CN104490402A - 一种pci主动噪声控制卡 - Google Patents

Abstract

一种PCI主动噪声控制卡，涉及主动噪声控制领域。本发明是为了解决现有的测听的系统中缺少降低噪声的系统问题。本发明所述由测听耳机上传感器产生的误差信号进入一号信号变换模块输入端，PCI接口与DSP数据处理模块进行通讯，DSP数据处理模块噪声控制输出端连控制模块噪声信号输入端，控制模块消噪信号输出端连音频合成模块消噪信号输入端，DSP数据处理模块纯音信号输入/输出端连音频数据生成模块纯音信号输出/输入端，音频数据生成模块音频信号输出端连音频合成模块音频信号输入端，音频合成模块合成音频信号输出端连二号信号变换模块合成音频信号输入端，二号信号变换模块输出标频信号推动耳机发声。它可用于纯音测听系统中。

Description

一种PCI主动噪声控制卡

技术领域

本发明涉及一种用于纯音测听系统的PCI主动噪声控制卡。具体涉及一种可自动加载主动噪声控制处理算法的PCI总线控制卡。

背景技术

自助听力测评系统是适用于在45dB以下噪声环境中进行测听的系统。由于测听需要使用纯音信号进行测试。因此需要保证外界的干扰噪声尽可能的小。主动噪声控制卡就是用来产生纯音测试信号并实时监测干扰测听信号的噪声，对其进行抑制的关键部件。主动噪声控制卡是自助听力测评系统的硬件核心，其实现了测听的功能并为测听过程中提供降噪保障。

主动噪声控制卡的设计和声卡类似，但为实现主动噪声控制算法，其结构借鉴反馈式ANC系统结构进行设计。

主动噪声遮蔽技术(ANC)中，存在两种结构，即前馈方式和反馈方式。前馈方式主要利用参考传声器采集能够很好表征噪声信号的参考信号作为系统的输入信号，通过控制器产生控制信号输出到次级声源，根据误差传声器得到的误差信号通过自适应算法调节自适应滤波器的系数，使误差传声器区域的噪声信号最小，达到降噪的目的。但是当参考传声器与次级声源距离较近时，次级声信号会反馈耦合到参考信号中，给控制系统带来灾难的后果，即所谓的声反馈问题，尤其在头套系统应用中声反馈问题更为严重。此外，此结构还受到因果性的限制。

发明内容

本发明是为了解决现有的测听系统中缺少降低噪声的系统问题。现提供一种PCI主动噪声控制卡。

一种PCI主动噪声控制卡，它包括PCI接口、DSP数据处理模块、一号信号变换模块、控制模块、音频数据生成模块、音频合成模块和二号信号变换模块，

所述由测听耳机上传感器产生的误差信号进入一号信号变换模块输入端，PCI接口的数据信号输入/输出端连接DSP数据处理模块的数据信号输出/输入端，DSP数据处理模块的噪声控制信号输出端连接控制模块的噪声控制信号输入端，控制模块的主动消噪信号输出端连接音频合成模块的主动消噪信号输入端，DSP数据处理模块的纯音信号输入/输出端连接音频数据生成模块的纯音信号输出/输入端，音频数据生成模块的音频信号输出端连接音频合成模块的音频信号输入端，音频合成模块的合成音频信号输出端连接二号信号变换模块的合成音频信号输入端，由二号信号变换模块输出标频信号推动耳机发生。

DSP数据处理模块内部嵌入有控制软件，该控制软件的控制方法为：

根据公式：

$d^{\′}\left(n\right)=e\left(n\right)+{\hat{y}}_s\left(n\right)=e\left(n\right)+\underset{j=0}{\overset{\hat{M}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{s}}_j\left(n\right)y_d(n-j),$

从系统误差信号e(n)中分离出的估计参考信号d'(n)，

式中，是信号y_s(n)的估计，y_s(n)为实际音源信号，由次级声信号y_d(n)经过滤波获得；和分别是的阶数和系数，为次级通道传递函数S(z)的估计模型，

根据公式：

$e\left(n\right)=d\left(n\right)-y_s\left(n\right)=d\left(n\right)-\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j\left(n\right)y_d(n-j),$

获得系统误差信号e(n)，

其中，M和s_j分别是S(z)的阶数和系数，d(n)为环境中需要抵消的噪声信号，y_d(n)由FANC系统的控制滤波器W(z)生成，通常采用FIR滤波器，其系数向量和输入向量分别如下：

w(n)＝[w₀(n) w₁(n) … w_L-1(n)]^T

d'(n)＝[d'(n) d'(n-1) … d'(n-L-1)]^T

L是滤波器阶数，

采用次级信号y_d(n)抵销噪声信号d'(n)，根据公式：

$y_d\left(n\right)=w^T\left(n\right)d^{\′}\left(n\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(n\right)d^{\′}(n-l),$

获得次级信号y_d(n)。

本发明的有益效果为：本发明通过PCI接口与系统软件进行通讯，接收系统软件发送的音频数据，一号信号变换接收由测听耳机上传感器测得的误差信号，将模拟信号转变为数字信号传给DSP数据处理模块。DSP数据处理模块根据内部嵌入的控制软件完成主动噪声控制，将结果传送给控制模块，再由控制模块产生主动消躁信号，另一方面，音频数据生成模块根据DSP数据处理模块发来的指令生成纯音音频信号。音频合成模块将主动噪声信号和纯音音频信号合成为实际的测听音频信号，即为合成音频信号，合成音频信号经过二号信号变换后产生输出给测听耳机的标频信号。该系统有效的降低了普通环境下测听中的噪声。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种PCI主动噪声控制卡的原理示意图，

图2为具体实施方式三所述的一号信号转换模块的原理示意图，

图3为具体实施方式四所述的二号信号变换模块的原理示意图，

图4为本发明所述的一种PCI主动噪声控制卡采用的反馈方式的ANC系统原理图，

图5为图4中反馈方式的ANC系统的结构框图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种PCI主动噪声控制卡，它包括PCI接口1、DSP数据处理模块2、一号信号变换模块3、控制模块4、音频数据生成模块5、音频合成模块6和二号信号变换模块7，

所述由测听耳机上传感器产生的误差信号进入一号信号变换模块3输入端，PCI接口1的数据信号输入/输出端连接DSP数据处理模块2的数据信号输出/输入端，DSP数据处理模块2的噪声控制信号输出端连接控制模块4的噪声控制信号输入端，控制模块4的主动消噪信号输出端连接音频合成模块6的主动消噪信号输入端，DSP数据处理模块2的纯音信号输入/输出端连接音频数据生成模块5的纯音信号输出/输入端，音频数据生成模块5的音频信号输出端连接音频合成模块6的音频信号输入端，音频合成模块6的合成音频信号输出端连接二号信号变换模块7的合成音频信号输入端，由二号信号变换模块7输出标频信号推动耳机发声。

本实施方式中，二号信号变换实现数字音频信号到模拟音频信号的转换，对信号进行适当放大推动耳机发声。

控制模块用来产生用来消除干扰噪声的抵消噪声信号。

控制模块设计了窄带噪声数据源，根据DSP数据处理模块的数据，产生噪声数据。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种PCI主动噪声控制卡作进一步说明，本实施方式中，DSP数据处理模块2采用型号为TMS320DM642的32位定点数字信号处理器。

本实施方式中，自适应控制算法需要进行大量复杂的数学运算，因此所选DSP必须具有主频高、运行快、存储量大等特点，结合实验室已有的技术积累，本系统选用TI公司推出的高性能32位定点数字信号处理器TMS320DM642作为处理器，该处理器面向数字多媒体，具有高达720M的工作频率，指令吞吐量可达57600MIPS。DM642片上有64个32bit的通用寄存器和8个特殊功能寄存器(2个32位的乘法器，6个算术逻辑单元)，能够更加快速、有效地处理数据。此外，。DM642内部集成了一个66MHz、32位、3.3V主设备/从设备PCI接口，遵从PCI 2.2总线规范，通过简单配置内部寄存器和增加外围器件即可实现与PC机进行PCI通讯。本系统即使用DM642内部集成PCI接口完成PCI主动噪声控制卡与系统之间的PCI通讯。DM642还具有很丰富的片上外设资源，如10/100M的以太网控制器、多通道音频串行接口、多通道缓存串行接口、主机接口。

具体实施方式三：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种PCI主动噪声控制卡作进一步说明，本实施方式中，一号信号变换模块3包括电压跟随器3-1、二阶低通滤波器3-2和ADC信号调理电路3-3，

所述测听耳机上传感器测得的误差信号传送给电压跟随器3-1，电压跟随器3-1的电压信号输出端连接二阶低通滤波器3-2的电压信号输入端，二阶低通滤波器3-2的滤波信号输出端连接ADC信号调理电路3-3的模拟信号输入端，ADC信号调理电路的3-3调理信号输出端连接DSP数据处理模块2的调理信号输入端。

本实施方式中，信号变换前端是为ADC信号调理电路，将误差信号变换为ADC可以接受的信号范围。信号首先经过一个电压跟随器，提高带负载能力。因为主动噪声控制基本只对低频噪声有效，高频噪声主要靠物理屏蔽，所以电压跟随器接二阶低通滤波器，截止频率为2kHz。信号调理、滤波中使用的运算放大器具有低功耗、单电源、轨到轨输入/输出高性能的特点。

信号变换接收由测听耳机上传感器产生的误差信号。将信号采集调理后由模拟信号转变为数字信号。传送给DSP数据处理模块。

具体实施方式四：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种PCI主动噪声控制卡作进一步说明，本实施方式中，二号信号变换模块7包括DA变换电路7-1、IV变换电路7-2、平衡转非平衡及滤波电路7-3和功率放大电路7-4，

所述音频合成模块6的合成音频信号输出端连接DA变换电路7-1的合成音频信号输入端，DA变换电路7-1的模拟信号输出端连接IV变换电路7-2的模拟信号输入端，IV变换电路7-2的电压信号输出端连接平衡转非平衡及滤波电路7-3的电压信号输入端，平衡转非平衡及滤波电路7-3的非平衡信号输出端连接功率放大电路7-4的非平衡信号输入端，功率放大电路7-4用于将平衡转非平衡变换电路中的非平衡信号进行放大，产生并输出标频信号。

本实施方式中，

(1)DA转换电路

DA变换模块是系统中实现从数字到模拟变化的核心部件，直接决定了测试声音信号的质量。从功能和性能需求分析中可知，该模块必须具有90dB以上的大范围听力级和较小步进值的听力级调节能力，为满足高频测试要求，还必须具有很高的采样率以及高信噪比、低通道串扰等特点。所以，本模块要使用高性能的专业音频DA芯片来满足严格的指标要求。

本课题采用了TI公司的专业音频芯片PCM1792。该芯片具有129dB的动态范围、0.5dB的调节精度、达到192kHz的采样率、127dB的信噪比、123dB的左右声道串扰抑制能力以及优于0.0015％的总谐波失真。该芯片支持16位、20位、24位等多种数据位宽，还支持PCM和DSD两种数据格式。这款芯片还提供了Right Justified、Left Justified和IIS等多种音频数据接口，以及SPI和IIC两种寄存器访问方式。该芯片应用了过采样数字滤波、基于Σ-Δ的高级调制单元等先进音频技术，保证了芯片的音频性能，是顶尖的音频芯片之一。

(2)I/V变换电路设计

运算放大器使用TI公司的NE5534，其共模抑制比为100dB，±3V到±20V的宽电源电压范围。

(3)平衡转非平衡电路设计

采用平衡方式输出电流信号(I_outL+、I_outL-)。在一些高级的音频系统中，一般都会采用平衡传输方式对音频信号进行传输，这样可以有效抑制共模干扰，提升音频信号质量。但是平衡传输方式无法驱动耳机负载，必须将平衡信号转换为非平衡信号。输出端电压V_outL≈(V_outL+-V_outL-)/2，同时电路中还设计了低通滤波器，截止频率为40kHz左右，达到滤除音频信号中高频成分的目的。电路中的运算放大器使用Linear公司的低噪声、高精度运放LT1028。

(4)功率放大电路设计

从DAC输出的电信号一般功率很小，不能用来直接驱动负载；功率放大电路就是将信号进行放大使其可以直接驱动专业耳机或通用耳机。本设计采用了TI公司的高保真耳机运算放大器TPA6120，信噪比120dB，最大负载为32欧，最大输出功率为750mW，满足各种耳机的驱动需求。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种PCI主动噪声控制卡作进一步说明，本实施方式中，DA变换电路7-1采用型号为PCM1792的音频芯片实现，IV变换电路7-2采用型号为NE5534的运算放大器实现，平衡转非平衡变换电路7-3采用型号为LT1028的运算放大器实现。

具体实施方式六：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的一种PCI主动噪声控制卡作进一步说明，本实施方式中，DSP数据处理模块2内部嵌入有控制软件，该控制软件的控制方法为：

根据公式：

$d^{\′}\left(n\right)=e\left(n\right)+{\hat{y}}_s\left(n\right)=e\left(n\right)+\underset{j=0}{\overset{\hat{M}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{s}}_j\left(n\right)y_d(n-j),$

从系统误差信号e(n)中分离出的参考信号d'(n)，j为正整数，且小于n，

式中，是信号y_s(n)的估计，y_s(n)为实际音源信号，由次级声信号y_d(n)经过滤波获得；和分别是的阶数和系数，为次级通道传递函数S(z)的估计模型，

y_d(n)由FANC系统的控制滤波器W(z)生成，通常采用FIR滤波器，其系数向量和输入向量分别如下：

w(n)＝[w₀(n) w₁(n) … w_L-1(n)]^T

d'(n)＝[d'(n) d'(n-1) … d'(n-L-1)]^T

L是滤波器阶数，

采用次级信号y_d(n)抵销噪声信号d'(n)，根据公式：

$y_d\left(n\right)=w^T\left(n\right)d^{\′}\left(n\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(n\right)d^{\′}(n-l),$

获得次级信号y_d(n)。

本实施方式中，本主动噪声控制卡采用反馈方式的ANC系统，如图4所示。在反馈方式的ANC系统中不需要通过参考传感器直接从环境中获取参考信号，通过从误差信号e(n)中获得估计参考信号即通过一种内部模型控制方式方法实现，实现参考信号的获取，克服了声反馈问题，此外与前馈方式的ANC系统相比，减少了一个传感器，降低了系统硬件结构复杂度。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种PCI主动噪声控制卡作进一步说明，本实施方式中，通过调节滤波器系数，使误差传感器区域的噪声信号最小，基于FXLMS算法的控制滤波器系数向量迭代公式为：

$w(n+1)=w\left(n\right)+{\mathrm{\μ}}_{w}e\left(n\right){\hat{d}}^{\′}\left(n\right)$

式中，μ_w是更新步长因子，是滤波参考信号向量表示如下：

${\hat{d}}^{\′}\left(n\right)={\left[\begin{array}{cccc}{\hat{d}}^{\′}\left(n\right)& {\hat{d}}^{\′}(n-1)& \·\·\·& {\hat{d}}^{\′}(n-L-1)\end{array}\right]}^T$

${\hat{d}}^{\′}\left(n\right)=\underset{j=0}{\overset{\hat{M}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{s}}_j\left(n\right)d^{\′}(n-j),$

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种PCI主动噪声控制卡作进一步说明，本实施方式中，根据环境中需要抵消的噪声信号d(n)，结合公式：

$e\left(n\right)=d\left(n\right)-y_s\left(n\right)=d\left(n\right)-\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j\left(n\right)y_d(n-j),$

获得下一时刻系统误差信号e(n)，

其中，M和s_j分别是S(z)的阶数和系数，d(n)为环境中需要抵消的噪声信号。

Claims (8)

1.一种PCI主动噪声控制卡，其特征在于，它包括PCI接口(1)、DSP数据处理模块(2)、一号信号变换模块(3)、控制模块(4)、音频数据生成模块(5)、音频合成模块(6)和二号信号变换模块(7)，

所述由测听耳机上传感器产生的误差信号进入一号信号变换模块(3)输入端，PCI接口(1)的数据信号输入/输出端连接DSP数据处理模块(2)的数据信号输出/输入端，DSP数据处理模块(2)的噪声控制信号输出端连接控制模块(4)的噪声控制信号输入端，控制模块(4)的主动消噪信号输出端连接音频合成模块(6)的主动消噪信号输入端，DSP数据处理模块(2)的纯音信号输入/输出端连接音频数据生成模块(5)的纯音信号输出/输入端，音频数据生成模块(5)的音频信号输出端连接音频合成模块(6)的音频信号输入端，音频合成模块(6)的合成音频信号输出端连接二号信号变换模块(7)的合成音频信号输入端，由二号信号变换模块(7)输出标频信号推动耳机发声。

2.根据权利要求1所述的一种PCI主动噪声控制卡，其特征在于，DSP数据处理模块(2)采用型号为TMS320DM642的32位定点数字信号处理器。

3.根据权利要求1所述的一种PCI主动噪声控制卡，其特征在于，一号信号变换模块(3)包括电压跟随器(3-1)、二阶低通滤波器(3-2)和ADC信号调理电路(3-3)，

所述测听耳机上传感器测得的误差信号传送给电压跟随器(3-1)，电压跟随器(3-1)的电压信号输出端连接二阶低通滤波器(3-2)的电压信号输入端，二阶低通滤波器(3-2)的滤波信号输出端连接ADC信号调理电路(3-3)的模拟信号输入端，ADC信号调理电路的(3-3)调理信号输出端连接DSP数据处理模块(2)的调理信号输入端。

4.根据权利要求1所述的一种PCI主动噪声控制卡，其特征在于，二号信号变换模块(7)包括DA变换电路(7-1)、IV变换电路(7-2)、平衡转非平衡及滤波电路(7-3)和功率放大电路(7-4)，

所述音频合成模块(6)的合成音频信号输出端连接DA变换电路(7-1)的合成音频数字信号输入端，DA变换电路(7-1)的模拟信号输出端连接IV变换电路(7-2)的模拟电流信号输入端，IV变换电路(7-2)的模拟电压信号输出端连接平衡转非平衡及滤波电路(7-3)的电压信号输入端，平衡转非平衡及滤波电路(7-3)的非平衡信号输出端连接功率放大电路(7-4)的信号输入端，功率放大电路(7-4)用于将平衡转非平衡变换电路中的非平衡信号进行放大，产生并输出标频信号。

5.根据权利要求4所述的一种PCI主动噪声控制卡，其特征在于，DA变换电路(7-1)采用型号为PCM1792的音频芯片实现，IV变换电路(7-2)采用型号为NE5534的运算放大器实现，平衡转非平衡变换电路(7-3)采用型号为LT1028的运算放大器实现。

6.根据权利要求1所述的一种PCI主动噪声控制卡，其特征在于，DSP数据处理模块(2)内部嵌入有控制软件，该控制软件的控制方法为：

根据公式：

$d^{\′}\left(n\right)=e\left(n\right)+{\hat{y}}_s\left(n\right)=e\left(n\right)+\underset{j=0}{\overset{\hat{M}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{s}}_j\left(n\right)y_d(n-j),$

从系统误差信号e(n)中分离出的估计参考信号d'(n)，j为正整数，且小于n，

式中，是信号y_s(n)的估计，y_s(n)为实际音源信号，由次级声信号y_d(n)经过滤波获得；和分别是的阶数和系数，为次级通道传递函数S(z)的估计模型，

y_d(n)由FANC系统的控制滤波器W(z)生成，通常采用FIR滤波器，其系数向量和输入向量分别如下：

w(n)＝[w₀(n) w₁(n) … w_L-1(n)]^T

d'(n)＝[d'(n) d'(n-1) … d'(n-L-1)]^T

L是滤波器阶数，

采用次级信号y_d(n)抵销噪声信号d'(n)，根据公式：

$y_d\left(n\right)=w^T\left(n\right)d^{\′}\left(n\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(n\right)d^{\′}(n-l),$

获得次级信号y_d(n)。

7.根据权利要求6所述的一种PCI主动噪声控制卡，其特征在于，

通过调节滤波器系数，使误差传感器区域的噪声信号最小，基于FXLMS算法的控制滤波器系数向量迭代公式为：

$w(n+1)=w\left(n\right)+{\mathrm{\μ}}_{w}e\left(n\right){\hat{d}}^{\′}\left(n\right)$

式中，μ_w是更新步长因子，是滤波参考信号向量表示如下：

${\hat{d}}^{\′}\left(n\right)={\left[\begin{array}{cccc}{\hat{d}}^{\′}\left(n\right)& {\hat{d}}^{\′}(n-1)& \·\·\·& {\hat{d}}^{\′}(n-L-1)\end{array}\right]}^T$

${\hat{d}}^{\′}\left(n\right)=\underset{j=0}{\overset{\hat{M}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{s}}_j\left(n\right)d^{\′}(n-j).$

8.根据权利要求6所述的一种PCI主动噪声控制卡，其特征在于，根据环境中需要抵消的噪声信号d(n)，结合公式：

$e\left(n\right)=d\left(n\right)-y_s\left(n\right)=d\left(n\right)-\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j\left(n\right)y_d(n-j),$

获得下一时刻系统误差信号e(n)，

其中，M和s_j分别是S(z)的阶数和系数，d(n)为环境中需要抵消的噪声信号。