无次级通道建模的有源噪声控制方法

专利名称：无次级通道建模的有源噪声控制方法
技术领域：
本发明涉及一种实现不需要次级通道建模的有源噪声控制方法。
背景技术：
有源噪声控制系统中存在次级通道，常见的前馈有源噪声控制方法需要将输入信号矢量与次级通道脉冲响应系数进行卷积运算，因此必须进行额外的次级通道建模。然而，建模的误差会影响收敛系数的取值范围和有源噪声控制系统的稳定性。
中国专利公开CN1427988一种有源噪声抑制系统，该系统利用定点数字滤波器在一些预先定义好的位置对从控制误差的测量所得声音噪声的反相信号进行估计。声音噪声的反相信号用于产生精确的声音控制响应信号，经定点滤波器处理后，用于补偿组成系统的物理元件的动态效应。本系统实际上提供一种具有稳定性的结构，产生声音噪声的反相信号的紧密匹配。本系统不受因采用模拟反馈补偿法所带来的闭环稳定性方面的限制，同时本发明的结构也不受在自适应前馈操作时较差的参数收敛限制。
CN1886104一种用于从噪声源减少噪声的有源噪声控制设备，包括用于探测由噪声源所产生的噪声的麦克风，以及用于接收从麦克风所探测的噪声的噪声信号和用于产生减少来自噪声源的噪声的控制信号的广义有限脉冲响应(FIR)滤波器。基于来自广义FIR滤波器的控制信号，扬声器产生用于充分消除来自噪声源噪声的声音。
另一类有源噪声控制方法不需要次级通道建模。《Active noise control systemusing the simultaneous equation method without the estimation of error path filtercoefficients》(Electron.Commun.Jpn.，2002，Part III，vol.85，pp.101-108)提出联立方程法消去次级通道传递函数，收敛速度快，但计算量较大。《A new active noise controlalgorithm that requires no secondary path identification based on the spr property》(IEEETrans.Signal Process.，2007，vol.55，no.5，pp.1719-1729)提出时域上两方向搜索型有源噪声控制方法，通过改变收敛系数的正负号找到收敛的更新方向。此方法结构简单，运算量小。缺点是在次级通道相位为±90°时，无法收敛；不易选择合适的收敛系数来保证较快的收敛。
但现有方法未能提供结构简单，计算量小，任意环境都能适用的，不需要次级通道建模的有源噪声控制方法。

发明内容
本发明的目的是提供一种提供结构简单，计算量小，任意环境都能适用的，不需要次级通道建模的有源噪声控制方法。该方法中，频域滤波器系数更新不使用次级通道信息，在四个更新方向中搜索并选择合适的更新方向和收敛系数大小。
本发明是通过以下技术方案来实现的无次级通道建模的有源噪声控制方法，频域滤波器系数更新不使用次级通道信息，在四个更新方向中搜索并选择合适的更新方向和收敛系数大小，具体步骤如下 A)初始化频域滤波器系数为0，不更新频域滤波器系数，计算P帧误差信号平均功率误差信号功率瞬时最大值和参考信号功率 B)搜索四个更新方向，即是使收敛系数μ′分别等于μ，-μ，iμ和-iμ，重复步骤C)和D)； C)按照W(k，i+1)＝W(k，i)+μ′X*(k，i)E(k，i)，k＝kL，...，kH更新频域滤波器系数，计算另P帧误差信号平均功率和参考信号功率如果出现误差信号瞬时功率则立即停止更新和计算，直接进入步骤D)。其中波动因子δ2>0； D)如果满足收敛条件ξ2/χ2<δ3ξ1/χ1，跳转至步骤H)。其中收敛因子δ3<1； F)如果μ′等于μ，-μ，iμ和-iμ，都满足ξ2/χ2>ξ1/χ1，那么减小收敛系数，μ＝αμ；否则增大收敛系数，μ＝μ/α。其中系数调整因子α<1； G)回到步骤A)； H)结束更新方向搜索和收敛系数大小调整。
本发明特点是本发明在四个更新方向中搜索并选择合适的频域滤波器系数更新方向和收敛系数大小，保证任意环境下噪声都能够快速收敛。本方法结构简单，计算量小，较易实现，鲁棒性高，实用性强。
四

图1为本发明具体实施时应用环境的一种配置示意图。
图2为本发明信号流程图。
图3为本发明一种实施后的实测结果图。
五具体实施例方式 下面通过实施案例对本发明进行详细说明 采用一个矩形管道(1)作为实施环境，初级声源(7)、次级声源(5)和误差传声器(6)的布置如图1所示。控制器(2)选用ADSP 21161N EZKIT数字信号处理评估板，模拟输入硬件默认采样率为48000Hz。另外选用了GR.A.S.公司型号40AE的传声器、型号26CA的传声器前置放大器，PCB公司型号482A16的信号调理器(3)和Classic牌型号8.0B的功率放大器(4)。管道长3.278m，截面为0.165m×0.166m。误差传声器与初级声源，次级声源分别距离1.112m和0.956m，初级声源距吸声材料1.064m，次级声源距管口0.146m。声源直径0.200m。DSP生成参考信号，经过功率放大器驱动初级声源。管道右端铺设吸声材料(8)，使得初级声场近似为平面波。为程序中将误差传声器采集到的信号降采样到4800Hz。
按上述技术方案的步骤有源噪声控制方法，频域滤波器系数更新不使用次级通道信息，在四个更新方向中搜索并选择合适的更新方向和收敛系数大小，搜索的频域滤波器系数更新方向为四个，在系数更新公式里表现为收敛系数μ′分别等于μ，-μ，iμ和-iμ。
收敛系数大小调整的方法是如果μ′等于μ，-μ，iμ和-iμ，都满足ξ2/χ2>ξ1/χ1，那么减小收敛系数，μ＝αμ；否则增大收敛系数，μ＝μ/α。其中系数调整因子α<1。
如图2所示，本发明实施包括三个阶段初级噪声类型判断阶段；方向搜索和收敛系数大小调整阶段；频域滤波器系数更新和控制信号生成阶段。
第一阶段将每一帧参考信号和误差信号从时域变换到频域。选取滤波器长度M＝256，变换方法采用离散傅里叶变换。
对第n时刻的一帧参考信号 [X(0，n)，...，X(2M-1，n)]＝FFT[x(n-2M+1)，...，x(n)] 对第n时刻的一帧误差信号，需在帧的前一半添加M个0，再进行离散傅里叶变换 [E(0，n)，...，E(2M-1，n)]＝FFT[M个0，e(n-M+1)，...，e(n)] 其中，M为帧长的一半。
根据X(0，n)，...，X(2M1，n)值的大小分布来判断初级噪声的类型是窄带噪声或宽带噪声。如果是宽带噪声，则分解成多个窄带噪声分别处理。
第二阶段，判断需要控制的窄带频率范围[fLfH]，计算其对应的数字频率范围


和

其中

表示取整操作，M表示滤波器长度，fS表示采样频率。对频率范围[fLfH]的频域滤波器系数更新采用同一收敛系数，选取参数P＝2，δ2＝0.2，δ3＝0.8，α＝0.5，μ＝1E-3，方向搜索和收敛系数大小调整具体步骤如下 A)初始化频域滤波器系数为0，不更新频域滤波器系数，计算P帧误差信号平均功率误差信号功率瞬时最大值和参考信号功率 B)搜索四个更新方向，即是使收敛系数μ′分别等于μ，-μ，iμ和-iμ，重复步骤C)和D)； C)按照W(k，i+1)＝W(k，i)+μ′X*(k，i)E(k，i)，k＝kL，...，kH更新频域滤波器系数，计算另P帧误差信号平均功率和参考信号功率如果出现误差信号瞬时功率则立即停止更新和计算，直接进入步骤D)。其中波动因子δ2>0； D)如果满足收敛条件ξ2/χ2<δ3ξ1/χ1，跳转至步骤H)。其中收敛因子δ3<1； F)如果μ′等于μ，-μ，iμ和-iμ，都满足ξ2/χ2>ξ1/χ1，那么减小收敛系数，μ＝αμ；否则增大收敛系数，μ＝μ/α。其中系数调整因子α<1； G)回到步骤A)； H)结束更新方向搜索和收敛系数大小调整。
第三阶段频域滤波器系数更新，然后从频域变换回时域，再产生控制信号。
频域滤波器系数从频域变换到时域的方法是逆离散傅里叶变换 [w(0)，...，w(2M-1)]＝IFFT[W(0，n)，...，W(M，n)，W*(M-1，n)，W*(1，n)] 其中，上标*表示取共轭。
产生控制信号的方法是 y(n)＝[x(n-2M+1)，...，x(n)][w(0)，...，w(2M-1)]T 其中，上标T表示矩阵转置。
对单频240Hz的参考信号，噪声控制结果如图3所示，当μ＝1e-3时，前搜索前三个更新方向，噪声都增大。搜索第四个更新方向，噪声迅速减小。当μ＝1e-2，搜索四个更新方向，噪声都增大。逐步减小μ，最终得到合适的μ，使噪声迅速减小。当μ＝1e-4，搜索四个更新方向，噪声有的增大，有的缓慢减小。逐步增大μ，最终得到合适的μ，使噪声迅速减小。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1、无次级通道建模的有源噪声控制方法，其特征是频域滤波器系数更新不使用次级通道信息，在四个更新方向中搜索并选择合适的更新方向和收敛系数大小，具体步骤如下
A)初始化频域滤波器系数为0，不更新频域滤波器系数，计算P帧误差信号平均功率误差信号功率瞬时最大值和参考信号功率
B)搜索四个更新方向，即是使收敛系数μ′分别等于μ，-μ，iμ和-iμ，重复步骤C)和D)；
C)按照W(k，i+1)＝W(k，i)+μ′X*(k，i)E(k，i)，k＝kL，...，kH更新频域滤波器系数，计算另P帧误差信号平均功率和参考信号功率如果出现误差信号瞬时功率则立即停止更新和计算，直接进入步骤D)。其中波动因子δ2>0；
D)如果满足收敛条件ξ2/χ2<δ3ξ1/χ1，跳转至步骤H)；其中收敛因子δ3<1；
F)如果μ′等于μ，-μ，iμ和-iμ，都满足ξ2/χ2>ξ1/χ1，那么减小收敛系数，μ＝αμ；否则增大收敛系数，μ＝μ/α。其中系数调整因子α<1；
G)回到步骤A)；
H)结束更新方向搜索和收敛系数大小调整。
全文摘要
无次级通道建模的有源噪声控制方法，频域滤波器系数更新不使用次级通道信息，在四个更新方向中搜索更新方向和收敛系数大小A)初始化频域滤波器系数为0，不更新频域滤波器系数，计算P帧误差信号平均功率，误差信号功率瞬时最大值和参考信号功率；B)搜索四个更新方向，即是使收敛系数μ′分别等于μ，-μ，iμ和-iμ，重复步骤C)和D)；C)更新频域滤波器系数，计算P帧误差信号平均功率和参考信号功率。D)如果满足收敛条件，跳转至步骤H)；F)如果μ′等于μ，-μ，iμ和-iμ，那么减小收敛系数，否则增大收敛系数，G)回到步骤A)；H)结束更新方向搜索和收敛系数大小调整。本发明鲁棒性高，实用性强。
文档编号G10K11/00GK101393736SQ200810155658
公开日2009年3月25日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者冯声振, 鸣 吴, 邱小军 申请人:南京大学