基于DSP的主動(dòng)降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

計(jì)煒梁，凌 強(qiáng)，朱學(xué)俊，李博倫，徐 駿，虞安波（.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 3007；.會(huì)聽(tīng)聲學(xué)科技（北京）有限公司，北京 0086）

基于DSP的主動(dòng)降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

計(jì)煒梁1，凌 強(qiáng)1，朱學(xué)俊1，李博倫1，徐 駿1，虞安波2
（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 230027；2.會(huì)聽(tīng)聲學(xué)科技（北京）有限公司，北京 10086）

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。

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。

圖1 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。

圖2 次級(jí)通道訓(xùn)練示意圖

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）。

（2）計(jì)算參考輸入信號(hào) x（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)。

（4）從耳機(jī)輸出反噪聲y（n）。

（5）計(jì)算濾波后版本的x′（n）：

（6）使用FXLMS算法更新W（z）的系數(shù)：

wi（n+1）=wi（n）-μe（n）x′（n-i），i=0，1，…，N-1

（7）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。

圖3 降噪部分程序流程圖

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TI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。

圖5 降噪系統(tǒng)硬件平臺(tái)示意圖

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TI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。

圖6 AIC23B內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

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。

圖7 C5509A與AIC23B連接圖

圖8 MATLAB仿真噪聲信號(hào)

圖9 MATLAB仿真殘余噪聲信號(hào)

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。

圖10 降噪前外界噪聲信號(hào)

圖11 降噪后殘余噪聲信號(hào)

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］。

［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.

Active noise control system design and im p lementation based on DSP

Ji Weiliang1，Ling Qiang1，Zhu Xuejun1，Li Bolun1，Xu Jun1，Yu Anbo2
（1.Department of Automation，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China；2.Huiting Acoustic Technology Inc.（Beijing），Beijing 10086，China）

This paper designs an algorithm to actively cancel periodic noise created by engines.Moreover，it implements the algorithm based on DSP.The algorithm is built upon the feedback filtered-X-least mean square（FXLMS）algorithm.After introducing the motivation and background of the concerned algorithm，the paper gives a flowchart of the algorithm.Then it builds a hardware platform to implement the algorithm.That platform takes TMS320VC5509A produced by Texas Instruments as the main processor，and uses TLV320AIC23B to process audio.The experimental results demonstrate the effectiveness of the algorithm.

active noise control；adaptive；FXLMS

TP311

A

1674-7720（2015）24-0032-03

計(jì)煒梁，凌強(qiáng)，朱學(xué)俊，等.基于DSP的主動(dòng)降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（24）：32-34，37.

2015-09-24）

計(jì)煒梁（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

凌強(qiáng)（1975-），通信作者，男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)化控制、嵌入式系統(tǒng)。E-mail：qling@ustc.edu.cn。

朱學(xué)?。?991-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61273112）