Synthèse d'un filtre numérique: coupure 50Hz, 60Hz sur signal microphone

[ThomasT]

Bonjour,

je rencontre le problème suivant (Dans le cadre de mon travail) :

En utilisant un microcontrôleur, je numérise un signal en provenance d'un microphone à une fréquence d'échantillonnage de 16KHz.
(Le signal passe par un préampli hardware). J'obtiens un buffer de 250 échantillons.

Un algorithme réalise des statistiques sur ce buffer, mais celui-ci est grandement perturbé par la présence d'un signal à 50Hz (Provenant surement du 50Hz EDF)
mélangé au bruit enregistré par le micro.

Je souhaiterais réaliser un filtrage numérique sur le buffer afin de supprimer cette fréquence de 50Hz (Pouvant être 60Hz dans un autre pays).
Ayant suivi des cours de filtrage numérique à l'école il y a environs 15 ans, je me souviens que l'on parvenait à synthétiser des filtres RIF via Matlab (En choisissant un type de fenêtre, un ordre du filtre etc... et que l'on parvenait à obtenir les coefficients du filtre que l'on implémentait sur un DSP).

A l'heure actuelle, je ne me souviens plus du tout de la méthode, ni de la manière d'obtenir ces coefficients, ni de la façon d'implémenter le filtre numérique ...

Est-ce que quelqu'un saurait comment faire ? Eventuellement, saurait m'expliquer la démarche en détail et comment obtenir les coefficients d'un tel filtre ?
Aussi, est-ce que vous sauriez me dire comment implémenter ce filtre en pratique s'il vous plait ?

Si quelqu'un possède des connaissances solides en filtrage numérique, je le remercie par avance pour son aide sur le sujet.

En vous souhaitant une bonne journée.

ThomasT
-----

[invite40271050]

J'ai demandé à Google ce qu'il pouvait me proposer si je lui demandes "filtrage numérique 50 hertzs".
En autres il me revoie cette option:
https://www.google.com/url?sa=t&sour...50tTKQzWtcXWME
Je te laisse découvrir ( faut aller aprés tout ce qui concerne le filtrage analogique)
Autres options: à demander aussi a tous les " chat...." (peut etre qu'ils ont aussi des idées)
Bonne lecture

[bobflux]

Oui tu peux appliquer tout un tas de filtres, par exemple un notch à 50Hz, il faudra aussi éliminer les harmoniques du secteur, mais...

Ton buffer de 250 échantillons est beaucoup trop court. Pour que ton filtre puisse éliminer du 50Hz, il faut que sa réponse impulsionnelle ait une durée au moins de plusieurs périodes de 50Hz, et là tu n'en as même pas une dans ton buffer.

Il y a d'autres moyens d'éliminer le 50Hz. Par exemple si ton calcul repose sur une FFT, une moyenne, ou n'importe quoi d'autre qui opère sur un buffer d'une certaine durée et qui opère un peu comme une moyenne, et que tu fais coïncider cette durée exactement avec une période du secteur en ajustant la taille du buffer, alors tu moyenneras une période compète du signal secteur, et donc le résultat est zéro. Pour extraire une composante continue par exemple, si on fait une moyenne sur une durée T, on annule toutes les fréquences indésirables harmoniques de la fondamentale F=1/T puisque le résultat est une moyenne sur un nombre entier de périodes complètes.

Après, ça dépend de quels traitements tu fais sur ton signal, il faudrait donner des détails...

[Murayama]

Bonjour!

Pour les filtres, une méthode pour avoir des performances acceptables consiste à utilise la méthode
de Remez, ce qui donne une réponse infiniment plate à l'origine et pas de "ripple" contrairement
à ce que serait un Cheby ou elliptique. On peut trouver ces détails dans la bible du traitement de
signaux par Maurice Bellanger, qui a en plus l'avantage de tout bien expliquer.

Par contre: le meilleur filtre, c'est pas de filtre du tout. En gros, il vaudrait mieux d'abord comprendre
d'où vient cette composante 50 Hz. Je suis une quiche en analogique, mais on peut supposer qu'il y
a un problème de masse classique (boucle de masse) qui fait que tous les ronronnements ambiants
sont captés. Est-ce que les masses analogique et digitale du µC sont jointes en un point unique?

Voilà.

Pascal

[A voir en vidéo sur Futura]

[ThomasT]

Merci pour vos réponses,

concernant la partie analogique, je ne sais pas répondre malheureusement...
J'ai vu également qu'il existait des cours, des tutos et autre mais je trouve que tout est trop compliqué,
il me faudrait beaucoup de temps pour étudier et arriver à comprendre tout ceci, c'est pourquoi j'espérais trouver
un moyen simple ou une explication simple ou même une réponse directe à cette question.

Je ne peux malheureusement pas prendre le temps de relire la bible du traitement du signal...

Une autre chose, si je parvenais à avoir plusieurs périodes du signal à 50Hz, que faudrait il que je fasse en pratique afin de supprimer cette composante ?
Quelqu'un autre t il une réponse directe ????

Merci.

[bobflux]

Impossible de répondre si tu ne dis pas quel genre de traitement le micro fait sur le signal numérisé.

Pour purifier le signal d'origine tu peux toujours donner le schéma et le layout on trouvera peut-être d'où vient la ronflette

[ThomasT]

Etant donné que ceci est dans le cadre de mon emploi, je n'ai pas le droit de partager les schémas et le layout de la carte. J'utilise simplement un micro "volant" très simple connecté au microcontroller via un preampli...
C'est pourquoi je souhaiterais que le filtre soit numérique.

[Murayama]

Bonjour!

J'ai bien peur qu'il n'y ait pas de solution simple 100% numérique.
Vous ne pourrez jamais filtrer simplement le 50 Hz.
Vu le 16 k d'échantillonnage, j'imagine qu'il peut s'agir d'audio de communication.
Une solution serait (peut-être) de tout filtrer ce qu'il y a sous 500 Hz, comme au
bon vieux temps, du téléphone analogique. La fondamentale de la voix (vers 100Hz
pour les hommes, 200 pour les femmes et enfants), n'est pas importante et on
peut faire sans. C'est pour cette raison que les hommes peuvent compredre les
femmes (quoi que parfois, j'ai des doutes).
Il serait intéressant de voir si vous filtrez en analogique avant d'envoyer dans le préampli
puis entre le préampli et l'ampli (s'il y en a un) ou entre le préampli et l'entrée ADC.
Si le 50 Hz persiste. Suivant la position du filtre et la persistence (ou non) du 50 Hz,
vous pouvez savoir si le bruit vient du micro, du préampli, ou du µC.

Pascal

[ThomasT]

Et question bête, vous sauriez comment faire ceci en numérique ?
Comme un filtre passe haut avec une fréquence de coupure à 500Hz ??

C'est un peu compliqué à expliquer mais le but est de ne pas modifier le hardware
mais de se débrouiller par logiciel pour supprimer ces maudites fréquences !!

Après il n'y a peut être pas de réponse simple je ne me rends pas compte...

Merci.

[jiherve]

Bonjour
comme déjà écrit ailleurs :
disposes tu d'un buffer suffisant pour stocker plusieurs centaines de ms d’échantillons ?
de quel µC/DSP disposes tu ?
comment sais tu que c'est du 50Hz?
JR

[bobflux]

Et question bête, vous sauriez comment faire ceci en numérique ?
Comme un filtre passe haut avec une fréquence de coupure à 500Hz ??

Si tu veux du simple, mets quelques biquad

C'est un peu compliqué à expliquer mais le but est de ne pas modifier le hardware

Le hardware est pourri, pas grave, "fix it in software" ! Classique

[ThomasT]

Bonjour,

oui actuellement, je dispose d'un buffer qui ne contient pas tout à fait une période du sinus à 50Hz mais je pourrais
avoir une période complète.

Aussi, il me serait possible de "tricher" en dupliquant ce buffer X fois afin de faire comme si j'avais un temps d'enregistrement plus long.

Je dispose d'un microcontrôleur qui pédale plutôt bien, mais je ne peux pas donner la marque pour des raisons de confidentialités.
Par contre, il contient des librairies DSP permettant de faire toutes sortes de choses.

Je sais que c'est du 50Hz car en mettant un oscillo en entrée de ma broche du uC réalisant l'échantillonnage, même
dans un environnement sans bruit, j'observe un joli signal à 50Hz qui semble venir du secteur.

[bobflux]

Ah oui si y'en a tellement que ça se voit à l'oscillo, faudrait nettoyer sérieusement la partie analogique...

[Murayama]

Re!

Et question bête, vous sauriez comment faire ceci en numérique ?
Comme un filtre passe haut avec une fréquence de coupure à 500Hz ??

Un filtre numérique ne fera jamais une fréquence de coupure de 500Hz, mais une
fréquence normalisée entre 0 et 1. 1 étant la fréquence d'échantillonnage.
C'est à dire que si vous utilisez exactement le même filtre et exactement le même
algorithme sur un signal DAT à 48 kHz, alors le filtre coupera à 1500 Hz au lieu de
500.

Maintenant, pour faire un filtre si vous n'y connaissez rien, vous pouvez
utiliser un logiciel à filtres.

- Vous déterminez vos fréquences.
500 Hz en 16k d'échantillonnage, c'est 1/32, soit 0.03125
Ensuite, je serais vous, je couperais en haut à 0.45 environ pour ne pas tenter le diable.
Même si c'est probablment déjà fait dans l'ADC.
- Vous déterminez vos atténuations et ripples pour chaque bande.
Vous pressez GO!

Ensuite, vous écrivez un filtre FIR pour votre µC et vous faites tourner.

C'est un peu compliqué à expliquer mais le but est de ne pas modifier le hardware
mais de se débrouiller par logiciel pour supprimer ces maudites fréquences !!

C'est une spécification du client? Sinon, quand vous êtes développeur, vous avez le
droit de tout faire, non? Vous avez peur des fers à souder?

Après il n'y a peut être pas de réponse simple je ne me rends pas compte...

Sans en savoir plus, il n'y a pas de réponse du tout.

Pascal

[jiherve]

Re
en plus de la remarque précédente (pleine de bon sens) il existe plein de papiers sur le net avec : notch filter digital design.
la plupart des docs concerne la réjection secteur.
JR

[Vincent PETIT]

Bonjour,
En effet, il y a même des sites internet qui proposent des implémentations en langage C pour ce problème de secteur : https://elemyo.com/support/start_info/bandstop

Je n'ai pas vérifié le code.

ps : attention avec la présence du 50Hz, ça peut aussi être un artefact de mesure.

[Gyrocompas]

Bonjour,

un artefact de mesure.

La présence d'un signal 50 Hz valide beaucoup d'options, depuis l'alimentation, la nature du micro, environnement lors de la capture, jusqu'à l'enregistrement ou traitement.
Une première indication serait de préciser la rapport S/B constaté.

Au siècle dernier, lors de mesures à très bas niveau, il pouvait être nécessaire d'éteindre les tubes à décharge (néon).

[Vincent PETIT]

Ca peut être un problème avec la méthode de mesure.

Il suffit de mettre son doigt au bout d'une sonde d'oscillo, avec la masse de la sonde non reliée, pour voir un signal périodique 50Hz qui est tout simplement la rejection de mode commun de l'oscillo. Ou il suffit de relier la masse de la sonde sur un gnd trop loin du point de mesure pour avoir transformé la sonde en self qui va se coupler par inductance commune avec les courants qui passent.

J'utilise simplement un micro "volant" très simple connecté au microcontroller via un preampli...

Ce montage est alimenté comment/par quoi ? Les masses sont elles communes et reliées comment ? Quelle longueur de filasse entre le micro volant et le microcontrôleur ? C'est un micro MEMS ? Electret ?

Le problème du 50Hz doit être visible à l'oscillo + dans les échantillons pour écarter un artefact de mesure. Est ce le cas ?

[Gwinver]

Bonjour.

+1 avec les artéfacts de mesure et le besoin de supprimer un parasiote avant numérisation plutôt que de vivre avec.

En cas de filtrage de réejction de 50 Hz, et quelque soit la méthode, il faut considérer la bande passante du réjecteur, il ne rejettera pas que le 50 Hz, mais une bande de fréquence autour du 50 Hz. Il faut s'assurer que ceci est compatible avec ce qui devrait être observé.

Il faudrait aussi quantifier ce 50 Hz par rapport au signal désiré.
Il faudrait aussi savoir s'il s'agit d'une mesure "mono-coup" ou répétitive, et quel rythme et mode de répétition.

On peut observer que la durée des 250 échantillons est de 15.6 ms, alors qu'une période de 50 Hz dure 20 ms. Un échantilllonnage sur 20 ms permettrait de disposer d'une période entière du signal qu'il serait possible d'isoler par un filtrage passe bande puis de soustraire au signal et enfin de fournir les 250 échantillons nettoyés.
Mais, là aussi, un filtrage ne devient efficace qu'au delà d'un certain nombre d'échantillons.

[ThomasT]

Bonjour,


en utilisant un logiciel de type Matlab (GNU Octave) et en regardant quelques vidéos concernant la synthèse de filtres numériques,
je suis parvenu à obtenir les coefficients d'un filtre FIR Type I passe haut.

Par contre, il doit me manquer un élément dans mon raisonnement, ce qui fait
qu'en sortie du filtre, lorsque j'observe le signal correspondant à mon sinus 50Hz filtré,
je vois quelque chose d'étrange que je ne sais pas expliquer et qui ne correspond pas à ce que je devrais avoir.

Si je vous partage la méthode de raisonnement ainsi que des captures d'écran des signaux, est-ce que quelqu'un saurait
m'aider à comprendre mon erreur de raisonnement ou ce qui manque ????


Par avance merci pour votre réponse,
je vous souhaite une bonne journée.

[bobflux]

Si je vous partage la méthode de raisonnement ainsi que des captures d'écran des signaux, est-ce que quelqu'un saurait
m'aider à comprendre mon erreur de raisonnement ou ce qui manque ????

Probablement plus que si tu ne les partages pas

Je parie sur buffer trop petit et filtre pas appliqué en "streaming" mais réinitialisé au début du buffer

[ThomasT]

Alors voici la méthode suivie en détail (Pour l'instant sur un cas d'étude et non sur le sinus échantillonné en réel) :
1) Utilisation de la méthode de synthèse d'un filtre RIF passe Haut avec la méthode des fenêtres => A priori pour un passe haut, filtre RIF Type I Impair.

2) Définition de la fréquence d'échantillonnage : Fe = 32KHz.
fe = 32000;

3) Définition de la fréquence de coupure : Fc = 100Hz => Fréquence de coupure normalisée Wc = Fc/(Fe/2) = 0.00625;
fc = 100;
wc = fc/(fe/2);

4) Choix d'une fenêtre => Type Rectangle qui a priori donne la moins bonne atténuation en bande atténuée mais le filtre le plus petit possible pour avoir la bande d'atténuation désirée.

5) Définition de la bande d'atténuation DeltaF = Fc - Fa = 50Hz, ce qui fait Fa = 50Hz. => DeltaF normalisé = (Fc - Fa) / (Fe/2) = 0.003125;

6) Taille du filtre pour une fenêtre rectangulaire : DeltaFNorm = 0.9/N => N = 0.9/DeltaFNorm = 288 (Taille de la fenêtre rectangulaire d'où NbrCoeff = N-1 = 287).
La étrangement, la fonction permettant de déterminer le filtre me demande un nombre de coeff pair mais me génère un filtre Impair (Admettons).
Je demande donc 288 coefficients pour le filtre et la fonction me génère un filtre de 289 coefficients.
La fonction de création du filtre me demande une fenêtre de taille NbrCoeff+1 donc je demande une fenetre de taille 289.

Window = rectwin(289);
b = fir1(288,wc, "high", Window);

# Affichage de la réponse impulsionnelle du filtre :
figure(1);
plot(b);

#Affichage du module et de l'argument de la réponse fréquentielle du filtre :
[H,f]=freqz(b, 1, 2^12, fe);
figure(2);
plot(f, abs(H));
figure(3);
plot(f, arg(H));

Pièce jointe : Réponse impulsionnelle du filtre "1_ReponseImpulseFiltre.jp g"
Pièce jointe : Module de la réponse fréquentielle du filtre "2_ModuleRepFreqFiltre.jpg "
Pièce jointe : Argument de la réponse fréquentielle du filtre "3_ArgRepFreqFiltre.jpg"

7) Génération d'un signal de test sinusiodale à 50Hz sur 1 seconde. Ici, on a un cas qui ne correspond pas à la réalité mais le but est pour l'instant de caractériser et définir correctement le filtre :

FSig = 50;
Dt=(1/fe);
Duration=1;
tvec=0turation-Dt;
SinWave=sin(2*pi*FSig*tvec);

#Affichage du sinus :
figure(4);
plot(SinWave);

Pièce jointe : Sinus de test "4_Sinus_1s.jpg"

8) Filtrage du sinus :
y=filter(b,1,SinWave);

#Affichage du signal de sortie:
figure(5);
plot(y);

Pièce jointe : Signal de sortie "5_Signal_Sortie.jpg"

En regardant les affichages, on remarque que le sinus de sortie est bien atténué par rapport au sinus d'entrée idéal.
Par contre, quelque chose que je ne parviens pas à expliquer et qui me dérange beaucoup (Car je dois faire des calculs de stats sur le signal de sortie),
on observe sur le sinus de sortie un gros pic "vers le bas" en début de signal => J'aimerais arriver à expliquer ce qui crée cet artefact qui perturbera le calcul des statistics par la suite.
Le but est d'arriver à le faire disparaitre.

Quelqu'un saurait-il m'aider sur le sujet s'il vous plait ?

Par avance merci

[gts2]

Par contre, quelque chose que je ne parviens pas à expliquer et qui me dérange beaucoup (Car je dois faire des calculs de stats sur le signal de sortie),
on observe sur le sinus de sortie un gros pic "vers le bas" en début de signal => J'aimerais arriver à expliquer ce qui crée cet artefact qui perturbera le calcul des statistics par la suite.
Le but est d'arriver à le faire disparaitre.

C'est le transitoire du filtre, donc vos premiers points seront "faux", c'est normal. Il faudra simplement ne commencer vos statistiques qu'après amortissement de ce transitoire.

[bobflux]

Par contre, quelque chose que je ne parviens pas à expliquer et qui me dérange beaucoup (Car je dois faire des calculs de stats sur le signal de sortie),
on observe sur le sinus de sortie un gros pic "vers le bas" en début de signal => J'aimerais arriver à expliquer ce qui crée cet artefact qui perturbera le calcul des statistics par la suite.

Oui c'est normal : tout filtre ayant une fréquence de coupure F va nécessairement combiner les valeurs du signal d'entrée comprises dans une fenêtre de longueur voisine de T=1/F au minimum. Donc à l'apparition d'un signal à l'entrée, il y aura nécessairement un régime transitoire dont la durée est du même ordre de grandeur. Si c'est un FIR le régime transitoire dure au maximum la longueur de la réponse impulsionnelle qui est appliquée ; si c'est un IIR on aura probablement une transitoire en forme d'exponentielle qui tend vers zéro avec une constante de temps du même ordre.

Le but est d'arriver à le faire disparaitre.

Ben tu peux pas supprimer le régime transitoire !

Par contre tu peux supprimer le début du signal de ton intervalle de mesure, en le faisant en streaming, tu échantillonnes tout le temps, tu appliques le filtre tout le temps, comme ça le transitoire apparaît à la mise en marche du système mais n'est plus présent ensuite.

[ThomasT]

L'idée de faire des acquisitions en permanence est très bonne, je n'y avais pas pensé.
D'ailleurs, je ne savais même pas que je devais obtenir un transitoire ... Merci pour votre aide.

Car dans mon cas, ayant en réalité un signal d'entrée de 16ms environs et non 1seconde, voici ce que j'obtiens
en sortie du filtre.

# Signal d'entrée réel :"6_SignalEntreeReel.jpg"
# Signal de sortie réel : "7_SignalSortieReel.jpg"

donc pour le calcul des statistiques sur le signal de sortie, on voit bien qu'il ne reste pas beaucoup de signal si l'on enlève le transitoire...

[gts2]

donc pour le calcul des statistiques sur le signal de sortie, on voit bien qu'il ne reste pas beaucoup de signal si l'on enlève le transitoire...

Oui, mais cela c'est pour le premier buffer qu'on jette à la poubelle.
Puis,

L'idée de faire des acquisitions en permanence est très bonne, je n'y avais pas pensé.

règle le problème

[bobflux]

Bien ! Il ne reste plus qu'à constater que le micro n'est pas assez puissant pour faire tourner le FIR en permanence, et donc mettre un IIR à la place, par exemple des biquad comme je disais en #11, ou autre...

[jiherve]

Bonjour,
le soucis avec les IIR c'est souvent la précision des calculs, les FIR sont, à ce niveau bien, plus robustes mais il verra bien!
JR

[bobflux]

Oui on peut avoir des résultats assez "créatifs" avec les erreurs d'arrondi !

Finalement ce serait peut-être pas si difficile de mettre un cable blindé sur le micro

[Gwinver]

Il faudrait aussi s'assurer que le signal à échantillonner soit couplé en alternatif et non pas en continu. En cas de couplage en continu, il y a risque de création d'un transitoire parasite lors du début de l'échantillonnage. Une composante continue a aussi une influence sur la dynamique possible de la conversion.