摘  要： 針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等工作時(shí)產(chǎn)生的周期噪聲，進(jìn)行主動(dòng)降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。主要工作為降噪程序的設(shè)計(jì)和基于DSP的硬件實(shí)現(xiàn)。其中降噪程序采用自適應(yīng)算法中的反饋濾波-X-最小均方算法，對(duì)此算法進(jìn)行了簡(jiǎn)要講解，并設(shè)計(jì)了降噪程序的算法流程；DSP采用德州儀器公司的DSP TMS320VC5509A，使用TLV320AIC23B作為音頻處理芯片，搭建硬件平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，取得明顯降噪效果。

　　關(guān)鍵詞： 主動(dòng)降噪；自適應(yīng)；濾波-X-最小均方算法

0 引言

　　在現(xiàn)代社會(huì)的日益飛速的發(fā)展中，人類(lèi)生存環(huán)境中的噪聲污染越來(lái)越嚴(yán)重。噪聲引起人心情煩躁，精力不集中，反應(yīng)遲鈍，工作效率降低，同時(shí)會(huì)造成聽(tīng)力損傷，影響正常交談[1]。因而采取各種方式來(lái)降低噪聲是相當(dāng)重要的。傳統(tǒng)的噪聲控制方法，比如吸聲、隔聲、隔振或阻尼減振以及利用消聲器等，其本質(zhì)是利用聲波與材料的機(jī)械作用，使聲能變?yōu)槠渌问降哪芰恳詼p少噪聲，即“被動(dòng)降噪”。

　　通過(guò)利用人為的聲源（又稱為次級(jí)聲源），使其產(chǎn)生的聲場(chǎng)與原噪聲源（又稱為初級(jí)聲源）產(chǎn)生的聲場(chǎng)發(fā)生相干性疊加，就能產(chǎn)生“靜區(qū)”而實(shí)現(xiàn)降噪。因?yàn)樗肓巳藶楫a(chǎn)生的次級(jí)聲源，所以是一種“主動(dòng)式”的降噪方法。當(dāng)前，噪聲主動(dòng)控制（Active Noise Control，ANC）已成為噪聲控制的一種重要技術(shù)手段。本文即采用主動(dòng)降噪思想，使用反饋濾波-X-最小均方（Filtered–X-LMS，F(xiàn)XLMS）算法[2-4]，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等工作時(shí)產(chǎn)生的周期噪聲進(jìn)行降噪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　本文主要分為4個(gè)部分：軟件設(shè)計(jì)，包括反饋FXLMS算法的模型和降噪程序的流程；硬件實(shí)現(xiàn)，包括硬件平臺(tái)的搭建和TLV320AIC23B芯片的講解；實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括MATLAB上仿真的降噪效果和硬件實(shí)現(xiàn)的降噪效果；最后，對(duì)本文所做的工作進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)下一步工作提出設(shè)想。

1 軟件設(shè)計(jì)

　　反饋FXLMS[3-4]是基本的最小均方（Least Mean Square，LMS）算法[5]在ANC耳機(jī)系統(tǒng)上的一個(gè)改進(jìn)算法，算法目標(biāo)是利用反饋系統(tǒng)使次級(jí)聲源產(chǎn)生的反噪聲與外界噪聲盡量抵消，從而達(dá)到消除噪聲的目的。

　　1.1 反饋FXLMS算法模型

　　所謂的FXLMS算法，其相對(duì)于基本的LMS算法的改進(jìn)考慮了耳機(jī)系統(tǒng)中次級(jí)通道的影響。將次級(jí)通道設(shè)為H（z），在物理上其包含了D/A轉(zhuǎn)換器、重構(gòu)濾波器、功放、消聲揚(yáng)聲器以及消聲揚(yáng)聲器到誤差傳聲器之間的物理通道、誤差傳聲器、前置放大、抗混疊濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器。加入C（z）對(duì)H（z）進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)次級(jí)通道訓(xùn)練使得C（z）盡量等于H（z）。本文選擇了反饋FXLMS算法來(lái)防止前饋系統(tǒng)存在的聲反饋問(wèn)題[6-7]，同時(shí)反饋FXLMS算法對(duì)周期信號(hào)有很好的降噪效果。圖1為反饋FXLMS算法模型框圖。

　　輸入?yún)⒖夹盘?hào)即外界噪聲x（n），其中，d（n）是期望信號(hào)又稱為主通道信號(hào)，P（z）為未知的主通道，H（z）是次級(jí)通道，C（z）為次級(jí)通道補(bǔ)償。W（z）為自適應(yīng)濾波器，在每次更新中會(huì)根據(jù)算法自適應(yīng)地改變其值。y（n）是自適應(yīng)數(shù)字濾波器的輸出信號(hào)，e（n）是誤差信號(hào)。在每次迭代中，系統(tǒng)采用LMS準(zhǔn)則，利用計(jì)算得到的x′（n）和e（n）更新W（z）的抽頭系數(shù)，使得次級(jí)通道的輸出y′（n）幅值不斷接近d（n），同時(shí)y′（n）與d（n）相位相反，從而使得e（n）均方值不斷減小。

　　完整的FXLMS算法主要分為兩步：第一步使用白噪聲利用LMS算法訓(xùn)練出次級(jí)通道；第二步帶入第一步得到的C（z），進(jìn)行與LMS類(lèi)似的迭代運(yùn)算。

　　次級(jí)通道訓(xùn)練算法如圖2所示，也使用LMS準(zhǔn)則進(jìn)行迭代更新。

　　使用次級(jí)通道訓(xùn)練得到的C（z）用反饋FXLMS算法進(jìn)行降噪，其過(guò)程具體步驟為：

　　（1）從微型麥克風(fēng)采集誤差信號(hào)e（n）。

　?。?）計(jì)算參考輸入信號(hào)x（n）：

　?。?）計(jì)算反噪聲y（n）：

　　其中，wi（n）為自適應(yīng)濾波器W（z）在n時(shí)刻的系數(shù)，N為W（z）的階數(shù)。

　?。?）從耳機(jī)輸出反噪聲y（n）。

　?。?）計(jì)算濾波后版本的x′（n）：

　?。?）使用FXLMS算法更新W（z）的系數(shù)：

　　wi（n+1）=wi（n）-?滋e（n）x′（n-i），i=0，1，…，N-1

　?。?）進(jìn)行下一次迭代。

　　1.2 降噪程序流程

　　根據(jù)反饋FXLMS算法的特點(diǎn)，本文程序主要可分為兩個(gè)部分，第一部分為次級(jí)通道訓(xùn)練，第二部分為降噪過(guò)程。其中次級(jí)通道訓(xùn)練在實(shí)際中可以離線進(jìn)行，因而程序中主體為用反饋FXLMS算法進(jìn)行降噪。

　　根據(jù)反饋FXLMS算法的特點(diǎn)，得到降噪過(guò)程的程序流程圖如圖3所示。

　　2 硬件實(shí)現(xiàn)

　　2.1 硬件平臺(tái)

　　實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)主要由DSP開(kāi)發(fā)板、DSP仿真器、耳機(jī)與麥克風(fēng)以及音響組成，在電腦上的開(kāi)發(fā)軟件為T(mén)I公司的Code Composer Studio（CCS）v4.2.4。

　　降噪系統(tǒng)實(shí)物圖和示意圖如圖4、圖5所示。

　　由音響發(fā)出音頻來(lái)模擬外界噪聲，耳機(jī)中揚(yáng)聲器作為次級(jí)聲源發(fā)出反噪聲，麥克風(fēng)為一個(gè)微型麥克風(fēng)，放在耳機(jī)罩中，用于采集誤差噪聲，其盡量靠近耳機(jī)揚(yáng)聲器以降低外界干擾和誤差。DSP控制系統(tǒng)板微處理器為T(mén)I的TMS320VC5509A DSP。音頻CODEC芯片采用是TI的一款高性能的立體聲芯片TLV320AIC23B（簡(jiǎn)稱為AIC23B）。

　　2.2 AIC23B芯片

　　AIC23B音頻處理芯片為ANC的DSP實(shí)現(xiàn)中最重要的芯片。選擇其波特率即采樣率為44.1 kHz，以提供降噪所需要的實(shí)時(shí)性；選擇數(shù)據(jù)格式為16 bit，這是為了與DSP 5509A的數(shù)據(jù)格式相匹配，DSP C5509A為16 bit DSP；選擇輸入方式為麥克風(fēng)輸入，對(duì)應(yīng)的麥克風(fēng)插入麥克風(fēng)輸入插孔；耳機(jī)插入立體聲輸出插孔，即耳機(jī)輸出插孔。麥克風(fēng)輸入和線性輸入的主要差別在于麥克風(fēng)輸入提供一個(gè)固定的前置放大，而線性輸入則是可變?cè)鲆娴姆糯笃?；立體聲輸出相對(duì)于線性輸出，則是立體聲輸出在線性輸出上增加了一個(gè)可變?cè)鲆娴姆糯笃饕约耙粋€(gè)耳機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　C5509A通過(guò)I2C總線來(lái)對(duì)AIC23B寄存器進(jìn)行設(shè)置，兩者的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)多通道緩沖串行口（MCBSP）實(shí)現(xiàn)。兩者的硬件連接如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　3.1 MATLAB仿真

　　輸入500 Hz幅值為1的正弦信號(hào)，迭代步長(zhǎng)為0.1，由圖8、圖9可以看到在迭代大約為300次時(shí)的誤差噪聲就收斂到0，說(shuō)明程序有很好的降噪效果。

　　3.2 DSP實(shí)現(xiàn)

　　利用音響發(fā)出500 Hz音頻作為外界噪聲，利用CCS軟件的Graph功能對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖并截圖。由圖10、圖11可以看出，降噪前噪聲幅值為9 000，降噪后最大值為1 900，換算為降噪比為：20lg（9 000/1 900）=13.5 dB。降噪效果比較明顯。

4 結(jié)論

　　本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等工作時(shí)產(chǎn)生的周期噪聲，利用反饋FXLMS算法進(jìn)行ANC程序設(shè)計(jì)，在MATLAB中仿真對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得很好的降噪效果?；诘轮輧x器公司的DSP C5509A，搭建硬件平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)周期信號(hào)取得明顯降噪效果。為了增加系統(tǒng)性能，在今后工作中可以考慮在程序中增加變步長(zhǎng)算法，使收斂速度與穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到一個(gè)較好的平衡[8-9]。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 龐志兵，何健，李永峰，等.自行高炮艙內(nèi)噪聲對(duì)人操作可靠性的影響及對(duì)策[C].人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程研究進(jìn)展，2005（7）：35-40.

　　[2] 劉劍.基于FXLMS算法的窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)性能分析研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

　　[3] ROY T K， MORSHED M. Active noise control using filtered-xLMS and feedback ANC filter algorithms[C]. 2013 International Conference on Advances in Electrical Engineering（ICAEE）， IEEE， 2013：7-12.

　　[4] KUO S M， PANAHI I， CHUNG K M， et al. Design of active noise control systems with the TMS320 family[R]. Texas Instruments， 1996.

　　[5] 張賢達(dá).現(xiàn)代信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

　　[6] 岳莎莎.基于TMS320VC5509A的管道有源噪聲控制系統(tǒng)研究[D].濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2010.

　　[7] 李寧.LMS自適應(yīng)濾波算法的收斂性能研究與應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

　　[8] 李存武，林春生.關(guān)于幾種變步長(zhǎng)LMS算法的討論[J].艦船電子工程，2008，28（5）：175-177.