CN105356861A - 一种有源降噪的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了有源降噪的方法，包括：接收音频信号，拾取噪声源信号和观测点位置的声音信号；分别对音频信号和噪音源信号进行第一自适应滤波处理得到自适应滤波音频信号和自适应滤波噪音源信号；对噪音源信号进行第二自适应滤波处理得到噪音消除信号；播放音频信号和噪音消除信号；计算观测点位置的声音信号和自适应滤波音频信号的差值得到误差信号；基于音频信号和误差信号更新第一自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛，基于自适应滤波噪音源信号和误差信号更新第二自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛。本发明还公开了有源降噪的系统。本发明的有源降噪方案可以自适应扬声器至观测点的物理响应。

Description

一种有源降噪的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种有源降噪的系统和方法。
背景技术
有源降噪技术是利用电子线路和发声设备产生与噪声相位相反的噪音消除信号，来抵消原有的噪声而达到降噪目的的技术。
将有源降噪技术应用在车内降噪、室内降噪或工业降噪中时，噪音源信号距离观测点、发出噪音消除信号的扬声器距离观测点通常都有一定的物理距离，各自存在一个物理响应。因此在有源降噪技术中，需要提前测量上述响应并且置入降噪算法中。但在扬声器至观测点的物理响应不固定而有可能随环境实时变化的情况下，这种方式就会产生误差，生成的噪音消除信号不能很好地抵消掉噪音源信号，所以有必要提出可以自适应扬声器至观测点的物理响应的有源降噪的技术方案。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种有源降噪的新技术方案，使得有源降噪可以自适应扬声器至观测点的物理响应。
根据本发明的第一方面，提供了一种有源降噪的方法，包括以下步骤：接收音频信号；分别拾取噪声源信号和观测点位置的声音信号；由第一自适应滤波器分别对音频信号和噪音源信号进行第一自适应滤波处理以得到自适应滤波音频信号和自适应滤波噪音源信号；由第二自适应滤波器对噪音源信号进行第二自适应滤波处理以得到噪音消除信号；播放音频信号和噪音消除信号；计算观测点位置的声音信号和自适应滤波音频信号的差值得到误差信号；其中，基于音频信号和误差信号更新第一自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛，基于自适应滤波噪音源信号和误差信号更新第二自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛。
优选地，所述第一自适应滤波器的滤波系数更新公式为：其中，为n+1时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，μ'为第一自适应滤波器的更新步长，为n时刻的音频信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。
优选地，所述第二自适应滤波器的滤波系数更新公式为：其中，为n+1时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，μ为第二自适应滤波器的更新步长，为n时刻的自适应滤波噪音源信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。
优选地，所述第一自适应滤波器为FIR滤波器或者IIR滤波器，所述第二自适应滤波器为FIR滤波器或者IIR滤波器。
优选地，所述第一自适应滤波器采用RLS算法或LMS算法，所述第二自适应滤波器采用RLS算法或LMS算法。
根据本发明的第二方面，提供了一种有源降噪的系统，包括：扬声器、噪音传感器、观测点传感器、第一自适应滤波器、第二自适应滤波器、以及误差计算单元；所述扬声器，用于接收音频信号和从第二自适应滤波器接收噪音消除信号，播放所述音频信号和噪音消除信号；所述噪音传感器，用于拾取噪声源信号；所述观测点传感器，用于拾取观测点位置的声音信号；所述第一自适应滤波器，用于接收音频信号并且对音频信号进行第一自适应滤波处理以得到自适应滤波音频信号，还用于从噪音传感器接收噪音源信号并且对噪音源信号进行第一自适应滤波处理以得到自适应滤波噪音源信号；所述第二自适应滤波器，用于从噪音传感器接收噪音源信号进行第二自适应滤波处理以得到噪音消除信号；所述误差计算单元，用于从观测点传感器接收观测点位置的声音信号和从第一自适应滤波器接收自适应滤波音频信号，并且计算两者的差值得到误差信号；其中，所述第一自适应滤波器的系数更新部基于音频信号和误差信号更新第一自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛，所述第二自适应滤波器的系数更新部基于自适应滤波噪音源信号和误差信号更新第二自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛。
优选地，所述第一自适应滤波器的滤波系数更新公式为：其中，为n+1时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，μ'为第一自适应滤波器的更新步长，为n时刻的音频信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。
优选地，所述第二自适应滤波器的滤波系数更新公式为：其中，为n+1时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，μ为第二自适应滤波器的更新步长，为n时刻的自适应滤波噪音源信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。
优选地，所述第一自适应滤波器为FIR滤波器或者IIR滤波器，所述第二自适应滤波器为FIR滤波器或者IIR滤波器。
优选地，所述第一自适应滤波器采用RLS算法或LMS算法，所述第二自适应滤波器采用RLS算法或LMS算法。
本发明的发明人发现，在现有技术中，还没有自适应降噪扬声器至观测点的物理响应的有源降噪的技术方案。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
本发明的有源降噪技术方案，在生成噪音消除信号时考虑到播放噪音消除信号的扬声器至观测点的物理响应，即使扬声器至观测点的物理响应发生变化，也能够利用第一自适应滤波器捕捉这一变化，从而调整第二滤波器的滤波系数以生成精确的噪音消除信号，在观测点位置充分抵消掉噪音实现更好的降噪效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明的有源降噪系统的电路框图。
附图标记说明
100扬声器、200噪音传感器、300观测点传感器、W’第一自适应滤波器、W第二自适应滤波器、400误差计算单元、500第一增益调节单元、600第二增益调节单元。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下方的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明的有源降噪方法包括以下步骤：接收音频信号；分别拾取噪声源信号和观测点位置的声音信号；由第一自适应滤波器分别对音频信号和噪音源信号进行第一自适应滤波处理以得到自适应滤波音频信号和自适应滤波噪音源信号；由第二自适应滤波器对噪音源信号进行第二自适应滤波处理以得到噪音消除信号；播放音频信号和噪音消除信号；计算观测点位置的声音信号和自适应滤波音频信号的差值得到误差信号；其中，基于音频信号和误差信号更新第一自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛，基于自适应滤波噪音源信号和误差信号更新第二自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛。
参考图1说明本发明的有源降噪系统和有源降噪方法的工作原理，假设应用场景内(例如汽车车厢内)存在噪声源信号N(例如发动机噪声信号)，降噪系统包括：扬声器100、噪音传感器(例如麦克风)200、观测点传感器(例如麦克风)300、两个第一自适应滤波器W’、第二自适应滤波器W、误差计算单元400、第一增益调节单元500、第二增益调节单元600。噪声源至观测点的物理响应为P，扬声器100至观测点的物理响应为P’。
扬声器100接收要播放的音频信号M(例如要播放的音乐信号)，以及从第二自适应滤波器W接收噪音消除信号NW，扬声器100播放音频信号M和噪音消除信号NW。
扬声器100至观测点的物理响应为P’，扬声器100播放的音频信号M在经过物理响应P’后的信号为MP’，扬声器100播放的噪音消除信号NW在经过物理响应P’后的信号为NWP’
噪音传感器200用于拾取噪声源信号N，噪声源至观测点的物理响应为P，噪音源信号N在经过物理响应P后的信号为NP。
观测点传感器300用于拾取观测点位置的声音信号，从图中可以看出，观测点位置拾取的声音信号应当包括MP’、NWP’、和NP。在观测点位置，噪音源信号N在经过物理响应P后的信号NP和噪音消除信号NW在经过物理响应P’后的信号NWP’互相抵消，但由于误差的存在，两者无法完全抵消。
上方的第一自适应滤波器W’接收要播放的音频信号M并且对音频信号M进行第一自适应滤波处理以得到自适应滤波音频信号MW’。
下方的第一自适应滤波器W’用于从噪音传感器200接收噪音源信号N并且对噪音源信号N进行第一自适应滤波处理以得到自适应滤波噪音源信号NW’。
第二自适应滤波器W用于从噪音传感器200接收噪音源信号N并且进行第二自适应滤波处理以得到噪音消除信号NW。
误差计算单元400，用于从观测点传感器300接收观测点位置的声音信号(包括MP’、NWP’、和NP)以及从第一自适应滤波器W’接收自适应滤波音频信号MW’，并且计算两者的差值得到误差信号e。可知误差信号e应当包括：扬声器100播放的音频信号M在经过物理响应P’后的信号MP’和音频信号M经过第一自适应滤波处理后的自适应滤波音频信号MW’的差值，以及噪音源信号N在经过物理响应P后的信号NP和噪音消除信号NW在经过物理响应P’后的信号NWP’未被抵消的部分。
本实施例中，第一自适应滤波器W’和第二自适应滤波器均采用LMS算法更新滤波系数。
上方的第一自适应滤波器W’的系数更新部接收音频信号M和误差计算单元400计算出的误差信号e，基于音频信号M和误差信号e更新第一自适应滤波器W’的滤波系数以使误差信号e的均方值收敛，使得扬声器100播放的音频信号M在经过物理响应P’后的信号MP’和音频信号M经过第一自适应滤波处理得到的自适应滤波音频信号MW’趋于接近，即第一自适应滤波器W’自适应扬声器100至观测点的物理响应P’。
上方的第一自适应滤波器W’每更新一次滤波系数，都会将更新后的滤波系数发送到下方的第一自适应滤波器W’的系数更新部，然后下方的第一自适应滤波器W’的系数更新部会替换自身的滤波系数，使得下方的第一自适应滤波器W’的滤波系数与上方的第一自适应滤波器W’的滤波系数保持一致。
第二自适应滤波器W的系数更新部从下方的第一自适应滤波器W’接收自适应滤波噪音源信号NW’以及从误差计算单元400接收误差信号e，基于自适应滤波音频信号MW’和误差信号e更新第二自适应滤波器W的滤波系数以使误差信号e的均方值收敛，使得噪音源信号N在经过物理响应P后的信号NP和噪音消除信号NW在经过物理响应P’后的信号NWP’尽可能互相抵消,使得第二自适应滤波器W自适应P/W’，相当于第二自适应滤波器W自适应P/P’。
误差信号e包括MP’和MW’的差值部分，以及NP和NWP’未被抵消的部分，虽然无法从误差信号e中分离出这两部分，但为了能够达到更好的自适应结果，仍然需要尽量排除两部分的互相影响，为此采用以下优选技术方案：
进一步优选地，可以在第一滤波器W’的系数更新部和误差信号计算单元400之间插入第一增益调节单元500，利用第一增益调节单元500根据POWmusic/(POWnoise+POWmusic)调节误差信号e(n)，输出e(n)(POWmusic/(POWnoise+POWmusic))至第一自适应滤波器的系数更新部，从而尽量排除NP和NWP’未被抵消的部分的影响，以令第一自适应滤波器W’更准确地自适应扬声器100至观测点的物理响应P’。第一自适应滤波器的滤波系数更新公式为：其中为n+1时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，μ'为第一自适应滤波器的更新步长，为n时刻的音频信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。其中，均为向量，并且向量长度为第一自适应滤波器W’的阶数。POWnoise可以通过计算噪声源信号在一定时间窗内的均方根值获得，POWmusic可以通过计算音频信号在一定时间窗内的均方根值获得。
进一步优选的，可以在第二滤波器W的系数更新部和误差信号计算单元400之间插入第二增益调节单元600，利用第二增益调节单元600根据POWnoise/(POWnoise+POWmusic)调节误差信号e(n)，输出e(n)(POWnoise/(POWnoise+POWmusic))至第二自适应滤波器的系数更新部，从而尽量排除MP’和MW’的差值部分的影响，以令第二自适应滤波器W更准确地自适应P/P’。第二自适应滤波器的滤波系数更新公式为：其中，为n+1时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，μ为第二自适应滤波器的更新步长，为n时刻的自适应滤波噪音源信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。其中，均为向量，并且向量长度为第二自适应滤波器W的阶数。POWnoise可以通过计算噪声源信号在一定时间窗内的均方根值获得，POWmusic可以通过计算音频信号在一定时间窗内的均方根值获得。
可以根据实际应用情况设置第一自适应滤波器W’和第二自适应滤波器W的更新步长；第二自适应滤波器W的更新步长μ与第一自适应滤波器W’的更新步长μ'可以不一致，阶数也可以不同；优选第二自适应滤波器W的更新步长μ与第一自适应滤波器W’的更新步长μ'一致，阶数相同。
上述实施例中第一自适应滤波器W’和第二自适应滤波器W可以采用FIR滤波器，在其它实施例中第一自适应滤波器W’和第二自适应滤波器W还可以采用IIR滤波器。上述实施例中第一自适应滤波器W’和第二自适应滤波器采用LMS算法，具有算法简单、运算量小、易于实现的优点，在其它实施例中第一自适应滤波器W’和第二自适应滤波器W还可以采用RLS算法。
本发明的有源降噪技术方案，在生成噪音消除信号NW时考虑到播放噪音消除信号NW的扬声器100至观测点的物理响应P’，即使扬声器100至观测点的物理响应P’发生变化，也能够利用第一自适应滤波器W’捕捉这一变化，从而调整第二滤波器W的滤波系数以生成精确的噪音消除信号NW，在观测点位置充分抵消掉噪音实现更好的降噪效果。本发明优选适用于车内或者室内环境。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种有源降噪的方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收音频信号；
分别拾取噪声源信号和观测点位置的声音信号；
由第一自适应滤波器分别对音频信号和噪音源信号进行第一自适应滤波处理以得到自适应滤波音频信号和自适应滤波噪音源信号；
由第二自适应滤波器对噪音源信号进行第二自适应滤波处理以得到噪音消除信号；
播放音频信号和噪音消除信号；
计算观测点位置的声音信号和自适应滤波音频信号的差值得到误差信号；
其中，基于音频信号和误差信号更新第一自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛，基于自适应滤波噪音源信号和误差信号更新第二自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一自适应滤波器的滤波系数更新公式为：
其中，为n+1时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，μ'为第一自适应滤波器的更新步长，为n时刻的音频信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二自适应滤波器的滤波系数更新公式为：
其中，为n+1时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，μ为第二自适应滤波器的更新步长，为n时刻的自适应滤波噪音源信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一自适应滤波器为FIR滤波器或者IIR滤波器，所述第二自适应滤波器为FIR滤波器或者IIR滤波器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一自适应滤波器采用RLS算法或LMS算法，所述第二自适应滤波器采用RLS算法或LMS算法。
6.一种有源降噪的系统，其特征在于，包括：扬声器、噪音传感器、观测点传感器、第一自适应滤波器、第二自适应滤波器、以及误差计算单元；
所述扬声器，用于接收音频信号和从第二自适应滤波器接收噪音消除信号，播放所述音频信号和噪音消除信号；
所述噪音传感器，用于拾取噪声源信号；
所述观测点传感器，用于拾取观测点位置的声音信号；
所述第一自适应滤波器，用于接收音频信号并且对音频信号进行第一自适应滤波处理以得到自适应滤波音频信号，还用于从噪音传感器接收噪音源信号并且对噪音源信号进行第一自适应滤波处理以得到自适应滤波噪音源信号；
所述第二自适应滤波器，用于从噪音传感器接收噪音源信号进行第二自适应滤波处理以得到噪音消除信号；
所述误差计算单元，用于从观测点传感器接收观测点位置的声音信号和从第一自适应滤波器接收自适应滤波音频信号，并且计算两者的差值得到误差信号；
其中，所述第一自适应滤波器的系数更新部基于音频信号和误差信号更新第一自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛，所述第二自适应滤波器的系数更新部基于自适应滤波噪音源信号和误差信号更新第二自适应滤波器的滤波系数以使误差信号的均方值收敛。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一自适应滤波器的滤波系数更新公式为：
其中，为n+1时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第一自适应滤波器的滤波系数，μ'为第一自适应滤波器的更新步长，为n时刻的音频信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二自适应滤波器的滤波系数更新公式为：
其中，为n+1时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，为n时刻的第二自适应滤波器的滤波系数，μ为第二自适应滤波器的更新步长，为n时刻的自适应滤波噪音源信号，e(n)为n时刻的误差信号，POWnoise为n时刻的噪声源信号的功率，POWmusic为n时刻的音频信号的功率。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一自适应滤波器为FIR滤波器或者IIR滤波器，所述第二自适应滤波器为FIR滤波器或者IIR滤波器。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一自适应滤波器采用RLS算法或LMS算法，所述第二自适应滤波器采用RLS算法或LMS算法。
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