VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ AKTIVNÍ POTLAČENÍ HLUKU BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF BIOMEDICAL ENGINEERING

AKTIVNÍ POTLAČENÍ HLUKU ACTIVE NOISE CANCELLATION

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

ONDŘEJ BULVA

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2014

Ing. JAROSLAV BALOGH

VYSOKÉ UÈENÍ TECHNICKÉ V BRNÌ Fakulta elektrotechniky a komunikaèních technologií Ústav biomedicínského inženýrství

Bakaláøská práce bakalářský studijní obor Biomedicínská technika a bioinformatika Student: Ročník:

Ondřej Bulva 3

ID: 147362 Akademický rok: 2013/2014

NÁZEV TÉMATU:

Aktivní potlaèení hluku POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: 1) Seznamte se s anatomií lidského ucha a problematikou ochrany sluchu proti hluku. 2) Prostudujte princip aktivního potlačení hluku. 3) Navrhněte přístroj pro aktivní potlačení hluku. 4) Realizujte přístroj pro aktivní potlačení hluku. 5) Sadou měření ověřte funkci přístroje. 6) Sadou měření na figurantech ověřte subjektivní pocit osob při použití přístroje. 7) Diskutujte dosažené výsledky. DOPORUÈENÁ LITERATURA: [1] ČIHÁK, R. Anatomie 1: Všeobecná encyklopedie, 2/vyd. Praha: Grada Publishing, 2001, 497 s. ISBN 80-716-9970-5. [2] MOYLAN, William a William MOYLAN. Understanding and crafting the mix: the art of recording. 2nd ed. Boston: Elsevier/Focal Press, c2007. ISBN 978-024-0807-553. Termín zadání:

10.2.2014

Termín odevzdání:

30.5.2014

Vedoucí práce: Ing. Jaroslav Balogh Konzultanti bakalářské práce:

prof. Ing. Ivo Provazník, Ph.D. Pøedseda oborové rady

UPOZORNÌNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

ABSTRAKT Tato semestrální práce se zabývá problematikou aktivního potlačení hluku. První část je zaměřena na porozumění anatomii a fyziologii lidského sluchu. Dále pak na pochopení základních principů akustiky, šíření zvuku a jeho generování. Důležitou částí je seznámení s problematikou hluku v životním prostředí. Druhá část se věnuje samotnému návrhu zařízení. Cílem této práce bylo navrhnout a sestavit zařízení na aktivní potlačení hluku. Navrhnuty a sestaveny byly dvě verze zařízení na aktivní potlačení hluku. Problémy spojené s dosažením dokonalého potlačení hluku jsou na konci práce podrobně analyzovány spolu s výsledky potlačení jednotlivých verzí zařízení.

KLÍČOVÁ SLOVA Sluch, ochrana sluchu, potlačení hluku, aktivní potlačení hluku, hluk, digitální signálový processor

ABSTRACT This semestral project deals with problems of active noise cancellation. The first part focuses on the understanding of the anatomy and physiology of the human hearing. Furthermore, the understanding of the basic principles of acoustics, distribution of sound, and his generating. The important part is introduction to the issue of noise in the environment. The second part is dedicated to device design. The aim of this work was to design and construct device for active noise cancellation. Designed and assembled were two versions of the device for active noise cancellation. The problems associated with achieving the perfect noise cancellation is analyzed at the end of the work in detail together with the results of active noise canceling each version of the device.

KEYWORDS Hearing, hearing protection, noise reduction, active noise reduction, noise, digital signal processor

BULVA, O. Aktivní potlačení hluku. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav biomedicínského inženýrství, 2013. 68 s., 15 s. příloh. Bakalářská práce. Vedoucí práce: Ing. Jaroslav Balogh.

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma aktivní potlačení hluku jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího semestrální práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této semestrální práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. V Brně dne ..............................

.................................... (podpis autora)

PODĚKOVÁNÍ Těmito pár větami bych rád poděkoval svému vedoucímu semestrální práce Ing. Jaroslavu Balogovi za skvělou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc doprovázenou mnoha užitečnými radami a za jeho velkou vstřícnost při zpracovávání této bakalářské práce. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Lukáši Volkovi z firmy AMTEK za pohotovou reakci a poskytnutí vzorků mikrofonů ADMP v době, kdy nebyly dostupné.

V Brně dne ..............................

.................................... (podpis autora)

OBSAH Úvod

1

1

Sluch

2

1.1

Fyzikální podstata zvuku .......................................................................... 2

1.2

Struktura a funkce sluchového systému.................................................... 3 Zevní ucho ............................................................................................ 4 Střední ucho .......................................................................................... 4 Vnitřní ucho .......................................................................................... 4 Převod zvukového signálu na elektrický .............................................. 5 Poruchy sluchu ...................................................................................... 5

2

3

Hluk

7

2.1

Definice hluku........................................................................................... 7

2.2

Účinky hluku na organismus .................................................................... 7

2.3

Hluk v životním prostředí ......................................................................... 8

2.4

Přípustné hodnoty hluku ........................................................................... 8

Ochrana sluchu

11

3.1

Pasivní ................................................................................................... 11

3.2

Aktivní ................................................................................................... 12 Chrániče sluchu s aktivním potlačením hluku .................................... 12

4

5

Prvotní Návrh zařízení

14

4.1

DSP

................................................................................................... 16

4.2

Snímání hluku ......................................................................................... 18

4.3

Mikrofonní předzesilovač ....................................................................... 19

4.4

Ochranná sluchátka a elektroakustické měniče ...................................... 20

4.5

Doplňující stereofonní vstup audio signálu ............................................ 20

4.6

Vývojový kit s DSP ADAU1701 ............................................................ 21

4.7

SigmaStudio3.9 ....................................................................................... 23

Konstrukce první verze

24

5.1

DSP

................................................................................................... 24

5.2

Snímání hluku ......................................................................................... 24

5.3


5.4

Sluchátkový zesilovač............................................................................. 26

5.5

Ochranná sluchátka a elektroakustické měniče ...................................... 26

5.6

Doplňující stereofonní vstup audio signálu ............................................ 29

6

Zhodnocení funkce prvotního návrhu

30

7

návrh zařízení s výkonnějším DSP

31

8

Konstrukce zařízení podle druhého návrhu

32

9

8.1

Blokové schéma a popis HW řešení ....................................................... 32

8.2

Popis funkce zařízení .............................................................................. 34

8.3

Zdrojová část........................................................................................... 35

8.4


8.5

Vstupní přizpůsobení pro PCM4202 ...................................................... 36

8.6

AD převodník PCM4202 ........................................................................ 37

8.7

Vstupní přizpůsobení pro AD1938 ......................................................... 40

8.8

Výstupní filtr pro AD1938 ...................................................................... 40

8.9

Koncový zesilovač pro sluchátka ........................................................... 41

8.10

AD/DA převodník AD1938 .................................................................... 42

8.11

Programování ATtiny85 pomocí ArduinoUNO ..................................... 48

8.12

DSP

8.13

Ovládací rozhraní, deska s konektory ..................................................... 51

8.14

Dodatečné funkce ................................................................................... 52

8.15

Přehled parametrů jednotlivých komponentů ......................................... 53

8.16

Firmware ................................................................................................. 54

................................................................................................... 48

Zhodnocení funkce druhého návrhu

57

9.1

Konstrukční vzdálenost mikrofon-reproduktor ...................................... 57

9.2

Latence zpracování DSP ......................................................................... 57

9.3

Fázová charakteristika mikrofonu .......................................................... 58

9.4

Fázová charakteristika filtrů ................................................................... 58

9.5

Neúplná kompenzace frekvenční charakteristiky ................................... 58

10 Možnosti budoucího vylepšení

59

11 Závěr

60

Literatura

61

SEZNAM OBRÁZKŮ

63

SEZNAM TABULEK

65

SEZNAM ROVNIC

66

SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK

67

SEZNAM PŘÍLOH

68

SEZNAM PŘÍLOH NA CD

69

ÚVOD Sluch patří mezi čtyři speciální smysly, kterými člověk vnímá své okolí. Je to však smysl velice náchylný na poškození. Vlivem dlouhodobého vystavování člověka vysokým hladinám hluku, který se stává díky pokroku všemožných technologií stále větší součásti prostředí, které nás obklopuje, sluchový systém rychleji stárne a u jedince dochází již po krátkém vystavení zvýšené hladině akustického tlaku ke zvyšování prahu slyšení. Tento jev po chvíli přechází k tzv. sluchové únavě, která odeznívá pomaleji, než v prvním případě. K poškození sluchu může dojít také vlivem krátkého vystavení člověka extrémním hodnotám akustického tlaku, např. při výbuchu. Tomuto stavu říkáme akustické trauma. Akustické trauma může mít trvalé následky. Pro ochranu sluchu před těmito rizikovými faktory byla vyvinuta řada ochranných pomůcek (chráničů sluchu), jako jsou například špunty do uší a ochranná sluchátka. Musíme přihlížet i k faktu, že i ruch, který nedosahuje škodlivé hodnoty akustického tlaku má vliv na psychiku člověka a snižuje jeho koncentraci a tvořivost. Dlouhodobý pobyt v prostředí se silným hlukem představuje pro organismus stresovou zátěž. Proto je snahou konstruktérů a vývojářů určité prostory, jako jsou například vozidla, kde se silně projevuje hluk motoru a kanceláře se spoustou přístrojů vydávajících konstantní ruch po celou pracovní dobu, odhlučnit, aby se mohl řidič, popřípadě zaměstnanec více koncentrovat na vykonávání dané činnosti a nebyl ruchem rozptylován. Tato práce je zaměřena na problematiku aktivního potlačení hluku. Cílem bylo navrhnout a poté zrealizovat ochranná sluchátka pracující na tomto principu. Důležitou částí je nastudování samotného principu aktivního potlačení hluku. Dále pak seznámení se s digitálními signálovými procesory firmy Analog Devices. Konkrétně s ADAU1701 z řady SigmaDSP, který byl použit ve vývojovém kitu v první verzi zařízení, která nedosahovala dobrých výsledků. Na základě znalostí a nedostatků prvního návrhu bylo přistoupeno k novému návrhu, který je založen na rychlejším processingu s DSP ADAU1446. I přes více jak trojnásobné zvýšení výpočetního výkonu byla při konstrukci velkou překážkou stále limitující latence. Překážkou pro ideální funkci zařízení jsou také nelineární frekvenční charakteristiky mikrofonu, filtrů a hlavně všesměrové šíření hluku, který nepřichází nikdy jen ze směru od snímacího mikrofonu. Způsobené fázové posuny a předchozí zmíněné konstrukční limitace mají za vliv degradaci parametrů aktivního potlačení hluku. Problémy spojenými s touto tématikou se zabývá závěr práce.

1

1

SLUCH

1.1

Fyzikální podstata zvuku

Zvuk je chápán jako mechanické vlnění v pružném prostředí plynu, kapaliny, nebo pevné látky. Zvuk podle frekvenčního rozsahu rozdělujeme na zvuk slyšitelný v rozsahu od 16Hz do 20kHz. Frekvence nižší než 16Hz, které lidský sluchový systém není schopný zpracovat, označujeme jako infrazvuk. Frekvence vyšší, jako 20kHz označujeme jako ultrazvuk a frekvence vyšší, jak 1GHz označujeme jako hyperzvuk. [1] Charakteristickými fyzikálními veličinami pro zvukové vlnění jsou: Rychlost šíření zvuku: 𝑐 Akustický tlak: 𝑝 Akustická rychlost: 𝑣 Akustický výkon: 𝑁 Intenzita zvuku: 𝐼=

𝑁 𝑆

=𝑝∙𝑣 =

𝑝2 𝑧

(1)

= 𝑧 ∙ 𝑣2

Měrná akustická impedance: 𝑧=

𝑝

(2)

𝑣

Měrná akustická impedance pro vzdálené pole: (3)

𝑧 =𝜌∙𝑐

Hladina akustického tlaku: 𝐿𝑝 = 20 log

𝑃 𝑃0

[𝑑𝐵] ; 𝑑𝑒𝑓𝑖𝑛𝑜𝑣á𝑛 𝑝𝑟𝑜 𝑃0 = 20𝜇𝑃𝑎

(4)

Hladina intenzity: 𝐿𝐼 = 10 log

𝐼 𝐼0

; 𝑑𝑒𝑓𝑖𝑛𝑜𝑣á𝑛 𝑝𝑟𝑜 𝐼0 = 10−12 𝑊 ∙ 𝑚−2

2

(5)

Vlnová délka 𝜆=

𝑐

(6)

𝑓

Zvuk se v prostředí pohybuje prostřednictvím zvukových vln, které představují zhuštění a zředění molekul daného prostředí. Toto zhušťování a zřeďování se projevuje změnami tlaku. Rozdíl mezi nejvyšší a nejnižší hodnotou tlaku označujeme jako akustický tlak (p[Pa]), který symbolicky určuje amplitudu zvukové vlny. Zvukové vlny se v prostředí pohybují rychlostí (v) charakteristickou pro dané prostředí s ohledem na jeho fyzikální vlastnosti, jako je například teplota, či tlak. Tuto rychlost nesmíme zaměňovat s akustickou rychlostí (c), která vyjadřuje rychlost kmitání částic prostředí kolem své rovnovážné polohy. Počet zhuštění následovaných zředěním za jednotku času označujeme jako frekvenci (f). Vzdálenost dvou sousedních bodů v prostoru s nejvyšší, či nejnižší hodnotou zředění, popřípadě zhuštění označujeme jako vlnovou délku (λ) [2]

1.2

Struktura a funkce sluchového systému

Sluchový systém se u člověka dělí na dvě hlavní části. Periferní části sestávající ze zevního, středního a vnitřního ucha a centrální části sestávající ze sluchové dráhy a sluchové kůry. Text níže se zabývá převážně strukturou a funkcí periferní části sluchového systému. Anatomické uspořádání je vyobrazeno na Obr. 1. [2]

Třmínek

Kladívko

Polokruhové Kanálky

Kovadlinka Vestibulární Nerv

Kochleární Nerv Zvukovod

Hlemýžď Bubínková Dutina Eustachova Trubice

Bubínek

Round Window ("Kulaté Okno")

Obr. 1: Anatomie lidského sluchového systému [3]

3

Zevní ucho Zevní ucho se skládá z boltce a zevního zvukovodu, který je zakončen bubínkem. Pomocí boltce se zachytává zvukový signál z okolí, který je zevním zvukovodem veden na bubínek. Činností boltce a zevního zvukovodu však není jen přenos zvuku. Jedná se o laděný rezonátor, který je schopný zesílit frekvence v pásmu 3-4kHz. Boltec se také svým tvarem a pevným umístěním na hlavě podílí na směrovosti sluchového systému. Nejhlasitěji člověk slyší zvukové vlny přicházející ve sklonu 15° anteriorně od osy obou uší. [2]

Střední ucho Je umístěno ve středoušní dutině spánkové kosti. Střední ucho je oddělené od zevního i vnitřního ucha membránami. Zvukové vlny ze zevního ucha přenáší bubínek. Komunikaci s vnitřním uchem zprostředkovává kruhové a oválné okénko. Nedílnou součástí středního ucha je Eustachova trubice, kterou je střední ucho spojeno s nosohltanem a zajišťuje tak vyrovnávání tlaku s okolím a předchází nepříjemným pocitům a bolestem způsobených vyklenutím, popřípadě promáčknutím bubínku vlivem rozdílných tlaků. Trubice je po většinu času uzavřena a otevírá se pouze při polykání, žvýkání a zívání. Střední ucho zastává funkci převodníku akustického vlnění ve vzdušném prostředí na vlnění v prostředí tekutiny vnitřního ucha. Převodní systém se skládá z výše zmíněných blan a tří kostí. Kladívka, kovadlinky a třmínku. Zvukové vlny rozechvívají bubínek, na kterém je rukojetí přirostlé kladívko. Rozechvěné kladívko přenáší chvění na kovadlinku a následně na třmínek, který je pružně upevněn do oválného okénka. Dochází tak k převodu vlnění z bubínku o velké ploše (55mm2) na oválné okénko o ploše několikanásobně menší (3,2mm2). Uspořádání sluchových kůstek je sofistikovaně zařízeno jako nerovnoramenná páka, díky které mají kmity na straně oválného okénka menší amplitudu, ale vyšší sílu. Tímto převodním systémem je zaručena vysoká efektivita přenosu s vysokým zesílením akustického tlaku. Ve středním uchu se také nalézají dva středoušní svaly, které plní ochranou funkci a zabraňují nadměrné stimulaci a poškození sluchového aparátu ve vnitřním uchu. [2]

Vnitřní ucho Vnitřní ucho je uloženo spolu s vestibulárním aparátem uvnitř skalní kosti v komplikovaném systému dutin, který také nazýváme kostěný labyrint. Vnitřní ucho se skládá ze dvou hlavních částí. Kostěného a blanitého hlemýždě. Kostěný hlemýžď je kanálek dlouhý 35mm a stočený ve 2 a ¾ závitech na kostěný kuželík zvaný modiolus. Nitrem kanálku probíhá blanitý hlemýžď, který má v řezu přibližně trojúhelníkovitý tvar. Jeho stěny tvoří spodní membrana basilaris a horní membrana vestibularis Reissneri, které jsou spojeny se stěnou kostěného hlemýždě. Kostěný hlemýžď je blanitým hlemýžděm rozdělen na dvě etáže. Prostor pod membranou basilaris označujeme jako scala tympani a prostor nad membranou vestibularis označujeme jako scala vestibuli. Scala tympani komunikuje se středním uchem přes kruhové okénko, jehož membrána se nazývá membrana tympani secundaria. Scala vestibularis komunikuje se středním uchem přes oválné okénko. Oba prostory jsou na vrcholu hlemýždě propojeny otvorem zvaným helikotrema. Oba prostory jsou vyplněny perilymfou. Prostor uvnitř blanitého hlemýždě se nazývá scala media

4

a je vyplněn endolymfou. O vlastní převod mechanického vlnění na elektrické signály se stará Cortiho orgán, který je uložen v blanitém hlemýždi na bazilární membráně. Je složen z receptorových vláskových buněk a z buněk podpůrných. Podpůrné buňky jsou tzv. pilířové buňky Cortiho, které jsou uloženy ve dvou řadách skloněny k sobě a tvoří trojúhelníkovitý tvar v průřezu a tvoří tzv. Cortiho tunel, po jehož obou stranách jsou uloženy receptorové buňky v jedné řadě na straně blíže modiolu a třech řadách na straně druhé. Receptorové buňky jsou svými bázemi zapuštěny do Deitersových falangeálních buněk, které postupně přechází v nízkou epiteliální výstelku blanitého hlemýždě. Báze vláskových buněk jsou prostřednictvím chemických synapsí napojeny na dendrity bipolárních neuronů, jejichž těla leží v modiolu. Vrcholy receptorových buněk jsou opatřeny stereociliemi „vlásky“. Apikální partie receptorových a podpůrných buněk jsou navzájem propojeny pomocí zonulae occuludentes, čímž dohromady tvoří pevnou plochu zvanou lamina reticularis. Stereocilie jsou zanořeny do membrany tectoria, která odstupuje z modiolu. [2]

Převod zvukového signálu na elektrický Zvuková vlna se po průchodu vnějším uchem a převodním systémem středního ucha přenese na bázi třmínku, odkud se přenáší do scala vestibuli, kde způsobuje tlakové změny. Tlaková vlna se šíří dvěma směry je-li frekvence zvuku v rozsahu slyšitelných frekvencí 16Hz-20kHz. Podélně ve směru scala vestibuli přes helikotremu do scala tympani a příčně ve směru scala vestibuli přes scala media do scala tympani. Po dosažení kruhového okénka způsobí tlaková vlna jeho vydutí a vyrovnání tlakové změny. Vzájemnými interferencemi dochází k oscilaci a pohybu bazilární membrány a Cortiho orgánu. Tento pohyb má za následek pohyb lamina reticularis a tektoriální membrány, které způsobují vychylování sterocilií receptorových buněk na obě strany. Toto ohýbání vede k otevírání a zavírání iontových kanálků, čímž dochází ke generování potenciálu (generátorový potenciál) na vláskové buňce. Tento systém se označuje jako mechanicky vrátkované kanály. Při ohybu vlásků směrem k bazálnímu tělísku dochází k depolarizaci. Při opačném pohybu od bazálního tělíska dochází k hyperpolarizaci. Klidový potenciál vláskové buňky vztažený k perilymfě je -70mV, přičemž potenciál endolymfy ku perilymfě je 80mV. Výsledný potenciálový spád je tedy 150mV, což významně napomáhá ke snadnému vzniku generátorových potenciálů při velikosti rozkmitu vlásků zhruba 10-10 až 10-12m. Vzhledem k tomu, že vláskové buňky uvolňují určité množství přenašeče i v klidu, vykazují klidovou elektrickou aktivitu bipolární neurony inervující vláskové buňky. Množství uvolňovaného přenašeče a tím pádem klidová aktivita je ovlivňována generátorovým potenciálem. Při depolarizaci se uvolňované množství zvětšuje, naopak při hyperpolarizaci se množství zmenšuje a frekvence spuštěných akčních potenciálů klesá. [2]

Poruchy sluchu Obecně rozeznáváme dvě skupiny poruch sluchu. Vady převodní a vady percepční. Vady převodní jsou způsobeny patologickými změnami ve středním a vnějším uchu. Mezi nejčastější převodní vady patří mazová zátka a ucpání vnějšího zvukovodu, perforace bubínku, nebo abnormálně tuhé upevnění třmínku v oválném okénku.

5

Percepční vady se vyznačují poškozením vnitřního ucha, popř. sluchového nervu samotného. Poškození nervu může být způsobeno např. nádorem nebo poškozením antibiotiky. Ve stáří se projevuje charakteristické zhoršení sluchu, které je s největší pravděpodobností způsobeno úbytkem vláskových buněk vlivem stáří. Obě skupiny poruch lze navzájem rozlišit pomocí ladičkových zkoušek, nebo pomocí audiometrie. Důležitý fakt pro rozlišení poruchy sluchu je, že pokud je kostní vedení zvuku zachováno, jedná se o převodní vadu. Naopak u percepční poruchy jsou postiženy oba způsoby vedení zvuku. [2]

6

2 2.1

HLUK Definice hluku

Hluk definujeme jako zvuky jakéhokoli charakteru, které jsou pro člověka nežádoucí, nepříjemné, rušivé nebo škodlivé. Zároveň mají na osobu psychické, společenské i ekonomické důsledky. Za hluk můžeme považovat i běžný hovor, popřípadě hudební produkci a podobně. Každá osoba vnímá jako hluk jiné zvuky, tudíž můžeme říct, že klasifikace zvuků jako hluk je závislá na dané osobě. [1] Zdrojem hluku je každé zařízení, popřípadě předmět, ve kterých vzniká akustická energie, která se dále šíří do okolí. Hluk může být způsobený nežádoucím chvěním částí zařízení a budov, turbulentním prouděním kapalin a plynů, popřípadě kombinací více zdrojů zvuku, které by samy o sobě charakter hluku neměly. Hluk se ze zdroje šíří vzduchem, nebo konstrukcí. [1] Podle průběhu hladiny hluku v čase dělíme hluk na:     

2.2

Ustálený Proměnný Přerušovaný

hladina se nemění v čase o více než 5dB hladina se mění v čase o více než 5dB náhle mění hladinu akustického tlaku, je však v průběhu hlučného intervalu ustálený Nepravidelný hladina se v čase mění zcela náhodně Impulsní je tvořen jednotlivými zvukovými impulsy s trváním do 200 ms, popřípadě sledem takových impulzů následujících po sobě v intervalech delších, než 10ms

Účinky hluku na organismus

Působení hluku na organismus můžeme rozdělit na dva způsoby. Prvním je přímý vliv na sluchový orgán. Přímé působení označujeme jako specifické. Dalším způsobem je nespecifické působení, které nepřímo působí na organismus a způsobuje fyziologické a psychologické změny jedince. [1] Přímé působení hluku na sluchový orgán způsobuje posunutí sluchového prahu. Tento jev nastává již během prvních pár minut vystavení organismu hluku a brzo odeznívá. Organismus tak vnímá hluk s menší hlasitostí. Dalším stupněm je tzv. sluchová únava, která dosahuje svého vrcholu kolem 7-10 minuty. Je spojena se změněným rozlišováním hlasitosti, frekvenčních změn a maskování. Odeznívá značně pomaleji, než posunutí sluchového prahu. Regenerace sluchu může trvat hodiny až den. Při dlouhodobém vystavení nadměrnému hluku (více jak 85dB) bývá jako první postiženo slyšení vysokých tónů. K poškození sluchu může dojít i vlivem krátké expozici extrémní hladině akustického tlaku, například při výbuchu. Tento stav nazýváme jako akustické trauma, které může být i trvalé. Nejvíce škodlivé jsou zvuky úzkopásmové, impulsní a hluky doprovázené vibracemi. [1] Nepřímo působí hluk na lidskou psychiku a nervový systém. Vliv mají i hluky, které nedosahují škodlivých hladin (50dB).

7

Hluk o malé hladině akustického tlaku působí neblaze a snižuje soustředěnost, přesnost a kombinační schopnosti zejména při tvůrčí a vedoucí práci. Zvláště nepříjemně působí hluky nepravidelné, ostře přerušované. Hluk o hladině akustického taku vyšší jako 65dB může ovlivňovat autonomní nervovou soustavu. Zejména z tohoto důvodu představuje hluk pro organismus stresovou zátěž. Poškození sluchu často doprovází řada psychosomatických i vegetativních potíží, které souhrnně nazýváme hlukovým syndromem. Projevuje se častějším výskytem žaludečních vředů, zvýšením krevního tlaku, nespavostí, bolestí hlavy, podrážděností přecházející v agresivitu, malátností, snížení pohotovosti, prodloužením reakčních časů a podobně. [1]

2.3

Hluk v životním prostředí

Hluk je součástí životního prostředí. V Tabulka 1 můžeme vidět zdroje zvuku v prostředí a přibližné rozsahy hodnot jejich akustického tlaku. Tabulka 1:Zdroje zvuku v životním prostředí [1]

Zdroj hluku

2.4

Hladina [dB]

Tichý les

15 až 20

Šepot, studovna, knihovna

30 až 37

Tichý hovor

50 až 60

Normální řeč

65 až 69

Křik, těžký nákladní automobil

85 až 90

Zbíječka

95 až 100

Hra na klavír, koncert

105 až 110

Start proudového letadla

125 až 130

Přípustné hodnoty hluku

Přípustné hodnoty hluku jsou stanoveny zákony a vyhláškami. Jako základní považujeme zákon č.20/1966 Sb. o péči a zdraví lidu se změnami a doplňky č 210/1990 Sb., 425/1990 Sb., 548/1991 Sb., 86/1991 Sb. Na tyto zákony, změny a doplňky navazují prováděcí vyhlášky ministerstev. Přípustné hodnoty hluku jsou dány vyhláškou č. 13/1977 Sb.: Ochrana zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací spolu s předpisy MZd č. 41 až 44, svazek 37 z roku 1977. Předpisy vycházejí ze současných znalostí o škodlivosti hluku a určují nejvyšší přípustné pro různá prostředí a podmínky, které respektují druh vykonávané činnosti, trvání a povahu hluku a další okolnosti. [1]

8

Hluk na pracovišti

Pro osmihodinovou pracovní dobu je nejvyšší přípustná hladina všech druhů hluku stanovena součtem základní hladiny hluku 85dB (A) a korekcí na vykonávanou činnost podle Tabulka 2. V případě hluku způsobovaném nevýrobním zařízením, nebo pronikáli z jiných prostorů se hodnoty hluku označené * nahrazují hodnotou -15dB. Pro impulsní hluk s počtem impulsů menším jako 20/s se korekce stanovují podle doby trvání od 1 s do 40 hod v rozsahu +45÷0 dB. [1] Hluk v obytných stavbách

Nejvyšší přípustnou ekvivalentní hodnotu hluku pronikajícího zvenčí i generovaného uvnitř staveb stanovujeme součtem základní hladiny hluku 40dB (A) a korekcí podle Tabulka 3. Korekce označené * mohou být v centrech sídelních útvarů a na hlavních dopravních trasách navýšena kvůli hluku z dopravy o 5dB. [1] Hluk ve venkovním prostoru

Nejvyšší přípustnou hodnotu hluku vyjma hluku impulsního stanovujeme součtem základní hladiny hluku 50dB (A) a korekcí zohledňující místní podmínky a denní dobu s rozsahem -10 až +20dB. V leteckém provozu stanovujeme nejvyšší přípustnou ekvivalentní hladinu hluku součtem základní hladiny a 65dB (A) a korekcí zohledňující místní podmínky a denní dobu v rozsahu -20dB až +10dB. Maximální hladina hluku uvnitř dopravních prostředků je stanovena na 80dB (A) krom dálkové hromadné dopravy osob, kde aplikujeme korekci -5dB. [1] Tabulka 2: Korekce pro výpočet hluku a ultrazvuku na pracovišti [1]

Druh činnosti

Nároky

Práce koncepční s převahou tvořivého myšlení Duševní práce velmi náročná, zodpovědná

Korekce [dB] -40

Mimořádné

-35

Běžné

-30

Duševní práce vyžadující značnou pozornost, soustředěnost

Mimořádné

-25

Běžné

-20

Duševní práce rutinní povahy a trvalou kontrolou sluchem

Mimořádné

-15

Běžné

-10*

Fyzická práce náročná na přesnost, soustředění

-5*

Fyzická práce bez nároků na soustředění

0*

Fyzická práce bez zvláštních nároků na smyslovou činnost

+5*

9

Tabulka 3: Korekce pro výpočet hluku v obytných stavbách [1]

Druh místnosti

Denní doba

Korekce [dB]

6 – 22 hod

-5

22 – 6 hod

-15

Po dobu užívání

-5

6 – 22 hod

0*

22 – 6 hod

-10*

Lékařské ordinace, čítárny

Po dobu užívání

0*

Přednáškové síně, posluchárny

Po dobu užívání

+5

Konferenční místnosti, soudní síně

Po dobu užívání

+10

Kulturní zařízení, kavárny, restaurace

Po dobu užívání

+15

Sportovní haly, prodejny

Po dobu užívání

+20

Nemocniční pokoje Operační sály, koncertní síně Obytné místnosti, hotelové pokoje

10

3

OCHRANA SLUCHU

Před nadměrným zatěžováním sluchového ústrojí vlivem vysoké hladiny akustického tlaku bylo nutné postupem času vyvinout různé ochranné prostředky, které omezují přenos hluku vzduchem a konstrukcemi. Pro tyto účely se využívají materiály a konstrukční řešení, které souhrnně nazýváme jako zvukovou izolaci. Jedná se především o neprůzvučné konstrukce, tlumiče zvuku, pružné podložky a vložky, materiály s vysokým vnitřním tlumením a materiálů pohlcujících zvuk. Do zvláštní skupiny se řadí chrániče sluchu s dostatečným útlumem v širokém frekvenčním pásmu, které zajišťují ochranu sluchu a současně nesnižují srozumitelnost řeči. Tyto chrániče označujeme jako pasivní. Nově jsou vyvíjeny chrániče sluchu s aktivním potlačením hluku, které kombinují vlastnosti pasivních chráničů sluchu a doplňují je pokročilými funkcemi, mezi které patří například aktivní potlačení hluku, komunikační zařízení, chrániče s plochou frekvenční charakteristikou a chrániče sluchu s hladinovou závislostí.

3.1

Pasivní

Pasivní chrániče sluchu členíme do třech kategorií podle jejich konstrukce, od které se odvíjí jejich použitelnost.   

Pomůcky, které se zasouvají do zvukovodu, použitelné do 100dB (A) Pomůcky, chránící celé vnější ucho pro rozsah od 100 do 120dB (A) Pomůcky, chránící celou lebku, doporučované pro hladiny nad 120dB (A)

Chrániče volíme v závislosti na frekvenčním spektru hluku a na vykonávané práci. Většina chráničů sluchu nemá rovnou frekvenční charakteristiku, ale se zvyšující se frekvencí roste jejich útlum. [1] Do první skupiny ochranných pomůcek patří mikrovata, rezonanční chrániče a plastové zátky. Do druhé skupiny patří sluchátkové chrániče, které se skládají ze dvou mušlí, které kryjí celé vnější ucho a jsou vyrobeny z kovu, nebo plastu. Další součástí je náhlavní oblouk, který spojuje obě mušle. Ten je obvykle vyroben z předepnutého plechu, popřípadě z plastu. Samotný útlum hluku je dosažen výplní, která je obvykle ze skleněné mikrovaty, polyuretanu, nebo vaty. K utěsnění mušlí, dobrému přilnutí na hlavu a pohodlnému nošení slouží dosedací plochy, tzv „náušníky“, které jsou obvykle vyrobeny z měkké pryže, měkčeného PVC, polyuretanu, nebo jiného měkkého neprodyšného materiálu. [1] Ve zvláštních případech a zvláště na letištním provozu se používají chrániče spadající do třetí kategorie. Nejčastěji se jedná o protihlukové kukly a přilby. [1]

11

3.2

Aktivní

Aktivní chrániče sluchu se nejčastěji odvíjí z druhé kategorie pasivních chráničů sluchu. Doplňují je o další funkce, které zlepšují jejich parametry, popřípadě usnadňují jejich používání a zajišťují krom ochrany sluchu i větší komfort a bezpečnost na pracovišti. Aktivní chrániče dělíme na: Chrániče sluchu s hladinovou závislostí:

Chrániče sluchu s hladinovou závislostí jsou navrženy pro různý útlum v závislosti na hladině akustického tlaku. Jsou určeny do prostředí s impulsním, nebo přerušovaným hlukem, kdy v případě klidových intervalů umožňují komunikaci s okolím. [3] Chrániče sluchu s plochou frekvenční charakteristikou

Tyto chrániče vynikají stejným útlumem v širokém frekvenčním pásmu, tudíž nízkým zkreslením okolního zvuku a zajišťují tak bezproblémovou komunikaci s okolím. [3] Chrániče sluchu s aktivním potlačením hluku (ANR-Active noise reduction)

Do této skupiny patří chrániče sluchu s vestavěným systémem pro aktivní potlačení hluku, díky kterému je možné potlačit i hluk, který prochází přes samotný pasivní chránič. Tyto chrániče zlepšují útlum zejména v pásmu nízkých kmitočtů, které je konstrukčně složité pasivním chráničem potlačit. Podrobněji bude tento systém popsán v samostatné kapitole. [3] Chrániče sluchu s komunikačním systémem

Tyto chrániče jsou nejčastěji vyráběny v kombinaci s předchozím systémem aktivního potlačení hluku. Jedná se o chrániče, které mají zabudováno komunikační zařízení, které zprostředkovává příjem informací, popřípadě výstražných signálů. Do této kategorie spadá i in-ear monitoring používaný v hudebním sektoru. Jedná se o zátkové chrániče, které samotné tlumí hluk z okolí a zprostředkovávají zpětný odposlech pro umělce, či moderátora. [3]

Chrániče sluchu s aktivním potlačením hluku Chrániče sluchu s aktivním potlačením hluku spočívají na principu potlačení hluku, procházející přes pasivní chránič a docílit tak co nejdokonalejšího potlačení hluku. Aktivní potlačení hluku funguje na principu interferencí zvukových vln. Hluk je snímán mikrofony, zpracován a následovně s opačnou fází a přesnou ekvalizací a amplitudou generován elektroakustickými měniči. V ideálním případě nastane jev záporné interference a zvukové vlny se odečtou. Vzhledem k základním vztahům akustiky a vlastností šíření zvuku lze dobrých výsledků dosáhnout jen v malém prostoru, kde v ideálním případě nedochází k odrazům. Dalším důležitým faktorem ovlivňujícím výsledek aktivního potlačení hluku je fakt, že intenzita zvuku klesá s kvadrátem vzdálenosti. Pokud se tedy budeme přibližovat zdroji hluku a zároveň se budeme oddalovat zdroji rušení hluku, či naopak, bude docházet k nepoměrům mezi intenzitou hluku a intenzitou hluku v protifázi a aktivní potlačení hluku nebude účinné. V reálu také musíme zohlednit vlastnosti prostoru, ve kterém chceme aktivní potlačení hluku

12

aplikovat. Prostory s dlouhým dozvukem jsou pro aktivní potlačení hluku nevhodné. V současné době jsou vyvíjeny systémy aktivního potlačení hluku integrované v automobilech, sluchátkách a serverových skříních. Aktivní potlačení hluku se také stalo součástí telekomunikací, kde se používá k odstranění hluku z telefonního hovoru. Podle způsobu snímání hluku a následného zpracování rozdělujeme aktivní potlačení hluku na takzvané feedback a feedfoward systémy. [4] Feedback ANC

Feedback active noise control, neboli zpětnovazební aktivní potlačení hluku je založeno na snímání hluku za generátorem rušícího signálu. Tento signál je označovaný jako chybový signál, ten je dále zpracován a upravený vysílán reproduktorem. (viz Obr. 2) Pomocí záporných interferencí se systém snaží dosáhnout potlačení hluku až do stavu, kdy je hluk snímaný tzv. chybovým mikrofonem, tzn. slyšitelný hluk, roven nule. [5]

Zdroj hluku

Chybový mikrofon

Šíření hluku Reproduktor

Zpětnovazební aktivní potlačení hluku

Obr. 2: Blokové schéma zpětnovazebního aktivního potlačení hluku

Toto řešení je účinné jen v úzkém pásmu frekvencí (obvykle maximálně stovky Hz). Vzdálenost mezi reproduktorem a mikrofonem určuje maximální frekvenci potlačení. Čím je mikrofon blíže, tím vyšší je maximální potlačitelná frekvence, nicméně se tím zmenšuje oblast s potlačením hluku. Na vzájemném umístění těchto dvou součástí systému je také závislá stabilita a účinnost celého systému. Zvláště náchylný je tento systém být na pozitivní zpětnou vazbu. [5] Feedfoward ANC

Feedfoward active noise control, neboli aktivní potlačení hluku se snímáním hluku referenčním mikrofonem je založeno na snímání hluku z okolí, zpracování signálu (ekvalizace, zpoždění, otočení fáze) a následném generování reproduktorem. (Obr. 3) Zvukové vlny v protifázi se odečtou a výsledkem je prostředí s potlačeným hlukem. [6]

13

Referenční mikrofon

Zdroj hluku

Šíření hluku

Systém aktivního potlačení hluku

Reproduktor

Obr. 3: Blokové schéma aktivního potlačení hluku s referenčním mikrofonem

4

PRVOTNÍ NÁVRH ZAŘÍZENÍ

Na základě znalostí získaných při studování teorie aktivního potlačení hluku bylo navrhnuto zařízení pro aktivní potlačení hluku na bázi ochranných sluchátek, které jsou doplněny mikrofony, zpracováním signálu a elektroakustickými měniči. Sluchátka mají krom samotné funkce aktivního potlačení hluku schopnost přivedení audio signálu z externího zdroje, kterým může být například intercom, nebo jiné dorozumívací zařízení. Důležitým kritériem úspěšnosti bylo dosažení nízké latence při digitálním zpracováním zvuku. Při těchto aplikacích je právě zpoždění signálu velice kritické a je snahou ho co nejvíce minimalizovat. V případě vysoké latence zařízení ztrácí efektivitu a dokáže potlačit jen periodické signály. Jako nejvíc kritické se jeví použití ∑-∆ AD převodníků, které se v audiotechnice používají nejčastěji a zavádějí do signálu nezanedbatelnou latenci v řádu stovek µs. Dalším zdrojem latence je použití FIR filtrů, které zavádějí do signálu latenci v počtu vzorků odpovídající polovině impulsní charakteristiky. Zařízení bylo odlaďováno s použitím vývojového kitu EVAL ADAU1701-MINIZ. Na Obr. 4 můžeme vidět blokové schéma navrhnutého zařízení.

14

Obr. 4: Blokové schéma první verze zařízení na aktivní potlačení hluku

15

4.1

DSP

Samotné zpracování zvuku bude prováděno signálovým procesorem od firmy Analog Devices, konkrétně modelem ADAU1701, který nabízí výkon 50MIPS při frekvenci taktování jádra 50MHz. Je vybaven dvěma analogovými vstupy a čtyřmi analogovými výstupy s AD/DA převodníky o maximální vzorkovací frekvenci 192kHz a rozlišením 24 bitů. Výrobce udává odstup signál šum 100dB u vstupních AD převodníků a 104dB u výstupních DA převodníků. DSP dále disponuje dvanácti vstupně výstupními piny, tzv. GPIO (genral purpose input/output), které mohou být použity pro ovládání DSP, signalizaci, popřípadě mohou posloužit k připojení externích AD či DA převodníků a tím rozšířit počet vstupů a výstupů až na 10 vstupů a 12 výstupů. V rámci GPIO DSP disponuje čtyřmi osmibitovými AD převodníky, které lze využít například pro ovládání hlasitosti a jiných parametrů. Výpočetní jádro DSP pracuje s rozlišením 28 bitů, popřípadě 56 bitů pro zpracování s dvojnásobnou přesností. Model ADAU1701 spolu s modely řady ADAU144*, ADAU140* a modelem ADAU1702 disponují funkcí self boot, kdy je procesor schopen sám nabootovat z externí paměti EEPROM připojené po sběrnici I2C. Díky této funkci nemusí být DSP řízeno žádným dalším procesorem. Na Obr. 5 je zobrazeno funkční blokové schéma procesoru. Na Obr. 6 jsou znázorněny veškeré vývody procesoru a příslušná čísla pinů při pohledu z vrchu. Na Obr. 7 můžeme vidět blokové schéma celého zapojení procesoru a periferií.

Obr. 5: Funkční blokové schéma DSP ADAU1701, převzato z [7]

16

Obr. 6: Popis vývodů pouzdra LQFP48 DSP ADAU1701, převzato z [7]

17

Obr. 7: Blokový diagram s periferiemi, převzato z [7]

4.2

Snímání hluku

Hluk z okolí bude snímán dvěma mikrofony. Pro každé ucho zvlášť. Pro snímání budou testovány mikrofonní vložky Panasonic WM61-A (Obr. 9) a miniaturní mikrofony Analog Devices ADMP411 (Obr. 8). Obě vložky disponují stejným odstupem signál šum a to 62dB. ADMP411 má vyšší citlivost -46dBV, WM61-A disponuje citlivostí -35dBV.

18

Tyto mikrofony byly vybrány kvůli jejich dostupnosti, rozměrům pouzdra a zejména kvůli jejich vyrovnaným frekvenčním charakteristikám a širokému frekvenčnímu rozsahu.

Obr. 8: Vnitřní blokové schéma (vlevo), rozmístění vývodů mikrofonu ADMP411 (uprostřed) a počítačový nákres pouzdra (vpravo), převzato z [8]

Obr. 9: Vnitřní blokové schéma mikrofonu WM61-A (vlevo), popis vývodů pouzdra (uprostřed) a fotografie mikrofonní kapsle (vpravo), převzato z [9]

4.3

Mikrofonní předzesilovač

Vzhledem k nízkým hodnotám výstupního napětí mikrofonních vložek je nutné tento signál před vstupem do DSP zesílit. Analog Devices udává u modelu ADAU1701 při použití vstupního rezistoru o hodnotě 18kΩ maximální vstupní napětí 2V RMS. Mikrofon ADMP411 při maximální hladině akustického tlaku 131dB generuje na výstupu napětí o maximální hodnotě 0,355V RMS. Panasonic tyto informace u modelu WM61-A neuvádí. Budeme tedy počítat s použitím mikrofonu ADMP411. Daný předzesilovač by měl mít podle vztahu pro zesílení uvedeného níže zesílení 𝐴 ≅ 6 𝐴=

𝑈𝑂𝑈𝑇

(7)

𝑈𝐼𝑁

Vzhledem k provozu na baterie byl zvolen operační zesilovač s malou spotřebou a nízkou hodnotou šumu ADA4075-2. Doporučené zapojení operačního zesilovače s mikrofonem můžeme vidět na Obr. 10. Popis vývodů je vyobrazen na Obr. 11.

19

Obr. 10: Doporučené zapojení mikrofonu ADMP411 a operačního zesilovače ADA4075-2, převzato z [8]

Obr. 11: Popis vývodů pouzdra SOIC8 operačního zesilovače ADA4075-2,převzato z [10]

4.4

Ochranná sluchátka a elektroakustické měniče

Jako hlavní konstrukce a základní ochrana sluchu budou použity klasické mušlové chrániče sluchu, do kterých budou nainstalovány reproduktory a elektronika aktivního potlačení hluku. Jako reproduktory budou použity měniče ze sériově vybraných sluchátek, které budou vybrány podle požadavků na rozměry a jiné vlastnosti.

4.5

Doplňující stereofonní vstup audio signálu

Vzhledem ke snaze udělat sluchátka s aktivním potlačením hluku multifunkčními, bylo rozhodnuto rozšířit analogové vstupy DSP o další dva kanály, které budou tvořit stereo pár pro připojení zdroje zvuku z externího zařízení. Jako AD převodník byl zvolen AD1871 opět od výrobce Analog Devices. Tento typ byl zvolen především kvůli podpoře sběrnice I2S, kterou bude propojen s DSP a možnosti nastavit veškeré jeho parametry hardwarově. Odpadla tedy nutnost řídit AD převodník po sběrnici SPI. AD1871 se vyrábí v pouzdře SSOP s 28 vývody. Rozložení a označení vývodů je zobrazeno na Obr. 12 vlevo. Vpravo je na Obr. 12 vyobrazeno funkční blokové schéma AD převodníku.

20

Obr. 12: Popis pinů pouzdra SSOP28 (vlevo) a funkční blokové schéma AD převodníku AD1871 (vpravo), převzato z [11]

4.6

Vývojový kit s DSP ADAU1701

Pro účely jednoduššího prototypování byl zakoupen vývojový kit přímo od výrobce s označením EVAL-ADAU1701MINIZ. Jedná se o set USB programátoru a DSP modulu. USB SPI/I2C programátor s typovým označením EVAL-ADUSB2Z, zajištuje komunikaci samotného DSP modulu přes I2C s vývojovým prostředím SigmaStudio 3.9 a zprostředkovává i napájení DSP modulu. Jeho fotografii můžeme vidět na Obr. 14. Jádrem DSP modulu je výše popsaný čip ADAU1701. DSP modul je osazen dvěma konektory jack 3,5mm. Jeden pro linkový stereo vstup a druhý pro linkový stereo výstup. Modul je také opatřen výkonovým stereo zesilovačem SSM2316 pracujícím v třídě D s výkonem 2W na kanál do zátěže 4Ω a 1,4W na kanál do zátěže 8Ω. Zesilovač tak poskytuje dostatečný výkon například pro sluchátka. Jeho výstupy jsou vyvedeny na šroubovací svorky. Celkově tedy DSP modul disponuje dvěma analogovými vstupy a čtyřmi výstupy. Jako úložiště pro firmware slouží sériová EEPROM 24AA256, která umožňuje tzv. self boot mód. Samotný DSP modul tak může po nahrání firmwaru do EEPROM a po přivedení napájecího napětí fungovat bez jakéhokoli externího řízení. Modul je osazen třemi tlačítkovými mikrospínači a jedním potenciometrem, které lze využít například jako ovládání hlasitosti, pro výběr výstupu, úpravy parametrů filtru a podobně. Jako komunikační výstup slouží 3 LED diody. Spínače, potenciometr a LED diody jsou připojeny k GPIO pinům DSP. Modul je také vybaven konektorem pro připojení digitálního audio vstupu, či výstupu. Na Obr. 13 je vyobrazeno osazení konektorů a funkční blokové schéma DSP modulu. Na Obr. 15 je DSP modul vyfocen.

21

Obr. 13: Funkční blokové schéma DSP modulu vývojového kitu EVAL-ADAU1701MINIZ, převzato z [12]

Obr. 14: USB SPI/I2C programátor Analog Devices USBi

Obr. 15: DSP modul vývojového kitu EVAL-ADAU1701MINIZ

22

4.7

SigmaStudio3.9

Jako programovací prostředí pro řadu produktů SigmaDSP slouží program SigmaStudio 3.9. Jedná se o grafické programovací prostředí, které usnadňuje programování DSP bez nutnosti znalostí programovacího jazyka. Samotný návrh algoritmu je založen na jednotlivých funkčních blocích, které se propojují mezi sebou jako ve schématu. Prostředí SigmaStudio 3.9 je velice intuitivní a bloky jsou uspořádány do skupin podle jejich funkce a tak je orientace v programu velice rychlá. Na Obr. 16 e zobrazen projekt stereo jednooktávového ekvalizéru s externím ovládáním hlasitosti a zapínáním výkonového zesilovače v prostředí SigmaStudio 3.9.

Obr. 16: Programovací prostředí SigmaStudio3.9

23

5 5.1

KONSTRUKCE PRVNÍ VERZE DSP

V případě prvního prototypu byl pro seznámení se s funkcí DSP a ověření teorie funkce použit zakoupený vývojový kit EVAL-ADAU1701MINIZ, který je detailněji popsaný v odstavci 4.6. K tomuto kitu byly připojeny dále popsané periférie.

5.2

Snímání hluku

Hluk z okolí je v obou verzích zařízení snímán dvěma mikrofony pro každé ucho zvlášť. Po důkladném promyšlení požadovaných parametrů byly zvoleny miniaturní MEMS mikrofony Analog Devices ADMP411 (Obr. 17). Jedná se o miniaturní elektretové mikrofony s integrovaným zesilovačem. Hlavních kritérií, díky kterým byly tyto mikrofony zvoleny, je hned několik. Mezi nejdůležitější patří schopnost snímat zvuk s extrémně vysokou hodnotou akustického tlaku a to až 131dB [8]. Mezi další kritérium patří také široký frekvenční rozsah 28Hz-20kHz a výrobcem zveřejněné přesné měření frekvenční charakteristiky mikrofonu, které je pro naši aplikaci stěžejní. Mezi další výhodu patří zanedbatelná hmotnost membrány, díky čemuž nedochází k přenášení vibrací pouzdra mikrofonu do signálu. Mikrofony disponují také vcelku vysokým odstupem signál-šum a to 62dB. Napájecí napětí se pohybuje v rozmezí 1,5V a 3,6V. Menší nevýhodou při výrobě prototypu byly malé rozměry mikrofonu a obtížná manipulace s nimi. Pro tyto účely byly zhotoveny podpůrné držáky, ke kterým byl mikrofon připevněn pomocí epoxidu. Jejich fotografii můžeme vidět na Obr. 17. Technologii MEMS mikrofonů firma Analog Devices začátkem roku 2014 prodala firmě InvenSense, která vyrábí celou původní produktovou řadu ADMP mikrofonů pod označením INMP. Na trhu lze tyto mikrofony stále nalézt jak pod původním označením ADMP411, tak i pod novým označením INMP411.

Obr. 17: Detail uchycení mikrofonů na konstrukci sluchátek

24

Obr. 18: Frekvenční charakteristika mikrofonu ADMP 411 udávaná výrobcem [14]

Obr. 19: Závislost amplitudy výstupního napětí na akustickém tlaku [14]

5.3


Mikrofon ADMP411 při hladině akustického tlaku 131dB generuje výstupní signál o úrovni -13dBV (0,8Vp-p). Většina převodníků je schopna zpracovat vstupní signál o maximální úrovni 0dBV. Daný předzesilovač by měl mít tedy zesílení 13dB, což podle vzorce č. 7 odpovídá napěťovému zesílení zhruba 4,5. 𝐴=

𝑈𝑂𝑈𝑇 𝑈𝐼𝑁

𝑎

(8)

; 𝑎 = 20 ∙ log(𝐴) ; 𝐴 = 1020

25

Vzhledem k provozu na zdroji s jednou napájecí větví v rozsahu 3,3V až 5V s ohledem na různé typy převodníků byl zvolen tzv. Input-Output Rail-to-Rail operační zesilovač AD8605, který je schopný zpracovat vstupní napětí až do rozsahu jeho napájecího napětí. Úbytek napětí mezi napájecím napětím a maximálním výstupním napětím je dán hodnotou výstupního proudu a teplotou pouzdra. Při výstupním proudu 1mA je úbytek z napájecího napětí 0,02V, při výstupním proudu 10mA je úbytek 0,2V. Obecné schéma zapojení je uvedeno v kapitole 4.3. Typ operačního zesilovače v tomto případě nehraje roli.

5.4

Sluchátkový zesilovač

Výstupní signál z DSP do sluchátek je nutné zesílit jak napěťově, tak proudově. Samotný výstup AD převodníku není schopen měniče dostatečně vybudit. Obvody zesilovačů byly vybírány z řady produktů firmy Analog Devices a Texas Instruments s ohledem na výstupní výkon, potřeby napájecího napětí a zejména na topologii zapojení zesilovače. Z široké řady otestovaných čipů nejvyšší spolehlivost a nejlepší funkčnost projevil zesilovač od firmy Texas Instruments s označením TPA6138A2. Tento obvod obsahuje stereo výkonový zesilovač s nastavitelným zesílením a také invertor, který z nesymetrického napájení 3,3V vytváří symetrické napájení ±3,3V. Tím dosahuje vysoké dynamiky výstupního signálu a vysokého výkonu i do velkých impedancí při velmi nízkém napájecím napětí.

5.5

Ochranná sluchátka a elektroakustické měniče

Jako hlavní konstrukce a základní ochrana sluchu byly použity klasické mušlové chrániče sluchu od firmy 3M, konkrétně PELTOR OPTIME II, do kterých byly pomocí vložek vyfrézovaných z plexiskla nainstalovány reproduktory z bezdrátových sluchátek MOTOROLA S805. Kvůli ochraně reproduktorů proti prachu a mechanickému poškození byly překryty plastovou mřížkou a průzvučnou tkaninou.

Obr. 20: Sluchátka PELTOR OPTIME II (vlevo); Reproduktory ze sluchátek MOTOROLA S805 (vpravo)

26

Obr. 21: Vložka z plexiskla s vloženou plastovou mřížkou pro montáž reproduktoru (vlevo); zkompletovaný náušník s vlepenou vložkou a ochrannou průzvučnou tkaninou (vpravo)

Velký problém bylo sehnat vhodné měniče do sluchátek. I přes poptávku u výhradních dovozců špičkových výrobců sluchátek nebylo možné zajistit samotné reproduktory jako náhradní díl. Ve většině případů jsou integrovány do mechanické konstrukce sluchátek, nebo se jako náhradní díl ani nedodávají. Tento stav byl zdůvodněn ekonomickou náročností. Cena náhradních reproduktorů totiž mnohdy není příliš nižší, než kompletně nová sluchátka. Po neúspěšném pokusu sehnat měniče od dovozců bylo nutné změnit přístup a pro prototyp sluchátek byly vybrány měniče z nefunkčních mušlových sluchátek střední kvality od firmy MOTOROLA. Jedná se o starší model bluetooth sluchátek S805. Měniče z těchto sluchátek vyhovovaly jak rozměry, tak vyrovnanou frekvenční charakteristikou. Frekvenční charakteristika byla při výběru hodnocena subjektivně na přehrávané hudbě. Obecně je velmi složité změřit frekvenční charakteristiku sluchátek bez potřebného vybavení. Nejdůležitější součástí měřícího řetězce je model lidské hlavy se zabudovanými měřícími mikrofony, který přesně simuluje lidský sluchový aparát, především vnější ucho. Tento model je pro přesnost měření klíčový. Je nutné zohlednit vazbu sluchátka a ucha, kdy se jedná o zvukovod, který ovlivňuje frekvenční charakteristiku. Mezi další limitace při měření patří i relativně nízký výkon sluchátek, který také znemožňuje měřit frekvenční charakteristiku sluchátek stejně jako například u reprobeden. Frekvenční charakteristika byla tedy orientačně změřena pomocí improvizovaného řetězce tvořeného měřícím mikrofonem EAW RTA-420, ke kterému je dodána změřená kalibrační křivka a studiové zvukové karty E-MU0404. Měření bylo provedeno softwarem EAW Smaart. Jako improvizovaná bezdozvuková komora posloužila druhá mušle sluchátek, která neměla namontovanou vložku s měničem. Toto měření není zdaleka přesné, ale pro zvolené účely je dostačující. Následně byly porovnány frekvenční charakteristiky mikrofonu (Obr. 18), útlumu sluchátek (Tabulka 4) a reproduktorů (Obr. 22), z nichž byla vytvořena výsledná charakteristika filtrů (Tabulka 5), které jsou aplikovány v DSP. Celkové zesílení bylo určeno na základě experimentálního měření.

27

Obr. 22: Změřená frekvenční charakteristika sluchátek; modrá RTA analýza a červená křivka vyjadřují frekvenční charakteristiku referenčního signálu, zelená a žlutá křivka představují změřenou frekvenční charakteristiku sluchátek

Obr. 23: Frekvenční charakteristika měřícího mikrofonu EAW RTA-420 [15]

28

Obr. 24: Měřící mikrofon EAW RTA-420

Tabulka 4: Útlum sluchátek Peltor Optime II [16]

Frekvence (Hz)

63

125

250

500

1000 2000 4000 8000

Mf(dB)*

16,2 14,6 20,2 32,5

39,3

36,4

34,4

40,2

Sf(dB)**

1,9

2,3

2,1

2,4

4,0

2,3

APVf (dB)***

14,3 13,0 17,7 30,2

37,2

34,0

30,4

37,9

1,6

2,5

*Mf=střední hodnota útlumu, **Sf=standartní odchylka, ***AVPf=předpokládaná úroveň ochrany. Tabulka 5: Frekvenční charakteristika filtrů

Frekvence: Sluchátka Mikrofon Reproduktory Celkem

5.6

63 22,9 2 3 27,9

125 250 500 1000 2000 4000 Zesílení vztažené k referenční hodnotě na f = 1kHz (dB) 24,2 19,5 7 0 3,2 6,8 1 0 0 0 0 -1 -12 -14 -10 -10 -15 3 13,2 5,5 -3 -10 -11,8 8,8

Doplňující stereofonní vstup audio signálu

V případě prvotního prototypu nebyl vstup externího signálu realizován. Ač má vývojový kit vyvedené piny pro digitální vstupy na konektor, neumožňuje vyvést taktovací signál pro externí převodník pomocí GPIO pinu. Vývojový kit má na tomto pinu vyvedenu LED.

29

8000 -0,7 -3 3 -0,7

6

ZHODNOCENÍ FUNKCE PRVOTNÍHO NÁVRHU

Jak již bylo zmíněno v úvodu této kapitoly, DSP ADAU1701 disponuje výkonem 50MIPS. Takt jeho jádra je pevně dán interním fázovým závěsem na 50MHz, tudíž je výpočetní výkon závislý na vzorkovací frekvenci. ADAU 1701 při fs=48kHz je schopno zpracovat až 1024 instrukcí na vzorek, avšak při této vzorkovací frekvenci je latence zpracování cca 500µs, což je pro danou aplikaci nepoužitelné. Při vzorkovací frekvenci 192kHz bylo dosaženo latence 120µs, což je čas, za který zvuková vlna urazí ve vzduchu cca 5cm. Tato latence je pro daný návrh na hranici konstrukčních možností, avšak dostačující. Daní za malou latenci je však velice malý výpočetní výkon. Jádro DSP se při téhle vzorkovací frekvenci přepne do tzv. quad rate režimu a je schopno zpracovat pouze 256 instrukcí za vzorek. V případě použití více filtrů s delší impulsní charakteristikou je takto nízký počet instrukcí na vzorek velice limitující a znemožňuje použití dostatečného množství filtrů. Díky tomuto výpočetnímu limitu není možné dostatečně vyrovnat výslednou frekvenční charakteristiku a zařízení tak ztrácí účinnost v širokém pásmu. To mělo za vliv znatelné potlačení hluku pouze v oblasti středních tónů zhruba mezi 500Hz až 2kHz. Tento návrh byl zhodnocen jako úspěšný vzhledem k ověření teorie funkce zařízení tohoto typu, avšak jeho parametry zdaleka nesplňovaly očekávání. Na základě zjištěný, že nejslabším a limitujícím prvkem celého zařízení DSP bylo rozhodnuto navrhnout zařízení s rychlejším a výkonnějším DSP.

30

7

NÁVRH ZAŘÍZENÍ S VÝKONNĚJŠÍM DSP Self boot EEPROM

I2C

Externí vstup

sigmaDSP ADAU1446 I2S

ADC/DAC AD1938


Mikrokontrolér ATtiny4 SPI


výkonový supeň zdroj hluku

zdroj hluku referen ční mikrofon

referen ční mikrofon reproduktory

Obr. 25: První verze zobecněného blokového schématu návrhu s rychlejším DSP

Na základě znalostí získaných při stavbě zařízení podle prvního návrhu bylo přistoupeno k návrhu novému, založenému na stejném principu a stejných periferiích, avšak s rychlejším DSP. Vzhledem ke zkušenostem s produkty firmy Analog Devices byl pro druhý návrh vybrán model ADAU1446. Tento DSP má 3,5 krát vyšší výpočetní výkon než předcházející model ADAU1701, avšak nedisponuje žádným integrovaným převodníkem. Tento fakt celé zapojení mírně zkomplikoval. Vzhledem k ceně vývojového kitu bylo rozhodnuto celé zařízení zprovoznit na nepájivém poli. Z prvotního návrhu zůstala beze změny konstrukce sluchátek, snímání hluku, předzesilovač a sluchátkový zesilovač. Zapojení se rozrostlo o AD/DA převodníky AD1938 a PCM4202 s příslušnými vstupními a výstupními přizpůsobeními a podpůrné obvody, mezi které patří stabilizátory s nízkým úbytkem napětí ADP3339 a ADP3336, hlídací obvod ADM811 a SPI master pro nastavování převodníku AD1938 s ATtiny85. Pro konstrukci na nepájivém poli byly zakoupeny speciální redukce na SMD pouzdra, na které byly připájeny potřebné čipy.

Obr. 26: Redukce s připájenými vývody a součástkami; AD převodníky vlevo a DSP ADAU1446 vpravo

31

8

KONSTRUKCE ZAŘÍZENÍ PODLE DRUHÉHO NÁVRHU

8.1

Blokové schéma a popis HW řešení Self boot EEPROM

I2C I2S

ADC PCM4202 Externí vstup Mikrofonní předzesilovač

sigmaDSP

GPIO ovládání a indikace

ADAU1446 I2S

ADC/DAC AD1938

výkonový supeň

SPI

Mikrokontrolér Attiny85

Mikrofonní předzesilovač zdroj hluku

zdroj hluku referen ční mikrofon

referen ční mikrofon reproduktory

Obr. 27: Blokové schéma zařízení na aktivní potlačení hluku-konečná verze

32

Obr. 28: Fotografie zařízení na nepájivém poli

Ve středu nepájivého pole se nachází samotný DSP. Po jeho pravé straně se nachází konektor sběrnice I2C pro programování DSP a EEPROM 24LC256. Po levé straně se nachází vstupní a výstupní filtry. Převodník PCM4202 se nachází na malém přídavném nepájivém poli úplně vlevo dole. Na tomtéž nepájivém poli se nachází USB codec PCM2906, který sloužil jako zvuková karta pro zdroj audio signálu a zároveň napájení 5V. V pravé dolní části se nachází AD/DA AD1938, po jehož levé straně se pod kabely skrývá ATtiny85. V horní části je umístěna vstupně/výstupní DPS. Zesilovač pro sluchátka je po pravé straně DSP překryt kabely.

33

8.2

Popis funkce zařízení

Jak již bylo zmíněno, obecný přístup k problematice a řešení je shodný s prvním návrhem, avšak byl rozšířené o obvodové součásti, které jsou nutné pro správnou funkci zařízení. Blokové schéma je vyobrazeno na Obr. 27. Hluk je snímán mikrofony ADMP411. Signál je dále zesílen jednoduchým neinvertujícím zesilovačem se zesílením 5 s obvodem AD8605. Zesílený signál vstupuje do vstupních přizpůsobovacích obvodů převodníku PCM4202, kde dojde z jednoho nesymetrického signálu k vytvoření symetrického páru a úpravě střední hodnoty signálu, kdy je ke vstupnímu signálu přičtena hodnota zhruba ½ napájecího napětí. Digitální výstup z převodníku je přiveden do DSP, které se stará o zpracování signálu. Vstup vnějšího zdroje je přiveden přes konektor jack 3,5mm a nemá z důvodu dostačující linkové úrovně většiny zařízení předzesilovač. Signál tak přímo vstupuje do vstupních přizpůsobovacích obvodů, které mají stejné zapojení, jako v případě mikrofonních vstupů. O digitalizaci signálu se u toho vstupu stará kombinovaný čip AD1938, z kterého je přiveden digitální signál opět do DSP. Použití dvou AD převodníků se může zdát zbytečné, ale má svoje opodstatnění. Zprvu byl obvod sestaven pouze s čipem AD1938, který nabízí 2 stereo vstupy a 4 stereo výstupy, z nichž byly použity oba vstupy a jeden výstup. Při měření ale obvod vykazoval latenci 240µs, což je pro dané použití nedostačující. Při hledání příčin takto vysoké latence bylo zjištěno, že AD1938 obsahuje v AD převodnících integrované anti – aliasingové filtry a filtry odstraňující stejnosměrnou složku, které do signálu zavádí vysokou latenci. Bylo proto rozhodnuto přidat další převodník s rychlejšími filtry. Při výběru bylo nutné zohlednit požadavky na vzorkovací frekvenci, požadovaný typ sběrnice a pokud možno jednoduché zapojení. Těmto požadavkům nejlépe vyhovoval převodním PCM4202 od firmy Texas Instruments, který disponuje jedním stereo vstupem, rychlejšími filtry a možností je úplně vypnout. Provozní parametry se nastavují hardwarově pomocí určených pinů, takže odpadla nutnost převodník jakkoli řídit mikrokontrolérem. S tímto převodníkem je dosažená latence 118µs. O zpracování signálu se stará DSP čip ADAU1446, který pracuje v quad režimu se vzorkovací frekvencí 192kHz a je při této rychlosti schopen zpracovat 896 instrukcí na vzorek, což je pro základní korekce frekvenční charakteristiky dostačující a umožňuje přidat i doplňující funkce, jako je například přenášení řečového pásma z mikrofonů. Volba jednotlivých funkcí zařízení je uskutečnitelná pomocí externích tlačítek a stav zařízení je zobrazován LED diodami. Pomocí dvou potenciometrů lze také ovládat hlasitost hudby a pásma řeči. Výstup digitálního signálu z DSP je přiveden do obvodu AD1938, který obsahuje krom 2 stereo AD také 4 DA převodníky. Na výstupu z DA převodníku je zařazen interpolační filtr, který zabraňuje prostupu vf rušení do signálu. Z tohoto filtru vstupuje signál do výkonového zesilovače a následně do sluchátek. Sluchátka jsou k prototypu připojeny pomocí konektoru DIN-8. V odstavcích níže je celé obvodové řešení detailně popsáno.

34

8.3

Zdrojová část

V zařízení se vyskytují obvody, které potřebují různá napájecí napětí. Konkrétně 5V pro analogovou část převodníku PCM4202, 3,3V pro digitální část převodníku PCM4202 a AD1938, a oddělených 3,3V pro napájení DSP a podpůrných obvodů. Zařízení je napájeno 5V z USB sběrnice, popřípadě laboratorního zdroje, tudíž odpadá nutnost stabilizace 5V větve. Pro stabilizaci napájení byl vzhledem k vyšší spotřebě převodníků použit stabilizátor s maximálním povoleným výstupním proudem 1,5A ADP3339-3.3. Zapojení stabilizátoru s ADP3339-3.3 můžeme vidět na Obr. 30. Pro napájení analogové části byl zvolen stabilizátor ADP3336 s maximálním výstupním proudem 0,5A. Zapojení tohoto stabilizátoru je znázorněno na Obr. 29 Oba stabilizátory jsou výrobcem označeny jako „Low dropout“ pro svou vlastnost velmi nízkého minimálního úbytku napětí mezi vstupem a výstupem a to 0,5V. Většina lineárních stabilizátorů má tento úbytek až 2V.

Obr. 29: Schéma zdroje 3,3V / 500mA pro analogovou část

Obr. 30: Schéma zdroje 3,3V / 1,5A pro digitální část

35

8.4


Vzhledem k umístění mikrofonu do sluchátek a vedení dlouhého přívodního kabelu k samotnému zařízení bylo vhodné umístit předzesilovač přímo do konstrukce sluchátek a docílit tím co nejlepšího omezení rušení. Pro tyto účely byla navrhnuta miniaturní DPS, na které je umístěn samotný předzesilovač i konektory pro připojení reproduktor a přívodního kabelu. Jedná se o neinvertující zapojení s operačním zesilovačem AD8605 se zesílením 5. Schéma je vyobrazeno na Obr. 31. Detail DPS je vyfocen na Obr. 32.

Obr. 31: Schéma vstupního modulu

Obr. 32: Detail DPS (vlevo) a montáže předzesilovače do mušle sluchátek (vpravo)

8.5

Vstupní přizpůsobení pro PCM4202

Převodník PCM4202 má plně diferenciální analogové vstupy s rozsahem vstupního napětí 0-5V. Je tedy nutné z nesymetrického vstupního signálu vytvořit symetrickou dvojici signálů pro každý kanál zvlášť. To je zajištěno dvěma invertujícími zesilovači se zesílením 1 v sérii. První zesilovač vytvoří ze vstupního signálu invertovaný signál s opačnou fází, který je přiveden na záporný vstup převodníku.

36

Druhý invertující zesilovač tento signál fázově otočí zpět a vytvoří tak signál se shodnou fází jako vstup. Tento signál je přiveden na kladný vstup AD převodníku. Dvojice invertujících zesilovačů je použita kvůli potřebě mít zesílení rovno jedné a zároveň ke každé větvi k signálu přičítat referenční napětí. První invertující zesilovač se rovněž chová jako dolní propust a zabraňuje přenosu VF signálu vyššímu jak 230kHz. Pro konstrukci vstupních obvodů byly použity operační zesilovače AD8608, které jsou parametrově shodné, jako již zmiňované AD8605, ovšem obsahují 4 operační zesilovače. Schéma je zobrazeno na Obr. 33.

Obr. 33: Schéma zapojení vstupních obvodů převodníku PCM4202

8.6

AD převodník PCM4202

Zapojení převodníku PCM4202 můžeme vidět na Obr. 35 a Obr. 34. Zapojení není nikterak složité. Převodník je napájen dvěma oddělenými napájecími napětími a to 5V pro analogovou vstupní část a 3,3V pro digitální část. Signály ze vstupních obvodů jsou přivedeny na piny 4,5 a 24,25. Na pinech 3 a 26 se nachází výstup referenčního napětí.

37

V pravé spodní části pouzdra na pinech 15-19 se nachází digitální datové výstupy sběrnice I2S, vstup taktovacího hodinového signálu a resetovací pin. Samotná komunikace po I2S sběrnici probíhá na pinech 15-17. Časový diagram I2S komunikace je zobrazen na Obr. 36. Pin 17(LRCK) udává, který kanál se právě přenáší (0=levý, 1=pravý). Pin 16(DBCK) určuje taktování samotného přenosu dat na pinu 16(DATA). V levé spodní části pouzdra se nachází piny pro tzv. hard-wire nastavení parametrů převodníku. Pin 8 určuje, zdali se převodník na sběrnici chová jako master, nebo slave. To znamená, jestli generuje vlastní časování frekvence dat na sběrnici na pinech BCK a LRKC (master), nebo posílá data v závislosti na vstupních taktovacích signálech (slave). V tomto zapojení převodník figuruje na sběrnici jako master, tudíž je S/M pin nastaven do log. 0. Nastavení pinů FMT0 a FMT1 určuje typ datového toku. V našem případě při nastavení FMT0=1 FMT1=0 je protokol pro sériovou komunikaci 24bit I2S. Piny FS0,FS1,FS2 slouží pro nastavení vzorkovací frekvence v závislosti na vstupním taktovacím signálu SCK. Systémový taktovací signál je generován DSP a jeho frekvence je 24,576MHz. V tomto případě jsou všechny piny nastaveny na log. 1, což znamená, že vzorkovací frekvence bude rovna SCK/128, tedy 192kHz a převodník je tak přepnut do quad-rate režimu s minimální latencí. Pinem HPFD se dá vyřadit z činnosti hornopropustní filtr, který filtruje stejnosměrnou složku na vstupu. Pro získání nižší latence byl filtr vypnut, tzn. HPFD=1.

Obr. 34: Schéma zapojení AD převodníku PCM4202

Obr. 35: Zapojení převodníku PCM4202 na nepájivém poli

38

Obr. 36: Časové průběhy různých protokolů I2S sběrnice [17]

39

8.7

Vstupní přizpůsobení pro AD1938

Na Obr. 37 je vyobrazeno schéma vstupních obvodů převodníku AD1938. Jedná se o téměř identické schéma, jako v případě vstupních obvodů pro převodník PCM4202 s rozdílem v napájecím napětí, které je v tomhle případě 3,3V a pouze jedním referenčním napětím společným pro oba kanály. Opět je použit čtyřnásobný operační zesilovač AD8608.

Obr. 37: Schéma zapojení vstupních obvodů převodníku AD1938

8.8

Výstupní filtr pro AD1938

Vzhledem k faktu, že výstupní signál DA převodníku má impulsní charakter, je nutno za jeho výstup zařadit jednoduchý dolnopropustní filtr, který impulsní rušení v signálu odstraní. Filtr je realizovaný pomocí dvounásobného operačního zesilovače AD8606, který je opět parametrově shodný s AD8605 a AD8608. Mezní frekvence tohoto filtru je zhruba 70kHz. Schéma výstupního filtru je zobrazeno na

40

8.9

Koncový zesilovač pro sluchátka

Výstup filtru je přiveden na vstup koncového zesilovače pro sluchátka TPA6138A2 od firmy Texas Instruments. Schéma zapojení je vyobrazeno spolu s výstupním filtrem na Obr. 40 . Obrovskou výhodou tohoto zesilovače je integrovaný invertor napájecího napětí, čímž je dosaženo dvojnásobné úrovně napájecího napětí a tím i vysoké dynamiky výstupního signálu. Díky symetrickému napájení také odpadá nutnost použití výstupního kondenzátoru na oddělení stejnosměrné složky a reproduktory je možné připojit přímo na výstupy zesilovače. Koncový stupeň se chová jako klasický operační zesilovač, takže není nutné aplikovat žádné výstupní filtrace, jako je tomu při použití koncových zesilovačů v třídě D, jejichž výstupem je PWM modulace. Zvoleno bylo neinvertující zapojení se zesílením 3.

Obr. 38: Schéma zapojení výstupního filtru a sluchátkového zesilovače

Obr. 39: Vstupní a výstupní filtry zapojené na nepájivém poli

41

Obr. 40: Zapojení sluchátkového zesilovače na nepájivém poli

8.10

AD/DA převodník AD1938

Jak již bylo zmíněno v úvodu této kapitoly, čip AD1938 v jednom pouzdře skrývá dva stereo AD převodníky a čtyři stereo DA převodníky. Dohromady tedy 4 vstupy a 8 výstupů, z nichž je ve finálním návrhu použit jeden stereo vstup a jeden stereo výstup (ADC1 a DAC1). Stejně jako PCM4202 komunikuje AD1938 s DSP po sběrnici I2S. V tomhle případě je však komunikace obousměrná po dvou oddělených sběrnicích. Stejně jako PCM4202 je převodník taktován systémovým taktem 24,576MHz a chová se jako slave na datové sběrnici směrem z AD převodníku do DSP i na sběrnici z DSP do DA převodníku. Pro odesílání dat z ADC1 do DSP slouží piny ASDATA, ABCLK, ALRCLK. Pro příjem dat z DSP do DAC1 slouží piny DSDATA1, DBCLK a DLRCLK. Analogový vstup je z vstupních obvodů připojen na piny 39-42. Analogový výstup je vyveden na pinech 28 a 29. Zapojení je zobrazeno na Obr. 46. AD1938 je od PCM4202 odlišný zejména v tom, že nemá hard-wire nastavovací piny a veškeré jeho nastavení probíhá prostřednictvím sériové sběrnice SPI. Přes tuto sběrnici se nastavuje všech 17 registrů. Pro správnou funkci převodníku byl pomocí vývojového prostředí Arduino naprogramován mikrokontrolér ATtiny85, který zajišťuje nastavení všech registrů převodníku. Komunikace probíhá po třech vodičích sériově v cyklech o délce 24 bitů, kdy prvních 7 bitů představuje adresu čipu na sběrnici, která je v případě AD1938 pevně daná na hodnotu 4. Po adrese čipu následuje jeden bit určující, zda se bude z registrů číst, či zapisovat. Po této inicializaci je odeslána adresa registru, do kterého se má zapisovat nebo číst, o délce 8 bitů. Jako poslední sekvence 8mi bitů jsou samotná data nastavení registrů. Jednotlivé registry a jejich adresy jsou zapsány v Tabulka 6 jejich nastavení pak v Tabulka 7 a Tabulka 8. Zapojení procesoru ATtiny85 je zobrazeno na Obr. 44. Časový diagram komunikace po sběrnici je zobrazen na Obr. 41. Osciloskopem ověřené průběhy na Obr. 42.

42

Obr. 41: Časový diagram komunikace po SPI sběrnici [17]

Obr. 42: Zobrazení datového toku na sběrnici SPI. Žlutá křivka představuje samotná data, modrá pak aktivitu pinu LATCH. Celkem jsou na obrázku vyobrazeny tři rámce.

Obr. 43: SPI master pro nastavení registrů

43

Obr. 44: ATtiny85 jako SPI master na nepájivém poli

Obr. 45: Zapojení AD/DA AD1938

44

Obr. 46: Zapojení převodníku AD1938 na nepájivém poli Tabulka 6: Adresy, názvy a popis funkce registrů

Adresa

Název registru

Popis funkce

0

PLL and clock control 0

Nastavení fázového závěsu a taktování

1

PLL and clock control 1

Nastavení fázového závěsu a taktování

2

DAC control 0

Nastavení DA převodníku

3

DAC control 1


4

DAC control 2


5

DAC channels mute

Ztlumení jednotlivých kanálů DA

6

DAC L1 volume control

Nastavení hlasitosti DA

7

DAC R1 volume control


8



9



10



11



12



13



14

ADC control 0

Nastavení AD převodníku

15

ADC control 1

Nastavení AD převodníku

45

Tabulka 7: Hodnoty nastavení registrů 0-4

Registr 0

Bit 0 2:1 4:3 6:5

Hodnota 0 10 10 00

Funkce PLL aktivní 512xfs 512xfs MCLKI/XI

Popis aktivita PLL Nastavení vstupu taktovací frekvence Nastavení výstupu taktovací frekvence Volba vstupu fázového závěsu zapnutí interního generátoru taktovací frekvence

7

1

AD a DA aktivní

1

0 1 2 3 7:4

1 1 0 0 0000

MCLK MCLK Zapnuto pouze pro čtení Bez funkce

Zdroj taktování DA Zdroj taktování AD Napěťová reference indikátor funkce PLL

2

0 2:1 5:3 7:6

0 10 000 00

Normální funkce 192kHz 1 Stereo

Napájení DA Vzorkovací frekvence Zpoždění SDATA (počet period BCLK) Formát komunikace I2S

3

0 2:1 3 4 5 6 7

0 00 0 0 0 0 0

Uprostřed cyklu 64 Levá=0 Slave Slave DBCLK Normální

Aktivní hrana BCLK Počet period BCLK za rámec LRCLK polarita LRCLK master/slave BCLK master/slave Zdroj BCLK Polarita BCLK

4

0 2:1 4:3 5 7:6

0 00 00 0 00

Neaktivní Neaktivní 24bit Neinvertováno Bez funkce

Centrální ztlumení všech DA De-emphasis filtr Délka slova výstupní polarita DA

46

Tabulka 8: Hodnoty nastavení registrů 5-16

Registr Bit Hodnota 5 0 0 1 0 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1

Funkce Neaktivní Neaktivní Zltumeno Zltumeno Zltumeno Zltumeno Zltumeno Zltumeno

Popis Zltumení DAC1 L Zltumení DAC1 R Zltumení DAC2 L Zltumení DAC2 R Zltumení DAC3 L Zltumení DAC3 R Zltumení DAC4 L Zltumení DAC4 R

6

7:0 00000000 Žádný útlum

Hlasitost DAC1 L

7

7:0 00000000 Žádný útlum

Hlasitost DAC1 R

8-13

7:0 11111111 Plný útlum

Hlasitost DAC2-DAC4

14

0 1 2 3 4 5 7:6

0 0 0 0 0 0 10

Zapnuto Vypnuto Neaktivní Neaktivní Neaktivní Neaktivní 192kHz

Napájení Horní propust Ztlumení ADC L1 Ztlumení ADC R1 Ztlumení ADC L2 Ztlumení ADC R2 Vzorkovací frekvence

15

1:0 4:2 6:5 7

00 000 00 0

24 1 Stereo Uprostřed cyklu

Délka slova Zpoždění SDATA (period BCLK) Formát komunikace I2S Aktivní hrana BCLK

16

0 1 2 3 5:4 6 7

0 0 0 0 00 0 0

50/50 DEF L=0 Slave 64 Slave ABCLK pin

LRCLK formát BCLK polarita LRCLK polarita LRCLK master/slave počet taktů BCLK za rámec BCLK master/slave Zdroj BCLK

47

8.11

Programování ATtiny85 pomocí ArduinoUNO

Rodina vývojových prostředí Arduino je vybavena funkcí, kdy se dá použít jako ISP programátor zejména pro programování procesorů Atmel ATtiny. Programování je velice jednoduché. Pro správnou funkci je nutné do arduina nahrát ovládací software pro zprostředkování funkce ISP programátoru. Dále se v IDE nastaví volba „programmer“ na hodnotu „arduino as ISP“ a v nabídce board vybereme patřičný procesor. V našem případě se jedná o ATtiny85. Pro správnou funkci programování je nutné kondenzátorem 10µF/16V zablokovat resetovací pin oproti zemi. Po zapojení programovaného ATtiny podle Obr. 47, popřípadě podle Tabulka 9 je obvod připravený pro programování. Po otevření naprogramovaného sketche stačí vykonat příkaz „upload“ a programátor se postará o veškerou práci.

Obr. 47: Zapojení ATtiny pro ISP programování pomocí vývojového prostředí arduino [12]

Tabulka 9: Propojení vývodů ATtiny a Arduino UNO

ATtiny pin

Arduino pin

Označení

2

13

SCK

1

12

MISO

0

11

MOSI

Reset

10

Reset

8.12

DSP

Nejdůležitější částí celého zapojení je DSP ADAU1446, které zprostředkovává veškeré zpracování signálu. S AD/DA převodníky komunikuje po sběrnici I2S. Komunikace s bootovací pamětí a USB rozhraním je zprostředkována po sběrnici I2C. Adresa čipu na sběrnici je nastavena pomocí hard-wire pinů, což dovoluje umístit až 4 stejné DSP na jednu řídící sběrnici.

48

V případě použití jen jednoho DSP jsou piny nastaveny shodně a to ADDR0=ADDR1=1.Firmware pro DSP je uložen v externí bootovací EEPROM 24LC256 odkud je po zapnutí automaticky nahrán do DSP. Self boot režim je aktivován pomocí hard-wire pinu SELFBOOT. Při každém přivedení napájecího napětí je automaticky čipem ADM811 vygenerován resetovací impuls. Vyvolání resetovacího impulsu může být spuštěno také impulsem z USB rozhraní, popřípadě manuálně mikrospínačem. Čip je napájen napětím 3,3V a je doplněn o stabilizátor s tranzistorem na 1,8V, který sám řídí pomocí pinu VDRIVE. Taktovací frekvence jádra je dána externím krystalem 12,288MHz. Oscilace krystalu řídí interní fázový závěs, který se stará o generování taktovacího signálu výpočetního jádra o frekvenci 172MHz. Indikace stavů programu a ovládání je realizováno pomocí GPIO pinů. Zapojení je popsáno v samostatné kapitole. DSP se také stará o generování systémového taktovacího signálu, který je využit pro synchronizaci taktu DSP a převodníků. Frekvence na pinu CLKOUT je řízena hard-wire nastavením pinů CLKMODE1 a CLKMODE0. V tomto případě jsou oba piny nastaveny na log. 1 a výstupní frekvence je tak 512xfs normal, tzn. 512x48kHz = 24,576MHz. DSP disponuje také hard-wire nastavením PLL módu, který určuje vzorkovací frekvenci a režim DSP. S ohledem na nízkou latenci je DSP nastaveno do quad režimu se vzorkovací frekvencí 192kHz. Při frekvenci krystalu 12,288MHz bylo nutné nastavit PLL na hodnotu 64xfs quad, tzn. 64x192kHz = 12,288MHz. Nastavení HW pinů je pak PLL0=0, PLL1=1, PLL2=0.

Obr. 48: Zapojení DSP ADAU1446

49

Obr. 49: Zapojení DSP ADAU1446 na nepájivém poli

Obr. 50: Self-boot EEPROM

Obr. 51: Programovací I2C konektor

Obr. 52: Generátor resetovacího signálu

50

8.13

Ovládací rozhraní, deska s konektory

Pro indikaci stavu zařízení a možnosti ovládat program slouží multifunkční GPIO piny. ADAU1446 disponuje 12 – ti vstupně výstupními piny, z čehož 4 se dají použít jako tzv. AUX ADC s rozlišením 10bit, které mohou sloužit na plynulé ovládání parametrů pomocí potenciometru. V tomto zařízení je využito 9 GPIO pinů, 4 jako vstupní, z čehož jsou dva přepnuty do režimu AUX ADC a 5 výstupních, na kterých jsou napojeny LED, které slouží k indikaci aktivního programu, chodu samotného DSP a funkce mute. Spínačem S3 je cyklicky přepínán program 1-3. Na základě zvoleného programu svítí příslušná indikační LED. Spínač S2 slouží k úplnému ztlumení výstupu DSP a je opět indikován svitem příslušné LED. Uživatel také může regulovat hlasitost externího vstupu (hudby) pomocí potenciometru R61 a řečového pásma pomocí potenciometru R60. Na desce s ovládacími prvky je také umístěn konektor pro připojení sluchátek DIN-8 a konektor jack 3,5 pro připojení externího vstupu.

Obr. 53: Schéma GPIO

51

Obr. 54: Schéma vstupně výstupní DPS

Obr. 55: Fotografie vstupně výstupní DPS

8.14

Dodatečné funkce

Zařízení krom funkce aktivního potlačení hluku disponuje také dvěma přídavnými funkcemi. Pro zkvalitnění komunikace s okolím a zajištění vyšší bezpečnosti na pracovišti byla přidána funkce přenosu pásma řeči v rozsahu 300Hz-3,4kHz. Toto pásmo je pásmovou propustí vyfiltrováno ze signálu, který je snímán mikrofony. Dále je kompresorem dynamiky zajištěna konstantní úroveň hlasitosti a signál je přimíchán k výstupu v závislosti na uživatelském nastavení pomocí potenciometru R60. Potenciometrem R61 je možné do výstupu přimíchat externí vstup, do kterého může být připojen například mp3 přehrávač, výstup radiostanice, apod..

52

8.15

Přehled parametrů jednotlivých komponentů

Tabulka 10: Parametry použitých součástek ADMP411

Rozsah napájecího napětí Maximální snimatelný akustický tlak SNR Citlivost

AD8605/06/08 Rozsah napájecího napětí Frekvenční rozsah Vstupní rozsah

2,7-5,5 V >10 MHz 0V-Ucc 20mV až Ucc-20mV

Výstupní rozsah

3,3 ; 5 V 216 kHz 2 0 24 bit I2S, PCM, DSD

Rozsah napájecího napětí Maximální vzorkovací frekvence Počet analogových vstupů Počet analogových výstupů Rozlišení Podporované formáty

AD1938

V dB SPL dBA dBV

28-20000 Hz

Frekvenční rozsah

PCM4202

1,5-3,63 131 62 -46

3,3 V 192 kHz 4 8 24 bit I2S, PCM, DSP

Rozsah napájecího napětí Maximální vzorkovací frekvence Počet analogových vstupů Počet analogových výstupů Rozlišení Podporované formáty

ADAU1446

Rozsah napájecího napětí Maximální vzorkovací frekvence Počet analogových vstupů Počet analogových výstupů Rozlišení Takt jádra Délka slova Počet instrukcí na vzorek (fs=192kHz) Počet instrukcí na vzorek (fs=48kHz) Počet digitálních vstupů Počet digitálních výstupů

3-3,6 V kHz 4 0 10 bit 172 MHz 28/56 bit 896 3584 24 24

TPA6138A2

Rozsah napájecího napětí Maximální výstupní výkon (Rz=32Ω) Zkreslení

3-3,6 V 40 mW <0,01 %

53

8.16

Firmware

Pro programování obslužného firmwaru pro procesory SigmaDSP slouží dříve zmíněné programové prostředí SigmaStudio, které je svým řešením je velice podobné například známému prostředí LabView. Blokové schéma firmwaru je na obrázku Obr. 58 . Samotný firmware je vyobrazen na Obr. 57. V levé části se nachází bloky vstupů audio signálu a bloky GPIO vstupů. Vstup mikrofonního signálu z PCM4202 je přiveden na vstupy 6 a 7. Přídavný vstup je přiveden na vstupy 1 a 2. Vstup GPIO_2 slouží pro připojení tlačítka pro přepínání režimů. GPIO_3 představuje vstup mutovacího tlačítka. Na vstupu ADC_0 je přiveden signál z potenciometru pro ovládání hlasitosti řeči. ADC_1 přivádí vstup pro řízení hlasitosti hudby. Vstupující signál z mikrofonů je ihned u vstupu rozdvojen. Jedna větev je přivedena na banku FIR filtrů pro vyrovnání frekvenční charakteristiky a blok zesílení. Pomocí tohoto signálu je docíleno potlačení hluku. Zpracovaný signál je přimíchán blokem SUM do patřičných vstupů multiplexeru. Druhá větev je přivedena na blok výhybky, která signál rozdělí do tří pásem a to na basy, středy a výšky. Střední pásmo v oblasti 300Hz-3400Hz, kde se nachází většina spektra lidského hlasu je přivedena na kompresor dynamiky, z kterého je signál dále přiveden na ovládání hlasitosti, za kterým je přimíchán do patřičných vstupů multiplexeru. Přídavný vstup prochází pouze blokem na úpravu hlasitosti a je opět přimíchán na vstupy multiplexeru. Tento multiplexer je zároveň s demultiplexerem, který řídí GPIO výstupy signalizace zapnutého režimu, připojen na počítadlo impulsů, které čítá impulsy generované tlačítkem od 1 do 3, čímž jsou na multiplexeru a demultiplexeru přepínány potřebné vstupy a výstupy. Signalizace zvoleného vstupu je realizována pomocí výstupů GPIO_4, GPIO_5, GPIO_6. Za multiplexerem pro výběr režimů následuje další multiplexer, který slouží k úplnému ztišení výstupu. Druhým jeho vstupem je konstanta k=0. Při přepnutí na vstup 2 tak dojde k umlčení výstupu. Stav mute je signalizován pomocí výstupu GPIO_7. Výstup do DA převodníku je vyveden na digitálních výstupech 0 a 1 Na výstupu GPIO_8 je generován obdélníkový signál o frekvenci 20Hz. Tento výstup slouží pro kontrolu správné funkce jádra DSP, kdy máme jistotu že pracuje správně pokud LED připojená na tento výstup bliká. Data pro FIR filtry byly zprvu generovány pomocí programu ScopeFIR 5. V tomto případě byla v demoverzi délka impulsní charakteristiky limitována na 32 vzorků, proto bylo od tohoto programu upuštěno. FIR filtry pro konečnou verzi firmwaru byly navrhovány v programovém prostředí MATLAB. Konkrétně v Filter Design & Analysis Tool (příkaz fdatool,Obr. 56). Všechny filtry mají délku impulsní charakteristiky 101 vzorků a jsou generovány metodou Least Pth-norm se zapnutou optimalizací minimal phase.

54

Obr. 56: Návrh FIR filtru v programovém prostředí MATLAB

Obr. 57:Firmware pro DSP vytvořený v programovém prostředí SigmaStudio 3.9

55

Obr. 58: Blokové schéma funkce firmwaru

56

9

ZHODNOCENÍ FUNKCE DRUHÉHO NÁVRHU

Zařízení má plně funkční všechny vstupy a přídavné funkce, jako je výběr režimu, filtrace hlasu, ovládání hlasitosti jednotlivých vstupů a funkci mute. Konstrukce na nepájivém poli má nesporné výhody ve variabilitě a ceně. Pro odladění prototypu je pravděpodobně nejlepším řešením, avšak přináší řadu nevýhod oproti konstrukci na dobře navržené DPS. Vzhledem k velkému množství analogových i digitálních signálů, které proudí po nestíněných vodičích, má zařízení silné přeslechy mezi kanály a vysokou míru šumu. Na bezchybném provozu zařízení je také velice znát kvalita nepájivého pole. Díky velkým přechodovým odporům vznikají úbytky na napájecím napětí a tvoří se zemní smyčky. I přes to, že se přístupem k dané problematice návrh druhého zařízení nijak neliší, podařilo se použitím výkonnějšího DSP dosáhnout lepších výsledků potlačení hluku. Avšak i přes tato zlepšení není aktivní potlačení hluku dostačující. Příčin neúspěchu úplného potlačení hluku může být mnoho. Nejzávažnější problémy jsou popsány v odstavcích níže.

9.1

Konstrukční vzdálenost mikrofon-reproduktor

Vlivem samotné konstrukce sluchátek a zejména kvůli kompenzaci latence zpracování prostorovým umístěním mikrofonu a sluchátek byly tyto dvě součásti umístěny v osové vzdálenosti zhruba 5cm od sebe. Pokud se hluk v prostoru šíří všesměrově, dochází kvůli tomuto prostorovému umístění k fázovým zpožděním. Zvuková vlna, která se nešíří v ose reproduktoru a mikrofonu dorazí do prostoru, kde chceme potlačení dosáhnout v jiném čase, než vlna, která ji má potlačit. Tímto jevem se degraduje kvalita potlačení hluku. Pro optimální parametry je tedy nutné umístit mikrofon co nejblíže reproduktoru. Podmínkou pro minimální vzdálenost je vysoce výkonný DSP, popřípadě sofistikované analogové řešení. Další možnou nápravou je použití více mikrofonů a digitálním processingem dosáhnout efektu beam-formingu. Mikrofony tak budou snímat jen hluk z daného směru a zabrání se tak fázovým zpožděním.

9.2

Latence zpracování DSP

Jak již bylo zmíněno v předchozí kapitole, je latence samotného zpracování signálu velice určující pro konečnou kvalitu potlačení hluku. Pro sofistikované systémy je nutné použít DSP s vysokým výpočetním výkonem, popřípadě použít paralelní zpracování více procesory. V potaz ale musíme brát fakt, že výkonné zpracování přináší také větší energetickou náročnost zařízení. Nezanedbatelnou latenci do signálového řetězce zanáší také AD a DA převod. Ten je vhodné řešit vysokorychlostními převodníky. Na Obr. 59 je vyobrazeno měření latence systému s dvěma různými převodníky.

57

Obr. 59: Měření latence systému s různými převodníky, vlevo AD1938, vpravo PCM4202

9.3

Fázová charakteristika mikrofonu

Jak výrobce uvádí v dokumentu „Application note AN-1003 - Recommendations for Mounting and Connecting InvenSense MEMS Microphones“ mikrofon samotný nemá konstantní fázovou charakteristiku. Je to dáno jeho konstrukcí. V případě montáže na DPS je vytvořen miniaturní zvukovod, který se chová jako laděný rezonátor a dále mění fázovou charakteristiku mikrofonu.

9.4

Fázová charakteristika filtrů

Ač jsou v zařízení použity FIR filtry s lineární fázovou charakteristikou, finální fázová charakteristika je silně zvlněná a dochází k velkému rozfázování signálu. Není tedy možné, abychom zároveň potlačily všechny části spektra. Pro dokonalé sfázování by bylo nutné do signálové cesty zahrnout kompenzace fáze pro daná frekvenční pásma.

9.5

Neúplná kompenzace frekvenční charakteristiky

Při zachování rozumné latence nebylo možné do DSP implementovat velké množství FIR filtrů. To má za důsledek neúplnou kompenzaci zvlnění frekvenční charakteristiky, což vede k neschopnosti zařízení potlačit všechny frekvence na stejnou úroveň. Tento jev v extrémním případě vede k opačnému jevu, než je potlačení hluku a to k přičtení hluku na dané frekvenci. Přesnou kompenzaci frekvenční charakteristiky znemožňuje také fakt, že výrobce u sluchátek uvádí jen strohé informace o útlumu na osmi frekvencích a také že měření charakteristiky reproduktorů bylo provedeno ve špatných podmínkách, což mělo za vliv jeho nepřesnost.

58

10 MOŽNOSTI BUDOUCÍHO VYLEPŠENÍ Mezi hlavní budoucí cíle patří navrhnout a vyrobit pro další vývoj zařízení kvalitní DPS, čímž bude dosáhnuto vyšší spolehlivosti a snížení úrovně šumu a rušení. Pro samotné zlepšení potlačení hluku na stejně výkonném DSP bude nutné přesně změřit útlum konstrukce sluchátek a frekvenční charakteristiku mikrofonu. Nasnadě je také vyzkoušení snímání více mikrofony, které by mělo omezit problémy s fázovým zpožděním. Nejnáročnější, avšak pravděpodobně nejlepší by bylo nahradit „pomalé“ DSP jiným výkonnějším systémem. Nabízí se široká škála vysoce výkonných DSP od Analog Devices i Texas Instruments. Například řady Blackfinn a TigerSharc od Analog Devices , od Texas Instruments pak například více jádrové DSP řady KeyStone a C6000. Tyto výkonné řady DSP se programují o úroveň níže, tudíž je možnost vysoké variability kódu a optimalizace, avšak úměrně s tím roste náročnost programování. S výkonem roste také finanční náročnost celého systému a složitost řešení, proto by bylo velice náročné systém s těmito procesory bez drahého vývojového kitu zrealizovat. Možnou náhradou digitálního zpracování signálu je také použití analogových digitálně řízených filtrů, které do signálu zavádějí nulovou latenci. Tyto filtry však nejsou natolik flexibilní jako zpracování signálu pomocí DSP. Velice přínosné by bylo srovnat parametry a řešení některých továrních řešení, mezi které patří například Silentium SilentCube, TI ANC, apod..

59

11 ZÁVĚR Tématem této bakalářské práce je návrh zařízení na aktivní potlačení hluku. Teoretická část se zabývá úvodem do akustiky a anatomie a fyziologie lidského sluchu. Mezi důležité části práce patří bezesporu problematika hluku a jeho vlivu na lidský organizmus. Na tuto část navazuje kapitola zabývající se ochranou sluchu proti hluku, v které jsou detailně popsány způsoby ochrany sluchu včetně popisu principů aktivního potlačení hluku. Na základě znalostí získaných při studiu a tvorbě úvodní teoretické části byla navrhnuta první verze zařízení založená na digitálním signálovém procesoru ADAU1701 od firmy Analog Devices. Pro účely seznámení se s funkcemi procesorů řady SigmaDSP byl zakoupen vývojový kit EVAL-ADAU1701MINIZ, který disponuje stereo vstupem a stereo výstupem doplněným o výkonový zesilovač. Navrhnuté zařízení je popsáno v kapitole 5. Sestává se z ochranných sluchátek, do kterých byly nainstalovány mikrofony ADMP411 a reproduktory ze sluchátek MOTOROLA S805. Signál z mikrofonů byl přes předzesilovač veden do vývojového kitu, z něhož byl opět veden zpět do sluchátek přes výkonový zesilovač. Toto navrhované zařízení splňovalo podmínky maximální přípustné latence, avšak DSP neposkytovalo dostatečný výkon pro aplikaci dostatečného počtu filtrů. Nebylo tedy možné kompenzovat frekvenční charakteristiku a zařízení potlačovalo hluk jen na středních frekvencích zhruba mezi 300 Hz až 1000 Hz. Vývojový kit také neumožňoval přivést externí digitální vstup při použití interního taktovacího signálu. Na základě těchto poznatků bylo rozhodnuto přistoupit k návrhu zařízení založeného na výkonnějším DSP z řady SigmaDSP. Vzhledem k možnosti self boot módu a druhu pouzdra byl vybrán DSP ADAU1446. Vzhledem k faktu, že toto DSP neobsahuje žádné interní AD/DA převodníky, musel být vstup audia vyřešen přídavnými převodníky. Celé zařízení bylo prvotně navrženo s použitím převodníku AD1938, který má čtyři analogové vstupy a osm výstupů. Tento převodník byl však pro signál z mikrofonů příliš pomalý. Bylo tedy nutné vybrat jiný vhodný převodník. Vzhledem k nutnosti zachovat vysokou vzorkovací frekvenci byla vyzkoušena řada převodníků BurrBrown od Texas Instruments. Jako nejvhodnější se jevil PCM4202. Jeho výhodou je také vyšší rozsah vstupního napětí díky napájeni 5V. Přes usilovnou snahu se ani u druhé verze zařízení nepodařilo dosáhnout uspokojivého potlačení hluku. V kapitole 7.16 jsou popsány příčiny, které vedou k degradaci parametrů aktivního potlačení. V kapitole 8 jsou uvedeny cíle budoucího pokračování této práce. Samotná práce byla tematicky velice obsáhlá a nesmírně přínosná. Problematika DSP a potlačení je velice atraktivní a zajímavá a byla by chyba v podobném projektu do budoucna nepokračovat.

60

LITERATURA [1]. Rozman, J., a další, a další. Ekologické inženýrství. Ostrava : VŠB pro MŽP v programu PHARE, 1996. 80-7078-37. [2]. Králíček, P. Úvod do speciální neurofyzilogie. Plzeň : Vydavatelství Galén, 2011. 978-80-7262-618-2. [3]. Wikipedia, the free encyklopedia. Wikipedia, the free encyklopedia. [Online] [Citace: 29. 5 2014.] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Anatomy_of_the_Human_ Ear_cs.svg. [4]. AURIS. Druhy chráničů sluchu-typy špuntů do uší. Špunty do uší, ochrana sluchu pro DJe a muzikanty, příslušenství k naslouchadlům. [Online] 2013. [Citace: 20. 12 2013.] http://www.auris-audio.cz/spunty-do-usi-typy. [5]. Investigation and Development of Digital Active Noise Control Headsets. Kruger, H., a další, a další. Tel Aviv : autor neznámý, 2010, Sv. Workshop on Acoustic Echo and Noise Control (IWAENC). [6]. Active noise control curse notes - 8.Feedback active noise control. Piroddi, L. Milano : autor neznámý, 2012. [7]. Active noise control course notes - 5A. Broadband feedforward ANC: the FxLMS algorithm. Piroddi, L. Milano : autor neznámý, 2012. [8]. Analog Devices, Inc. ADMP411 Datasheet. Analog Devices | Semiconductors and Signal Processing ICs. [Online] 2013. [Citace: 1. 12 2013.] http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADMP411.pdf. [9]. InvenSense. Datasheet INMP411. [Online] http://www.invensense.com/mems/microphone/documents/INMP411.pdf.

2014.

[10]. Prodance.s.r.o. Měření. PRODANCE - profesionální světelná a zvuková technika. [Online] 2014. http://www.prodance.cz/files/dl/2/2045/eaw_rta-420.pdf. [11]. Peltor, 3M. Peltor Optime II - Produktová brožura. Ochranné pomůcky | Koruseshop.cz. [Online] 2014. http://www.koruseshop.cz/myfiles/file/technicky_list_muslove_chranice_sluchu_3m_optime_2.pdf. [12]. High-Low Tech – Arduino board as ATtiny programmer. High-Low Tech. [Online] 2014. http://highlowtech.org/wp-content/uploads/2011/06/Screen-shot2011-06-06-at-1.46.39-PM.png. [13]. Analog Devices, Inc. AD1871 Datasheet. Analog Devices | Semiconductors and Signal Processing ICs. [Online] 2002. [Citace: 1. 12 2013.] http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD1871.pdf. [14]. Analog Devices, Inc. ADAU1701 Datasheet. Analog Devices | Semicondutors and Signal Prosessing ICs. [Online] 2007-2011. [Citace: 1. 12 2013.] http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADAU1701.pdf.

61

[15]. Analog Devices, Inc.. EVAL-ADAU1701 Datasheet. Analog Devices | Semiconductors and Signal Processing ICs. [Online] 2009. [Cited: 12 1, 2013.] http://www.analog.com/static/imported-files/eval_boards/EVALADAU1701MINIZ.pdf. [16]. Analog Devices, Inc.. ADA4075-2 Datasheet. Analog Devices | Semiconductors and Signal Processing ICs. [Online] 2008-2013. [Citace: 1. 12 2013.] http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADA4075-2.pdf. [17]. Panasonic Corporation, Inc. WM-61A Datasheet. Panasonic Industrial Devices Global. [Online] [Citace: 1. 12 2013.] http://industrial.panasonic.com/wwwdata/pdf/ABA5000/ABA5000CE22.pdf. [18]. Analog Devices, Inc. ADAU1446 Datasheet. Analog Devices | Semicondutors and Signal Prosessing ICs. [Online] 2007-2011. http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADAU1442_1445_1446.pdf. [19]. Analog Devices, Inc.. ADA8605/8606/8608 Datasheet. Analog Devices | Semicondutors and Signal Prosessing ICs. [Online] 2007-2011. http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD8605_8606_8608.pdf. [20]. Analog Devices, Inc.. AD1938 Datasheet. Analog Devices | Semicondutors and Signal Prosessing ICs. [Online] 2007-2011. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD1938.pdf. [21]. InvenSense. Application note AN-1003. [Online] http://www.invensense.com/mems/microphone/documents/AN-1003.pdf.

62

2014.

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Anatomie lidského sluchového systému [3] ..................................................................... 3 Obr. 2: Blokové schéma zpětnovazebního aktivního potlačení hluku ........................................ 13 Obr. 3: Blokové schéma aktivního potlačení hluku s referenčním mikrofonem ......................... 14 Obr. 4: Blokové schéma první verze zařízení na aktivní potlačení hluku ................................... 15 Obr. 5: Funkční blokové schéma DSP ADAU1701, převzato z [7]............................................ 16 Obr. 6: Popis vývodů pouzdra LQFP48 DSP ADAU1701, převzato z [7] ................................. 17 Obr. 7: Blokový diagram s periferiemi, převzato z [7] ............................................................... 18 Obr. 8: Vnitřní blokové schéma (vlevo), rozmístění vývodů mikrofonu ADMP411 (uprostřed) a počítačový nákres pouzdra (vpravo), převzato z [8] .................................................... 19 Obr. 9: Vnitřní blokové schéma mikrofonu WM61-A (vlevo), popis vývodů pouzdra (uprostřed) a fotografie mikrofonní kapsle (vpravo), převzato z [9] .............................................. 19 Obr. 10: Doporučené zapojení mikrofonu ADMP411 a operačního zesilovače ADA4075-2, převzato z [8] ............................................................................................................... 20 Obr. 11: Popis vývodů pouzdra SOIC8 operačního zesilovače ADA4075-2,převzato z [10] .... 20 Obr. 12: Popis pinů pouzdra SSOP28 (vlevo) a funkční blokové schéma AD převodníku AD1871 (vpravo), převzato z [11]............................................................................... 21 Obr. 13: Funkční blokové schéma DSP modulu vývojového kitu EVAL-ADAU1701MINIZ, převzato z [12] ............................................................................................................. 22 Obr. 14: USB SPI/I2C programátor Analog Devices USBi ........................................................ 22 Obr. 15: DSP modul vývojového kitu EVAL-ADAU1701MINIZ ............................................. 22 Obr. 16: Programovací prostředí SigmaStudio3.9 ...................................................................... 23 Obr. 17: Detail uchycení mikrofonů na konstrukci sluchátek ..................................................... 24 Obr. 18: Frekvenční charakteristika mikrofonu ADMP 411 udávaná výrobcem [14] ................ 25 Obr. 19: Závislost amplitudy výstupního napětí na akustickém tlaku [14]................................. 25 Obr. 20: Sluchátka PELTOR OPTIME II (vlevo); Reproduktory ze sluchátek MOTOROLA S805 (vpravo) .............................................................................................................. 26 Obr. 21: Vložka z plexiskla s vloženou plastovou mřížkou pro montáž reproduktoru (vlevo); zkompletovaný náušník s vlepenou vložkou a ochrannou průzvučnou tkaninou (vpravo) ....................................................................................................................... 27 Obr. 22: Změřená frekvenční charakteristika sluchátek; modrá RTA analýza a červená křivka vyjadřují frekvenční charakteristiku referenčního signálu, zelená a žlutá křivka představují změřenou frekvennční charakteristiku sluchátek ...................................... 28 Obr. 23: Frekvenční charakteristika měřícího mikrofonu EAW RTA-420 [15] ......................... 28 Obr. 24: Měřící mikrofon EAW RTA-420 ................................................................................. 29 Obr. 25: První verze zobecněného blokového schématu návrhu s rychlejším DSP .................... 31 Obr. 26: Redukce s připájenými vývody a součástkami; AD převodníky vlevo a DSP ADAU1446 vpravo...................................................................................................... 31 Obr. 27: Blokové schéma zařízení na aktivní potlačení hluku-konečná verze............................ 32

63

Obr. 28: Fotografie zařízení na nepájivém poli........................................................................... 33 Obr. 29: Schéma zdroje 3,3V / 500mA pro analogovou část ...................................................... 35 Obr. 30: Schéma zdroje 3,3V / 1,5A pro digitální část ............................................................... 35 Obr. 31: Schéma vstupního modulu ............................................................................................ 36 Obr. 32: Detail DPS (vlevo) a montáže předzesilovače do mušle sluchátek (vpravo)................ 36 Obr. 33: Schéma zapojení vstupních obvodů převodníku PCM4202 ......................................... 37 Obr. 34: Schéma zapojení AD převodníku PCM4202 ............................................................... 38 Obr. 35: Zapojení převodníku PCM4202 na nepájivém poli ...................................................... 38 Obr. 36: Časové průběhy různých protokolů I2S sběrnice [17] .................................................. 39 Obr. 37: Schéma zapojení vstupních obvodů převodníku AD1938 ............................................ 40 Obr. 38: Schéma zapojení výstupního filtru a sluchátkového zesilovače ................................... 41 Obr. 39: Vstupní a výstupní filtry zapojené na nepájivém poli .................................................. 41 Obr. 40: Zapojení sluchátkového zesilovače na nepájivém poli ................................................. 42 Obr. 41: Časový diagram komunikace po SPI sběrnici [17] ....................................................... 43 Obr. 42: Zobrazení datového toku na sběrnici SPI. Žlutá křivka představuje samotná data, modrá pak aktivitu pinu LATCH. Celkem jsou na obrázku vyobrazeny tři rámce. .... 43 Obr. 43: SPI master pro nastavení registrů ................................................................................. 43 Obr. 44: ATtiny85 jako SPI master na nepájivém poli ............................................................... 44 Obr. 45: Zapojení AD/DA AD1938 ............................................................................................ 44 Obr. 46: Zapojení převodníku AD1938 na nepájivém poli ......................................................... 45 Obr. 47: Zapojení ATtiny pro ISP programování pomocí vývojového prostředí arduino [12] .. 48 Obr. 48: Zapojení DSP ADAU1446 .......................................................................................... 49 Obr. 49: Zapojení DSP ADAU1446 na nepájivém poli .............................................................. 50 Obr. 50: Self-boot EEPROM ...................................................................................................... 50 Obr. 51: Programovací I2C konektor .......................................................................................... 50 Obr. 52: Generátor resetovacího signálu ..................................................................................... 50 Obr. 53: Schéma GPIO ............................................................................................................... 51 Obr. 54: Schéma vstupně výstupní DPS ..................................................................................... 52 Obr. 55: Fotografie vstupně výstupní DPS ................................................................................. 52 Obr. 56: Návrh FIR filtru v programovém prostředí MATLAB ................................................. 55 Obr. 57:Firmware pro DSP vytvořený v programovém prostředí SigmaStudio 3.9 ................... 55 Obr. 58: Blokové schéma funkce firmwaru ................................................................................ 56 Obr. 59: Měření latence systému s různými převodníky, vlevo AD1938, vpravo PCM4202 .... 58

64

SEZNAM TABULEK Tabulka 1:Zdroje zvuku v životním prostředí [1] ............................................................. 8 Tabulka 2: Korekce pro výpočet hluku a ultrazvuku na pracovišti [1] ............................ 9 Tabulka 3: Korekce pro výpočet hluku v obytných stavbách [1] ................................... 10 Tabulka 4: Útlum sluchátek Peltor Optime II [16] ......................................................... 29 Tabulka 5: Frekvenční charakteristika filtrů ................................................................... 29 Tabulka 6: Adresy, názvy a popis funkce registrů.......................................................... 45 Tabulka 7: Hodnoty nastavení registrů 0-4..................................................................... 46 Tabulka 8: Hodnoty nastavení registrů 5-16................................................................... 47 Tabulka 9: Propojení vývodů ATtiny a Arduino UNO .................................................. 48 Tabulka 10: Parametry použitých součástek .................................................................. 53

65

SEZNAM ROVNIC Rovnice 1: Výpočet intenzity zvuku ................................................................................. 2 Rovnice 2:Výpočet měrné akustické impedance ............................................................ 2 Rovnice 3: Výpočet měrné akustické impedance pro vzdálené pole................................ 2 Rovnice 4: Výpočet hladiny akustického tlaku ............................................................... 2 Rovnice 5: Výpočet hladiny intenzity zvuku ................................................................. 2 Rovnice 6: Výpočet vlnové délky ..................................................................................... 3 Rovnice 7: Výpočet napěťového zesílení operačního zesilovače ................................... 25

66

SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK AD převodník

Analogově digitální převodník

DA převodník

Digitálně analogový převodník

ANC či ANR

Aktivní potlačení hluku

SNR

Odstup signál - šum

DSP

Digitální signálový processor

EEPROM

elektronicky mazatelná programovatelná paměť ROM

ROM

elektronická paměť, jejíž obsah je dán při výrobě

DPS

deska plošných spojů

HW

harware

FW

firmware

FIR

filtr s konečnou impulsní charakteristikou

LED

dioda emitující světlo

GPIO

univerzální vstupně výstupní pin

I2C

multi-masterová sériová sběrnice

I2S

adaptace sběrnice I2C pro účely posílání zvukových dat

USB

univerzální sériová sběrnice

SPI

sériové periferní rozhraní

SSOP

Shrink Small Outline Package

SOIC

Snall Outline Integrated Circuit

LQFP

Low profile Quad Flat package

Hz

Jednotka frekvence

dB

Jendotka hladiny intenzity hluku, podílová jednotka

c

Rychlost šíření zvuku

p

Akustický tlak

v

Akustická rychlost

N

Akustický výkon

λ

Vlnová délka

f

Frekvence

67

SEZNAM PŘÍLOH Kompletní schéma zapojení zařízení na aktivní potlačení hluku (Sheet 1 až 4) Seznam součástek zařízení na aktivní potlačení hluku Schéma vstupně výstupní DPS Návrh vstupně výstupní DPS Osazovací plánek vstupně výstupní DPS Seznam součástek vstupně výstupní DPS Schéma mikrofonního předzesilovače Návrh DPS mikrofonního předzesilovače Osazovací plánek mikrofonního předzesilovače Seznam součástek mikrofonního předzesilovače Firmware pro DSP

68

SEZNAM PŘÍLOH NA CD Program pro ATtiny85 AD1938ASPI2.ino Firmware pro DSP ADAU1446 ANC.dspproj

69

GND

R62 +3V3

+5V

1 JP2 2

4

GND

GND

Generátor resetovacího signálu Výběr funkce

GND

LED3

3 4

R64

U6 3

Napájecí konektor +5V

4

J1

+

3 2 1

+3V3 C95

100n

1000M

MR*

RESET*

VCC

GND

RESET/2.2C

1

Mute GND

C9

GND

Funkce 2 2

ADM811LARTZ-REEL7

LED4

R63 +3V3

1 2

MP3/3.4C

GND

333R

MP5/3.2B R65

Funkce 3 MP6/3.2B

LED5

S2

3 4

1 2

GND

GND

GND

10k

S1

3 4

JP1

333R

MP4/3.2B

S3

I2C_RESET

Funkce1

1 2

MP2/3.4C I2C_RESET

GND

GND

10k

+

SDA/3.2C

79k

1 2

Programovací I2C konektor

2 4 6 8 10

JP9

C4 100n

GND

1 3 5 7 9

+5V

+5V 7

R57 +5V

ADP3336ARMZ-REEL7

10M C1

SCL/3.2C

GND

40k R59

GND

AD8605

10k

4

C2

IC6

GND R58

79k

+3V3_A

1 2 3

C94

GND

JP6

FB ~SD

100n

1 2 3 4 5 6 7

2

R56

5 6

+3V3_A

+5V 1n

C3

+

ADP3339AKCZ-3.3-R7

GND

R1 140k

JP8

6

2 1 3

OUT_2 OUT_3 OUT

IN_2 IN

3

4M7

4 2

100n

+3V3 OUT OUT_2

GND

79k

10M

C10

IN

U5 7 8

R2

1

10M

+

C5

C11

U4 3

100n

Napájecí zdroj 3,3V pro analogovou část

C6

+5V

Napájecí zdroj 3,3V pro digitální část

+3V3_A

Mikrofonní předzesilovač a propojení pro instalaci do sluchátek

333R R66

GND

GND

GND

R61

2

LED6

SPI řízení pro AD1938

R67

SPI_DATA/2.2C

SCL WP

3 2 1

A2 A1 A0

SDA

GND GND

5

GND SDA/3.2C

1

2

R60

MP1/3.4C

Kontrolka chodu LED7

10k

MP8/3.2B

3

8

24LC256SN GND

C7

VCC EEPROM Array

SPI_CLOCK/2.2C

+3V3

10k

R4 SPI_LATCH/2.3D

IC1 6 7

WP

100n

4

ATtiny85 GND

SCL/3.2C

+3V3_DSP 10k

VCC GND

RESET/2.2C

Hlasitost řeči

+3V3

GND

+3V3 C8

8 4

1 2 3 7 6 5

R3

+3V3 100n

GND

Self boot EEPROM

IC2 (ADC0)PB5 (ADC3)PB4 (ADC2)PB3 (ADC1)PB2 (OCP)PB1 (AREF)PB0

333R

MP7/3.2B

3

MP0/3.4C

Indikace MUTE 1

Hlasitost hudby

+3V3

GND

R68

GND

GND

Podpurne obvody

Bulva Ondrej

100n

GND VCOM_R/4.1B MIC_R+/4.2B MIC_R-/4.2B

RESET/3.3D 4202_MCLOCK 4202_LRCLOCK/3.2C

GND +3V3

4202_BCLOCK/3.2C

C23

C16

C12

10M

100n

100n 100n 100n 100n

GND

33 37 48 5 13

SPI_DATA/1.1D

23

RESET/1.3C

10

1938_ASDATA2/3.3B 1938_DSDATA1/3.3B

20 19 16 15 14 11

1938_DSDATA2/3.3B 1938_DSDATA3/3.3B 1938_DSDATA4/3.3B

21 22 26 17 18 2 3

1938_ADC_BCLOCK/3.2C 1938_ADC_LRCLOCK/3.2C

SPI_CLOCK/1.1D

1938_DAC_BCLOCK/3.3C 1938_DAC_LRCLOCK/3.3C

10M

R6 5n6 C28

C26

100n

VCOM_1938/4.3A

562R

47 38

C27 C25

+

4202_MCLOCK

+

C21

+3V3_A

35

1938_MCLOCK/3.4C

C13

GND

1938_ASDATA1/3.3B

GND GND

Převodník pro vstup hudby a výstup

C22

AVDD_2 AVDD_3 AVDD_4 AVDD DVDD CIN

C14

C15

+

+

+3V3

+3V3_A

4202_SDATA/3.3B

LED2

GND

560R

+5V

LED1

MIC_L-/4.2A

28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15

VREFR AGNDR VCOMR VINR+ VINRAGNDL VCC CLIPL CLIPR *RST SCKI LRCK/DSDBCK BCK/DSDL DATA/DSDR

VREFL AGNDL_2 VCOML VINL+ VINLFMT0 FMT1 S/M FS0 FS1 FS2 HPFD DGND VDD

560R R12

MIC_L+/4.2A

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

R11

GND VCOM_L/4.1A

U9 PCM4202_DB_28

C18

C17

100n

Převodník pro mikrofony

C24 10M

U1 AD1938YSTZ

AGND AGND_5 AGND_4 AGND_3 AGND_2 DGND DGND_2

*PD/*RST ASDATA1 ASDATA2 DSDATA1 DSDATA2 DSDATA3 DSDATA4 ABCLK ALRCLK CCLK DBCLK DLRCLK MCLKI/XI MCLKO/XO FILTR LF CM

OR4 OR3 OL4 OL3 OR2 OR1 OL2 OL1 COUT ADC2RP ADC2RN ADC2LP ADC2LN ADC1RP ADC1RN ADC1LP ADC1LN *CLATCH

36 34 32 4 1 12 25 9 7 8 6 31 29 30 28 24 45 46 43 44 41 42 39 40 27

GND

OUT_R/4.1D R5

+3V3

OUT_L/4.1C

10k LIN_RP/4.4B LIN_RN/4.4B LIN_LP/4.4B LIN_LN/4.4A SPI_LATCH/1.1D

390p 100n

10M

GND

AD/DA prevodniky

Bulva Ondrej

U2 ADAU1446YSTZ-3A

1k0

C32

C29

C30

C31

100n

100n

100n

100n

100n

100n

C38

C37

C36

C35

C46

+

C33

VDRIVE

48 25 37 50 75 87 100 52 63 77 89 2 14 27 39

1k

C34

10M

C40

100n

C39

100n

100n

100n

100n

100n

C44 10M

100n

GND

C45 10M

10k

GND

MP4/1.4C

36 35 34 33 19 18

MP5/1.4C GND

MP6/1.4C MP7/1.4D

20 24

MP8/1.4D MP9

12 9 6 3 21 30 29

+3V3

4202_BCLOCK/2.3B

Clock I2S 1938_ADC_LRCLOCK/2.1C

15 10 7 4 17 16

4202_LRCLOCK/2.3B

C48

PVDD RSVD

MP4 MP5 MP6 MP7 MP8 MP9 ADDR0 ADDR1/CDATA

BCLK0 BCLK1 BCLK2 BCLK3 CLATCH CLKMODE0 CLKMODE1

LRCLK0 LRCLK1 LRCLK2 LRCLK3 MP10 MP11

MP11 43 32

PLL_FILT PLL2

GND I2C SCL/1.2D

22 23

SDA/1.3D 2k2

C47

MP10

2k2 R15

1n8

R14

33n

AVDD DVDD_2 DVDD_3 DVDD_4 DVDD_5 DVDD_6 DVDD IOVDD_2 IOVDD_3 IOVDD_4 IOVDD_5 IOVDD_6 IOVDD_7 IOVDD_8 IOVDD

GND

Clock I2S 1938_ADC_BCLOCK/2.1C

+3V3

100n

44 31

R7

C43

R9

+3V3

100n

C41

+

C42

+

+3V3

GND

1k5

R8

Stablizátor 1,8V

R13

Q1 ZXTP25040DFH

SCL/CCLK SDA/COUT

PGND DGND DGND_8 DGND_7 DGND_6 DGND_5 DGND_4 DGND_3 DGND_2 AGND SDATA_OUT8 SDATA_OUT7 SDATA_OUT6 SDATA_OUT5 SDATA_OUT4 SDATA_OUT3 SDATA_OUT2 SDATA_OUT1 SDATA_OUT0 SDATA_IN8 SDATA_IN7 SDATA_IN6 SDATA_IN5 SDATA_IN4 SDATA_IN3 SDATA_IN2 SDATA_IN1 SDATA_IN0 XTALO XTALI VDRIVE SPDIFO SPDIFI SELFBOOT PLL1 PLL0 MP3/ADC3 MP2/ADC2 MP1/ADC1 MP0/ADC0 LRCLK9 LRCLK8 LRCLK7 LRCLK6 LRCLK5 LRCLK4 LRCLK11 LRCLK10 CLKOUT BCLK9 BCLK8 BCLK7 BCLK6 BCLK5 BCLK4 BCLK11 BCLK10 *RESET

45 38 88 26 13 1 76 62 51 49 61 66 69 72 79 83 90 94 98 73 80 84 91 95 99 5 8 11 41 42 40 47 46 28 59 60 55 56 57 58 71 78 82 86 93 97 65 68 53 70 74 81 85 92 96 64 67 54

GND Data I2S 1938_DSDATA4/2.1C 1938_DSDATA3/2.1C 1938_DSDATA2/2.1C 1938_DSDATA1/2.1C 4202_SDATA/2.3B 1938_ASDATA2/2.1C 1938_ASDATA1/2.1C R10

Q2 12,288MHz

SELFBOOT

Oscilátor 12,288MHz

100R VDRIVE SELFBOOT

+3V3

+3V3

DSP jádro

C49

C50

22p

22p

GND GND

MP3/1.3C MP2/1.3C MP1/1.3D MP0/1.3D

1938_DAC_LRCLOCK/2.1C Clock I2S

System clock 1938_MCLOCK/2.1C 1938_DAC_BCLOCK/2.1C Clock I2S

RESET/2.3B

DSP jadro

Bulva Ondrej

C73

120p

120p

C55

Buffer mikrofonních vstupů

Buffer audio vstupu

R31

C58

+

1n0 100p

7

R21 240R

AD8608

C74

+3V3_A 4

8

100p

3 2 1

R35 LIN_LP/2.3C

+

9

240R

AD8608 R33

GND JP7

5k6

GND

C77 1n0 GND

R39

100p

C81

R38

IC3C 8

GND GND

10M

5k6 10

240R

AD8608 R27

C79

5k6

AD8606

R48 620R

C91

+

3n3

9 1 2

R52

470p

15k R55

14 13

AD8606

R49 620R

5 11

GND 1M C92

+

R51

7 6

51k

IC5B

C90

15k 10M

5

U10

C86 1n0 GND

C54 3n3

4 10

OUTR OUTL

VDD +INR -INR

CN CP

3 12

GND

C83

10M

1 2 3 4

7 8

+INL -INL ~MUTE UVP VSS GND_2 GND

Analogova signalova cast Bulva Ondrej GND

GND

6

JP5

1M

4

R46 4k7

LIN_RP/2.3C 240R

30k

+3V3_A

1 2

R50

IC5A

51k

3

C88 R47

R43

Sluchátkový zesilovač

GND

4k7

+

R41

GND

OUT_R/2.3C

7

GND

C89

4k7

IC4B AD8608

10M

4k7

100p

5k6

6

+3V3_A R44

GND

C87

R53 8

R45 OUT_L/2.3C

100p 5

470p

Výstupní filtr

C85 1n0

R40

1n0

5k6

240R

AD8608

GND

C68

R42 LIN_RN/2.3C

+

5k6

R29 MIC_R+/2.3A

+

9

1 2

C93

100p

GND

C69 51k

R26

10M

+

R36

C84

C67 1n0

C63

IC4A

3

C71

240R

AD8608

5k6

R28 MIC_R-/2.3A

+

13

5k6

10M

10M

C65

IC3D 14

R22

C66

C52

10M 51k

R24

JP4

+

IC4C

10

5k6 12

4 3 2 1

GND

R25

GND

+5V

+3V3_A

100n

100p

C82

C61

C78

GND R32

GND

1n0

120p

C64

VCOM_R/2.3A

1n0

C80

C59

R19 5k6

C76

5k6 MIC_L+/2.2A

+

6

240R

AD8608

C75

IC3B

10M

GND GND

C57

5k6 5

5k6

R34 LIN_LN/2.3D

+

13

10M

100p

GND

R37

C60

GND R18

51k

C62

14

R30

11

AD8608

IC4D

12

C70

240R

10M

5k6

GND

R20 MIC_L-/2.2A

+

2

120p

10M

1

R16

11

C51

10M 51k

C56

100n IC3A

3

R23

JP3

+5V

+5V

GND +

C72

10M

VCOM_1938/2.1D 5k6

100n

4 3 2 1

5k6

R17

C53

4

+3V3_A

VCOM_L/2.2A

TPA6138A2PW R54 30k

Seznam součástek-aktivní potlačení hluku Označení Hodnota C49, C50 22pF C60, C62, C63, C69, 100pF C78, C80, C81, 87 C55, C64, C73, C82 120pF C27 390pF C79, C88 470pF C3, C58, C59, C67, C68,C76, C77, C85, C86 C48 C91, C92 C28, C47 C1, C2, C7, C8, C9, C10, C11, C12, C13, C14, C15, C16, C17, C18, C25, C26, C29, C30, C31, C32, C33, C34, C35, C36, C37, C38, C39, C40, C41, C42, C43, C53, C61, C72, C54, C93 C94 C4, C5, C6, C21, C22, C23, C24, C44, C45, C46, C51, C52, C56, C57, C65, C66, C70, C71, C74, C75, C83, C84, C89, C90 C95 R10 R20, R21, R28, R29, R34, R35, R42, R43 R64, R65, R66, R67, R68 R6, R11, R12 R48, R49 R8, R13 R9 R14, R15, R44, R45, R46, R47 R16, R17, R18, R19, R22, R25, R26, R27, R30, R31, R32, R33, R36, R39, R40, R41

Typ C-EUC0800

Pouzdro C0805

C-EUC0801

C0805

C-EUC0802 C-EUC0803 C-EUC0804 C-EUC0805

C0805 C0805 C0805 C0805

1nF

C-EUC0806

C0805

1,8nF 3,3nF 5,6nF 33nF

C-EUC0807 C-EUC0808 C-EUC0809 C-EUC0810

C0805 C0805 C0805 C0805

100nF

C-EUC0805

C0805

1µF/10V 4,7µF/10V

CPOL-EUB/3528-21R CPOL-EUB/3528-21R

C0805 C0805

10µF/10V

CPOL-EUB/3528-21R

B/3528-21R

1000µF/10V 100Ω

CPOL-EU150CLZ-1010 R-EU_M0805

150CLZ-1010 M0805

240Ω

R-EU_M0805

M0805

330Ω

R-EU_M0805

M0805

560Ω 620Ω 1kΩ 1,5kΩ 2,2kΩ 4,7kΩ

R-EU_M0805 R-EU_M0805 R-EU_M0805 R-EU_M0805 R-EU_M0805 R-EU_M0805

M0805 M0805 M0805 M0805 M0805 M0805

5,6kΩ

R-EU_M0805

M0805

R3, R4, R5, R7, R59, R62, R63 R52, R55 R53, R54 R58 R23, R24, R37, R38 R50, R51, R2, R56, R57 R1 R60,R61 S1, S2, S3 U1 U2 U4 U5 U6 U9 U10 IC1 IC2 IC3, IC4 IC5 IC6 Q1 Q2 J1 JP1 JP2 JP3, JP4, JP5 JP6, JP7 JP8 JP9 LED1 - LED7

10kΩ

R-EU_M0805

M0805

15kΩ 30kΩ 40kΩ

R-EU_M0805 R-EU_M0805 R-EU_M0805

M0805 M0805 M0805

51kΩ

R-EU_M0805

M0805

79kΩ 140kΩ 10kΩ/N

R-EU_M0805 R-EU_M0805 3RP/1610N 10-XX AD1938YSTZ ADAU1446YSTZ-3A ADP3339AKCZ-3.3-R8 ADP3336ARMZ-REEL8 ADM811LARTZ-REEL8 PCM4202 DB 29 TPA6138A2PW 24LC256SN ATtiny86 AD8608 AD8606 AD8605 BC858ALT1SMD CRYSTAL CTS406 DCJ30303 ML10 JP1E PINHD-1X4 PINHD-1X3 PINHD-1X7 PINHD-1X2 CHIPLED 0805

M0805 M0805 3RP/1610N B3F-10XX LQFP48 LQFP100 SOT23 SOP65P SOT192 TSSOP28 TSSOP14 SO-08 SOIC8 SO14 SO08 SO08 SOT23 CTS406 DCJ30303 ML10 JP1 1X04 1X03 1X07 1X02 CHIPLED_0805

AD1938YSTZ ADAU1446YSTZ-3A ADP3339AKCZ-3.3-R7 ADP3336ARMZ-REEL7 ADM811LARTZ-REEL7 PCM4202 DB 28 TPA6138A2PW 24LC256SN ATtiny85 AD8608 AD8606 AD8605 BC858ALT1SMD 12,288MHz

1

2

3

4

5

6

A +5V

+3V3

A JP5

8

7

1

3 1

R2 10k

1

R1 10k

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2

3 4

S2 GND

GND

GND

GND

1 2 3

4

+3V3+5V

B

JP2

3

JP4

GND

1 2 3 4

2 1

GND

PG203J

+3V3

+3V3 3

10k

+3V3 1 2

R4

10k

R3 3 4

2

5

4

C

JP1

6

5

2

GND

GND

7

6

3

330R S1

GND 8

330R R9

GND

330R R8

GND1

330R R7

GND1

R5

B

330R R6

1 2

LED3

LED2

LED1

LED4

LED5

+3V3

1 2 3

C

GND

JP3

1 2 3 4 5

1 2 3

GND

X1

D Vstupne vystupni deska Aktivni potlaceni hluku

1

2

3

4

5

Ondrej Bulva

6

D

133.33

40.31

IO BOARD

ACTIVE NOISE REDUCTION

ONDŘEJ BULVA 2014

4R 3R k01

k01

JP1 JP4

JP3 JP5

JP2

10k 1

2

1

2

3

4

3

4

5

LED3 LED2 LED1 LED4 LED5

S1

9R R033

8R R033

7R R033

6R R033

5R R033

1

S2

PG203J

3

10k

2

R2

3,5mm

R1

4

X1

Seznam součástek-vstupně výstupní deska Označení Hodnota JP1 JP2, JP3, JP4 JP5 LED1,LED2,LED3 žlutá LED4 červená LED5 modrá R1,R2 10kΩ R3, R4 10kΩ R5,R6,R7,R8,R9 330Ω S1, S2 U$1 X1

Typ PINHD-1X12 PINHD-1X3 PINHD-1X4 LED 3mm LED 3mm LED 3mm R-EU_M1206 R-EU_M1206 R-EU_M1206 10-XX DIN8 PG203J

Pouzdro 1X12 1X03 1X04 LED 3mm LED 3mm LED 3mm M1206 M1206 M1206 B3F-10XX DIN8 PG203J

1

2

3

4

GND

7

R4

+5V

IC1 OPA350 6

2 4

JP1

C1 4m7

3

R3

3 2 1

79k

100n

+5V

+5V

C5

79k

B

C3 100n

+3V3

A

+3V3

A

GND

GND

15k

30k

R1

R2 GND

C4

C2

10M

10M

GND GND GND

JP3 1 2 3 4 5 6

B GND

JP2 1 2

C

C

Mikrofonni predzesilovac Aktivni potlaceni hluku

D

1

2

3

Bulva Ondrej

4

D

23.73

4102 .O AVLUB

28.42

JP3

C2 10M C4 10M

R4 79K

30k

R3 79K OPA350D IC1

R2 JP2

100n C3

C1 4M7

JP1 100n C5

R1 15k

Seznam součástek-mikrofonní předzesilovač Označení Hodnota JP1 JP2 JP3 4,7µF/10V C1 10µF/10V C2, C4 100nF C3, C4 15kΩ R1 30kΩ R2 R3, R4 79kΩ

Typ PINHD-1X3 PINHD-1X2/90 PINHD-1X6/90 C-EUC1206k C-EUC1206k C-EUC1206k R-EU_M01206 R-EU_M01206 R-EU_M01206

Pouzdro 1X03 1X02/90 1X04/90 C1206K C1206K C1206K M01206 M01206 M01206

Banka FIR GPI1

TCount1 Interface Write1

Interface Read1

FIR1

Gain1_2

GPI2 Togg1 Interface Write2

Signalizace zvoleného režimu

Interface Read2

DC1_2 FIR1_2

Gain1_3

ADC In1

GPO1 T5

DmX1

ADC In2

GPO2

T1

Stimulus1

T10 FIR1_3

T2 Stimulus2

Probe1

Gain1_4

GPO3

T3 Gain1 T7

Add3

T11

MUTE Probe2

T4

GPO4

Gain2

Add3_2

Přepínání režimů

Hlasitost řeči FIR1_4

Output4

Gain1_5

Slew Mux2 T8 SW vol 1

T9

MX1

Add2

Output5 T6 Add4

Filtrace pásma řeči

FIR1_5

Gain1_6

Sumace vstupů

Slew Mux2_2

DC1_3

Komprese dynamiky Add5

Input1 Add6

Kontrolka pracujícího DSP Square1

Crossover1

Hlasitost hudby

Add1

Hi Res1

GPO5

T12 SW vol 1_2

DC1 T13

File:

BC.dspproj - Main

Page 1 of 1

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ AKTIVNÍ POTLAČENÍ HLUKU BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Recommend Documents