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

-

x

-

Hình 3. 5 - Hệ thống ANC hồi tiếp dùng mạng nơron có bổ chính bão hòa 48
Hình 3. 6 - Hệ thống ANC hồi tiếp dùng mạng T1-FNN 53
Hình 3. 7 - Cấu trúc mạng T1-FNN truyền thẳng 53
Hình 3. 8 - Các tập mờ với hàm thuộc dạng Gauss 54
Hình 3. 9 - Hệ thống ANC hồi tiếp dùng mạng T1-FNN có bổ chính bão hòa 58
Hình 3. 10 - Hệ thống ANC hồi tiếp dùng mạng T2-FNN. 62
Hình 3. 11 - Cấu trúc mạng T2-FNN. 63
Hình 3. 12 - Tập mờ loại 2 63
Hình 3. 13 - Hệ thống ANC hồi tiếp dùng mạng T2-FNN có bổ chính bão hòa 65
Hình 3. 14 - Hệ thống ANC đa kênh 69
Hình 4. 1 - Các tập mờ dạng Gauss loại 1 và loại 2. 77
Hình 4. 2 - Mô hình hệ thống ANC hồi tiếp đơn tần số 77
Hình 4. 3 - Mô hình hệ thống ANC hồi tiếp đa tần số 78
Hình 4. 4 - Cấu trúc bên trong của một khối hồi tiếp 78
Hình 4. 5 - Kết 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 trong miền tần số 84
Hình 4. 11 - ANC đa tần dùng mạng nơron trong miền thời gian 85

Hình 4. 12 - ANC đa tần dùng mạng nơron và so sánh với lọc thích nghi thể hiện trong
miền tần số. 85
Hình 4. 13 - ANC đa tần dùng mạng T1-FNN trong miền thời gian. 86
Hình 4. 14 - ANC đa tần dùng mạng T1-FNN và so sánh với mạng nơron thể hiện
trong miền tần số 86
Hình 4. 15 - ANC đa tần dùng mạng T2-FNN trong miền thời gian. 87

-

xi

-

Hình 4. 16 - ANC đa tần dùng mạng T2-FNN và so sánh với mạng T1-FNN thể hiện
trong miền tần số 87
Hình 4. 17 - ANC 2 kênh với nguồn nhiễu đơn tần số tại 300Hz. 88
Hình 4. 18 - ANC 2 kênh với nguồn nhiễu đa tần số (300Hz + 500Hz) 89
Hình 4. 19 - Biến thiên của các trọng số của bộ lọc FIR tại tần số 145Hz. 91
Hình 4. 20 - Biến thiên các trọng số của mạng nơron tại tần số 145Hz 91
Hình 4. 21 - Biến thiên các trọng số của mạng T1-FNN tại tần số 145Hz. 92
Hình 4. 22 - Biến thiên các trọng số của mạng T2-FNN tại tần số 145Hz. 92
Hình 4. 23 - ANC đơn tần số khi
37
3,0)(

 zzG
95
Hình 4. 24 - ANC đơn tần số khi
36
5,0)(


 zzG
96
Hình 4. 25 - ANC đa tần số khi
36
5,0)(

 zzG
97
Hình 4. 26 - ANC đa tần số khi
36
1,0)(

 zzG
97
Hình 4. 27 - Hệ thống ANC dùng lọc thích nghi (không có bổ chính bão hòa) 99
Hình 4. 28 - Hệ thống ANC dùng lọc thích nghi (có bổ chính bão hòa) 99
Hình 4. 29 - Hệ thống ANC dùng mạng nơron (không có bổ chính bão hòa) 100
Hình 4. 30 - Hệ thống ANC dùng mạng nơron (có bổ chính bão hòa) 100
Hình 4. 31 - Hệ thống ANC dùng mạng T1-FNN (không có bổ chính bão hòa) 101
Hình 4. 32 - Hệ thống ANC dùng mạng T1-FNN (có bổ chính bão hòa) 101
Hình 4. 33 - Hệ thống ANC dùng lọc thích nghi trong miền tần số 102
Hình 4. 34 - Hệ thống ANC dùng mạng nơron trong miền tần số 103
Hình 4. 35 - Hệ thống ANC dùng mạng T1-FNN trong miền tần số 104
Hình 4. 36 - So sánh khả năng thực hiện khi có bổ chính và không có bổ chính cho bộ
khuếch đại công suất của các hệ thống ANC 105
Hình 5. 1 - Mô hình ANC thực tế 106
Hình 5. 2 - ANC dùng lọc thích nghi ở tần số 450Hz 108
Hình 5. 3 - ANC dùng mạng nơron ở tần số 650Hz 109
Hình 5. 4 - ANC dùng lọc thích nghi ở tần số 1000Hz 110

Hình 5. 5 - ANC dùng mạng T1-FNN ở tần số 900Hz. 111

-

xii

-

Hình 5. 6 - ANC dùng lọc thích nghi ở tần số 700Hz + 1400Hz. 112
Hình 5. 7 - ANC dùng mạng nơron ở tần số 700Hz + 1400Hz. 113
Hình 5. 8 - ANC dùng mạng T1-FNN ở tần số 700Hz + 1400Hz 114
Hình 5. 9 - ANC dùng lọc thích nghi ở tần số 450Hz + 700Hz + 1400Hz 115
Hình 5. 10 - ANC dùng lọc thích nghi ở tần số 450Hz + 650Hz + 1000Hz + 1700Hz.
116
Hình 5. 11 - ANC dùng mạng T1-FNN ở tần số 450Hz + 650Hz + 890Hz + 1100Hz +
1600Hz. 117
Hình 5. 12 - ANC 2 kênh dùng lọc thích nghi ở tần số 1000Hz 119
Hình 5. 13 - ANC 2 kênh dùng mạng nơron đa tần số (450Hz + 650Hz + 1400Hz). 120
Hình 5. 14 - Ảnh hưởng của

G
0
lên hệ thống ANC dùng lọc thích nghi 123
Hình 5. 15 - Ảnh hưởng của

G
0
lên hệ thống ANC dùng mạng nơron 123
Hình 5. 16 - Ảnh hưởng của


n lên hệ thống ANC dùng lọc thích nghi 124
Hình 5. 17 - Ảnh hưởng của

n lên hệ thống ANC dùng mạng nơron 124
Hình 5. 18 - ANC có bổ chính ở tần số 700Hz 125
Hình 5. 19 - ANC có bổ chính ở tần số 1100Hz 126
Hình 5. 20 - Độ suy hao của nhiễu theo bán kính của hệ thống ANC đơn tần số 128
Hình 5. 21 - Độ suy hao của nhiễu theo bán kính của hệ thống ANC đa tần số 128
Hình 5. 22 - Mô hình tách tín hiệu ra khỏi nhiễu 129
Hình 5. 23 - Tách tiếng nói ra khỏi nhiễu đơn tần (900Hz) dùng lọc thích nghi 130
Hình 5. 24 - Tách tiếng nói ra khỏi nhiễu đơn tần (900Hz) dùng mạng nơron. 131
Hình 5. 25 - Tách tiếng nói ra khỏi nhiễu đơn tần (900Hz) dùng mạng T1-FNN 132
Hình 5. 26 - Tách bài hát ra khỏi nhiễu đơn tần (900Hz) dùng lọc thích nghi 133
Hình 5. 27 - Tách bài hát ra khỏi nhiễu đơn tần (900Hz) dùng mạng nơron 134
Hình 5. 28 - Tách bài hát ra khỏi nhiễu đơn tần (900Hz) dùng mạng T1-FNN. 135
Hình 5. 29 - Tách tiếng nói ra khỏi nhiễu đa tần (700Hz + 1400Hz) dùng lọc thích nghi
136

-

xiii

-

Hình 5. 30 - Tách tiếng nói ra khỏi nhiễu đa tần (700Hz + 1400Hz) dùng mạng nơron
137
Hình 5. 31 - Tách tiếng nói ra khỏi nhiễu đa tần (700Hz+1400Hz) dùng mạng T1-FNN
138
Hình 5. 32 - Tách tiếng nói ra khỏi nhiễu đa tần (1200Hz + 1350Hz + 1500Hz) dùng
mạng nơron. 139

Hình 5. 33 - Tách bài hát ra khỏi nhiễu đa tần (700Hz + 1400Hz) dùng lọc thích nghi.
140
Hình 5. 34 - Tách bài hát ra khỏi nhiễu đa tần (700Hz + 1400Hz) dùng mạng nơron.
141
Hình 5. 35 - Tách bài hát ra khỏi nhiễu đa tần (700Hz + 1400Hz) dùng mạng T1-FNN.
142
Hình 5. 36 - Tách bài hát ra khỏi nhiễu đa tần (1200Hz + 1350Hz + 1500Hz) dùng lọc
thích nghi 143
Hình 5. 37 - Tách bài hát ra khỏi nhiễu đa tần (1200Hz + 1350Hz + 1500Hz) dùng
mạng T1-FNN 144


-

xiv

-

Danh mục các bảng
Chương 1
Bảng 1. 1 - Tóm tắt các phương pháp dùng lọc thích nghi 11
Chương 4
Bảng 4. 1 - Các giá trị ước lượng hàm truyền thứ cấp 76
Bảng 4. 2 - Kết quả kiểm soát nhiễu đơn tần số của các hệ thống ANC 90
Bảng 4. 3 - Kết quả kiểm soát nhiễu đa tần số của các hệ thống ANC 90
Bảng 4. 4 - Tốc độ hội tụ của các hệ thống ANC đơn tần số 93
Bảng 4. 5 - Tốc độ hội tụ của các hệ thống ANC đa tần số 93
Bảng 4. 6 - Thống kê số lượng phép tính và thời gian tính toán 94
Chương 5
Bảng 5. 1 - Các giá trị ước lượng hàm truyền thứ cấp 107

Bảng 5. 2 - Kết quả kiểm soát nhiễu đơn tần số 121
Bảng 5. 3 - Kết quả kiểm soát nhiễu đa tần số 121
Bảng 5. 4 - Hiệu quả kiểm soát nhiễu của các hệ thống ANC 127

-

1

-

MỞ ĐẦU

Hệ thống kiểm soát (bao gồm điều khiển và khống chế) nhiễu tích cực (ANC -
Active Noise Control) được đề xuất lần đầu tiên bởi Coanda năm 1930, Leug vào năm
1936 và Olson năm 1953. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ANC 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. Thời gian gần đây, sự phát triển nhanh chóng của
nền công nghiệp điện tử đã tạo ra các bộ vi xử lý tốc độ cao với giá thành thấp chẳng
hạn như các bộ xử lý tín hiệu số (DPSs - Digital Signal Processors). Do vậy, việc ứng
dụng các bộ DSPs trong ANC ngày càng được chú ý vì khả năng thực hiện thuận lợi
hơn phương pháp thụ động trong vùng tần số thấp.
ANC đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Các nghiên cứu gần
đây có thể được liệt kê như sau: Carmona [24] sử dụng lý thuyết điều khiển bền vững
để thiết kế hệ thống kiểm soát nhiễu trong đường ống (active noise control of a duct
using robust control theory) năm 1998. Nelson [104] giới thiệu giải thuật thích nghi
(adaptive algorithm) nhanh trong hệ thống ANC (fast exact adaptive algorithms for
feedforward active noise control) năm 2000. Meurers [93] trình bày hệ thống ANC hồi
tiếp chọn lọc tần số (frequency selective feedback for active noise control) năm 2002.
Siravara [124] giới thiệu hệ thống ANC hồi tiếp băng hẹp (subband feedback active
noise cancellation) năm 2002. Narahari [100] nghiên cứu vấn đề kiểm soát nhiễu trong

tai nghe (noise cancellation in headphones) năm 2003. Fraanje [52] sử dụng lọc
Kalman để ANC (a fast-array Kalman filter solution to active noise control) năm 2005.
Zhang [155] nghiên cứu ANC sử dụng mạng nơron-mờ (adaptive recurrent fuzzy
neural networks for active noise control) năm 2006. Reddy [119] sử dụng giải thuật
FSLMS (Filtered-S Least Mean Square) đa kênh để ANC (fast exact multichannel
FSLMS algorithm for active noise control) năm 2009.

-

2

-

Hình 0.1 trình bày sơ đồ khối của hệ thống ANC truyền thẳng. Trong đó micro 1
dùng để đo nhiễu sơ cấp x(k), micro 2 dùng để đo nhiễu tổng hợp e(k). P(z) là hàm
truyền đạt của môi trường truyền âm từ micro 1 đến vùng kiểm soát nhiễu (nơi đặt
micro 2). W(z) là bộ lọc thích nghi. Giải thuật thích nghi LMS (Least Mean Square) có
nhiệm vụ cập nhật các thông số của W(z) sao cho e(k) tiến về 0.
Trong nhiều trường hợp ta không đo được nhiễu sơ cấp x(k) do môi trường khắc
nghiệt (nhiệt độ cao, hóa chất ăn mòn, … ) hoặc do không định vị được trước nguồn
phát nhiễu sơ cấp, … khi đó ta phải dùng bộ ước lượng nhiễu sơ cấp như hình 0.2.
W(Z)





Hình 0.1 -
Hệ thống ANC truyền thẳng
W(z)

W(Z)

Hình 0.2 - Hệ thống ANC hồi tiếp

W(z)
NGUỒN
PHÁT NHIỄU

SƠ CẤP

NGUỒN
PHÁT NHIỄU

SƠ CẤP

VÙNG
TRIỆT
NHIỄU
VÙNG
TRIỆT
NHIỄU
P(z)

P(z)

ƯỚC LƯỢNG

NHIỄU
SƠ CẤP

Giải thuật FxLMS (filtered-x Least Mean Square) là giải thuật lọc thích nghi phổ
biến được dùng trong các hệ thống kiểm soát nhiễu [2-6], [16], [25]. Với sự phát triển
nhanh của các bộ DSPs, các giải thuật thích nghi có thể thực hiện trong những hệ
thống thời gian thực [16], [108]. Các hệ thống ANC tuyến tính đã ứng dụng thành
công trong các thiết bị như: máy điều hòa, máy thu âm, … [20], [40], [57], [79], [85].
Tuy nhiên, trong thực tế môi trường truyền âm là phi tuyến (chịu tác động của nhiễu
bên ngoài xâm nhập), do đó hệ thống ANC phải thích nghi với những thay đổi của môi
trường, nguồn nhiễu [40], [79]. Lọc thích nghi Volterra đã được dùng trong nhiều hệ
thống kiểm soát nhiễu phi tuyến [23], [135]. Hạn chế của lọc thích nghi Volterra là khi
số dữ liệu ngõ vào tăng thì kích thước bộ lọc sẽ tăng theo hàm mũ và lọc thích nghi

-

3

-

Volterra không có khả năng huấn luyện các dữ liệu phi tuyến [23]. Nhiều tác giả đã sử
dụng logic mờ và mạng nơron trong các hệ thống ANC phi tuyến [21], [22], [64],
[109], [115], [117]. Do đó, vấn đề chính ở đây là việc xử lý sự hội tụ của hệ thống.
Canfield [22] đã sử dụng giải thuật filtered-x CMAC (Cerebellar Model Arithmetic
Computer) để khử nhiễu trong hệ thống phi tuyến. Chang [28] và Chen [29] đã sử dụng
logic mờ và mạng nơron trong hệ thống ANC. Zhang [154] đã phân tích sự hội tụ và
ổn định của giải thuật FxLMS trong hệ thống ANC. Zhang, Gan và Zhou [155] đã
dùng giải thuật nơron-mờ thích nghi để kiểm soát âm trong các cấu trúc phi tuyến.
Qua tham khảo các công trình nghiên cứu về ANC, hầu hết các tác giả đều tập
trung nghiên cứu các hệ thống ANC truyền thẳng. Tuy nhiên, hạn chế của phương
pháp truyền thẳng là phải định vị trước nguồn phát nhiễu sơ cấp (vì phải đặt một micro
đo nhiễu sơ cấp để tạo tín hiệu tham chiếu cho hệ thống ANC). Trong một số trường
hợp ta không đo được nhiễu sơ cấp thì phương pháp hồi tiếp được sử dụng. Trong luận

án này, chúng tôi tập trung nghiên cứu các hệ thống ANC hồi tiếp dùng kỹ thuật lọc
thích nghi, mạng nơron, mạng nơron-mờ loại 1 (T1-FNN: Type 1 Fuzzy Neural
Network) và mạng nơron-mờ loại 2 (T2-FNN: Type 2 Fuzzy Neural Network) không
sử dụng cảm biến đo nhiễu sơ cấp (hình 0.2). Loại nhiễu cần kiểm soát là nhiễu băng
hẹp tần số thấp (dưới 2000Hz) trong cabin xe hơi hoặc trên máy bay (chủ yếu kiểm
soát nhiễu rung động cơ học của động cơ, cánh quạt, vì đây là loại nhiễu gần như
tuần hoàn có tần số thấp nên rất thuận lợi khi ta dùng hệ thống ANC hồi tiếp để khử).
Chúng tôi đã xây dựng được các giải thuật mới cho các hệ thống ANC, sau đó tiến
hành mô phỏng và thực nghiệm các loại hệ thống ANC với giải thuật được đưa ra để
đóng góp một phần nghiên cứu của chúng tôi trong vấn đề ANC. Cấu trúc các chương
mục của luận án như sau:
Chương 1: Tổng quan. Trình bày tính cấp thiết của luận án, các phương pháp và
ứng dụng của ANC, các công trình của những nhóm tác giả liên quan đến luận án.

-

4

-

Chúng tôi trình bày các yêu cầu để thiết kế và thực hiện hệ thống ANC, qua đó đưa ra
mục tiêu luận án và giới hạn của luận án.
Chương 2: Các hệ thống ANC trong miền thời gian. Chúng tôi trình bày cơ sở lý
thuyết của các phương pháp kiểm soát nhiễu trong miền thời gian bao gồm hệ thống
ANC truyền thẳng băng rộng, hệ thống ANC truyền thẳng băng hẹp và hệ thống ANC
hồi tiếp.
Chương 3: Xây dựng các hệ thống ANC hồi tiếp. Chương này chúng tôi tiến hành
xây dựng giải thuật kiểm soát nhiễu cho các hệ thống ANC hồi tiếp dùng lọc thích
nghi, mạng nơron, mạng T1-FNN, mạng T2-FNN và xây dựng giải thuật kiểm soát
nhiễu cho hệ thống ANC đa kênh. Điểm trọng tâm của chương này là chúng tôi đã đưa

ra giải thuật mới cho các hệ thống ANC hồi tiếp, trong đó có tính đến sự bổ chính
(compensation) bão hòa (trường hợp biên độ nhiễu thứ cấp lớn hơn biên độ của bộ
khuếch đại công suất tại ngõ ra của hệ thống) cho hệ thống ANC trong trường hợp bộ
khuếch đại công suất có công suất bé. Chúng tôi cũng nghiên cứu tính ổn định của các
hệ thống ANC, xây dựng các giải thuật huấn luyện (training algorithm) trực tuyến, đưa
ra các định lý về điều kiện hội tụ của các hệ thống ANC đề xuất. Đây là điểm mới
trong các nghiên cứu về kiểm soát nhiễu mà các tác giả khác trên thế giới chưa đề cập
đến.
Chương 4: Kết quả mô phỏng. Chương này trình bày các kết quả mô phỏng hệ
thống ANC hồi tiếp trên máy tính dùng phần mềm Matlab/Simulink. Chúng tôi đã
khảo sát tính bền vững của các hệ thống ANC đối với sai số của hàm truyền thứ cấp và
ảnh hưởng của khâu bổ chính bão hòa (saturation compensation). Các kết quả thu
được rất tốt, trong đó hệ thống ANC có bổ chính bão hòa hoạt động hiệu quả. Điều
này rất phù hợp với lý thuyết đưa ra.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm. Điểm mới của chương này là chúng tôi thực
nghiệm được các hệ thống ANC hồi tiếp thời gian thực chạy trên bộ DSPs loại

-

5

-

TMS320C6713 của hãng Texas Instruments. Trong hệ ANC thực nghiệm, đa số các
tác giả chọn phương pháp truyền thẳng (có đặt cảm biến tham chiếu tại nguồn phát
nhiễu để đo nhiễu sơ cấp) vì phương pháp này rất dễ thực hiện với hiệu quả đạt được
khá tốt, và hệ ANC thực nghiệm được thực hiện trong không gian giới hạn (đường
ống, hộp kín, phòng cách ly, …). Tuy nhiên trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu
các hệ thống ANC hồi tiếp (không sử dụng cảm biến tham chiếu để đo nhiễu sơ cấp,
chỉ sử dụng một cảm biến tại đầu thu, không cần định vị nguồn phát nhiễu), đây cũng

là hệ thống rất ít tác giả đề cập đến. Đề tài này nhằm mục đích ứng dụng kiểm soát
nhiễu trong xe hơi hoặc trên máy bay, (nhiễu rung động cơ học của động cơ, cánh
quạt, … có tính chất gần như tuần hoàn ở tần số thấp). Mặc dù có nhiều điểm hạn chế
về thiết bị phần cứng nhưng các kết quả thực nghiệm vẫn cho thấy hệ thống ANC hoạt
động rất tốt trong cả hai trường hợp: kiểm soát nhiễu thuần túy và tách tín hiệu (tiếng
nói và bài hát) ra khỏi nguồn nhiễu.
Kết luận. Chúng tôi trình bày các kết quả thu được của luận án và phương hướng
phát triển.

-

6

-

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của luận án
Vấn đề nhiễu trong môi trường ngày càng được quan tâm nhiều hơn bởi nhiều
nguyên nhân như sau:
o Sự tăng nhanh của các thiết bị (nguồn phát nhiễu) như động cơ, máy quạt,
máy biến thế, máy nén, …
o Mật độ dân số và các phương tiện giao thông ngày càng tăng.
o Việc sử dụng những nguyên liệu nhẹ, mỏng (khả năng cách ly nhiễu kém)
trong xây dựng và trong các thiết bị vận tải.
Theo báo cáo của Tổ chức Sức Khỏe Thế giới [13], nhiễu và rung chấn là nguyên
nhân gây ra cảm giác khó chịu và nguy hại đến sức khoẻ của con người. Những phạm
vi cần thiết kiểm soát nhiễu như [31], [60]:
 Ở gần sân bay nhiễu phát ra do việc cất cánh và hạ cánh của máy bay.
 Đường cao tốc và đường ray tàu hỏa ở gần khu dân cư và môi trường tự

nhiên.
 Nhiễu do động cơ và ống thông gió phát ra từ máy bay, xe hơi, xe tải, tàu
hỏa, …
 Máy móc thiết bị trong công nghiệp (cắt kim loại, cắt gỗ, máy khoan, …).
 Các công trình xây dựng, trong quân sự, …
 Máy điều hoà không khí.
 Các biến thế điện.

-

7

-

Vấn đề kiểm soát nhiễu trong môi trường đã là tiêu điểm của nhiều nghiên cứu
trong những thập niên qua. Có hai loại nhiễu tồn tại trong môi trường:
 Nhiễu băng rộng gây ra bởi nhiễu loạn và có tính chất là hoàn toàn ngẫu
nhiên. Loại nhiễu này có năng lượng phân bố trong dải tần số rộng. Ví dụ: nhiễu do
máy bay phản lực có năng lượng tập trung trong miền tần số thấp, nhiễu do các vụ nổ
nào đó, …
 Nhiễu băng hẹp có năng lượng tập trung tại những tần số đặc trưng. Loại
nhiễu này có tính chất là chu kỳ gần như tuần hoàn. Ví dụ: nhiễu của động cơ đốt
trong trong các phương tiện vận chuyển, trong các loại bơm chân không, …
Trong phạm vi luận án này, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu kiểm soát nhiễu
băng hẹp tần số thấp nhằm mục đích ứng dụng kiểm soát nhiễu trong xe hơi, trên máy
bay, …
1.2 Các ứng dụng của hệ thống ANC
Các ứng dụng ANC có thể được phân thành bốn loại sau:
 Nhiễu trong ống dẫn: các ống dẫn một chiều như các ống thông gió (thông hơi),
các loại ống khói, …

 Nhiễu nội: nhiễu trong khoảng không gian kín.
 Bộ bảo vệ tai nghe cá nhân: trường hợp kết hợp cao của nhiễu nội.
 Nhiễu tự do trong không gian: nhiễu phân tán trong không gian mở.
Những ứng dụng đặc biệt của phương pháp ANC trong các thiết bị như sau:
 Ô tô (như xe hơi, xe tải, xe chở hàng, xe quân đội, máy đo địa chấn).
- Hệ thống đơn kênh: bộ hãm thanh điện tử cho các hệ thống xả, hệ thống cảm
ứng, …

-

8

-

- Hệ thống đa kênh: sự giảm nhiễu trong toa tàu hành khách và trong buồng lái
của thiết bị hạng nặng, điện thoại di động, …
 Thiết bị, dụng cụ:
- Hệ thống đơn kênh: máy điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, máy giặt, lò sưởi, máy
khử độ ẩm, …
- Hệ thống đa kênh: như máy cắt cỏ, máy hút bụi, phòng cách âm, …
 Công nghiệp, kỹ nghệ: như máy quạt, ống thông hơi, ống khói, máy biến thế,
máy nén, máy bơm, máy may, nhà máy, buồng điện thoại công cộng, phòng ngủ nhỏ,
bộ bảo vệ tai nghe, ống nghe, …
 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 này
được gọi là kiểm soát nhiễu thụ động [79], [80] PNC (Passive Noise Control). PNC
dùng kỹ thuật thụ động như các vật liệu hấp thụ âm thanh, hàng rào, vật cản, thiết bị
hãm thanh để làm giảm nhiễu. Các phương pháp thụ động này khá hiệu quả trong việc
kiểm soát nhiễu băng rộng và rất thành công trong vùng nhiễu có tần số cao [8], [57],
[64], [67], [124], [139], [158].
Tuy nhiên, hệ thống PNC không hiệu quả trong kiểm soát nhiễu băng hẹp và các
loại nhiễu có tần số thấp [2-6], [15], [18], [155], qua tham khảo các tài liệu cho thấy

-

9

-

hầu hết nhiễu trong công nghiệp có cường độ cao trong khoảng tần số dưới 1000Hz
[43], [115]. Do nhiễu ở tần số thấp có bước sóng quá dài nên kỹ thuật PNC không còn
hiệu quả kinh tế vì cấu trúc quá cồng kềnh, nặng nề khi thực hiện trong không gian
nhỏ hẹp. Bên cạnh đó, sự phản hồi áp lực gây ra do sử dụng thiết bị hấp thụ làm hư hệ
thống. Điều này làm 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 nghiên 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 của các hệ thống ANC 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 thứ cấp
+ =
Nhiễu tổng hợp

Hình 1. 1 - Nguyên lý kiểm soát nhiễu tích cực
Phương pháp ANC được ứng dụng thành công so với phương pháp PNC ở tần số
thấp do tránh được sự phản hồi áp lực và mất mát năng lượng của động cơ như phương

-

10

-

pháp PNC [13]. Tuy nhiên, hệ thống ANC không hiệu quả ở tần số cao, vì ở tần số cao
tốc độ lấy mẫu tín hiệu phải tăng lên để đúng với chuẩn lấy mẫu Nyquist, điều này là
một hạn chế của các thiết bị phần cứng kỹ thuật số, mặc dù hiện nay kỹ thuật này được
cải thiện đáng kể. Đồng thời, ở tần số cao các thiết bị cảm biến cần nhiều hơn vì bước
sóng của nhiễu giảm [68]. Như vậy, việc kết hợp cả hai phương pháp PNC và phương
pháp ANC được quan tâm trong tương lai.
Có hai phương pháp được dùng cho ANC: điều khiển truyền thẳng và hồi tiếp.
Nguyên tắc điều khiển truyền thẳng là sử dụng kỹ thuật “anti-noise” tương quan với
nhiễu gốc để kiểm soát nhiễu, điều khiển truyền thẳng cần có tín hiệu tham chiếu ngõ
vào của hệ thống (phải biết trước nguồn nhiễu). Phương pháp này được sử dụng hiệu
quả cho cả hệ thống kiểm soát nhiễu băng rộng và băng hẹp.
Trong nhiều trường hợp, ta không đo được nhiễu sơ cấp do môi trường khắc
nghiệt (nhiệt độ cao, hóa chất ăn mòn, … ) hoặc do không định vị được trước nguồn
phát nhiễu sơ cấp, … khi đó ta phải sử dụng bộ ước lượng nhiễu sơ cấp như hình 0.2
và phương pháp điều khiển hồi tiếp được sử dụng. Điểm thuận lợi của điều khiển hồi

tiếp là không cần tín hiệu tham chiếu ngõ vào mà chỉ cần tín hiệu phản hồi từ micro
tổng hợp tại ngõ ra, chính vì vậy điều khiển hồi tiếp khắc phục được những hạn chế
của điều khiển truyền thẳng. Điều khiển hồi tiếp rất hiệu quả cho kiểm soát nhiễu băng
hẹp và nhiễu có tính chu kỳ [2-6], [15], [17], [64].
1.4 Các công trình liên quan
1.4.1 Các phương pháp dùng giải thuật lọc thích nghi
Đặc điểm chung của các phương pháp này là các tác giả sử dụng lý thuyết lọc
thích nghi tuyến tính, thường có cấu trúc FIR (Finite Impulse Response), với các hệ số
được cập nhật dùng giải thuật LMS hoặc các biến thể của nó (bảng 1.1).