一種模擬反饋有源降噪耳機的設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種模擬反饋有源降噪耳機的設計方法，其特征為：基于H∞技術綜合優(yōu)化的控制器頻率特性；先數(shù)字濾波器實現(xiàn)優(yōu)化的控制器頻率特性，再擬合數(shù)字濾波器的頻率特性為低階的連續(xù)域傳遞函數(shù)；用廣義二階GIC電路實現(xiàn)所得的低階連續(xù)域傳遞函數(shù)。其顯著優(yōu)點在于：(1)基于H∞技術綜合優(yōu)化的控制器頻率特性，保證了降噪性能的優(yōu)化和系統(tǒng)的魯棒性；(2)先數(shù)字濾波器實現(xiàn)優(yōu)化的控制器頻率特性，再擬合數(shù)字濾波器的頻率特性為低階的連續(xù)域傳遞函數(shù)，保證了控制器的最小相位特性；(3)應用廣義二階GIC電路可實現(xiàn)任意零極點位置的二階穩(wěn)定系統(tǒng)傳遞函數(shù)，且具有低靈敏度特性，物理可實現(xiàn)性好。
【專利說明】 一種模擬反饋有源降噪耳機的設計方法
一、【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及反饋有源噪聲控制系統(tǒng)的控制設計方法，主要是對有源降噪耳機提出了一種模擬反饋設計方法。
二、【背景技術】
[0002]有源耳機作為一種聽力保護裝置，其結構如附圖1所示，由傳聲器、電路(包括前置放大電路、控制電路和功率放大電路)、次級源(揚聲器)組成。其降噪設計多基于反饋技術實現(xiàn)，通常是給定設計目標，應用一定的優(yōu)化設計方法得到優(yōu)化的控制器頻率特性，采用數(shù)字反饋或模擬反饋實現(xiàn)。
[0003]數(shù)字反饋具有靈活性高,易實現(xiàn)的優(yōu)點。Rafaely等應用H2性能標準和H00約束設計了數(shù)字反饋控制器(Rafaely B.and Elliott S.J..E2ZE00 Active Control of Sound ina Headrest:Design and Implementation[J].1EEE Transactions on Control SystemsTechnology, 1999 (7):79-84.), Zhang等應用水床展平方法設計了數(shù)字反饋控制器(ZhangL., Wu L.and Qiu X.An Intuitive Approach for Feedback Active Noise ControllerDesign, Applied Acoustics, 2013 (74):160-168.)。然而由于數(shù)字反饋的時延會導致降噪性能下降和穩(wěn)定性問題，且成本較模擬反饋的高，多數(shù)有源耳機采用模擬反饋實現(xiàn)。模擬反饋設計的關鍵是如何用模擬電路實現(xiàn)優(yōu)化的控制器頻率特性。
[0004]專利200510033638.6采用二階低通濾波器、放大器和全通移相器實現(xiàn)耳機反饋閉環(huán)消噪。專利200710001442.8采用二階低通濾波和放大電路實現(xiàn)有源耳機降噪。專利200910238545.5采用一階電阻電容濾波和反饋回路增益單元實現(xiàn)耳機的主動消噪。專利200910253182.2采用兩級陷波和放大電路實現(xiàn)耳機的反饋消噪。上述專利中均未給出如何得到優(yōu)化的控制器頻率特性和所采用電路中的參數(shù)是如何設計的。
[0005]Yu等采用H2范數(shù)最小化平均聲功率設計控制器并采用4階模擬濾波電路實現(xiàn)(Yu S.H.and Hu J.S..Controller Design for Active Noise Cancellation HeadphonesUsing Experimental Raw Data[J].1EEE/Asme Transcations on Mechatronics,2001(6):483-490.)，但并未給出具體的4階模擬反饋電路形式。PaweIczyk采用多參數(shù)優(yōu)化與大量搜索方法設計了 4階模擬反饋控制器，并采用一雙二階開關電容狀態(tài)變量濾波器MFlO 實現(xiàn)(Pawelczyk M..Analogue Active Noise Control of Acoustic Noise at aVirtual Location[J].1EEE Transactions on Control Systems Technology,2009(17):456-472.)。Bai等基于H技術與線性變換設計了連續(xù)域控制器，將其轉換為一階、二階級聯(lián)形式并采用基于單運放的一階單元，二階單元串接實現(xiàn)了前面五階電路(Bai M.and LeeD., Implementation of an Active Headset by Using the H00 Robust Control Theory,Journal ofAcoustical Society of America, 1997 (102):2184-2190.)。以上文獻中未詳細給出如何把優(yōu)化的控制器頻率特性轉換為低階的連續(xù)域傳遞函數(shù)形式，而這一步是模擬電路實現(xiàn)優(yōu)化控制器的關鍵。此外，給定的模擬電路單元不能實現(xiàn)任意零極點位置的二階穩(wěn)定系統(tǒng)傳遞函數(shù)。若二階穩(wěn)定系統(tǒng)傳遞函數(shù)的零極點位置不當，會導致指定的單元電路實際電路參數(shù)為負值，物理上不可實現(xiàn)。在實際應用中根據(jù)優(yōu)化的控制器得到的模擬反饋控制器的傳遞函數(shù)零極點位置是任意的，這就需要一個可以實現(xiàn)任意零極點位置的模擬電路單元。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]1、發(fā)明目的:提出一種模擬反饋有源降噪耳機的設計方法，這種方法包含了優(yōu)化控制器設計、低階的連續(xù)域傳遞函數(shù)轉換和模擬電路實現(xiàn)三部分內(nèi)容，且給出的廣義二階GIC(通用阻抗變換,General Impedance Converter)電路單元可實現(xiàn)任意零極點位置的二階穩(wěn)定系統(tǒng)傳遞函數(shù)，并具有低靈敏度特性，因此該方法具有設計性能優(yōu)化，魯棒性強和物理可實現(xiàn)性好的優(yōu)點。
[0007]2、技術方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出基于H00技術、頻率特性擬合和廣義二階GIC電路實現(xiàn)有源降噪耳機模擬反饋的設計，包括以下步驟:
[0008](I)測試耳機正常佩戴時次級路徑的頻率特性，稱為標稱次級路徑。
[0009]次級路徑為附圖1所示的B點相對于A點的路徑，包括功率放大電路、揚聲器、揚聲器至傳聲器的聲學路徑、傳聲器和前置放大電路。測試次級路徑的方法是將測試設備的輸出信號接功率放大電路的輸入端，前置放大電路輸出接測試設備的輸入端。對測試設備的輸出信號與輸入信號做FFT分析得到次級路徑的頻率特性。
[0010](2)應用控制論中的狀態(tài)空間模型擬合標稱次級路徑，得到標稱次級路徑模型G。
[0011](3)設定性能指標加權函數(shù)W1, IwiG ω) I > I對應噪聲抑制，W1 (j^) | < I對應水床放大。
[0012](4)設定輸入加權函數(shù)W2，其功能是去除控制輸入中的高頻成分。
[0013](5)設定模型攝動加權函數(shù)W3，加權函數(shù)W3增益越大，穩(wěn)定裕量相應地越大。
[0014](6)由標稱次級路徑模型和加權函數(shù)得到增廣對象模型P，表示為
【權利要求】
1.一種模擬反饋有源降噪耳機的設計方法，其特征在于它包括以下步驟: (1)測試耳機正常佩戴時次級路徑的頻率特性，稱為標稱次級路徑； (2)應用控制論中的狀態(tài)空間模型擬合標稱次級路徑，得到標稱次級路徑模型G； (3)設定性能指標加權函數(shù)巧，根據(jù)設計目標設定為帶通濾波器； (4)設定輸入加權函數(shù)W2，設定為le-5； (5)設定模型攝動加權函數(shù)W3,加權函數(shù)W3增益越大，穩(wěn)定裕量相應地越大，設定為一常數(shù)； (6)由標稱次級路徑模型和加權函數(shù)得到增廣對象模型P，表示為

【文檔編號】G06F17/50GK103632009SQ201310674036
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權日:2013年12月13日
【發(fā)明者】張麗敏, 鄒海山, 盧晶, 邱小軍 申請人:南京大學