chất lượng của hệ thống xử lí âm thanh được cải tiến, nâng cao hàng ngày.Hiện nay, có rất nhiều mô hình âm thanh nhưng về cốt lõi của việc xử lý âm thanhphân tích thành hai phương pháp, xử lý tương tự và xử lý số

Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi tính, đặc biệt là kỹ thuật xử lý tínhiệu số (Digital Signal Processor) đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp xử

lý nhiều dữ liệu của hệ thống một cách đồng thời, nhanh chóng nhằm đạt đượcnhững yêu cầu của hệ thống xử lý âm thanh

Hiện nay, trong những hệ thống âm thanh lớn đề có sử dụng DSP vào xử lý

hệ thống, những hãng sản xuất thiết bị âm thanh nổi tiếng đã áp dụng nhiều côngnghệ vào hệ thống của mình, ví dụ: Hãng CROWN đã sản xuất những main côngsuất khuếch đại âm thanh ứng dụng DSP như Crown XTi1002 Power Amplifierwith DSP (1400 Watts), Crown XTi-2, Crown XTi2002 Power Amplifier with DSP,Crown XTi4002 Power Amplifier with DSP (3200 Watts) Hãng PEAVEY với sảnphẩm Peavey IPR DSP 1600 và các sản phẩm khác của các hãng như nhưYAMAHA DSP99,YAMAHA DSP-A3090Natural Sound Amplifier

Với những cấu trúc và công nghệ khác nhau, nhưng mục tiêu sau cuối là cải tiến,nâng cao chất lượng xử lý âm thanh

Hình1.1 Soundcraft Unveils New Vi3000 Digital ConsoleTuy sự phát triển của DSP được sử dụng cải tiến mạnh mẽ nhưng vì bí mật công nghệ, chúng ta rất khó tiếp cận với công nghệ phần cứng và lập trình của các hệ thống âm thanh như đã nêu trên

Hãng sản xuất chip ARM đã nâng cấp dòng chip và thêm nhiều chức năng vào từng đời, đặc biệt với vi điều khiển ARM Cortex M4 đã được tích hợp công nghệ xử lý DSP, xây dựng bộ thư viện CMSIS với những dòng lệnh cấp cao hỗ trợ DSP :

+ Những lệnh toán học căn bản

+ Những hàm thuật toán thu gọn

+ Những giải thuật xử lý số phức

+ Những bộ lọc số xây dựng sẵn

+ Những biến đổi, thuật toán rút gọn xử lý ma trận

+ Chuyển vùng tín hiệu miền thời gian, tần số

+…

Ngoài bộ thư viện hỗ trợ dòng lệnh trên còn có những project mẫu về xử lý DSP được cung cấp trên trang chủ của hãng giúp người dùng dễ dàng sử dụng, tham khảo, tùy biến và ứng dụng

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Việc sử dụng công nghệ DSP đã được áp dụng nhiều trong các dự án trong nước Ví

dụ đề tàiỨNG DỤNG XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ (DSP) ĐIỀU KHIỂNTỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU của Võ Như Tiến tạiTrường Cao đẳng Công nghệ,Đại học

Đà Nẵng và Phan ĐiềnTrường Cao đẳng Nghề Qui Nhơn được đăng trên TẠP CHÍKHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009

Hình 1.2 DSP ứng dụng điều khiển động cơ một chiều

Luận văn thạc sĩ: NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP

ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNGcủa ĐINH VĂN NGHIỆP tại Đại học Thái Nguyên

Hình 1.3 DSP ứng dụng điều khiển chuyển độngLuận văn tốt nghiệp đại học: ỨNG DỤNG DSP KHẢ TRÌNH TRONG 3G củaNGUYỄN TRUNG HIẾU tại học viện công nghệ bưu chính viễn thông.

Tuy đã có nhiều dự án nghiên cứu về ứng dụng DSP nhưng riêng DSP xử lýtín hiệu âm thanh ứng dụng tại Việt Nam vẫn còn rất ít, chưa mang tính phổ cậpcao

Đề tài “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ÂM THANH KỸTHUẬT SỐ PHỤC VỤ GIẢNG ĐƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG” sẽ giúp sinhviên ngành Công nghệ kĩ thuật điện,điện tử hiểu thêm về DSP xử lý tín hiệu âmthanh với nhiều ưu điểm:

+ Thiết bị thí nghiêm thực hành phù hợp tình hình kinh tế và quy mô nghiêncứu vừa và nhỏ

+ Những linh kiện, thiết bị có trên thị trường Việt Nam, vì vậy dễ dàng trongviệc thay thế sữa chữa, cải tiến nâng cao chất lượng

+Có tính ứng dụng thiết thực cao trong giảng đường tại các trường nói chung

và giảng đường đại học Nha Trang nói riêng

+ Mang nhiều lợi ích để nghiên cứu kĩ thuật số như xử lý ADC, DAC + Hiểu sâu hơn về tính năng vi điều khiển cấp cao

Hình 2.1: Xử lý tín hiệu sốTín hiệu âm thanh ta thu được qua micro sẽ ở dạng điện áp, việc và dùng vi điềukhiển để lượng tử hóa tín hiệu âm thanh thành dữ liệu số và xử lý nó được gọi là xử

lý tín hiệu số (xử lý số trong sơ đồ), để hiểu rõ về tín hiệu âm thanh cũng như cáchlượng tử hóa, xử lý tín hiệu âm thanh dưới dạng dữ liệu số, ta tiến hành tìm hiểu lýthuyếtxử lý hiệu số và mô phỏng xử lý tín hiệu số trên MATLAP, đồng thời ta tìmhiểu về vi điều khiển ARM để triển khai cài đặt các bộ lọc số trên thực tế

Đối với khối khuếch đại âm thanh thanh thường dùng là các Ampli, mạchcông suất nhằm khuếch đại tín hiệu âm thanh, về khối khuếch đại ta sẽ tìm hiểu vềkhái niệm mạch khuếch đại âm thanh, các đặc điểm của mạch khuếch đại nói chung

và mạch khuếch đại đang dùng tại các giảng đường trường đại học Nha Trang

2.1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI ÂM THANH

Mạch khuếch đại âm thanh có thể được cấu tạo từ những linh kiện công suất nhưTransistor,fet Đối với những mạch cần công suất khoảng vài chục W ta có thể dùng

Ic khuếch đại như LA4440, TDA2030,TDA2003…, tùy từng trường hợp, công suất,mục đích sử dụng mà ta quyết định chọn mạch khuếch đại nào là hợp lý, để hiểu rõhơn về mạch khuếch đại âm thanh ta tìm hiểu định nghĩa, các đặc tính chung củamạch khuếch đại âm thanh như sau:

2.1.1 Định nghĩa, phân loại mạch khuếch đại âm thanh

2.1.1.1 Định nghĩa mạch khuếch đại[1]

Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó nănglượng một chiều của nguồn cung cấp, không chứa thông tin, được biến đổi thànhnăng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào, chứa đựng thông tin, làmcho tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo Phần tử điều khiển đó làtranzito,fet

Mạch khuếch đại được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử, như mạch khuếchđại âm tần trong Cassete, Âmply, Khuếch đại tín hiệu video trong Ti vi mầu v.v

Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại như ở hình 2.1.1 :

Hình 2.2 Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại

2.1.1.2 Phân loại

Ba loại mạch khuếch đại âm thanh chính :

Khuếch đại về điện áp : Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có biên độ nhỏ vào, đầu ra

ta sẽ thu được một tín hiệu có biên độ lớn hơn nhiều lần.Ví dụ:

Hình 2.3 Ic khuếch đại thuật toán STK4050IIChú thích: Ic khuếch đại STK4050II khuếch đại tín hiệu âm thanh bằng phương pháp khuếch đại điện áp.

Mạch khuếch đại về dòng điện :

Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có cường độ yếu vào, đầu ra ta sẽ thu được một tín hiệu cho cường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần.Ví dụ:

Hình 2.4 Mạch khuếch đại tín hiệu đầu từ

Chú thích: Mạch khuếch đại tín hiệu đầu từ trên hình 2.1.1.3 khuếch đại tín hiệu âmthanh bằng phương pháp khuếch đại dòng điện

Mạch khuếch đại công suất : Là mạch khi ta đưa một tín hiệu có công xuất yếu vào,đầu ra ta thu được tín hiệu có công suất mạnh hơn nhiều lần, thực ra mạch khuếchđại công suất là kết hợp cả hai mạch khuếch đại điện áp và khuếch đại dòng điệnlàm một.Ví dụ:

Hình 2.5 Mạch khuếch đại công suất tín hiệu âm thanh dùng transistor

2.1.2 Những đặc tính chungcủa mạch khuếch đại âm thanh

Hầu hết các mạch khuếch đại được định giá bằng một số các thông số:[2]

2.1.2.1 Độ lợi

Độ lợi của mạch khuếch đại là tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đưa vào điềukhiển, và thông thường được tính trên thang đo decibel (dB) (Trong thang đo này,trị số đo tỷ lệ với quan hệ lôgarít của hai trị số:

2.1.2.2 Dải động ngõ ra

Dải động ngõ ra là một dải biên độ, thường sử dụng đơn vị dB, là khoảng cách giữatín hiệu lớn nhất và tín hiệu nhỏ nhất mà đầu ra có thể phản ánh được Vì tín hiệunhỏ nhất thường bị giới hạn bởi biên độ nhiễu, nên người ta lấy luôn tỷ số giữa biên

độ tín hiệu lớn nhất và nhiễu làm giải động ngõ ra

ứng với những độ chính xác khác nhau thường phải ghi chú thêm, thí dụ như (−1

dB, −6 dB, v.v.)

Thí dụ như một mạch khuếch đại âm tần tốt phải có đáp ứng bằng phẳng từ 20 Hzđến 20 kHz (dải âm thanh mà người ta nghe được), như vậy đáp ứng tần số của nóphải mở rộng thêm ra bên ngoài dải này từ 1 đến 2 bát độ mỗi bên Thông thườngmột mạch khuếch đại âm tần tốt có băng thông từ 10 Hz đến 65 kHz

Thời gian đáp ứng (còn gọi là thời gian tăng trưởng) của một mạch khuếch đại thờigian cần thiết để nâng mức điện áp ngõ ra từ 10% đến 90% tín hiệu đỉnh khi đặt ởđầu vào một điện áp bước (hàm đơn vị)

Nhiều mạch khuếch đại bị giới hạn bởi tốc độ tăng, thường là do trở kháng củamạch dòng điện điều khiển phải chịu hiệu ứng tụ điện ở vài điểm trong mạch Điềunày là cho băng thông ở công suất lớn nhất sẽ thấp hơn so với đáp ứng tần số ỏ mứctín hiệu nhỏ

Đối với một mạch đơn giản chỉ có RC, còn gọi là đáp ứng Gauss, thời gian tăngtrưởng được tính gần đúng:

Trong đó Tr là thời gian đáp ứng tính bằng giây, và BW là băng thông tính bằng Hz

2.1.2.4 Thời gian trả về và sai số

Đó là thời gian để ngõ ra trả về đến một mức nào đó (thí dụ 0,1%) của tín hiệu hoànchỉnh Điều này thường được đặt ra với các mạch khuếch đại trục tung của máy hiệnsóng và các mạch khuếch đại trong các hệ thống đo lường chính xác

2.1.2.7 Hiệu suất

Hiệu suất là một số đo biểu thị mức độ bao nhiêu công suất ở đầu vào đã đượcchuyển hóa thành năng lượng hữu ích ở đầu ra của mạch khuếch đại Các mạchkhuếch đại lớp A có hiệu suất rất thấp, trong khoảng từ 10 đế 20%, và hiệu suất tối

đa là 25% Các mạch khuếch đại lớp B hiện đại có hiệu suất trong khoảng 35 đến55%, với hiệu suất cao nhất theo lý thuyết là 78,5% Các mạch khuếch đại lớp Dtiên tiến sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung cho hiệu suất lên đến 97% Hiệusuất của một mạch khuếch đại giới hạn độ lớn của công suất hữu dụng ở ngõ ra.Lưu ý rằng các mạch khuếch đại có hiệu suất cao sẽ chạy mát hơn, và có thể khôngcần đến quạt làm mát ngay cả khi thiết kế lên đến nhiều kilowatt

khi đạt đến một điểm mà một linh kiện nào đó trong mạch bị bão hòa, và không thểcho thêm tín hiệu ra Ta nói tín hiệu bị cắt xén, và đây là một trong những nguyênnhân gây ra méo dạng.

Một số mạch khuếch đại được thiết kế để hoạt động theo kiểu chấp nhận giảm bớt

độ lợi thay vì phải chịu méo dạng Kết quả là tín hiệu chịu một hiệu ứng nén, Vànếu là tín hiệu âm thanh, thì hiệu ứng này không làm thỏa mãn người nghe lắm Đốivới các mạch khuếch đại này, điểm nén 1 dB được đặt ra, xác định là độ lợi ở tínhiệu 1 dB sẽ nhỏ hơn độ lợi ở các tín hiệu nhỏ

Tuyến tính hóa là một lĩnh vực nổi bật Có rất nhiều kỹ thuật được sử dụng để giảmbớt méo dạng do không tuyến tính

2.1.2.9 Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

các IC này được chia ra nhiều vùng (theo sơ đồ khối) để làm nhiều nhiệm vụ khácnhau Ví dụ một IC dùng cho máy thu thanh thường có khối dao động (OSC hoặcVCO), trộn tần (MIX), khuếch đại trung tần (IF.AMP), tách sóng điều biên(AM.DET), tách sóng điều tần (FM.DET) và có thể có cả mạch khuếch đại âm tần.Tuy nhiên để làm việc được các chân tương ứng của IC phải được nối với các linhkiện mạch ngoài phù hợp và cấp nguồn nuôi.

Khi cần khuếch đại công suất ra lớn, có thể dùng IC khuếch đại công suấtriêng Mức công suất ra, mức nguồn nuôi tuỳ từng loại IC mà ta lựa chọn cho phùhợp Trong trường hợp cần mạch khuếch đại hai đường cho máy stereo ta có thểdùng IC kép hay hai IC đơn cùng loại để thực hiện Ngoài ra cần chú ý rằng khidùng các IC công suất lớn cần có phiến toả nhiệt để bảo đảm nhiệt độ cho phép khilàm việc

2.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ÂM THANH GIÀNG ĐƯỜNG HIỆN TẠI

Âm thanh trong giảng đường đại học Nha Trang bao gồm các hệ thống âm thanh tại các hội trường, các phòng học, tùy vào yêu cầu giảng dạy, sinh hoạt khác nhau để quyết định sử dụng những hệ thống âm thanh khác nhau

Cũng như mọi hệ thống âm thanh đang dùng thông dụng nhiều nơi, dàn âm thanh sửdụng tại các phòng học, hội trường có cấu tạo nguyên lý như sau:

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống âm thanh

Hệ thống âm thanh giảng đường đại học Nha Trang bao gồm nhiều hệ thốngphục vụ cho nhiều mục đích khác nhau,ví dụ:

Hệ thống âm thanh hội trường 1 sử dụng cho các hoạt động văn nghệ, ngoạikhóa,hội họp, bởi tính chất như vậy cần phải có một hệ thống âm thanh công suấtlớn cũng như chất lượng tốt đáp ứng cho việc diễn thuyết hoặc biễu diễn nghệ thuật.Sau đây là thông số thiết bị được trang bị trong hội trường 1

Bảng 2.1: Thông số thiết bị hệ thống âm hội trường 1Tên

• Precision equalization circuitry

• 6 aux sends, 4 of which are

• 18dB/octave high pass filter

• Group and mix inserts

• 12-segment LED metering

Amp 3600 VZ Crown

Frequency Response: ±0.1 dB from 20 Hz to 20 kHz at 1 watt.

Phase Response: ±10 degrees from 10 Hz to 20 kHz at 1 watt.

Signal-to-Noise Ratio: > 105 dB A-weighted or 100 dB unweighted below rated

Ngoài ra ở hội trường khác cũng có hệ thống âm thanh tương tự như sơ đồ hình 2.2

Hệ thống âm thanh xác tay mini thuận tiện trong việc giảng dạy thường được dùngtrong các giảng đường với số lượng sinh viên và diện tích phòng lớn, hệ thống âmthanh xách tay mini có cấu tạo đơn giản theo sơ đồ như sau:

Hình 2.7: Nguyên lý hệ thống âm thanh mini xách tayTrong phạm vi tìm hiểu sâu,nhận thấy được sự tiện lợi về mặt nghiên cứu và ứngdụng tôi đã chọn hệ thống âm thanh mini xách tay dùng ic để nghiên cứu,cấu tạocủa hệ thống âm thanh xách tay mini.

2.2.1 Tiền khuếch đại :

Hình 2.8 Mạch nguyên lý tiền khuếch đại 1 transistor

Khuếch đại dùng một transistor :

Giải thích: Mạch khuếch đại trên chỉ sử dụng một transistor để khuếch đại, các tụC1,C3 dùng để dẫn tín hiệu vào,ra Tụ C2 dùng để lọc nguồn, 2 điện trở R1,R2 tạo

thành cầu phân áp trên chân B của transistor, tín hiệu được đưa vào chân B và lấy

ra trên chân C của transistor có biên độ ngược với tín hiệu vào, được gọi là khuếchđại đảo

2.2.2 Mạch công suất dùng LA4270

Mạch Ampli 19W dùng IC LA4270

Mạch công suất âm thanh sử dụng LA4270, chạy nguồn đơn 12V:

Mạch nguyên lý:

Hình 2.9 Mạch nguyên lý khuếch đại dùng LA4270

Đánh giá: Hệ thống âm thanh xách tay mini hiện đang sử dụng tại các giảng đường

là hệ thống khuếch đại tương tự

2.3 LÝ THUYẾT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

Việc tìm hiểu xử lý tín hiệu số là việc làm cần thiết, ngoài cung cấp nhữngkhái niệm căn bản về tín hiệu đã được mã hóa, lý thuyết xử lí tín hiệu số còn cungcấp các kiến thức về những bộ lọc số, mã hóa, điều chế, giải mã tín hiệu Trongphạm vi nghiên cứu đồ án, tôi xin nêu đến những định nghĩa căn bản về xử lý tínhiệu số cũng như các bộ lọc số, đây là những lý thuyết được sử dụng để thiết kếtnên đồ án đã đề ra

Công nghệ xử lý tín hiệu số là công nghệ bùng nổ nhanh chóng trong ngành côngnghiệp điện tử và viễn thông hiện nay Xử lý tín hiệu số có nhiều ứng dụng đa dạng,

ví dụ như trong lĩnh vực điện tử y sinh, trong điều chỉnh động cơ diesel, xử lý thoại,các cuộc gọi điện thoại khoảng cách xa, xử lý tiếng nói, xử lý âm thanh, và tăngcường chất lượng hình ảnh và truyền hình

Các công nghệ nén MPEG hay WMV hiện nay đều dựa trên tiến bộ của côngnghệ xử lý tín hiệu số.Đối với tín hiệ là Audio, DSP là một công nghệ được sử dụng

để thiết lập các vị trí lọc khác nhau và nhằm tránh can nhiễu Các bộ lọc âm thanhaudio tiêu chuẩn đưa ra một dải audio nhất định được gọi là dải thông Để tránh cannhiễu giữa các kênh gần kề, máy thu tín hiệu analog truyền thống kết hợp với các

bộ lọc dải hẹp cho phép nghe được tín hiệu ở dải thông hẹp hơn Với dải thông hẹp,audio ở dải hẹp hơn từ các tín hiệu khác có thể ảnh hưởng đến tín hiệu mà bạn đangnghe Chỉ có một vấn đề là do các vị trí bộ lọc hẹp nên các audio ở dải hẹp hơn cóthể đi qua và tín hiệu sẽ phát ra tiếng như bị tắc Một số bộ lọc CW dải cực hẹp điqua audio quá nhỏ đến nỗi gần như không có tác dụng đối với các truyền dẫnthoại.Sau đây là sơ đồ khối chung của DSP :

Hình 2.10 Sơ đồ khối DSP

2.3.2 Định nghĩa bộ lọc số

Trước tiên, bộ lọc là một quá trình xử lý nhằm loạị bỏ những gì không có giá trịhoặc không quan tâm đến và giữ lại những gì có giá trị sử dụng Trong xử lý tínhiệu, bọ lọc được thiết kế để lọc tín hiệu cần tìm từ trong tín hiệu ban đầu

Định nghĩa đáp ứng tần số của bộ lọc số lý tưởng

Hình 2.11 Bộ lọc số lý tưởng

cong, đường cong đáp ứng còn phụ thuộc vào tên các bộ lọc,chính vì vậy tồn tại saikhác giữa bộ lọc lý tưởng và bộ lọc thực tế.

Hình 2.12 So sánh đáp ứng tần số các bộ lọc thực tế

2.3.3.1.1Phương pháp cửa sổ

Bộ lọc số FIR bậc N

Phương trình I/O

Giả sử cần thiết kế bộ lọc số FIR bậc N theo yêu cầu nào đó Quá trình thực

hiện như sau:

Bước 1: Gọi hd(n) là đáp ứng xung của bộ lọc lý tưởng tương ứnng loại bộ lọc cần

thiết kế

Bước 2: Với phương pháp cửa sổ, đáp ứng xung của bộ lọc cần thiết kết được xác

định như sau:

trong đó: w(n) là hàm cửa sổ có chiều dài hữu hạn N+1 và đối xứng quanh điểm giữa, nghĩa là:

Bảng 2.2 Các loại của sổ thông dụng

Hình 2.13 Hình dạng của các cửa sổ lọc số thông dụng

Hình 2.14Hình dạng của các cửa sổ lọc số thông dụng

Hình 2.15 Hình dạng của các cửa sổ lọc số thông dụng

2.3.3.1.2 Phương pháp mẫu tần số

Bộ lọc tuyến tính pha tối ưu

Bộ biến đổi Hilbert

2.3.3.2Bộ lọc với đáp ứng xung vô hạn (IIR)

Phương pháp xấp xỉ đạo hàm

Phương pháp bất biến xung

Hình 2.16 So sánh bộ lọc FIR và IIR2.4ARM CORTEX M4

ARM Cortex M4 là một loại vi loại vi điều khiển nằm trong họ ARM.Là một viđiều khiển 32 bit, ARM hơn hẳn những vi điều khiển 8 bit về nhiều mặt như khảnăng xử lí tín hiệu, tốc độ tính toán, dung lượng bộ nhớ…., Với nhiều tính năngvượt trội của dòng chip về xử lí tín hiệu so với những dòng chip như 8051,Atmeganên tôi quyết định sử dụng dòng chip này để thiế kế đồ án

2.4.1 Giới thiệu:

Hạn chế của vi điều khiển 8 bit: Nhân điều khiển 8 bit cho các ứng dụng, và như

thế, vô tình đã thu hẹp khả năng điều khiển các hệ thống nhúng Chính sự hạn chế

về dung lượng bộ nhớ chương trình-dữ liệu cũng đã ảnh hưởng không ít tới phạm viứng dụng của nó Khi dùng vi điều khiển 8bit làm một bộ điều khiển PID kinh điểncũng là một cố gắng không nhỏ từ người lập trình, vậy nên rất khó dùng nó vào cácứng dụng dựa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại, đòi độ chính xác cao, đápứng thời gian thực tốt.Vậy nên vi điều khiển 8 bit luôn bị hạn chế khi ta ứng dụng

vào công nghệ cao,yêu cầu những hệ thống cần sự linh động, tiêu tốn ít năng lượng,nhỏ gọn, nhưng cấu hình mạnh và tính năng phức tạp luôn được đặt ra

Ngày 26/4/1985[4], mẫu sản phẩm ARM đầu tiên sản xuất tại công ty kĩthuật VLSI, SanJose, bang Califonia được chuyển tới trung tâm máy tính Acorn ởCambridge, Anh Quốc.Nửa thập niên sau đó, ARM được phát triển rất nhanh chóng

để làm nhân máy tính để bàn của Acorn, nền tảng cho các máy tính hỗ trợ giáo dục

ở Anh Trong thập niên 1990, dưới sự phát triển của Acorn Limited, ARM đã thànhmột thương hiệu đứng đầu thế giới về các ứng dụng sản phẩm nhúng đòi hỏi tínhnăng cao, sử dụng năng lượng ít và giá thành thấp

Chính nhờ sự nổi trội về thị phần đã thúc đẩy ARM liên tục được phát triển

và cho ra nhiều phiên bản mới Những thành công quan trọng trong việc phát triểnARM ở thập niên sau này:

o Giới thiệu ý tưởng về định dạng các chỉ lệnh được nén lại (thumb) cho phép tiết kiệm năng lượng và giá thành ở những hệ thống nhỏ

o Giới thiệu họ điều khiển ARM9, ARM10 và ‘Strong ARM’

o Phát triển môi trường làm việc ảo của ARM trên PC

o Các ứng dụng cho hệ thống nhúng dựa trên nhân xử lý ARM ngày càng trở nên rộng rãi

Hầu hết các nguyên lý của hệ thống trên chip (Systems on chip-SoC) và cách thiết

kế bộ xử lý hiện đại được sử dụng trong ARM Việc sử dụng 3 trạng thái nhận giải mã-thực thi trong mỗi chu kì máy mang tính quy phạm để thiết kế các hệ thống

lệnh-xử lý thực Do đó, nhân lệnh-xử lý ARM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phứctạp

2.4.2Cấu trúc ARM (Advanced RISC Machine)

2.4.2.1 Cấu trúc chung

ARM là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãitrong các thiết kế nhúng Do có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARMchiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việctiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu

Một nhánh nổi tiếng của họ ARM là các vi xử lý Xscale của Intel

2.4.2.2 Một số dạng lõi ARM

Bảng 2.3 Một số dạng lõi ARM

Cache(I/D)/MMU

MIPS điểnhình @MHz

15 MIPS

@16.8 MHz

Game BoyAdvance, Nintendo

được,tightlycoupledmemories,MPU

DS, NokiaN-Gage,Conexant 802.11chips

ARM966

E-S

không cócache,TCMs

ST Micro STR91xF,includes Ethernet [1]

ARM926

EJ-S

JazelleDBX

thay đổiđược,TCMs,MMU

220 MIPS

@

200 MHz

Điện thoại diđộng: SonyEricsson (K, Wseries),Siemens and Benq (đời x65 vàđời mới hơn)

Cortex

Cortex-A8

Applicatio

n profile,NEON,JazelleRCT,Thumb-2

variable(L1+L2),MMU+TrustZone

lên đến

2000 (2.0DMIPS/M

Hz inspeedfrom

600 MHz

to greaterthan

1 GHz)

TexasInstruments OMAP3

Cortex-R4

Embeddedprofile

variablecache,

600DMIPS

Broadcom là mộthãng sử dụng

profile 100 MHz roller family

Hình 2.17 Biểu đồ phát triển và lĩnh vực ứng dụng của ARM

Hình 2.18 Biểu đồ phát triển và thị phần ARM.

2.4.2.3 Đặc điểm ARM Cortex M4

Việc tìm hiểu kĩ về ARM cortex M4 sẽ cho ta cái nhìn sâu hơn về những tính năngvượt trội của nó, với tần số hoạt động lên tới 168 Mhz, nhiều cổng đa dụng thuậntiện cho việc cài đặt và sử dụng với nhiều mục đích khác nhau

Giải pháp Soc (System-on-chip) dựa trên bộ vi xử lý nhúng ARM được ứng dụngvào rất nhiều thị trường khác nhau bao gồm các ứng dụng doanh nghiệp, các hệthống ô tô, mạng gia đình và công nghệ mạng không dây

Dòng vi xử lý ARM Cortex dựa trên một kiến trúc chuẩn đủ để đáp ứng hầu hếtcác yêu cầu về hiệu năng làm việc trong tất cả các lĩnh vực trên Dòng ARMCortex bao gồm ba cấu hình khác nhau của kiến trúc ARMv7: cấu hình A cho cácứng dụng tinh vi, yêu cầu cao chạy trên các hệ điều hành mở và phức tạp nhưLinux, Android…; cấu hình R dành cho các hệ thống thời gian thực và cấu hình Mđược tối ưu cho các ứng dụng vi điều khiển, cần tiết kiệm chi phí Bộ vi xử lýCortex-M4 là bộ vi xử lý ARM dựa trên kiến trúc ARMv7-M và được thiết kế đặcbiệt để đạt được hiệu suất cao trong các ứng dụng nhúng cần tiết kiệm năng lượng

và chi phí, chẳng hạn như các vi điều khiển, hệ thống cơ ô tô, hệ thống kiểm soátcông nghiệp và hệ thống mạng không dây Thêm vào đó là việc lập trình được đơngiản hóa đáng kể giúp kiến trúc ARM trở thành một lựa chọn tốt cho ngay cảnhững ứng dụng đơn giản nhất

Trung tâm của bộ vi xử lý Cortex-M4 là một lõi có cấu trúc đường ống tiên tiến 3tầng, dựa trên kiến trúc Harvard, kết hợp nhiều tính năng mới mạnh mẽ như suy