一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统的制作方法
一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统，属于主动噪 声控制(Active Noise Control，ANC)领域，具体涉及窄带主动噪声控制系统中通过引入残 余噪声分离子系统来分离出残余的声音信号。
【背景技术】
[0002] 主动噪声控制技术与传统的被动噪声控制技术相比，具有良好低频噪声抑制性 能，且成本低等优点，适用于控制低频谐波噪声和音频范围内的噪声，是对传统的被动噪声 控制技术的有利补充。主动噪声控制系统大致分为前馈型、反馈型和混合型等三种类型，其 中前馈型主动噪声控制系统包括宽带和窄带两种（[1]S.M.Kuo and D.R.Morgan,Active Noise Control Systems-Algorithms and DSP Implementation,New York:Wiley , 1996.)〇
[0003] 窄带主动噪声控制系统用于抑制由旋转设备或具有往复运动的装置产生的谐波 噪声，如风扇、切割机、发动机等发出的低频噪声，具有周期或者近似周期特性。
[0004] 次级通道在线辨识与传统的次级通道离线辨识相比，具有实时地跟踪时变的次级 通道且适用于实际场合的特点。通过引入辅助高斯白噪声，进行次级通道在线辨识，改善了 次级通道的估计精度，但是同时恶化了抑制残余噪声的性能（[2] L.J. Eriks son and M·C·Al Iie，"Use of random noise for on-line transducer modeling in an adaptiveactive attenuation system，'，J. Acoust · Soc .Amer ·，vol ·85，no · 2，pp·797-802， Feb. 1989.)。为解决此问题，H.Lan等人提出了利用残余信号的幅值来调整辅助噪声的能 量，实现次级通道在线辨识的同时，可降低辅助噪声对残余噪声的影响（[3]H. Lan， M.Zhang,and ff.Ser,uAn active noise control system using online secondary pathmodeling with reduced auxiliary noise，'，IEEE Signal Process.Letts.,vol.9, no. I，pp. 16-18，Jan. 2002.)。在此基础上，Y. Xiao等人将上述调整辅助噪声能量的方法应 用到窄带主动噪声控制系统，通过残余噪声或者其经过低通滤波后的幅值来调整辅助噪声 的會泛量（[4]Y.Xiao，L.Ma,and K·Hasegawa，"Properties of FXLMS-based narrowband active noise controlwith online secondary-path modeling，''IEEE Trans . Signal Process.，vol. 57，no. 8，pp. 2931-2949，Aug. 2009.)。它可提高整个窄带主动噪声控制系统 的收敛速度，同时降低辅助噪声对残余噪声的贡献量（[5] J. Liu，Y.Xiao，J. Sun，and L.Xu， "Analysis of online secondary-path modeling with auxiliarynoise scaled by residual noise signal，''IEEE Trans . Audio , Speech,Lang. Process . , vol. 18 ,no . 8, pp. 1978-1993，Nov. 2010.)。但是，由于残余噪声中总含有环境噪声，用此残余噪声来调整 辅助噪声的能量和更新滤波-X最小均方算法环节，当系统趋于稳态时，依然有辅助噪声注 入到系统中并增加残余噪声的能量，制约了次级通道在线辨识的收敛性能，也严重影响了 整个窄带制动噪声控制系统的噪声抑制或者消除性能。
[0005] 为解决上述问题，需要提供一种更有效更实用的含次级通道在线辨识的前馈型窄 带主动噪声控制系统。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对传统的含次级通道辨识的前馈型窄带噪声控制系统中存 在的为了次级通道在线辨识而引入的辅助噪声严重影响了系统残余噪声能量的降低，且制 约了次级通道在线辨识精度和速度以及系统残余噪声抑制性能的问题，提供一种更有效更 实用的含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0008] -种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统，包括信号合成子系统 (I) 、次级通道在线辨识子系统(2)和残余噪声分离子系统(3);信号合成子系统（1)用于产 生与目标噪声中声音信号具有相同频率的次级噪声源信号;次级通道在线辨识子系统(2)， 随着窄带主动噪声控制系统的运行，可实时在线地完成次级通道辨识，进而用于抑制目标 噪声;残余噪声分离子系统(3)可实现从残余噪声中分离出分离出具有限个频率的声音信 号，分别用于信号合成子系统（1)中滤波-X最小均方(Filtered-x least mean square， FXLMS)算法模块(13)的更新以及次级通道在线辨识子系统(2)中辅助噪声约束模块(23)的 调整；
[0009] 信号合成子系统（1)包括同步信号产生模块(11)、控制滤波器模块(12)、滤波-X最 小均方算法模块（13)、带通滤波器模块（14)和带通滤波器模块（15);同步信号产生模块 (II) 产生第i个频率通道的参考信号，即余弦分量\(〃）（ cos⑷/7))和正弦分量 ( sin(ry,/?));其中，η是时刻(η 2 0)，当n = 0时表示初始时刻，ω i是根据非声学传感 器获得的同步信号和目标噪声频率的线性关系计算得到的第i个角频率;控制滤波器模块 (12)根据由滤波-X最小均方算法模块（13)更新输出的《,.(?)和纟⑷,以及同步信号产生模块 (11)的余弦分量和正弦分量气你），得到次级噪声信号中的第i个声音信号yi(n);带通 滤波器模块(14)、带通滤波器模块(15)和带通滤波器模块(31)在第i个频率通道时的z域模 型均为
其中，P为极半径参数，取值范围为〇到1之间的常数;Ci = -2(308(0^),1 = 1,2,…，q，q为参考通道频率的个数;带通滤波器模块(14)和带通滤波器 模块(15)均用于补偿残余噪声分离子系统(3)中带通滤波器模块(31)带来的相位延迟； [0010]次级通道在线辨识子系统（2)中，次级通道在线辨识模块（22)利用最小均方 (Least mean square，LMS)算法，能够实时地跟踪次级通道(21)可能存在的时变特性，提高 次级通道估计精度和整个窄带主动噪声控制系统的性能;辅助噪声约束模块(23)利用由q 个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)的一阶延迟后的绝对值|Ub(n-l) I，对均值为零、方差为 <的高斯白噪声V1(n)进行幅值调整，得到有色噪声v(n);进而控制滤波器模块(12)的总输 出
和有色噪声v(n)共同构成了次级噪声信号y(n);
[0011]残余噪声分离子系统（3)中，带通滤波器模块(31)实现从残余噪声信号e(n)中分 离出残余的q个频率的声音信号分离出的第i个声音信号m(n)相应地用于滤波-X 最小均方算法模块(13) ;q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)用作辅助噪声约束模块(23) 的输入;残余噪声信号e(n)与q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)的差值ds(n)，用作次级 通道在线辨识模块(22)的期望输入。
[0012] 本发明具有以下有益技术效果：
[0013] 本发明的残余噪声包括残余声音信号、辅助噪声引入的噪声和环境噪声等。包含 有限个无限冲激响应陷波器（Infinite Impulse Response notch filter, IIR notch filter)的带通滤波器组可实现从残余噪声中分离出残余声音信号。本发明采用分离出的 残余声音信号来调整引入的辅助噪声的能量，可提高次级通道在线辨识的精度和速度，同 时显著地降低引入的辅助噪声对残余噪声的影响，使系统稳态时残余噪声能量趋于环境噪 声能量，进一步提高前馈型窄带主动噪声控制系统的噪声抑制性能且便于实际应用。本发 明适用于调整辅助噪声的幅值来改善次级通道在线辨识和整个窄带主动噪声控制系统的 性能。
[0014] 本发明的有益技术效果表现在以下几个方面：
[0015] -、本发明利用带通滤波器模块(31)从残余噪声中分离出声音信号，并将残余噪 声与分离出的声音信号的差值输出作为次级通道在线辨识模块(22)的期望信号，显著地提 到了次级通道在线辨识的精度和速度；
[0016] 二、本发明利用带通滤波器模块(31)分离出的声音信号，而不是传统的残余噪声 本身，来调整辅助噪声的能量，可明显地降低引入的辅助噪声对残余噪声的能量，使得稳态 时整个系统的残余噪声能量趋向于环境噪声能量，便于实际场合应用；
[0017] 三、本发明采用分离出的每个频率的声音信号输入到滤波-X最小均方算法模块来 更新控制滤波器，同时引入带通滤波器模块(14)和带通滤波器模块（15)来补偿残余噪声分 离子系统(3)中带通滤波器模块(31)带来的相位延迟，改善了控制滤波器模块(12)的性能；
[0018] 四、本发明分别采用带通滤波器模块(31)分离出的声音信号更新控制滤波器模块 (12)，残余噪声与分离出的声音信号的差值输出作为次级通道在线辨识模块(22)的期望信 号，提高了控制滤波器模块（12)和次级通道在线辨识模块(22)实时在线更新的相互独立 性，改善了整个含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统的性能。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统的原理 框图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合实施例及附图对本专利作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于 此。
[0021] 如图1所示，本发明提供了一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制 系统，其特征在于前馈型窄带主动噪声控制系统包括信号合成子系统（1)、次级通道在线辨 识子系统(2)和残余噪声分离子系统（3);信号合成子系统（1)用于产生与目标噪声中声音 信号具有相同频率的次级噪声源信号;次级通道在线辨识子系统(2)，随着窄带主动噪声控 制系统的运行，可实时在线地完成次级通道辨识，进而用于抑制目标噪声;残余噪声分离子 系统（3)可实现从残余噪声中分离出具有限个频率的声音信号，分别用于信号合成子系统 (I) 中滤波-X最小均方(Filtered-X least mean square，FXLMS)算 法模块（13)的更新以及 次级通道在线辨识子系统(2)中辅助噪声约束模块(23)的调整。
[0022] 信号合成子系统（1)包括同步信号产生模块(11)、控制滤波器模块(12)、滤波-X最 小均方算法模块（13)、带通滤波器模块（14)和带通滤波器模块（15);同步信号产生模块 (II) 产生第i个频率通道的参考信号，即余弦分量
和正弦分量 (siii(qH));其中，η是时刻(η 2 0)，当n = 0时表示初始时刻，ω i是根据非声学传感器(如转速 计)获得的同步信号和目标噪声频率的线性关系计算得到的第i个角频率;控制滤波器模块 (12) 根据由滤波-X最小均方算法模块(13)更新输出的<5办)和％?:) ,以及同步信号产生模块 (11)的余弦分量&(")和正弦分量~(?)，得到次级噪声信号中的第i个声音信号yi(n)，即
[0023] 带通滤波器模块（14)、带通滤波器模块（15)和带通滤波器模块(31)在第i个频率 通道时的z域模型均为
其中，P为极半径参数，取值范围为〇到1之 间的常数;C1 = Ic0S(CO1)，i = l，2,…，q，q为参考通道频率的个数;带通滤波器模块(14)和 带通滤波器模块（15)均用于补偿残余噪声分离子系统(3)中带通滤波器模块(31)带来的相 位延迟，来改善控制滤波器模块(12)的性能。
[0024]带通滤波器模块(31)的输出为
[0025] m(n) =-pciUi(n_l )-p2Ui(n_2)-( 1-p) [cie(n_l) + (l+p)e(n_2)]
[0026] 其中，e(n)为整个系统输出的残余噪声信号。
[0027] 余弦分量&(")和正弦分量4 (?)分别输入到带通滤波器模块（14)和带通滤波器模 块(15)输出分别为
[0030]引入带通滤波器模块(14)和带通滤波器模块（15)来补偿残余噪声分离子系统(3) 的带通滤波器模块(31)带来的相位延迟，<.〇)和< (的输入给滤波-X最小均方算法模块 (13) ，来更新控制滤波器模块(12)的滤波权值
更新公式为
[0033]其中，Ul(n)为带通滤波器模块(31)从残余噪声信号e(n)中分离出的第i个声音信 号；μ为控制滤波器模块（12)的步长，通常取小于1的正值；，
（是由<(?)和 <(?)经过滤波-X最小均方算法模块(13)的次级通道估计模型系数
分别得到
[0036] 其中，M为次级通道估计模型的阶数。
[0037] 次级通道在线辨识子系统（2)的次级通道S(z)(21)在实际场合下是未知的，即次 级通道S(z)(21)的冲击响应序列
'是不能直接计算获得的，其中，M为次级通道实际模 型的阶数。次级通道在线辨识模块(22)利用最小均方(Least mean square，LMS)算法，能够 实时地跟踪次级通道(21)可能存在的时变特性，提高次级通道估计精度和整个窄带主动噪 声控制系统的性能；次级通道在线辨识模块(22)可以得到次级通道(21)的估计模型系数
[0038] 辅助噪声约束模块(23)利用由q个带通滤波器模块(31)总输出Ub(n)的一阶延迟 后的绝对值|u b(n-l)|，对均值为零、方差为<的高斯白噪声V1(n)进行幅值调整，得到有色 噪声v(n)，SP为
[0039] v(n) =vi(n) IUb(n_l) I
[0040] 其中，Iub(n-1) I为q个带通滤波器模块(31)总输出
）的一阶延迟的绝对 值。
[0041] 利用带通滤波器模块(31)分离出的声音信号，而不是传统的残余噪声本身，来调 整辅助噪声的能量，可明显地降低引入的辅助噪声对残余噪声的能量，使得稳态时整个系 统的残余噪声能量趋向于环境噪声能量，便于实际场合应用。
[0042] 残余噪声分离子系统（3)中，带通滤波器模块(31)实现从残余噪声信号e(n)中分 离出残余的q个频率的声音信号K㈨匕；分离出的第i个声音信号m(n)相应地用于滤波-X 最小均方算法模块(13) ;q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)用作辅助噪声约束模块(23) 的输入;残余噪声信号e(n)与q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)的差值ds(n)，用作次级 通道在线辨识模块(22)的期望输入，显著地提到了次级通道在线辨识的精度和速度。分别 采用带通滤波器模块(31)分离出的声音信号更新控制滤波器模块(12)，残余噪声与分离出 的声音信号的差值输出作为次级通道在线辨识模块(22)的期望信号，提高了控制滤波器模 块(12)和次级通道在线辨识模块(22)实时在线更新的相互独立性，改善了整个含次级通道 在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统的性能。
[0043] 次级通道在线辨识模块(22)的期望输入和误差输出分别为
[0044] ds(n) = e(n)-Ub(n)
[0045] es(n) = ds(n)-ys(n)
[0046] 其中，ys(n)为次级通道的估计输出，即为
[0048]次级通道在线辨识模块(22)得到的次级通道估计模型为
[0050]次级通道(21)的估计模型系数
[更新公式为：
[0052]其中,μ8为次级通道在线辨识模块(22)的步长，通常取小于1的正值。实际的次级通 道(21)输入为
对应的输出为
[0054] 进而得到残余信号
[0055] e(n) =p(n)-yP(n)
[0056] 其中p(n)为在窄带主动噪声控制系统中的目标谐波噪声，通常包含有限个频率的 声音信号和环境噪声。
[0057] 本发明在保证次级通道在线辨识精度的前提下，可大大降低引入的辅助噪声对残 余噪声的影响，使系统稳态情况下的残余噪声能量趋于环境噪声能量，进一步提高了前馈 型窄带主动噪声控制系统的噪声抑制性能且便于实际应用。
[0058] 上述实施例是本发明良好的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制。其他任何未背离本发明的原理和精神实质下的改变、改变、修饰、替代、组合、简化，均 为等效的置换方式，都包含在本发明的权利保护范围之内。
【主权项】
1. 一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统，其特征在于所述前馈型 窄带主动噪声控制系统包括信号合成子系统（1)、次级通道在线辨识子系统(2)和残余噪声 分尚子系统(3); 信号合成子系统（1)用于产生与目标噪声中声音信号具有相同频率的次级噪声源信 号； 次级通道在线辨识子系统(2)，随着窄带主动噪声控制系统的运行，可实时在线地完成 次级通道辨识，进而用于抑制目标噪声； 残余噪声分离子系统（3)可实现从残余噪声中分离出有限个频率的声音信号，分别用 于信号合成子系统（1)中滤波-X最小均方算法模块（13)的更新以及次级通道在线辨识子系 统(2)中辅助噪声约束模块(23)的调整。2. 根据权利要求1所述的一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统， 其特征在于： 所述信号合成子系统（1)包括同步信号产生模块（11)、控制滤波器模块（12)、滤波-X最 小均方算法模块(13)、带通滤波器模块(14)和带通滤波器模块(15); 同步信号产生模块（1 1 )产生第i个频率通道的参考信号，即余弦分量和正弦分量其中，η是时刻且η 2 0,当n = 0时表示初 始时刻，U1是根据非声学传感器获得的同步信号和目标噪声频率的线性关系计算得到的 第i个角频率； 控制滤波器模块（12)根据由滤波-X最小均方算法模块（13)更新输出的1 4(〃)和纟,(《),以 及同步信号产生模块（11)的余弦分量'(")和正弦分量％(?),得到次级噪声信号中的第i 个声音信号yi(n); 带通滤波器模块（14)、带通滤波器模块（15)和残余噪声分离子系统（3)中的带通滤波 器模块(31)在第i个频率通道时的z域模型均为其中，P为极半径参数，取值范围为〇到1之间的常数;Ci = _2cos( COi)，i = l ,2,…，q，q为 参考通道频率的个数； 带通滤波器模块（14)和带通滤波器模块（15)均用于补偿残余噪声分离子系统(3)中带 通滤波器模块(31)带来的相位延迟。3. 根据权利要求2所述的一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统， 其特征在于： 所述次级通道在线辨识子系统（2)包括次级通道(21)、次级通道在线辨识模块(22)和 辅助噪声约束模块(23); 在次级通道在线辨识子系统（2)中，次级通道在线辨识模块（22)利用最小均方算法 (Least mean square，LMS)能够实时地跟踪次级通道(21)可能存在的时变特性，提高次级 通道估计精度和整个窄带主动噪声控制系统的性能； 辅助噪声约束模块(23)利用由q个带通滤波器模块(31)总输出Ub(n)的一阶延迟后的绝 对值|ub(n-l)|，对均值为零、方差为 < 的高斯白噪声V1(n)进行幅值调整，得到有色噪声v (η);进而控制滤波器模块(12)的总输出和有色噪声ν(η)共同构成了次级噪声信号y (n)〇4.根据权利要求3所述的一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统， 其特征在于： 残余噪声分离子系统（3)中，带通滤波器模块(31)实现从残余噪声信号e(n)中分离出 残余的q个频率的声音信号分离出的第i个声音信号mb)相应地用于滤波-X最小 均方算法模块(13) ;q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)用作辅助噪声约束模块(23)的输 入;残余噪声信号e(n)与q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)的差值ds(n)，用作次级通道 在线辨识模块(22)的期望输入。
【专利摘要】一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统，属于主动噪声控制领域，针对前馈型窄带主动噪声控制系统中次级通道在线辨识引入的辅助噪声严重影响了系统残余噪声抑制性能。它包括信号合成子系统、次级通道在线辨识子系统和残余噪声分离子系统。信号合成子系统用于产生与目标噪声中声音信号具有相同频率的次级噪声源信号；次级通道在线辨识子系统随着窄带主动噪声控制系统的运行可实时在线地完成次级通道辨识，用于抑制目标噪声；残余噪声分离子系统可实现从残余噪声中分离出有限个频率的声音信号。本发明采用分离出的残余声音信号来调整引入的辅助噪声的能量，提高次级通道在线辨识的精度和速度，显著地降低引入的辅助噪声对残余噪声的影响。
【IPC分类】G10K11/178, G10L21/0208
【公开号】CN105489225
【申请号】CN201510854307
【发明人】魏国, 马亚平, 肖业贵, 孙金玮, 黄博妍, 肖然
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月27日
【技术领域】
[0001] 本发明是一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统，属于主动噪 声控制(Active Noise Control，ANC)领域，具体涉及窄带主动噪声控制系统中通过引入残 余噪声分离子系统来分离出残余的声音信号。
【背景技术】
[0002] 主动噪声控制技术与传统的被动噪声控制技术相比，具有良好低频噪声抑制性 能，且成本低等优点，适用于控制低频谐波噪声和音频范围内的噪声，是对传统的被动噪声 控制技术的有利补充。主动噪声控制系统大致分为前馈型、反馈型和混合型等三种类型，其 中前馈型主动噪声控制系统包括宽带和窄带两种（[1]S.M.Kuo and D.R.Morgan,Active Noise Control Systems-Algorithms and DSP Implementation,New York:Wiley , 1996.)〇
[0003] 窄带主动噪声控制系统用于抑制由旋转设备或具有往复运动的装置产生的谐波 噪声，如风扇、切割机、发动机等发出的低频噪声，具有周期或者近似周期特性。
[0004] 次级通道在线辨识与传统的次级通道离线辨识相比，具有实时地跟踪时变的次级 通道且适用于实际场合的特点。通过引入辅助高斯白噪声，进行次级通道在线辨识，改善了 次级通道的估计精度，但是同时恶化了抑制残余噪声的性能（[2] L.J. Eriks son and M·C·Al Iie，"Use of random noise for on-line transducer modeling in an adaptiveactive attenuation system，'，J. Acoust · Soc .Amer ·，vol ·85，no · 2，pp·797-802， Feb. 1989.)。为解决此问题，H.Lan等人提出了利用残余信号的幅值来调整辅助噪声的能 量，实现次级通道在线辨识的同时，可降低辅助噪声对残余噪声的影响（[3]H. Lan， M.Zhang,and ff.Ser,uAn active noise control system using online secondary pathmodeling with reduced auxiliary noise，'，IEEE Signal Process.Letts.,vol.9, no. I，pp. 16-18，Jan. 2002.)。在此基础上，Y. Xiao等人将上述调整辅助噪声能量的方法应 用到窄带主动噪声控制系统，通过残余噪声或者其经过低通滤波后的幅值来调整辅助噪声 的會泛量（[4]Y.Xiao，L.Ma,and K·Hasegawa，"Properties of FXLMS-based narrowband active noise controlwith online secondary-path modeling，''IEEE Trans . Signal Process.，vol. 57，no. 8，pp. 2931-2949，Aug. 2009.)。它可提高整个窄带主动噪声控制系统 的收敛速度，同时降低辅助噪声对残余噪声的贡献量（[5] J. Liu，Y.Xiao，J. Sun，and L.Xu， "Analysis of online secondary-path modeling with auxiliarynoise scaled by residual noise signal，''IEEE Trans . Audio , Speech,Lang. Process . , vol. 18 ,no . 8, pp. 1978-1993，Nov. 2010.)。但是，由于残余噪声中总含有环境噪声，用此残余噪声来调整 辅助噪声的能量和更新滤波-X最小均方算法环节，当系统趋于稳态时，依然有辅助噪声注 入到系统中并增加残余噪声的能量，制约了次级通道在线辨识的收敛性能，也严重影响了 整个窄带制动噪声控制系统的噪声抑制或者消除性能。
[0005] 为解决上述问题，需要提供一种更有效更实用的含次级通道在线辨识的前馈型窄 带主动噪声控制系统。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对传统的含次级通道辨识的前馈型窄带噪声控制系统中存 在的为了次级通道在线辨识而引入的辅助噪声严重影响了系统残余噪声能量的降低，且制 约了次级通道在线辨识精度和速度以及系统残余噪声抑制性能的问题，提供一种更有效更 实用的含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0008] -种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统，包括信号合成子系统 (I) 、次级通道在线辨识子系统(2)和残余噪声分离子系统(3);信号合成子系统（1)用于产 生与目标噪声中声音信号具有相同频率的次级噪声源信号;次级通道在线辨识子系统(2)， 随着窄带主动噪声控制系统的运行，可实时在线地完成次级通道辨识，进而用于抑制目标 噪声;残余噪声分离子系统(3)可实现从残余噪声中分离出分离出具有限个频率的声音信 号，分别用于信号合成子系统（1)中滤波-X最小均方(Filtered-x least mean square， FXLMS)算法模块(13)的更新以及次级通道在线辨识子系统(2)中辅助噪声约束模块(23)的 调整；
[0009] 信号合成子系统（1)包括同步信号产生模块(11)、控制滤波器模块(12)、滤波-X最 小均方算法模块（13)、带通滤波器模块（14)和带通滤波器模块（15);同步信号产生模块 (II) 产生第i个频率通道的参考信号，即余弦分量\(〃）（ cos⑷/7))和正弦分量 ( sin(ry,/?));其中，η是时刻(η 2 0)，当n = 0时表示初始时刻，ω i是根据非声学传感 器获得的同步信号和目标噪声频率的线性关系计算得到的第i个角频率;控制滤波器模块 (12)根据由滤波-X最小均方算法模块（13)更新输出的《,.(?)和纟⑷,以及同步信号产生模块 (11)的余弦分量和正弦分量气你），得到次级噪声信号中的第i个声音信号yi(n);带通 滤波器模块(14)、带通滤波器模块(15)和带通滤波器模块(31)在第i个频率通道时的z域模 型均为
其中，P为极半径参数，取值范围为〇到1之间的常数;Ci = -2(308(0^),1 = 1,2,…，q，q为参考通道频率的个数;带通滤波器模块(14)和带通滤波器 模块(15)均用于补偿残余噪声分离子系统(3)中带通滤波器模块(31)带来的相位延迟； [0010]次级通道在线辨识子系统（2)中，次级通道在线辨识模块（22)利用最小均方 (Least mean square，LMS)算法，能够实时地跟踪次级通道(21)可能存在的时变特性，提高 次级通道估计精度和整个窄带主动噪声控制系统的性能;辅助噪声约束模块(23)利用由q 个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)的一阶延迟后的绝对值|Ub(n-l) I，对均值为零、方差为 <的高斯白噪声V1(n)进行幅值调整，得到有色噪声v(n);进而控制滤波器模块(12)的总输 出
和有色噪声v(n)共同构成了次级噪声信号y(n);
[0011]残余噪声分离子系统（3)中，带通滤波器模块(31)实现从残余噪声信号e(n)中分 离出残余的q个频率的声音信号分离出的第i个声音信号m(n)相应地用于滤波-X 最小均方算法模块(13) ;q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)用作辅助噪声约束模块(23) 的输入;残余噪声信号e(n)与q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)的差值ds(n)，用作次级 通道在线辨识模块(22)的期望输入。
[0012] 本发明具有以下有益技术效果：
[0013] 本发明的残余噪声包括残余声音信号、辅助噪声引入的噪声和环境噪声等。包含 有限个无限冲激响应陷波器（Infinite Impulse Response notch filter, IIR notch filter)的带通滤波器组可实现从残余噪声中分离出残余声音信号。本发明采用分离出的 残余声音信号来调整引入的辅助噪声的能量，可提高次级通道在线辨识的精度和速度，同 时显著地降低引入的辅助噪声对残余噪声的影响，使系统稳态时残余噪声能量趋于环境噪 声能量，进一步提高前馈型窄带主动噪声控制系统的噪声抑制性能且便于实际应用。本发 明适用于调整辅助噪声的幅值来改善次级通道在线辨识和整个窄带主动噪声控制系统的 性能。
[0014] 本发明的有益技术效果表现在以下几个方面：
[0015] -、本发明利用带通滤波器模块(31)从残余噪声中分离出声音信号，并将残余噪 声与分离出的声音信号的差值输出作为次级通道在线辨识模块(22)的期望信号，显著地提 到了次级通道在线辨识的精度和速度；
[0016] 二、本发明利用带通滤波器模块(31)分离出的声音信号，而不是传统的残余噪声 本身，来调整辅助噪声的能量，可明显地降低引入的辅助噪声对残余噪声的能量，使得稳态 时整个系统的残余噪声能量趋向于环境噪声能量，便于实际场合应用；
[0017] 三、本发明采用分离出的每个频率的声音信号输入到滤波-X最小均方算法模块来 更新控制滤波器，同时引入带通滤波器模块(14)和带通滤波器模块（15)来补偿残余噪声分 离子系统(3)中带通滤波器模块(31)带来的相位延迟，改善了控制滤波器模块(12)的性能；
[0018] 四、本发明分别采用带通滤波器模块(31)分离出的声音信号更新控制滤波器模块 (12)，残余噪声与分离出的声音信号的差值输出作为次级通道在线辨识模块(22)的期望信 号，提高了控制滤波器模块（12)和次级通道在线辨识模块(22)实时在线更新的相互独立 性，改善了整个含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统的性能。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统的原理 框图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合实施例及附图对本专利作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于 此。
[0021] 如图1所示，本发明提供了一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制 系统，其特征在于前馈型窄带主动噪声控制系统包括信号合成子系统（1)、次级通道在线辨 识子系统(2)和残余噪声分离子系统（3);信号合成子系统（1)用于产生与目标噪声中声音 信号具有相同频率的次级噪声源信号;次级通道在线辨识子系统(2)，随着窄带主动噪声控 制系统的运行，可实时在线地完成次级通道辨识，进而用于抑制目标噪声;残余噪声分离子 系统（3)可实现从残余噪声中分离出具有限个频率的声音信号，分别用于信号合成子系统 (I) 中滤波-X最小均方(Filtered-X least mean square，FXLMS)算 法模块（13)的更新以及 次级通道在线辨识子系统(2)中辅助噪声约束模块(23)的调整。
[0022] 信号合成子系统（1)包括同步信号产生模块(11)、控制滤波器模块(12)、滤波-X最 小均方算法模块（13)、带通滤波器模块（14)和带通滤波器模块（15);同步信号产生模块 (II) 产生第i个频率通道的参考信号，即余弦分量
和正弦分量 (siii(qH));其中，η是时刻(η 2 0)，当n = 0时表示初始时刻，ω i是根据非声学传感器(如转速 计)获得的同步信号和目标噪声频率的线性关系计算得到的第i个角频率;控制滤波器模块 (12) 根据由滤波-X最小均方算法模块(13)更新输出的<5办)和％?:) ,以及同步信号产生模块 (11)的余弦分量&(")和正弦分量~(?)，得到次级噪声信号中的第i个声音信号yi(n)，即
[0023] 带通滤波器模块（14)、带通滤波器模块（15)和带通滤波器模块(31)在第i个频率 通道时的z域模型均为
其中，P为极半径参数，取值范围为〇到1之 间的常数;C1 = Ic0S(CO1)，i = l，2,…，q，q为参考通道频率的个数;带通滤波器模块(14)和 带通滤波器模块（15)均用于补偿残余噪声分离子系统(3)中带通滤波器模块(31)带来的相 位延迟，来改善控制滤波器模块(12)的性能。
[0024]带通滤波器模块(31)的输出为
[0025] m(n) =-pciUi(n_l )-p2Ui(n_2)-( 1-p) [cie(n_l) + (l+p)e(n_2)]
[0026] 其中，e(n)为整个系统输出的残余噪声信号。
[0027] 余弦分量&(")和正弦分量4 (?)分别输入到带通滤波器模块（14)和带通滤波器模 块(15)输出分别为
[0030]引入带通滤波器模块(14)和带通滤波器模块（15)来补偿残余噪声分离子系统(3) 的带通滤波器模块(31)带来的相位延迟，<.〇)和< (的输入给滤波-X最小均方算法模块 (13) ，来更新控制滤波器模块(12)的滤波权值
更新公式为
[0033]其中，Ul(n)为带通滤波器模块(31)从残余噪声信号e(n)中分离出的第i个声音信 号；μ为控制滤波器模块（12)的步长，通常取小于1的正值；，
（是由<(?)和 <(?)经过滤波-X最小均方算法模块(13)的次级通道估计模型系数
分别得到
[0036] 其中，M为次级通道估计模型的阶数。
[0037] 次级通道在线辨识子系统（2)的次级通道S(z)(21)在实际场合下是未知的，即次 级通道S(z)(21)的冲击响应序列
'是不能直接计算获得的，其中，M为次级通道实际模 型的阶数。次级通道在线辨识模块(22)利用最小均方(Least mean square，LMS)算法，能够 实时地跟踪次级通道(21)可能存在的时变特性，提高次级通道估计精度和整个窄带主动噪 声控制系统的性能；次级通道在线辨识模块(22)可以得到次级通道(21)的估计模型系数
[0038] 辅助噪声约束模块(23)利用由q个带通滤波器模块(31)总输出Ub(n)的一阶延迟 后的绝对值|u b(n-l)|，对均值为零、方差为<的高斯白噪声V1(n)进行幅值调整，得到有色 噪声v(n)，SP为
[0039] v(n) =vi(n) IUb(n_l) I
[0040] 其中，Iub(n-1) I为q个带通滤波器模块(31)总输出
）的一阶延迟的绝对 值。
[0041] 利用带通滤波器模块(31)分离出的声音信号，而不是传统的残余噪声本身，来调 整辅助噪声的能量，可明显地降低引入的辅助噪声对残余噪声的能量，使得稳态时整个系 统的残余噪声能量趋向于环境噪声能量，便于实际场合应用。
[0042] 残余噪声分离子系统（3)中，带通滤波器模块(31)实现从残余噪声信号e(n)中分 离出残余的q个频率的声音信号K㈨匕；分离出的第i个声音信号m(n)相应地用于滤波-X 最小均方算法模块(13) ;q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)用作辅助噪声约束模块(23) 的输入;残余噪声信号e(n)与q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)的差值ds(n)，用作次级 通道在线辨识模块(22)的期望输入，显著地提到了次级通道在线辨识的精度和速度。分别 采用带通滤波器模块(31)分离出的声音信号更新控制滤波器模块(12)，残余噪声与分离出 的声音信号的差值输出作为次级通道在线辨识模块(22)的期望信号，提高了控制滤波器模 块(12)和次级通道在线辨识模块(22)实时在线更新的相互独立性，改善了整个含次级通道 在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统的性能。
[0043] 次级通道在线辨识模块(22)的期望输入和误差输出分别为
[0044] ds(n) = e(n)-Ub(n)
[0045] es(n) = ds(n)-ys(n)
[0046] 其中，ys(n)为次级通道的估计输出，即为
[0048]次级通道在线辨识模块(22)得到的次级通道估计模型为
[0050]次级通道(21)的估计模型系数
[更新公式为：
[0052]其中,μ8为次级通道在线辨识模块(22)的步长，通常取小于1的正值。实际的次级通 道(21)输入为
对应的输出为
[0054] 进而得到残余信号
[0055] e(n) =p(n)-yP(n)
[0056] 其中p(n)为在窄带主动噪声控制系统中的目标谐波噪声，通常包含有限个频率的 声音信号和环境噪声。
[0057] 本发明在保证次级通道在线辨识精度的前提下，可大大降低引入的辅助噪声对残 余噪声的影响，使系统稳态情况下的残余噪声能量趋于环境噪声能量，进一步提高了前馈 型窄带主动噪声控制系统的噪声抑制性能且便于实际应用。
[0058] 上述实施例是本发明良好的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制。其他任何未背离本发明的原理和精神实质下的改变、改变、修饰、替代、组合、简化，均 为等效的置换方式，都包含在本发明的权利保护范围之内。
【主权项】
1. 一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统，其特征在于所述前馈型 窄带主动噪声控制系统包括信号合成子系统（1)、次级通道在线辨识子系统(2)和残余噪声 分尚子系统(3); 信号合成子系统（1)用于产生与目标噪声中声音信号具有相同频率的次级噪声源信 号； 次级通道在线辨识子系统(2)，随着窄带主动噪声控制系统的运行，可实时在线地完成 次级通道辨识，进而用于抑制目标噪声； 残余噪声分离子系统（3)可实现从残余噪声中分离出有限个频率的声音信号，分别用 于信号合成子系统（1)中滤波-X最小均方算法模块（13)的更新以及次级通道在线辨识子系 统(2)中辅助噪声约束模块(23)的调整。2. 根据权利要求1所述的一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统， 其特征在于： 所述信号合成子系统（1)包括同步信号产生模块（11)、控制滤波器模块（12)、滤波-X最 小均方算法模块(13)、带通滤波器模块(14)和带通滤波器模块(15); 同步信号产生模块（1 1 )产生第i个频率通道的参考信号，即余弦分量和正弦分量其中，η是时刻且η 2 0,当n = 0时表示初 始时刻，U1是根据非声学传感器获得的同步信号和目标噪声频率的线性关系计算得到的 第i个角频率； 控制滤波器模块（12)根据由滤波-X最小均方算法模块（13)更新输出的1 4(〃)和纟,(《),以 及同步信号产生模块（11)的余弦分量'(")和正弦分量％(?),得到次级噪声信号中的第i 个声音信号yi(n); 带通滤波器模块（14)、带通滤波器模块（15)和残余噪声分离子系统（3)中的带通滤波 器模块(31)在第i个频率通道时的z域模型均为其中，P为极半径参数，取值范围为〇到1之间的常数;Ci = _2cos( COi)，i = l ,2,…，q，q为 参考通道频率的个数； 带通滤波器模块（14)和带通滤波器模块（15)均用于补偿残余噪声分离子系统(3)中带 通滤波器模块(31)带来的相位延迟。3. 根据权利要求2所述的一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统， 其特征在于： 所述次级通道在线辨识子系统（2)包括次级通道(21)、次级通道在线辨识模块(22)和 辅助噪声约束模块(23); 在次级通道在线辨识子系统（2)中，次级通道在线辨识模块（22)利用最小均方算法 (Least mean square，LMS)能够实时地跟踪次级通道(21)可能存在的时变特性，提高次级 通道估计精度和整个窄带主动噪声控制系统的性能； 辅助噪声约束模块(23)利用由q个带通滤波器模块(31)总输出Ub(n)的一阶延迟后的绝 对值|ub(n-l)|，对均值为零、方差为 < 的高斯白噪声V1(n)进行幅值调整，得到有色噪声v (η);进而控制滤波器模块(12)的总输出和有色噪声ν(η)共同构成了次级噪声信号y (n)〇4.根据权利要求3所述的一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统， 其特征在于： 残余噪声分离子系统（3)中，带通滤波器模块(31)实现从残余噪声信号e(n)中分离出 残余的q个频率的声音信号分离出的第i个声音信号mb)相应地用于滤波-X最小 均方算法模块(13) ;q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)用作辅助噪声约束模块(23)的输 入;残余噪声信号e(n)与q个带通滤波器模块(31)总输出ub(n)的差值ds(n)，用作次级通道 在线辨识模块(22)的期望输入。
【专利摘要】一种含次级通道在线辨识的前馈型窄带主动噪声控制系统，属于主动噪声控制领域，针对前馈型窄带主动噪声控制系统中次级通道在线辨识引入的辅助噪声严重影响了系统残余噪声抑制性能。它包括信号合成子系统、次级通道在线辨识子系统和残余噪声分离子系统。信号合成子系统用于产生与目标噪声中声音信号具有相同频率的次级噪声源信号；次级通道在线辨识子系统随着窄带主动噪声控制系统的运行可实时在线地完成次级通道辨识，用于抑制目标噪声；残余噪声分离子系统可实现从残余噪声中分离出有限个频率的声音信号。本发明采用分离出的残余声音信号来调整引入的辅助噪声的能量，提高次级通道在线辨识的精度和速度，显著地降低引入的辅助噪声对残余噪声的影响。
【IPC分类】G10K11/178, G10L21/0208
【公开号】CN105489225
【申请号】CN201510854307
【发明人】魏国, 马亚平, 肖业贵, 孙金玮, 黄博妍, 肖然
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月27日
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