CN104081452B - 调节有源消噪系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种调节ANC系统的方法，其中麦克风经由次要路径来声学地连接至扬声器，并且扬声器经由ANC滤波器来电连接至麦克风。所述方法包括测量各种操作模式中的次要路径的相位特性；根据所测量的相位特性来确定各种操作模式中的相位特性的统计离差；根据统计离差来确定最小相位裕度；调节ANC滤波器以在任何一个操作模式中展现等于或大于最小相位裕度的相位特性；并且，调节ANC滤波器以在任何一个操作模式中展现等于或小于最大增益裕度的振幅特性。

Description

调节有源消噪系统的方法

背景技术

本发明涉及一种调节ANC系统的方法，并且具体来说，涉及一种调节ANC系统以实现最大噪声衰减的方法。

在反馈自动噪声控制(ANC)系统中，麦克风经由次要路径来声学连接至扬声器，并且扬声器经由ANC滤波器来电连接至麦克风。反馈ANC系统尤其用于需要将麦克风与扬声器相对接近地进行布置的配置中，如例如在ANC头戴式耳机中的情况。不论具体的应用为何，反馈ANC系统普遍地根据(加权)灵敏度函数来调节，所述函数为产生干扰信号d[n]的噪声源与接收误差信号e[n]的麦克风之间的信号路径的传递函数。传递函数是基本上时间不变系统(例如，ANC系统的主要路径)的输入(例如，干扰信号d[n])与输出(例如，误差信号e[n])之间关系的就(时间)频率而言的数学表示。

反馈ANC系统常常实施于模拟电路中和/或作为非适应性滤波器，即，固定滤波器以使得对不同操作模式的后续适应困难或甚至不可能。例如，在头戴式耳机中，佩戴头戴式耳机的不同用户建立不同的次要路径，并且因而产生不同操作模式。因此，在滤波器设计时，谨慎调节滤波器对于将要以不同操作模式操作的ANC系统的满意性能来说是极其重要的。满意性能是指例如在大频带中提供具有高噪声衰减的稳定控制环路。通常，最大限度地减少(加权)灵敏度函数N(z)被用来提供较高衰减。然而，以这种方式实现的性能常常被认为是不充分的。

需要提供一种调节ANC系统以实现最大噪声衰减的改进方法。

发明内容

本发明公开一种调节ANC系统的方法，其中麦克风经由次要路径来声学连接至扬声器，并且所述扬声器经由ANC滤波器来电连接至所述麦克风。所述方法包括测量各种操作模式中的次要路径的相位特性；根据所测量的相位特性来确定各种操作模式中的相位特性的统计离差；根据统计离差来确定最小相位裕度；调节ANC滤波器以在任何一个操作模式中展现等于或大于最小相位裕度的相位特性；并且，调节ANC滤波器以在任何一个操作模式中展现等于或小于最大增益裕度的振幅特性。

附图说明

以下基于附图中展示的示例性实施方案来更详细地描述各种特定实施方案。除非另有说明，否则相似或相同部件在所有附图中用相同参考数字来标记。

图1是示出反馈ANC系统中的信号处理原理的方框图。

图2是可应用图1展示的有源降噪系统的耳机的示意图。

图3是示出调节ANC系统的改进方法的流程图。

图4是将相位角与不同用户和不同频率相联系的示例性表格。

图5是示出如图4表格中列举的测量值的示例性统计离差的图表。

图6是定义稳定性裕度的奈奎斯特(Nyquist)图。

图7是定义稳定性裕度的伯德(Bode)图。

具体实施方式

现在参考图1，其为示出反馈ANC系统中的信号处理原理的方框图。在图1的ANC系统中，误差麦克风1经由次要路径3来声学连接至扬声器2，并且扬声器2经由反馈信号路径4来电连接至麦克风1，所述反馈信号路径4包括麦克风前置放大器5、具有传递函数W(z)的后续ANC滤波器6和放大率A₇可调节或可控制的后续扬声器激励放大器7。麦克风1和扬声器2可布置在空间10中，例如，由耳机和用户头部封闭的空间。如本文使用的术语“扬声器”是指将它接收的电信号转换成它发射的声信号的任何类型的换能器。因此，如本文使用的术语“麦克风”是指将它接收的声信号转换成它提供的电信号的任何类型的换能器。

麦克风1接收声信号，所述声信号主要由声输出信号y(t)和声干扰信号d(t)组成。输出信号y(t)是扬声器2的由次要路径3的传递函数S(z)滤波的输出信号，并且干扰信号d(t)是噪声源8的由主要路径9的传递函数P(z)滤波的输出信号。根据这个所接收的声信号y(t)-d(t)，麦克风1生产电误差信号e(t)，所述电误差信号e(t)由麦克风前置放大器5放大，然后作为放大误差信号e‘(t)＝A₅e(t)供应至后续ANC滤波器6。为了简单起见，在考虑下述情况时，假定麦克风前置放大器5的放大率A₅等于1以使得e‘(t)＝e(t)，但是需要时也可使用任何其它的适当值。

图1展示的ANC系统可基于时域中的各种信号、在谱域中通过以下微分方程来描述，其中D(z)、E(z)和Y(z)是时域中的信号d(t)、e(t)和y(t)的频谱表示。

E(z)＝D(z)-Y(z)，

Y(z)＝E(z)·W(z)·S(z)。

因此，作为干扰信号与误差信号比率的灵敏度函数N(z)可描述为：

N(z)＝D(z)/E(z)＝1/(1+W(z)·S(z))＝1/(1+H_OL(Z))，

其中H_OL(Z)＝W(z)·S(z)是反馈ANC系统的开环回路(open loop)的传递函数。

作为干扰信号d(t)与输出信号y(t)比率的互补灵敏度函数T(z)的微分方程相应地是：

T(z)＝D(z)/Y(z)＝H_OL(Z)/(1+H_OL(Z))。

当计算反馈ANC系统的鲁棒(robust)稳定性时，普遍地使用所谓H_∞或H₂范数或两者组合(H_∞/H₂)。在H_∞范数中，开环回路在互补灵敏度函数T(z)的绝对值的最大值方面得到优化，以使得在考虑到解决次要路径3起伏的不确定边界B(z)时，范数H_∞不超过1。

max(|T(z)·B(z)|)＝||T(z)·B(z)||_∞<1。

在H₂范数中，遵照以下条件：

$\left(\right(1/2\mathrm{\&pi;})\underset{-\mathrm{\&infin;}}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}}{\left(\right|T\left(z\right)\&CenterDot;B\left(z\right){|}^2\left|X\right(z\left)\right|d\mathrm{\&omega;})}^{-1/2}=|\left|T\right(z)\&CenterDot;B(z\left)\right|{|}_2\left|\right|X\left(z\right)|{|}_2<1.$

如从以上两个方程可以看出，H_∞范数与H₂范数的可能最差情况有关，因为与考虑潜在干扰信号的特性并且代表ANC系统的平均放大率的H₂范数相对比，所述H_∞范数与潜在干扰信号无关。

图2示出可用于图1展示的有源降噪系统的示例性耳机。耳机可与另一个相同耳机一起成为头戴式耳机(未展示)的部分，并且可声学连接至收听者的耳朵11。在本发明实例中，耳朵11经由主要路径9暴露于干扰信号d[n]，例如，环境噪声。耳机包括具有孔13的杯状外壳12，所述孔13可由透声覆盖物，例如，格栅、网格或任何其它透声结构或材料来覆盖。

扬声器2向耳朵11发射声音并且布置在外壳12的孔13处，所述扬声器和所述外壳两者形成耳机腔体14。腔体14可为不透气的，或可通过任何手段，例如，借助于出入口、通气口、开口等来通气。麦克风1定位在扬声器2前方。声路径15从扬声器2延伸至耳朵11，并且具有对于噪声控制目的来说与从扬声器2延伸至麦克风1的次要路径3的传递特性近似的传递特性。在本发明示例性耳机中，空间10由外壳12、扬声器2的前侧、头枕16和用户的耳朵11(包括耳道17)来封闭。

图3是示出调节(反馈)ANC系统(例如，图1的系统)的改进方法的流程图，其中麦克风(例如，麦克风1)经由次要路径(例如，次要路径3)来声学连接至扬声器(例如，扬声器2)，并且扬声器经由ANC滤波器(例如，ANC滤波器6)来电连接至麦克风。

在所述改进方法中，测量在各种操作模式中的次要路径(3)的相位特性(图3的步骤A)。例如在头戴式耳机中，不同操作模式可由佩戴头戴式耳机的不同用户以不同方式来确立，从而建立不同次要路径。在车厢中，不同乘客或许多不同乘客可建立不同次要路径。对于多种不同操作模式(例如，针对不同用户)，执行至少一次测量并且就相位特性，即相位相比于频率来进行统计评估。在图4中，展示示例性表格，所述表格将已针对不同用户，即用户1...p测量的相位角与不同频率f₁...f_q相联系。表格中的值已通过在频率f₁...f_q中每一个频率下测量针对用户1...p中每一个用户的次要路径的相位角来测定。如果对每个用户和频率进行一次以上的测量，那么中值平均值或任何其它类型的平均值可用作每个用户和频率的单值。

根据所测量的相位特性(相位相比于频率)确定各种操作模式中的相位特性的统计离差(图3中的步骤B)。统计离差也称为统计可变性或变化，它是变量或概率分布的可变性或展开范围(spread)。统计离差的量度的常见实例是方差、标准偏差和四分位数间距。在本发明示例中，这种可变性由不同操作模式的测量值(包括测量误差)所产生。如在图4的表格中列举的所测量相位角的示例性统计离差展示于图5中，其中对于频率f₁...f_q中每一个频率，提供每个相位角的多个用户的离差。

根据统计离差来确定最小相位裕度(图3中的步骤C)。这可通过以下方式来实现：对于次要路径中的每一个(每个操作模式的次要路径)建立伯德图，随后确定最差情况的幅值特性(幅值相比于频率)和/或相位特性(相位相比于频率)，例如，通过提供相位特性来确定，所述相位特性包括在多个频率的每个频率下最接近0°和360°处的稳定性极限的那些相位值。

根据360°处较低稳定性极限下的离差，例如通过将每个分布展开范围乘以常数来确定相位裕度。增益裕度可基于幅值特性在多个频率的每个频率下的(频率依赖性)分布展开范围来确定。然而，这个值还可用于评估在给定滤波器设计的情况下增益可减少的程度，以便实现滤波器的较高稳定性或鲁棒性，并且其中增益裕度尽可能小，例如，等于或小于1dB或0.5dB或0.25dB。

为了提高测量值的精确度，麦克风1可布置于耳道17中，如图2所示(指示为1a)。此外，振幅裕度或相位裕度或两者可与频率无关。

如果环路传递函数变化，那么渐近稳定的反馈系统可变为裕度上稳定的。增益裕度GM(也称为振幅裕度)和相位裕度PM(弧度或度)是稳定性裕度，这些稳定性裕度以其自有方式表示在渐近稳定的系统变为裕度上稳定之前可容许的参数变化大小。

图6展示在奈奎斯特图中定义的稳定性裕度。GM是在L曲线(奈奎斯特图)穿过临界点ω_c之前L可在ω₁₈₀处容许的增益的(乘法，而非加法)增加。因此，

|L(jω₁₈₀)|·GM＝1

得出

GM＝1/|L(jω₁₈₀)|＝1/|ReL(jω₁₈₀)|

由此得出后一种表达式，因为在ω₁₈₀处，虚部ImL(s)＝0以使得振幅等于实部ReL(s)的绝对值。

如果使用分贝作为单位，如在伯德图中的情况，那么

GM[dB]＝-|L(jω₁₈₀)|[dB]

相位裕度PM是在L曲线穿过临界点之前L曲线在ω_c处可容许的相位减少。因此，

arg L(jω_c)-PM＝-180°

得出

PM＝180°+arg L(jωc)。

因此，反馈(闭合)系统是渐近稳定的，只要

GM>0dB＝1并且PM>0°。

这个标准常常指示伯德-奈奎斯特稳定性判据。因此，闭环系统是裕度上稳定的，只要奈奎斯特曲线(L)穿过临界点，所述临界点为奈奎斯特图中的点(-1,0)。

在伯德图中，临界点具有相位(角)-180°并且振幅1＝0dB。因此，临界点构成伯德图中的两条线：振幅图中的0dB线和相位图中的-180°线。图7展示渐近稳定的闭环系统的典型L曲线。

稳定性裕度的普遍使用范围是

2≈6dB≤GM≤4≈12dB并且30°≤PM≤60°。

值越大，稳定性越好，但是同时系统动态地变得更缓慢。如果稳定性裕度用作设计标准，那么以下值普遍地适用：

GM≥2.5≈8dB并且PM≥45°

尽管如此，本发明的ANC滤波器6被调节(设计)来使得它在任何一个操作模式中展现等于或大于在步骤C(图3的步骤D)中确定的最小相位裕度PM的相位特性，所述最小相位裕度PM可为40°或30°或甚至低于30°。

ANC滤波器6还被调节(设计)来在任何一个操作模式中展现等于或小于最大振幅裕度(图3中的步骤E)的振幅特性。

根据定义，稳定性裕度表示反馈控制系统抵抗环路传递函数的某些参数变化的鲁棒性。增益裕度GM是在系统变得不稳定之前环路增益K可增加的程度。相位裕度PM是在环路变得不稳定之前环路的相位滞后函数可减少的程度。

增益裕度GM可以与相位裕度PM类似的方式、根据统计离差来确定。或者，增益裕度GM可保持尽可能小以使得系统接近临界稳定性或甚至不稳定性。另外，可使用(小的)固定最大增益裕度GM，例如，GM≤1dB或0.5dB或甚至0.25dB。然后通过使环路增益K减少一个值来实现所需鲁棒性，所述值是根据统计离差来确定。

ANC滤波器的调节(设计)是通过以下方式完成：相应地设计或调节ANC滤波器6的传递函数W(z)以使得满足以上概述的所有要求。应指出的是，步骤顺序(A至E)和步骤本身可改变。另外，可根据具体情况来增加或减少步骤的数目。

虽然已经公开实现本发明的各种实例，但是本领域技术人员将明白可做出的各种变化和修改，这些变化和修改将在不背离本发明的精神和范围的情况下实现本发明的一些优点。对本领域技术人员显而易见的是，执行相同功能的其它步骤和措施可在适当时加以替换。具体地说，步骤顺序和步骤本身可加以改变。本发明概念的这类修改意图由附加权利要求书涵盖。

Claims (14)

1.一种调节ANC系统的方法，其中麦克风经由次要路径声学连接至扬声器，并且所述扬声器经由ANC滤波器电连接至所述麦克风；

所述方法包括：

测量各种操作模式中的所述次要路径的相位特性；

根据所测量的相位特性来确定所述各种操作模式中的所述相位特性的统计离差；

根据所述统计离差来确定最小相位裕度；并且

调节所述ANC滤波器以在任何一个所述操作模式中展现等于或大于所述最小相位裕度的相位特性，并且

调节所述ANC滤波器以在任何一个所述操作模式中展现振幅特性，所述振幅特性等于或小于最大增益裕度。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述最大增益裕度根据所述统计离差来确定。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述最大增益裕度被保持得小到使得所述系统接近于临界稳定性或不稳定性。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述最大增益裕度等于或小于1dB。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述最大增益裕度等于或小于0.5dB。

6.如权利要求3所述的方法，其中所述最大增益裕度等于或小于0.25dB。

7.如权利要求3-6中任一项所述的方法，其中所述系统具有环路增益，所述环路增益减少了根据所述统计离差所确定的值。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述最大增益裕度或所述最小相位裕度或两者都是与频率无关的。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述麦克风可布置在耳道中。

10.如权利要求1所述的方法，其中根据所测量的相位特性来确定所述各种操作模式中的所述相位特性的统计离差包括：确定最差情况幅值特性和/或最差情况相位特性。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述各种操作模式中的所述相位特性包括在多个频率的每个频率下最接近0°和360°处的稳定性极限的那些相位值。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述最小相位裕度是根据360°处较低稳定性极限下的所述离差来确定。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述最小相位裕度通过将每个分布展开范围乘以常数来确定。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述最大增益裕度可基于所述幅值特性在多个频率的每个频率下的所述分布展开范围来确定。