Aktív zajcsökkentő rendszerek megvalósítása szenzorhálózattal

Átírás

1 Aktív zajcsökkentő rendszerek megvalósítása szenzorhálózattal Lajkó László, Orosz György Konzulens: Dr. Sujbert László Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék Önálló laboratórium beszámoló december 16.

2 Aktív zajcsökkentés Cél: érzékelő mikrofonok körül csendes zónák kialakítása a zajjal ellentétes fázisú hang segítségével A szuperpozíció jelenségét használjuk ki a zaj elnyomására Felhasználási tartomány néhány khz: csendes zónák mérete arányos a hullámhosszal a mikrofonok nem helyezhetők tetszőlegesen közel a fülekhez

3 Aktív zajcsökkentő rendszerek felépítése Működés: Mikrofonok jeleinek mintavételezése a DSP-nél Beavatkozójel számítása referencia jel Beavatkozó jel kiadása a hangszórók felé kodek DSP

4 Szenzorhálózatok Vezeték nélküli mérésadatgyűjtő rendszerek Kommunikáció rádiós csatornán, ezért: könnyen telepíthető, módosítható elrendezés bizonytalan adatátvitel Bizonytalan átvitel miatt visszacsatolt rendszerekben eddig nem sokszor alkalmazták Általában kis adatátviteli sebesség, az aktív zajcsökkentésben megkívánt néhány khz-es mintavételi frekvenciához elegendő Újdonság: on-line adatfeldolgozás, általában offline

5 Szenzorhálózat építőelemei Hálózati eszközök: Berkeley mote-ok Felépítésük: ATmega128-as 8 bites mikrokontroller rádiós IC tápforrás Csatlakoztatható szenzorkártya Programfejlesztés TinyOS beágyzott operációs rendszerben

6 Szenzorhálózattal működő rendszer mote 1 Új feladatok: referencia jel kodek DSP mote 2 mote N mote N+1 A mintavételezés a mote-oknál történik. Nem fontos egyszerre de mindenképpen fix késleltetéssel szinkronizálás szükséges Minták továbbítása rádión keresztül Minták küldése soros porton a DSP felé

7 Mintavételezés A mikrofon jelét a mikrokontroller AD-jával mintavételezzük Operációs rendszer miatt az időzítés nehéz feladat: a hardver időzítő megszakítása alapfelépítésben közvetetten indítja a mintavételezést jitter Operációs rendszer módosítása a pontos időzítéshez

8 Mintavételezés szinkronizálása Cél: mintavételi időpontok beállítása egy referencia mote-hoz Időzítő: programozható órajelosztó fi(t) mintavételezés t i. mote számlálójának időfüggvénye: f i (t) Szinkronizáció más megfogalmazásban: f i (t)-k fázismerev kapcsolata Megoldás: szoftver PLL

9 PLL felépítése f kvarc1 f kvarc2 időzítő IT EN LATCH Nl szabályzó Nsz hangolható időzítő IT Na Építőelemek megvalósítása: Fázisdetektor VCO Szabályzó

10 Rádiós adattovábbítás TinyOS formátumú csomagokban. Csomagonként 25 minta + keretezés Védelem a csomagvesztés ellen Token-ring hálózat kialakítása

11 :adatküldés :adásjog átadása

12 :adatküldés :adásjog átadása

13 :adatküldés :adásjog átadása

14 :adatküldés :adásjog átadása

15 Adattovábbítás a DSP felé Átjáró mote végzi Formátumkonverzió szükséges UART kezelő komponens módosítása Adattovábbítás szinkronizálása a mintavételhez

16 Adatfogadás a DSP-n Probléma: a DSP mintavételi frekvenciája fix, nem szinkronizálható a fenti algoritmussal Megoldás: interpoláció a minták között TDSP t interpolált érték T Tmote

17 Aktív zajcsökkentő eljárások Szélessávú zajcsökkentés: LMS-algoritmussal Zajcsökkentés periodikus jelekre: jelmodell alapú zajcsökkentő rendszer Sávkorlátozott periodikus jelek: koncepcionális jelmodell: Fourier-reprezentáció: p(n) = P k c(n) k,, k = -K K c(n)k = e j 2π f k n, k = -K K 1 z-1 1 z-1 1 z-1 c1,n c2,n cn,n pn

18 Jelmodell alapú zajcsökkentő rendszer tervezése 1. Rezonátoros struktúra: sávkorlátozott periodikus jelek modelljéhez tervezett megfigyelő Rezonátoros struktúra megvalósítása integrátorokkal g1,n 1 z-1 c1,n y n g2,n 1 z-1 c2,n y n gn,n 1 z-1 cn,n

19 Jelmodell alapú zajcsökkentő rendszer tervezése 2. Egycsatornás zajcsökkentő rendszer rezonátoros struktúrával Elnyomandó zaj Rezonátorok Aktív zajcsökkentő rendszer blokkvázlata R(z) A(z)

20 Jelmodell alapú zajcsökkentő rendszer tervezése 3. Átviteli függvény mérése rezonátoros struktúrával 1 z-1 c1,n g1,n 1 z-1 c1,n 1 z-1 c2,n A(z) y n g2,n 1 z-1 c2,n y n 1 z-1 cn,n gn,n 1 z-1 cn,n

21 Stabilitás és a konvergenciasebesség növelése Zajcsökkentő rendszer blokkvázlata R(z) A(z) Stabilitás feltétele egycsatornás esetben: arc A(z i ) + arc(w i ) < π / 2 Megnövelt sebességű egycsatornás zajcsökkentő rendszer blokkvázlata e y FA RCH x AFA Megnövelt sebességű többcsatornás zajcsökkentő rendszer blokkvázlata e FA W RCH y

22 On-line identifikáció rezonátoros struktúránál Az átviteli függvény időben változhat, a rendszer instabillá válhat Egycsatornás rendszerre kidolgozott algoritmus: nem alkalmaz gerjesztést a rendszer instabilitásának detektálása instabil rendszer esetén beavatkozás: a becsatoló együtthatók fázisának változtatása oly módon, hogy a stabilitás feltétele teljesüljön

23 On-line identifikációs algoritmus szimulációs eredmények 1. A megvalósított zajcsökkentő rendszer blokkvázlata FA AFA RCH Kimeneti rezonátorkészlet tárolók abszolút értéke az idő függvényében, stabil rendszer esetén

24 On-line identifikációs algoritmus szimulációs eredmények 2. Kimeneti rezonátorkészlet tárolók abszolút értéke az idő függvényében, instabil rendszer esetén

25 On-line identifikációs algoritmus szimulációs eredmények 3. Kimeneti rezonátorkészlet tárolók abszolút értéke az idő függvényében instabil, de javított rendszer esetén

26 Eredmények: teszt környezet

27 Eredmények: teszt környezet 2.

28 Időtartománybeli teszteredmények kétcsatornás rendszer beállása On-line identifikációs rendszer beállása

29 Frekvenciatartománybeli Kétcsatornás rendszer zajelnyomása állandósult állapotban teszteredmények On-line identifikációs rendszer zajelnyomása állandósult állapotban

30 Összefoglalás, kitekintés Aktív zajcsökkentő rendszer sikeres megvalósítása szenzorhálózattal Eredmények: 0-1 khz-es működési tartomány zavarjelre nézve körülbelül 30 db elnyomás a fizikai környezet változásai a rendszer működését, azaz stabilitását és elnyomási tulajdonságait nem befolyásolják További feladatok: on-line identifikációs módszer kiterjesztése többcsatornás esetre mintavételi frekvencia növelése beavatkozó hangszórók jeleinek rádiós továbbítása