CN107230482A - 一种多点反馈的主动降噪系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多点反馈的主动降噪系统及方法，降噪系统包括：微控制单元(MCU)、检测单元、执行单元以及数字信号处理(DSP)单元。微控制单元包括模/数转换单元和微处理器；检测单元为若干噪声信号检测装置；执行单元为若干消噪信号发生装置；数字信号处理单元包括模/数转换单元、数字信号处理器以及数/模转换单元。检测单元检测到的噪声信号分别作为控制单元和数字信号处理单元的输入信号；微控制处理单元基于输入信号进行处理，并将输出信号传输至数字信号处理单元；数字信号处理单元以噪声检测信号和微处理单元输出信号作为输入信号进行计算，将计算结果输出；数字处理单元输出信号作为执行单元输入信号，执行单元根据输入信号产生消噪信号。
Description
技术领域
本发明涉及降噪的技术领域，具体涉及一种多点反馈的主动降噪系统及方法。
背景技术
在工作和生活环境中，噪声污染随处可见，这些噪声对人们的身心健康造成了不良影响。为解决噪声问题，分别有被动降噪和主动降噪两种方案。被动降噪利用吸声材料或腔体对噪声进行隔离和吸收，进而降低噪声；而主动降噪是一种有源降噪方法，基于检测到的噪声信号，利用声源发出与噪声信号幅值相同、相位相反的信号对噪声信号进行抵消，进而消除噪声。与被动降噪相比，主动降噪在中、低频段具有更出色的降噪水平，对某些特定的场景具有显著的降噪效果。近年来，随着人们生活水平的提高和数字信号处理技术的飞跃，对主动降噪技术的迫切需求促使该技术发展迅速。
现有的主动降噪技术能够在噪声环境下针对开放空间中的某一位置进行噪声消除。该技术通过在噪声消除点测量噪声信号，基于该噪声信号利用滤波电路产生消噪信号，达到消除消声的目的。这种主动降噪方法是一种基于单输入单输出系统的设计方法。而针对开放空间进行多点降噪，需要根据多个噪声信号设计多个滤波器，并且考虑各消噪信号对彼此的影响，单输入单输出系统的设计方法并不适用于上述情况，因此无法解决开放空间的多点降噪问题。
发明内容
为解决开放空间的多点降噪问题，本发明提出一种基于多输入多输出控制系统设计方法的滤波器，具体涉及一种多点反馈主动降噪系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供一种多点反馈的主动降噪系统，所述多点反馈的主动降噪系统包括：微控制单元(MCU)、检测单元、执行单元以及数字信号处理(DSP)单元。所述微控制单元包括模/数转换单元和微处理器；所述检测单元为若干噪声信号检测装置；所述执行单元为若干消噪信号发生装置；所述数字信号处理单元包括模/数转换单元、数字信号处理器以及数/模转换单元；
所述检测单元检测到的噪声信号分别作为控制单元和数字信号处理单元的输入信号；所述微控制处理单元基于输入信号进行处理，并将输出信号传输至数字信号处理单元；所述数字信号处理单元以噪声检测信号和微处理单元输出信号作为输入信号进行计算，将计算结果输出；数字处理单元输出信号作为执行单元输入信号，执行单元根据输入信号产生消噪信号。
进一步地，检测单元可在不同位置分别放置检测装置测量该处的噪声。
进一步地，检测装置检测到的信号可为噪声的振动信号或声信号。
进一步地，执行单元可在不同位置分别放置消噪信号发生装置。
进一步地，消噪信号发生装置为扬声器。
进一步地，微控制单元可在线设计或修改滤波器参数。
进一步地，假设检测到的噪声信号有m个，n个消噪信号，则需要设计的滤波器为m×n个，为一个滤波器阵列H，
本发明还提供一种多点反馈的主动降噪方法，所述方法包含以下步骤：
步骤(1)检测装置将检测到噪声的振动信号或声信号分别传输至数字信号处理单元和微控制单元；
步骤(2)噪声信号经过数字信号处理单元的模/数转换单元转换成数字信号后传输至数字信号处理器；
步骤(3)噪声信号经过微控制单元的模/数转换单元转换成数字信号后传输至微处理器，微控制器根据噪声信号分析噪声的频谱分布情况，并据此设计降噪电路的滤波器参数，将得到的滤波器参数输出至数字信号处理器；若噪声频谱发生变化，微控制理器还可对滤波器参数进行修改。
步骤(4)数字信号处理器根据噪声的数字信号和滤波器参数进行计算，并将计算结果传输至数/模转换单元，转换成模拟消噪信号输出；
步骤(5)模拟消噪信号传输至执行单元，执行单元播放该消噪信号，对噪声进行抵消。
与现有技术相比，本发明的优势在于：采用多输入多输出主动降噪系统设计方法一方面解决了单输入单输出主动降噪系统无法解决的开放式空间多点降噪的问题，另一方面能够用于解决单输入单输出主动降噪系统的设计问题，由于采用多个检测装置对噪声进行更精准的测量，提升降噪效果。
附图说明
图1多点反馈主动降噪系统结构图；
图2多点反馈主动降噪方法原理图。
具体实施方式
为进一步理解本发明的技术方案与特点，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在本发明实施过程中，提供一种多点反馈的主动降噪系统。参阅附图1，该系统包括微控制单元(MCU)、检测单元、执行单元以及数字信号处理(DSP)单元。微控制单元包括模/数转换单元和微控制器；检测单元为若干噪声信号检测装置，确定将麦克风作为噪声信号检测装置；所述执行单元为若干消噪信号发生装置，确定扬声器作为消噪信号发生装置；数字信号处理单元包括模/数转换单元、数字信号处理器以及数/模转换单元。
检测单元的信号出口分别连接至数字信号处理单元的模/数转换装置的入口、微控制单元的模/数转换装置的入口；微控制单元的模/数转换装置的出口连接至微控制器的入口，微控制器出口连接至数字信号处理器的入口，同时，数字信号处理单元的模/数转换装置的出口也连接至数字信号处理器的入口；数字信号处理器的出口连接至数/模转换装置的入口，数/模转换装置的入出口连接至执行单元的入口，执行单元播放消噪信号。
本实施例，在开放空间中放置多个麦克风检测噪声的声信号。针对开放空间的多点降噪需求，在相应位置放置多个扬声器。微控制器用于在线计算降噪滤波器的参数，数字信号处理器根据噪声信号和滤波器参数计算得出消噪信号。
假设需要根据m个噪声信号U＝[u1 u2 … um]T，其中，um表示第m个噪声信号，通过设计滤波器H，得到n个消噪信号Y＝[y1 y2 … yn]T，其中，yn表示第n个消噪信号。利用消噪信号消除开放空间中多点噪声。滤波器H为一个滤波器矩阵，可用式(1)表示，并满足条件，式(2)。其中hnm表示基于第m个噪声信号对第n个消噪信号设计的滤波器。
本发明还提出一种多点反馈的主动降噪方法，本实施例执行以下步骤：
步骤(1)检测装置将检测到噪声的声信号分别传输至数字信号处理单元和微控制单元；
步骤(2)噪声信号经过数字信号处理单元的模/数转换单元转换成数字信号后传输至数字信号处理器；
步骤(3)噪声信号经过微控制单元的模/数转换单元转换成数字信号后传输至微控制器，微控制器根据噪声信号分析噪声的频谱分布情况，据此设计降噪电路的滤波器参数，将得到的滤波器参数输出至数字信号处理器；若噪声频谱发生变化，微控制理器还可对滤波器参数进行修改；
步骤(4)数字信号处理器根据噪声的数字信号和滤波器参数进行计算，并将计算结果传输至数/模转换单元，转换成模拟消噪信号输出；
步骤(5)模拟消噪信号传输至执行单元，执行单元播放该消噪信号，对噪声进行抵消。
步骤(3)中，微控制器设计滤波器，原理参阅图2。图2所示的系统为反馈系统。H表示滤波器矩阵，G表示扬声器传声特性矩阵，降噪效果最佳，即消噪信号与环境噪声信号差值e最小。上述滤波器设计问题可归纳为如下优化问题：求取使式(3)最小的滤波器矩阵H，式(3)中I表示单位阵。微控制器还需在计算过程中保证系统稳定，即降噪系统不发生啸叫情况。
以上对本发明实施例所提供的一种多点反馈的主动降噪系统及方法进行了详细介绍，实施例的说明只是为帮助理解本发明的核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种多点反馈的主动降噪系统，其特征在于：所述多点反馈的主动降噪系统包括：微控制单元(MCU)、检测单元、执行单元以及数字信号处理(DSP)单元，所述微控制单元包括模/数转换单元和微处理器；所述检测单元为若干噪声信号检测装置；所述执行单元为若干消噪信号发生装置；所述数字信号处理单元包括模/数转换单元、数字信号处理器以及数/模转换单元；
所述检测单元检测到的噪声信号分别作为控制单元和数字信号处理单元的输入信号；所述微控制处理单元基于输入信号进行处理，并将输出信号传输至数字信号处理单元；所述数字信号处理单元以噪声检测信号和微处理单元输出信号作为输入信号进行计算，将计算结果输出；数字处理单元输出信号作为执行单元输入信号，执行单元根据输入信号产生消噪信号。
2.根据权利要求1所述的多点反馈的主动降噪系统，其特征在于：检测单元可在不同位置分别放置检测装置测量该处的噪声。
3.根据权利要求2所述的多点反馈的主动降噪系统，其特征在于：检测装置检测到的信号可为噪声的振动信号或声信号。
4.根据权利要求1所述的多点反馈的主动降噪系统，其特征在于：执行单元可在不同位置分别放置消噪信号发生装置。
5.根据权利要求4所述的多点反馈的主动降噪系统，其特征在于：消噪信号发生装置为扬声器。
6.根据权利要求1所述的多点反馈的主动降噪系统，其特征在于：微控制单元可在线设计或修改滤波器参数。
7.根据权利要求1所述的多点反馈的主动降噪系统，其特征在于：假设检测到的噪声信号有m个，n个消噪信号，则需要设计的滤波器为m×n个，为一个滤波器阵列H，
8.一种多点反馈的主动降噪方法，该方法利用权利要求1所述的多点反馈的主动降噪系统，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)检测装置将检测到噪声的振动信号或声信号分别传输至数字信号处理单元和微控制单元；
步骤(2)噪声信号经过数字信号处理单元的模/数转换单元转换成数字信号后传输至数字信号处理器；
步骤(3)噪声信号经过微控制单元的模/数转换单元转换成数字信号后传输至微处理器，微控制器器根据噪声信号分析噪声的频谱分布情况，并据此设计降噪电路的滤波器参数，将得到的滤波器参数输出至数字信号处理器；若噪声频谱发生变化，微控制器还可对滤波器参数进行修改；
步骤(4)数字信号处理器根据噪声的数字信号和滤波器参数进行计算，并将计算结果传输至数/模转换单元，转换成模拟消噪信号输出；
步骤(5)模拟消噪信号传输至执行单元，执行单元播放该消噪信号，对噪声进行抵消。
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