自適應(yīng)噪聲控制系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年6月14日且申請(qǐng)?zhí)枮?01110160001. 9的題為"自適應(yīng) 噪聲控制"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及自適應(yīng)噪聲控制和消除，并尤其設(shè)及用于對(duì)幅度和相位方面的消除性 能進(jìn)行控制的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 與有用聲音信號(hào)相對(duì)照，干擾噪聲（也稱為"噪聲"或"干擾聲音信號(hào)"）是不希望 被例如收聽者聽到或感知到的聲音。在機(jī)動(dòng)車輛中，干擾噪聲可包括由發(fā)動(dòng)機(jī)和/或與其 機(jī)械禪接的部件（例如風(fēng)扇）的機(jī)械振動(dòng)、從車輛上方和車輛周圍經(jīng)過的風(fēng)、和/或接觸例 如鋪擱表面的輪胎產(chǎn)生的聲音信號(hào)。尤其對(duì)于較低的頻率范圍，已知噪聲控制系統(tǒng)和方法 使用相消性相干（即，通過將噪聲信號(hào)與補(bǔ)償信號(hào)疊加）來消除或至少降低福射到收聽空 間內(nèi)的噪聲。然而，該些系統(tǒng)和方法的可行性依賴于成本有效的、高性能的數(shù)字信號(hào)處理器 的發(fā)展，該些數(shù)字信號(hào)處理器可與適當(dāng)數(shù)量的適宜的傳感器和換能器（trans化cer)-起 使用。
[0004] 通常，主動(dòng)式的噪聲抑制或降低系統(tǒng)還被稱為"主動(dòng)式噪聲控制"(ANC)系統(tǒng)，該系 統(tǒng)產(chǎn)生具有與要被抑制的噪聲信號(hào)振幅相同且頻率相同的分量的補(bǔ)償聲音信號(hào)。但是，該 補(bǔ)償聲音信號(hào)相對(duì)于噪聲信號(hào)具有180度的相位偏移。結(jié)果，至少在收聽空間內(nèi)的特定位 置處，由于補(bǔ)償聲音信號(hào)和噪聲信號(hào)之間的相消性相干，該噪聲信號(hào)被消除或降低。在該上 下文中"收聽空間"是ANC展現(xiàn)其噪聲抑制的效果的空間，例如，車輛的乘客艙。
[0005] 現(xiàn)代的主動(dòng)式噪聲控制系統(tǒng)實(shí)施數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字濾波技術(shù)。典型地，噪聲傳 感器（例如麥克風(fēng)或非聲學(xué)傳感器）被用于提供代表噪聲源生成的干擾噪聲信號(hào)的電參 考信號(hào)，該參考信號(hào)被饋給自適應(yīng)濾波器，該自適應(yīng)濾波器將經(jīng)濾波的參考信號(hào)供應(yīng)給聲 學(xué)換能器（例如揚(yáng)聲器）。該聲學(xué)換能器產(chǎn)生相位與在該收聽空間的限定部分（"收聽位 置"）W內(nèi)的噪聲信號(hào)反相的補(bǔ)償聲場（compensationsoundfield)。該補(bǔ)償聲場與噪聲 信號(hào)相互作用，從而消除或至少衰減在收聽位置內(nèi)的噪聲。收聽環(huán)境和/或收聽空間W內(nèi) 的剩余噪聲可使用麥克風(fēng)來感應(yīng)。因而產(chǎn)生的麥克風(fēng)輸出信號(hào)被用作"誤差信號(hào)"并被提供 給自適應(yīng)濾波器，此處該自適應(yīng)濾波器的濾波系數(shù)被修正，使得該誤差信號(hào)的模方（norm) (例如功率）被最小化，因此收聽者最終感知到的剩余噪聲被最小化。
[0006] 所有可應(yīng)用的算法均向自適應(yīng)系統(tǒng)的輸出和感應(yīng)到的誤差信號(hào)之間的附加物理 設(shè)備（physicalplant)提供了補(bǔ)償。已知的算法包括；例如濾波XLMS(pXLM巧、濾波誤差 LMS(陽LM巧和修正濾波XLMS(MFXLM)。
[0007] 代表從聲學(xué)換能器（即揚(yáng)聲器）到誤差信號(hào)傳感器（即麥克風(fēng)）的聲學(xué)傳輸路徑 的模型（物理設(shè)備）被用于實(shí)現(xiàn)巧LMS、FELMS、MFXLMS(或任意相關(guān)的）算法。該種從揚(yáng)聲 器到麥克風(fēng)的聲學(xué)傳輸路徑通常被稱為ANC系統(tǒng)的"次路徑（secondarypath)"，而從噪聲 源到麥克風(fēng)的聲學(xué)傳輸路徑通常被稱為ANC系統(tǒng)的"主路徑（primarypath)"。用于確定 (identify)次路徑的傳輸函數(shù)的相應(yīng)處理被稱為"次路徑系統(tǒng)確定"。
[000引 ANC系統(tǒng)的次路徑系統(tǒng)的傳輸函數(shù)（即頻率響應(yīng)）可對(duì)自適應(yīng)濾波器的收斂特性 (convergencebehavior)具有相當(dāng)大的影響，并因此對(duì)其穩(wěn)定性特性，W及對(duì)自適應(yīng)的速 度具有相當(dāng)大的影響。次路徑系統(tǒng)的頻率響應(yīng)（即，振幅響應(yīng)和/或相位響應(yīng)）在ANC系 統(tǒng)工作期間可能會(huì)發(fā)生改變。變化的次路徑傳輸函數(shù)可對(duì)主動(dòng)式噪聲控制的性能，特別是 對(duì)由巧LMS、FELMS或MFXLMS算法產(chǎn)生的自適應(yīng)的速度和質(zhì)量具有負(fù)面影響。當(dāng)實(shí)際的次 路徑傳輸函數(shù)發(fā)生改變并不再匹配在主動(dòng)式噪聲控制系統(tǒng)中使用的先前確定的次路徑傳 輸函數(shù)時(shí)導(dǎo)致了該種負(fù)面的影響。所有該些影響限制了ANC系統(tǒng)可獲得的衰減性能。
[0009] 而且，在特定應(yīng)用中，期望的是相對(duì)于頻率控制噪聲衰減的能級(jí)和相位。
[0010] 目前普遍需要一種自適應(yīng)噪聲控制，該種自適應(yīng)噪聲控制應(yīng)具有可選擇的消除特 征，同時(shí)保持自適應(yīng)的速度和質(zhì)量W及自適應(yīng)噪聲控制的穩(wěn)健性（robustness)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，揭示了一種自適應(yīng)噪聲控制系統(tǒng)，用于降低在收聽位置 處從噪聲源福射到該收聽位置的聲學(xué)噪聲信號(hào)的功率。該系統(tǒng)包括自適應(yīng)濾波器，其接收 代表聲學(xué)噪聲信號(hào)的電參考信號(hào)和代表在所述收聽位置處的聲學(xué)信號(hào)的電誤差信號(hào)，并提 供電輸出信號(hào)；信號(hào)處理裝置，其連接到自適應(yīng)濾波器的下游，并且提供指示已乘W第一增 益因子的電輸出信號(hào)的第一電補(bǔ)償信號(hào)和指示已乘W第二增益并通過次路徑的估計(jì)轉(zhuǎn)移 函數(shù)濾波的電輸出信號(hào)的第二電補(bǔ)償信號(hào)，該第二增益因子等于1減去第一增益因子；第 二補(bǔ)償信號(hào)被添加到誤差信號(hào)W進(jìn)行補(bǔ)償；W及至少一個(gè)聲學(xué)換能器，其接收第一電補(bǔ)償 信號(hào)，并將表示第一電補(bǔ)償信號(hào)的聲學(xué)補(bǔ)償信號(hào)福射到收聽位置。
[0012] 依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，揭示了用于降低在收聽位置處從噪聲源福射到收聽位 置的聲學(xué)噪聲信號(hào)功率的自適應(yīng)噪聲控制方法。該方法包括提供和聲學(xué)噪聲信號(hào)相關(guān)的電 參考信號(hào)；使用自適應(yīng)濾波器對(duì)該電參考信號(hào)進(jìn)行濾波W提供電輸出信號(hào)；將該自適應(yīng)濾 波器的電輸出信號(hào)乘W自適應(yīng)第一增益因子，W提供第一電補(bǔ)償信號(hào)；對(duì)該自適應(yīng)濾波器 的電輸出信號(hào)進(jìn)行濾波并將其乘W第二增益因子，W提供第二電補(bǔ)償信號(hào)，該第二增益因 子等于1減去第一增益因子；使用聲學(xué)換能器將第一電補(bǔ)償信號(hào)福射到收聽位置；對(duì)收聽 位置處的殘余電誤差信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)；將第二電補(bǔ)償信號(hào)添加到電誤差信號(hào)W提供補(bǔ)償誤差 信號(hào)；W及根據(jù)補(bǔ)償誤差信號(hào)和參考信號(hào)的函數(shù)調(diào)整自適應(yīng)濾波器的濾波系數(shù)。
【附圖說明】
[0013] 附圖中的部件沒有必要依比例繪制；重點(diǎn)放在說明本發(fā)明的原理上。此外，在圖中 相似的參考標(biāo)號(hào)代表相應(yīng)的部分。
[0014] 圖1是說明在時(shí)域內(nèi)具有可控衰減的基本的自適應(yīng)噪聲控制系統(tǒng)的框圖；
[0015] 圖2是說明圖1中所示的基本的自適應(yīng)噪聲控制系統(tǒng)的更具體的實(shí)施例的框圖；
[0016] 圖3W圖形方式說明了在如圖2所示的系統(tǒng)中在時(shí)域中相對(duì)于增益因子g的衰減 E[z]/D[z]，W地為單位；
[0017] 圖4W圖形方式說明了在如圖2所示的系統(tǒng)中在時(shí)域中相對(duì)于增益因子g的相位 E[z]/D[z]；
[0018] 圖5是說明具有頻率相關(guān)的復(fù)數(shù)增益因子G的在頻域中實(shí)現(xiàn)的如圖2所示的自適 應(yīng)噪聲控制系統(tǒng)的框圖；
[0019] 圖6說明了圖5的系統(tǒng)的備選構(gòu)造；
[0020] 圖7說明了適用于相對(duì)于頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)復(fù)數(shù)增益GW實(shí)現(xiàn)用戶可選擇的衰減和相 位關(guān)系E[z]/D[z]的依據(jù)圖6的系統(tǒng)；W及
[0021] 圖8說明了依據(jù)圖7的，對(duì)自適應(yīng)復(fù)數(shù)增益G進(jìn)行額外的相位平均的系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[002引圖1說明了在用于生成補(bǔ)償信號(hào)的基本自適應(yīng)噪聲控制系統(tǒng)中的信號(hào)流，該補(bǔ)償 信號(hào)至少部分地補(bǔ)償、消除或修正非期望的干擾信號(hào)d[n]。代表所有可能出現(xiàn)的干擾噪聲 的聲學(xué)噪聲信號(hào)x[n](參考噪聲信號(hào)）從噪聲源3經(jīng)由主路徑1被福射到收聽位置4。該 聲學(xué)噪聲信號(hào)x[n]可包括例如由發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械禪接到發(fā)動(dòng)機(jī)上的部件（例如風(fēng) 扇）的聲音、經(jīng)過車輛上方和周圍的風(fēng)和接觸鋪擱表面的輪胎產(chǎn)生的聲音信號(hào)。為了簡單 起見，所有該樣的噪聲源在此由噪聲源3表示。主路徑1可將延遲加入聲學(xué)噪聲信號(hào)X[n]， 該歸因于例如干擾噪聲從噪聲源3到收聽位置（即，收聽空間中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾噪聲信號(hào) d[n]的抑制的位置）的傳播，即，到期望"靜默點(diǎn)"的傳播。
[0023] 此外，聲學(xué)補(bǔ)償信號(hào)y" [n]從例如揚(yáng)聲器5的換能器沿次路徑2福射到收聽位置 4,在該處作為經(jīng)延遲的補(bǔ)償信號(hào)y'[n]出現(xiàn)。在收聽位置4處，干擾噪聲信號(hào)d[n]與經(jīng)延 遲的補(bǔ)償信號(hào)y' [n]彼此干擾，產(chǎn)生聲學(xué)誤差信號(hào)，在此稱為誤差信號(hào)e[n]。干擾噪聲信 號(hào)d[n]與經(jīng)延遲的補(bǔ)償信號(hào)y'[n]的相互作用可被描述成信號(hào)相加，在圖1中用加法器6 來表示。聲學(xué)誤差信號(hào)e[n]通過例如麥克風(fēng)7的另一個(gè)換能器被轉(zhuǎn)換成電誤差信號(hào)，為了 簡單起見，與聲學(xué)誤差信號(hào)類似，在此將該電誤差信號(hào)也稱為誤差信號(hào)e[n]。通過使用例 如麥克風(fēng)8的再另一個(gè)換能器，聲學(xué)噪聲信號(hào)在噪聲源3處被拾取并被轉(zhuǎn)換成電噪聲信號(hào)。 然而，也可使用任意其它的傳感器，來產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該聲學(xué)噪聲信號(hào)的信號(hào)。正如對(duì)于誤差信 號(hào)e[n]那樣，此后聲學(xué)和電學(xué)噪聲信號(hào)均被簡單地稱為噪聲信號(hào)X[n]。
[0024] 信號(hào)處理裝置10接收并處理噪聲信號(hào)x[n]和誤差信號(hào)e[n]，W生成補(bǔ)償信號(hào) y" [n]，該補(bǔ)償信號(hào)y" [n]是補(bǔ)償信號(hào)y[n]在乘法器12中在時(shí)域中乘W(第一）增益因 子g(在此情況下為實(shí)數(shù)）的結(jié)果。在信號(hào)處理裝置10中，補(bǔ)償信號(hào)y[n]由接收噪聲信號(hào) x[n]和經(jīng)修正的誤差信號(hào)e*[n]的自適應(yīng)濾波器11提供。該經(jīng)修正的誤差信號(hào)e*[n]由 加法器13提供，加法器13將誤差信號(hào)e[n]與經(jīng)修正的補(bǔ)償信號(hào)y*[n]相加。經(jīng)修正的補(bǔ) 償信號(hào)y*[n]是由補(bǔ)償信號(hào)y[n]在乘法器14中在時(shí)域中乘W(第二）增益因子1 -g(第 二增益因子等于1減去第一增益因子）并通過模擬次路徑2的濾波器濾波得到的，該濾波 器此后稱為次路徑估計(jì)濾波器15。在乘法器14中乘-g"對(duì)在乘法器12 (連接濾波 器15建立的次路徑模型）中乘進(jìn)行了補(bǔ)償，W使得在經(jīng)修正的誤差信號(hào)e*[n]與常 規(guī)ANC系統(tǒng)中（即，當(dāng)乘法器12被旁通而乘法器14被省略（g= 1)時(shí)）的誤差信號(hào)e[n] 相同。因此，提供給自適應(yīng)濾波器的誤差信號(hào)與常規(guī)ANC系統(tǒng)中相同。
[0025] 在圖1中說明的裝置中，與噪聲信號(hào)x[n](也稱為"參考噪聲信號(hào)")相互關(guān)聯(lián)的信 號(hào)（例如補(bǔ)償信號(hào)y"[n])被用于驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償揚(yáng)聲器（揚(yáng)聲器5)。對(duì)來自噪聲源3的噪聲輸入 x[n]的"系統(tǒng)響應(yīng)"由至少一個(gè)麥克風(fēng)輸出信號(hào)（誤差信號(hào)e[n])代表，該至少一個(gè)麥克風(fēng) 輸出信號(hào)經(jīng)由控制系統(tǒng)反饋給補(bǔ)償揚(yáng)聲器。該補(bǔ)償揚(yáng)聲器生成"抗噪聲（anti-noise)"(補(bǔ) 償信號(hào)