Kulaklıklar İçin SSI Tabanlı Bir Aktif Gürültü Kontrol Sistemi

Doç. Dr. Tolga Çiloğlu ve Ahmet Tokatlı

Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
e126215@metu.edu.tr, ciltolga@metu.edu.tr

1. Giriş

Aktif gürültü kontrol (AGK) algoritmaları [1] bir gürültünün ters gürültü üretilerek bastırılması ilkesi üzerine çalışmaktadır.

Geleneksel olarak gürültü bastırmada kullanılan pasif elemanların yüksek frekanslarda çok verimli çalışabilmelerine rağmen frekans düştükçe dalga boylarının büyümesi nedeniyle ya gürültüyü engellemekte yetersiz kalmaktadır ya da maliyetleri yükselmektedir; bu nedenle düşük frekanslı gürültülerin bastırılmasında AGK sistemlerinin kullanılması uygun bir seçenek olabilmektedir.

Genel olarak AGK sistemlerini geri-beslemeli ve ileri-beslemeli olarak iki gruba ayırabiliriz [1], [3], [4]. Biz sistemimize uygunluğu nedeniyle geri-beslemeli AGK sistemini kullanmaktayız. AGK sistemleri uyarlamalı veya sabit süzgeçler kullanılarak gerçekleştirilebilirler. Ticari sistemler, düşük maliyet ve küçük hacim gibi özellikleri nedeniyle sabit (analog) süzgeçler kullanılarak tasarlanmıştır. Sabit süzgeçlerde en iyi çalışma aralığı genel olarak 200 – 300 Hz civarındadır ve bu frekansların altında veya üzerindeki gürültülerde etkili olmamaktadırlar. Uyarlamalı süzgeçlerin en önemli üstünlüğü 0-500 Hz bandında iyi çalışabilmesi ve tonal bileşenleri çok iyi bastırabilmesidir. Buna karşılık 'hızlı' değişen gürültülerde izleme ('tracking') güçlüğü zaman zaman yaşanabilmektedir.

2. Algoritma ve Deneysel Uygulama

Bu bölümde kısaca çalışmalarda kullanılan algoritmaya ve gerçek zamanlı deneylerin nasıl bir sistem kullanılarak yapıldığına değinilecektir.

2.1. Geri – Beslemeli Fx – LMS Algoritması

Şekil 1'de geri beslemeli bir AGK sistemi görülmektedir. Sistem mikrofonla alınan sinyali kullanarak ters gürültü üretmekte ve bu ters gürültü sinyalini bir hoparlör yardımıyla çevreye yayarak gürültüyü bastırmaktadır.

Şekil 2'de ise Fx-LMS [1], [2] algoritması blok diyagramı görülmektedir.

Şekil 2'de e[n] sinyali mikrofondan alınan ve y[n] sinyali de hoparlöre gönderilen sinyali temsil etmektedir. S^(z) süzgeci akustik ortamın modellenmesi sonucu elde edilir ve ikincil yol olarak adlandırılır. W(z) bastırıcı süzgeçtir ve LMS algoritması ile kontrol edilir.

x[n] gürültü sinyalinin sistem tarafından hesaplanmış yaklaşık halidir. Şekilde görüldüğü gibi, bu sistemde gürültü sinyali bir referans mikrofonuyla alınmadığı için sistem tarafından üretilir.

2.2. Deney sistemi

Gerçek zamanlı çalışan sistemlerde yazılımın ilk olarak hazır bir deney kartı üzerinde denenmesi çalışmaların hızlanması açısından çok yararlıdır; bu çalışmamıza da önce hazır bir kart üzerinde yazılım geliştirerek başladık. Bir kulaklık sisteminin taşınabilir olması için pil ile çalışabilmesi ve dolayısıyla yeterince düşük güç tüketen bir yapıya sahip olması gerekir.

Bu nedenle bir sabit-nokta işlemci olarak Texas Instruments firmasının TMS320VC5416 [5] işlemcisini kullanıldı. Bu işlemci bir DSK ('Developer's Starter Kit') kartına sahip olduğundan deneyler bu kart kullanılarak gerçekleştirildi.

2.2.1. C5416 DSK genel özellikleri

– 1 stereo müzik girişi

– 1 mono mikrofon girişi

– 2 stereo çıkış (biri yükseltilmiş)

– 160 Mhz c5416 işlemci

– USB bağlantılı emülasyon ara yüzü

2.2.2. Yazlım Geliştirilmesi

Yukarıda anlatılan Fx-LMS algoritmasının matlab üzerinde simülasyonları gerçekleştirildikten sonra C ve assembly programlama dilleri iç içe kullanılarak kart üzerinde gerçek zamanlı uygulamalar yapıldı.

Bir kulaklık sistemine mikrofon yerleştirildi ve mikrofon çıkışı ve kulaklığın hoparlörü karta bağlanarak deney sistemi hazırlandı. Bu sistem kullanılarak değişik gürültüler üzerinde çalışıldı ve başarılı sonuçlar elde edildi bu sonuçlar bir sonraki bölümde bulunmaktadır.

2.2.3. Deney Sonuçları

Bu bölümde üç farklı gürültüyle elde edilen sonuçlar sunulacak ve değerlendirilecektir.

2.2.3.1 Beş Ton Sinüs Gürültüsü

100, 200, 300, 400, 500 Hz tonlar içeren gürültüyle çalıştığında AGK sisteminin sonuçları Şekil 3'te görülebilir. Şekilden görüldüğü üzere sistem tüm gürültüler üzerinde etkin olarak çalışabilmektedir. Gürültü bastırma miktarları 100 Hz'de 15 db, 200 Hz'de 30 db, 300, 400 ve 500 Hz'de ise 40 db'nin üzerindedir. Ayrıca tüm sinyal gücü üzeründe 27 db lik bir azalma sağlanmıştır.

2.2.3.2 Matkap Gürültüsü

Matkap gürültüsü 450 Hz'de bir ton ve çok yüksek frekanslardaki tonlardan oluşmaktadır. Sistem 450 Hz'deki ton üzerinde çalışmaktadır. Şekil 4'te matkap gürültüsüyle çalıştırılan sistemin performansı görülebilir. Temizleme miktarı 450 Hz'de 35 db kadardır ve gürültünün gücü yaklaşık olarak 10 db azaltılmıştır.

2.2.3.3 Uçak Motoru Gürültüsü

Uçak (pervaneli SAAB 340B) kabin gürültüsü 80 Hz ve katlarındaki tonlardan oluşmaktadır. Bu gürültüyü hoparlörden vermek zorunda olduğumuz için 80 ve 160 Hz tonları tam olarak verilememektedir bu yüzden sistem 240 Hz 320 Hz ve 400 Hz üzerinde çalışmaktadır. 240 Hz'de 15 db, 320 Hz'de 15 db ve 400 Hz'de 10 db'lik gürültü azaltımına ulaşılmıştır. Toplam gürültü gücünde ise 8 db azalma olmuştur. Şekil 5' te uçak motoru gürültüsüyle çalışan sistemin performansı görülebilir.

3. Donanım

Tasarlanan kulaklık sistemi taşınabilir bir sistem olacaktır bu nedenle sadece deney seti üzerinde çalışması bizim için yeterli olmamaktadır. Pille çalışabilen bir donanım tasarlanmıştır; bu bölümde bu donanım sistemi tanıtılacaktır.

3.1. Genel Özellikler

– 160 Mhz sabit'nokta C5416 işlemci

– 4 eşzamanlı analog giriş

– 2 eşzamanlı analog çıkış

– 256K Flash memory

– 2 AA Alkaline pil ile çalışma

– JTAG emülasyon ara yüzü

– 6 katlı baskılı devre ve yüzeye tutturulmuş elemanlar.

3.1.1. İşlemci

Pil ile kullanıma uygun olması ve hızı göz önüne alınarak TMS320VC5416 işlemcisi kullanılmıştır.

3.1.2. Analog / Sayısal Dönüştürme

2 adet TI TLV320AIC20 [6] 'codec' kullanılmıştır. Bunların her biri üzerinde iki adet A/D ve iki adet D/A dönüştürücü olduğu için eşzamanlı olarak 4 giriş alınıp 4 çıkış verilebilmektedir.

Ayrıca 5 ayrı giriş kanalından birisi seçilip örneklerin oradan alınması sağlanabilmektedir. En yüksek örnekleme frekansı 26 KS/s dir. 'Codec'ler işlemci ile 'MultiChannel Buffered Serial Port'yi (McBSP) kullanarak seri olarak haberleşmektedirler.

3.1.3. Güç devresi

Güç devresi 3 adet gerilim düzenleyici ve bir adet kontrol devresinden oluşmaktadır. Üç düzenleyiciden ilki (TPS61016) 3 volt pil gerilimini, çıkışında 3.3 voltta düzenler.

İkinci (TPS62204) ve üçüncü (TPS62202) düzenleyiciler ise 3.3 voltu sırasıyla 1.8 ve 1.6 volt düzeyinde düzenlerler. Kontrol devresi ise gerilimler normal düzeye gelinceye kadar diğer devreleri başlangıç durumunda bekletir.

3.1.4. Bellek ('Flash Memory')

Bu bellek kartın önyükleme belleğini oluşturmaktadır. Çalıştırılacak program bu belleğe yüklü durumdayken karta enerji geldiğinde işlemcinin önyükleyicisi programın çalışma
sını sağlamaktadır.

3.1.5. Emülasyon Ara Yüzü

TI işlemcilerinde 14 uçlu JTAG [7] emülasyon sistemi kullanılmaktadır ve kart üzerinde de 14 uçlu bir bağlantı kapısı bulunmaktadır.

XDS510'PP emülatörü kullanılarak bilgisayar ile kart arasında iletişim kurulmaktadır.

Tasarlanmış olan bu kartın üretimi tamamlanmıştır ve şu anda test aşamasında bulunmaktadır. Şekil 6'da bu kartın resmi görülmektedir. Kartın testleri % 90 oranında tamamlanmıştır. Testlerin tamamlanmasından sonra, yapılan sistemin başarımı ticari ürünlerlerinkilerle karşılaştırılacaktır. Bu amaçla iki ürün satın alınmıştır.

4. Kaynakça

– Sen M. Kou and Dennis R. Mor gan 'Active Noise Control Systems Algorithms and DSP Implementations'

– Design of Active Noise Control Systems with the TMS320 Family TI Application Report (SPRA042)

– Sen M. Kuo and Dennis R. Morgan 'Active Noise Control: A Tutorial Review' Proceedings of the IEEE, vol 87, pp. 943 – 973, June 1999.

– S. J. Elliott and P. A. Nelson 'Active Noise Control' IEEE Signal Processing Magazine, pp. 12 – 35, Oct. 1993

– TI TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor Datasheet (SPRS095)

– TI TLV320AIC20 Low Power, Highly Integrated Programmable 16 – Bit 26 KSPS Dual Channel Codec Datasheet (SLAS363)

– Emulation Fundamentals for TI's DSP Solutions (SPRA 439)

Tolga ÇİLOĞLU
Ahmet TOKATLI