專利名稱：一種時(shí)頻域混合自適應(yīng)有源噪聲控制算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有源噪聲控制領(lǐng)域，提出了一種時(shí)頻域混合自適應(yīng)有源噪聲控制算法。
背景技術(shù)：
針對(duì)傳統(tǒng)噪聲控制方法的不足，有源噪聲控制提供了一種對(duì)低頻噪聲非常有效的控制方法，即通過人為引入控制聲源和原始噪聲相互作用以達(dá)到降噪目的。由于一般情況下原始噪聲和控制環(huán)境是時(shí)變的，故需要自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制聲源的輸出波形以保持降噪系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)有機(jī)艙和轎車等閉空間的有源噪聲控制的應(yīng)用中，有源噪聲控制系統(tǒng)實(shí)用的主要障礙之一是降噪帶寬有限。這可通過采用較高的采樣率改善，但較高的采樣頻率導(dǎo)致自適應(yīng)濾波和抵消通道模型的濾波器階數(shù)顯著增加。對(duì)于較長階數(shù)的有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器的濾波和自適應(yīng)更新，采用基于快速傅立葉變換(FFT)的頻域算法可顯著降低其計(jì)算量。而FFT的正交分解特性對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了去相關(guān)，通過對(duì)每個(gè)頻譜選擇不同的收斂系數(shù)，頻域算法的收斂速度也可能比相應(yīng)的時(shí)域算法有大幅度提高。對(duì)有源噪聲控制中最常用的濾波-X最小均方算法(FXLMS)，有兩條途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的頻域算法。第一條途徑是最大限度地利用頻域運(yùn)算的特點(diǎn)降低計(jì)算量，把其中的控制信號(hào)生成(FIR濾波)和濾波器更新(LMS)都在頻域完成；而第二條途徑是在時(shí)域完成控制信號(hào)生成，僅在頻域完成濾波器更新(Elliott，S. J. ,2001. SignalProcessing for Active Control. Academic Press, London)?，F(xiàn)有的大部分有源噪聲控制系統(tǒng)采用的是第二條途徑，其原因是第一條途徑引入至少一個(gè)FFT塊數(shù)據(jù)大小的時(shí)延，即控制信號(hào)生成不是實(shí)時(shí)的，這不滿足大多數(shù)有源控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。但第二條途徑的缺點(diǎn)是其計(jì)算量的節(jié)省程度有限(Qiu, X. and Hansen, C. H. , 2003b. A comparison ofadaptive feedforward control algorithms for the practical implementation ofmultichannel active noise control. Proceedings of 8th International Congress onSound and Vibration Wespac, Melbourne, Australia)。這是由于控制信號(hào)生成在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算量中占有一定比重，如30%，因此即使在頻域完成濾波器更新能節(jié)省所有的濾波器更新所需的計(jì)算量，整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算量節(jié)省的極限超不過30%。已有研究提出采用多時(shí)延頻域(MultiDelay Frequency domain,簡稱MDF)算法來解決上述問題(Qiu X. , Hansen C. H. , 2007. Multidelay adaptive filters foractive noise control. Proceedings of 14th International Congress on Sound andVibration, Cairns, Australia)。MDF算法是一種靈活的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，即將較長的FIR濾波器分成若干段較短的FIR濾波器分別進(jìn)行處理，對(duì)每個(gè)較短的FIR采用頻域?yàn)V波和更新。這 是一種簡化的頻域算法。由于對(duì)每一小塊采用了頻域算法，故整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算量可以利用FFT得到降低；而又由于采用了較短的FFT塊，故控制信號(hào)的時(shí)延得到降低，從而在某些有源控制中得到應(yīng)用。在有源噪聲控制中使用MDF算法的關(guān)鍵是塊大小的劃分，需要在計(jì)算量降低和時(shí)延之間根據(jù)實(shí)際噪聲環(huán)境進(jìn)行折中。塊越大，計(jì)算量降低得越多，但時(shí)延越大。當(dāng)塊的大小是原濾波器的長度時(shí)，則等價(jià)于第一條途徑的頻域算法。較小的塊則適合于短時(shí)延的場合，當(dāng)塊的長度為I各采樣點(diǎn)時(shí)，則等價(jià)于到時(shí)域FXLMS算法?，F(xiàn)有MDF算法在有源噪聲控制中應(yīng)用的主要障礙是其時(shí)延。雖然MDF算法由于使用短塊數(shù)據(jù)作FFT，時(shí)延減少了很多，但對(duì)很多有實(shí)時(shí)要求的有源噪聲控制應(yīng)用不適用(Qiu, X. , Li, N. , Chen, G. and Hansen, C. Η. ,2006. The implementation of delaylesssubband active noise control algorithms, Proceedings of the 2006 InternationalSymposium on Active control of Sound and Vibration,Adelaide,Australia)。本發(fā)明提出采用時(shí)頻域混合自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)無時(shí)延的MDF算法。時(shí)頻域混合自適應(yīng)算法的思路是根據(jù)實(shí)際噪聲傳播的時(shí)延特點(diǎn)，確定噪聲傳播的能量隨時(shí)間的分布，從而將整個(gè)控制濾波器先劃分成兩塊，兩塊數(shù)據(jù)長度不一定相等，第I塊通常比第2塊短很多。第I塊僅包含第I波到達(dá)的能量，這塊 數(shù)據(jù)的濾波在時(shí)域上完成，必須是無時(shí)延的。而第2塊一般比第I塊長很多倍，采用頻域?yàn)V波實(shí)現(xiàn)，允許有一定的時(shí)延。第2塊數(shù)據(jù)選用MDF算法，但兩塊數(shù)據(jù)的濾波器的更新都在頻域上完成。這樣既保證了算法對(duì)先到達(dá)噪聲信號(hào)的零時(shí)延控制，又利用了 MDF算法降低了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算量，從而整體提升了 MDF算法的適用性和性能。本發(fā)明的顯著特點(diǎn)是通過利用時(shí)頻域混合自適應(yīng)有源噪聲控制算法，突破多時(shí)延頻域自適應(yīng)算法的時(shí)延限制，使其能夠用于無時(shí)延要求的場合。

發(fā)明內(nèi)容
I、發(fā)明目的提出了一種時(shí)頻域混合自適應(yīng)有源噪聲控制算法。該算法采用時(shí)頻域混合處理來實(shí)現(xiàn)無時(shí)延的MDF算法。2、技術(shù)方案附圖
I給出了時(shí)頻域混合實(shí)現(xiàn)FIR濾波的框圖。圖中FIR濾波器的系數(shù)為w(n)=[Wtl(Ji) ,W1(Ji),. . . ,Wk (η)]τ,上角標(biāo)T表示矩陣或者矢量的轉(zhuǎn)置,L是濾波器長度。X (η)是輸入信號(hào)，y(n)是輸出信號(hào)，η是時(shí)域樣本序號(hào)。假設(shè)第I部分的長度是Lt，則余下部分的長度SLf = L-Lt。通常，Lf KLt大很多，因此整個(gè)濾波器w(n)可被分成K段，每段的長度 N = Lt = L/K， wH (n) = [wkN(η), wkN+1 (η), . . . , Wkm (η) ]τ, k = O, · · · , Κ_1 (I)其中第I段濾波器(k = 0)的濾波在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)，故沒有引入任何時(shí)延。而其余K-I段濾波器在頻域上實(shí)現(xiàn)以降低計(jì)算量。其代價(jià)是引入了 N或者Lt采樣點(diǎn)的時(shí)延。對(duì)頻域?yàn)V波，數(shù)據(jù)塊的大小是N，但采用2N點(diǎn)FFT通過重疊保存方法去除循環(huán)卷積的影響。在第k個(gè)塊濾波器的系數(shù)后面補(bǔ)加N個(gè)0，采用2N點(diǎn)FFT，得Wk (m) = FFT2n [wkN (η)，wkN+1 (η),. . . , w綱(η) ,0,0,. . . , 0]τ, k = O, · · ·，K-I (2)式中，m是塊序號(hào)，每N個(gè)采樣點(diǎn)增加I。假設(shè)在第η個(gè)采樣點(diǎn)(n = mN是N的整數(shù)倍)，第m個(gè)數(shù)據(jù)塊xN (m) = [χ (η-Ν+1),X (η-Ν+2) ,...,χ (η) ]τ形成，將該塊數(shù)據(jù)和之前各塊數(shù)據(jù)一起用來計(jì)算整個(gè)濾波器的后K-I段的N個(gè)輸出，輸出的序號(hào)從樣本η到樣本η+Ν-1,\_yf(n), yf(n + \), yf(n + N-Y)^(3)
式中
是NX 2N矩陣，由一個(gè)NXN零矩陣On和一個(gè)NXN單位陣In串接而成。X2W(m) = FFr2/J[x；；(m-l)x；；(m)r},diag[·]表示一個(gè) 2NX 2N 對(duì)角矩陣，其第 i 個(gè)對(duì)角元素就是這個(gè)2N大小矢量的第i項(xiàng)。從樣本η到樣本η+Ν-1，塊序號(hào)從m增加到m+Ι，整個(gè)濾波器w (η)在各個(gè)采樣時(shí)刻的輸出為y (n) = yt (n) +yf (η) (4)式中，

而[w0 (m), W1 (m), . . , Wn^1 (m) ]τ = [ΙΝ 0Ν] IFFT2n [W0 (m) ] (6)上述FIR濾波基于2Ν大小的FFT，時(shí)延是N個(gè)采樣點(diǎn)，比原始濾波器長度L小很多了。而濾波器系數(shù)的更新也在頻域進(jìn)行，其大小也為2N。這個(gè)算法通常稱為多時(shí)延自適應(yīng)濾波器(multidelay adaptive filter,簡稱 MDF)。附圖2給出了基于MDF的最小均方(LMS)算法框圖。對(duì)一個(gè)誤差信號(hào)數(shù)據(jù)塊eN(m)=[e(n), e(n+l), . . .，e (η+Ν-1) ]τ，在該數(shù)據(jù)塊前加入N個(gè)O形成2N點(diǎn)數(shù)據(jù)塊，并對(duì)之進(jìn)行FFT得，E2n(m) = FFT2N
T (7)對(duì)第k段(k = 0，1，. . .，K-l)的濾波器系數(shù)更新公式為

式中(·廣表示復(fù)共軛，μ是收斂系數(shù)。附圖3給出了使用時(shí)頻域混合算法的有源噪聲控制系統(tǒng)框圖。其中χ(η)是來自噪聲源的參考信號(hào)，P(Z)是從噪聲源x(n)到誤差點(diǎn)處初級(jí)噪聲p(n)的初級(jí)聲場傳遞函數(shù)。誤差點(diǎn)處的實(shí)際控制信號(hào)是控制器的輸出y(η)和實(shí)際抵消通道的傳遞函數(shù)S(Z)的卷積。誤差信號(hào)e (η)由控制信號(hào)y (η)和建模信號(hào)r (η)經(jīng)過抵消通道和初級(jí)噪聲信號(hào)疊加而成。除了控制濾波器采用時(shí)頻域混合算法無時(shí)延地計(jì)算輸出外，其他的FIR濾波和LMS更新都基于MDF在頻域進(jìn)行。為了應(yīng)用時(shí)頻域混合算法，首先需要根據(jù)所控制物理系統(tǒng)的因果性確定控制濾波器的長度L和數(shù)據(jù)塊的大小N。一般地，抵消通道的FIR濾波器長度和控制濾波器一樣，因此抵消濾波器S(Z)也可被分成K段(k = 0，l，...，K-l)。類似于控制濾波器，對(duì)第k段抵消通道，2N長度的矢量Ck(m)可由下式獲得式中R2N(m)是2N點(diǎn)頻域建模信號(hào)，類似前述獲得X2N(m)的方法得到。2N點(diǎn)頻域誤差信號(hào)E2n(HI)由式(7)得到，μ。是抵消通道建模的收斂系數(shù)。令μ w是控制濾波器的收斂系數(shù)，則對(duì)第k段控制濾波器的頻域更新有，
權(quán)利要求
1.一種時(shí)頻域混合自適應(yīng)有源噪聲控制算法，其特征在于將整個(gè)控制濾波器劃分成兩塊，第一塊在時(shí)域上完成濾波以保證無時(shí)延，另一塊采用頻域?yàn)V波，但兩塊數(shù)據(jù)的濾波器更新都在頻域上完成，且抵消通道的建模也基于多時(shí)延自適應(yīng)濾波器在頻域進(jìn)行。
2.如權(quán)利要求I所述的將整個(gè)控制濾波器劃分成兩塊，第一塊在時(shí)域上完成濾波以保證無時(shí)延，另一塊采用頻域?yàn)V波的方法，其特征在于對(duì)頻域?yàn)V波，采用塊長為第一塊數(shù)據(jù)塊大小2倍的FFT通過重疊保存方法去除濾波中的循環(huán)卷積的影響。
3.如權(quán)利要求I所述的兩塊數(shù)據(jù)的濾波器更新都在頻域上完成的方法，其特征在于對(duì)頻域更新，采用塊長為第一塊數(shù)據(jù)塊大小2倍的多時(shí)延自適應(yīng)濾波器的更新算法。
4.如權(quán)利要求I所述的抵消通道的建模也基于多時(shí)延自適應(yīng)濾波器在頻域進(jìn)行的方法，其特征在于所有濾波和建模均采用塊長為第一塊數(shù)據(jù)塊大小2倍的多時(shí)延自適應(yīng)濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種時(shí)頻域混合自適應(yīng)有源噪聲控制算法，該算法根據(jù)噪聲傳播的時(shí)延特點(diǎn)，將整個(gè)控制濾波器劃分成兩塊，一塊在時(shí)域上完成濾波以保證無時(shí)延，另一塊采用頻域?yàn)V波，但兩塊數(shù)據(jù)的濾波器更新都在頻域上完成，這樣既保證了算法對(duì)先到達(dá)噪聲信號(hào)的零時(shí)延控制，又利用了多時(shí)延頻域算法降低了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算量，從而整體提升了多時(shí)延頻域算法的適用性和性能。本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是突破了多時(shí)延頻域自適應(yīng)算法的時(shí)延限制，使其能夠用于無時(shí)延要求的場合。
文檔編號(hào)G10K11/178GK102629469SQ20121010000
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者邱小軍, 陳東 申請人:南京大學(xué)