CN108366320A - 车载前馈主动降噪系统 - Google Patents

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罗来军
芦勇
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Abstract

本发明公开了一种车载前馈主动降噪系统，所述主动降噪系统运行在与车载多媒体数字信号采样率相同的高采样率下，车载多媒体数字信号每个高采样率周期输出一个样本提供混音，主动降噪信号每个高采样率周期输出一个样本提供混音。本发明提供的车载前馈主动降噪系统使用车载扬声器作为主动降噪执行器，能保证了原有车载多媒体信号的音质不受主动降噪的影响,能降低了主动降噪功能的计算负担，为不进行采样率降低时的(1/M)^2倍,能保证了主动降噪输入和输出信号的平滑无噪音。

Description

车载前馈主动降噪系统
技术领域
本发明涉及汽车领域，特别是涉及一种车载前馈主动降噪(ANC)系统。
背景技术
车载前馈ANC系统通过拾取与车内噪声相关的参考信号，并且对于次级通路进行估计和补偿，使用基于FXLMS及其衍生算法的FIR自适应滤波器进行车内噪声消除。其中次级通路的估计和补偿方法多为将次级通路等效为一个FIR次级通路估计滤波器，FIR自适应滤波器也多是FIR次级通路估计滤波器，涉及大量的乘法，是主动降噪系统中主要的计算负荷，对于主动降噪系统这种实时系统，由于受到嵌入式系统的计算速度限制，需要工作在降低的采样频率，比如2000Hz和4000Hz。对于车载主动降噪系统，通常使用车载扬声器作为执行器，车载扬声器需要播放车载多媒体系统的音频信号，比如CD，广播等，为保证音频播放的音质，车载多媒体的数字音频信号采样率通常为48kHz。装配了主动降噪系统的汽车，车载扬声器需要同时输出车载多媒体音频信号和主动降噪信号，需要这两种信号进行混合，使用模拟混音较较容易产生信号失真，采取数字混音则需要进行采样率转换，在高采样率下进行数字混音后再输出模拟信号到扬声器。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种使用车载扬声器作为主动降噪执行器，使主动降噪工作在处理芯片可承载的低采样率循环，并且同时在高采样率循环下进行主动降噪信号与车载多媒体音频信号数字混音的车载前馈主动降噪系统。本发明的车载前馈主动降噪系统既实现主动降噪功能，又不影响车载多媒体音频信号。
为解决上述技术问题，本发明的提供的车载前馈主动降噪系统运行在与车载多媒体数字信号采样率相同的高采样率下，车载多媒体数字信号每个高采样率周期输出一个样本提供混音，主动降噪信号每个高采样率周期输出一个样本提供混音，混音可以使用加法完成。
进一步改进所述车载前馈主动降噪系统，该主动降噪系统包括：混音模块、主动降噪计算模块以及第一～第四滤波器；
多媒体音频信号输入至混音模块，参考信号划分为两路，其中一路参考信号经过第一滤波器处理后输出至主动降噪计算模块，另一路参考信号经过第一滤波器处理后输出至第二滤波器处理再输出至主动降噪计算模块，误差传感器采集扬声器的误差信号经过第一滤波器处理后输出至主动降噪计算模块，主动降噪计算模块的输出经过第三滤波器处理后输出至第四滤波器处理再输出至混音模块，混音模块输出混音后信号至扬声器。
进一步改进所述车载前馈主动降噪系统，主动降噪计算模块使用FXLMS算法。
进一步改进所述车载前馈主动降噪系统，第一滤波器IIR数字抽取滤波器，该IIR数字抽取滤波器计算公式如下：
其中，out(n)为IIR数字抽取滤波器的输出信号，in(i)为IIR数字抽取滤波器的输入信号，b(i)和a(j)分别为IIR数字抽取滤波器对于输入信号和输出信号的权值，Lb和La分别为b(i)和a(j)的长度。
进一步改进所述车载前馈主动降噪系统，第二滤波器是FIR次级通路估计滤波器，该FIR次级通路估计滤波器计算公式如下：
x(i)为被缓存的参考信号，r(n)为被缓存的滤波参考信号，Ls为次级通路估计FIR次级通路估计滤波器的长度，Se(i)为次级通路估计FIR次级通路估计滤波器的权值。
进一步改进所述车载前馈主动降噪系统，第三滤波器是FIR自适应滤波器，该FIR自适应滤波器计算公式如下：
y(n)为FIR自适应滤波器输出信号，L为FIR自适应滤波器的长度，x(i)为被缓存的参考信号，w(i)为FIR自适应滤波器权值。
进一步改进所述车载前馈主动降噪系统，第四滤波器是FIR数字插值滤波器，该FIR数字插值滤波器计算公式如下：
M为高采样率与采样率的商，Li等于FIR数字插值滤波器与M的商再向下取整的结果，istep为当前的高采样周期步数与M取余数的结果，wi为差滤波器的权值。
本发明提供的车载前馈主动降噪系统，使用车载扬声器作为主动降噪执行器，对于运算量较大的ANC算法通过分摊到M个同车载多媒体数字信号采样率相同的高采样率循环中，降低了ANC系统的采样率，降低了ANC算法的计算量和ANC功能对嵌入式系统的计算负荷。通过IIR数字抽取滤波器对误差传感器信号进行抗混叠滤波，保证输入到ANC低采样率循环的误差信号真实有效，和通过FIR数字插值滤波器对每M个高采样率周期才更新一次的ANC输出信号进行滤波和平滑并输出到高采样率循环，与采样率不损失的车载多媒体进行相加混音之后输入到功放和扬声器。即实现了ANC功能，又不影响车载多媒体音频的播放。
本发明提供的车载前馈主动降噪系统至少具有以下技术效果：
1)保证了原有车载多媒体信号的音质不受ANC的影响；
2)降低了ANC功能的计算负担，为不进行采样率降低时的(1/M)^2倍；
3)保证了ANC输入和输出信号的平滑无噪音。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明车载前馈主动降噪系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的提供的车载前馈主动降噪系统，使用车载扬声器作为主动降噪执行器，主动降噪系统运行在与车载多媒体数字信号采样率相同的高采样率下，车载多媒体数字信号每个高采样率周期输出一个样本提供混音，主动降噪信号每个高采样率周期输出一个样本提供混音，混音可以使用加法完成。
如图1所示该主动降噪系统包括：混音模块、主动降噪计算模块以及第一～第四滤波器；
多媒体音频信号输入至混音模块，参考信号划分为两路，其中一路参考信号经过第一滤波器处理后输出至主动降噪计算模块，另一路参考信号经过第一滤波器处理后输出至第二滤波器处理再输出至主动降噪计算模块，误差传感器采集扬声器的误差信号经过第一滤波器处理后输出至主动降噪计算模块，主动降噪计算模块的输出经过第三滤波器处理后输出至第四滤波器处理再输出至混音模块，混音模块输出混音后信号至扬声器。
其中，主动降噪计算模块使用FXLMS算法，该FXLMS算法公式如下：
w(i)＝w(i)-2·μ·e(n)·r(i) (5)
w(i)为FIR自适应滤波器权值，e(n)为FIR自适应滤波器输出信号，μ为FXLMS算法的学习步长，r(i)为被缓存的滤波参考信号；
第一滤波器IIR数字抽取滤波器，该IIR数字抽取滤波器计算公式如下：
其中，out(n)为IIR数字抽取滤波器的输出信号，in(i)为IIR数字抽取滤波器的输入信号，b(i)和a(j)分别为IIR数字抽取滤波器对于输入信号和输出信号的权值，Lb和La分别为b(i)何a(j)的长度。
第二滤波器是FIR次级通路估计滤波器，该FIR次级通路估计滤波器计算公式如下：
x(i)为被缓存的参考信号，r(n)为被缓存的滤波参考信号，Ls为次级通路估计FIR次级通路估计滤波器的长度，Se(i)为次级通路估计FIR次级通路估计滤波器的权值。
第三滤波器是FIR自适应滤波器，该FIR自适应滤波器计算公式如下：
y(n)为FIR自适应滤波器输出信号，L为FIR自适应滤波器的长度，x(i)为被缓存的参考信号，w(i)为FIR自适应滤波器权值。
第四滤波器是FIR数字插值滤波器，该FIR数字插值滤波器计算公式如下：
M为高采样率与采样率的商，Li等于FIR数字插值滤波器与M的商再向下取整的结果，istep为当前的高采样周期步数与M取余数的结果，wi为差滤波器的权值。
本发明主动降噪系统的数字混音始终运行在与车载多媒体音频数字信号相同的高采样率循环，对于主动降噪所需要的低采样循环(为高采样率的1/M倍，M为自然数)，通过IIR数字抽取滤波器和FIR数字插值滤波器，以及将ANC算法在M个高采样循环内分摊，来实现ANC算法的低采样循环实现(包括信号输入到低采样循环的抗混叠和输出到高采样循环的平滑)，并实现车载多媒体数字音频信号在原有的采样率下与ANC数字音频信号混合，即实现了ANC功能，又保护了车载多媒体音频信号的音质。
本发明主动降噪系统按执行功能可以划分为三个部分：高采样率循环混音、分摊在M个高采样率循环内的低采样率ANC以及两者之间的采样数据交互。
对于ANC算法，设定其工作的采样频率为高采样率的1/M倍，M为自然数，ANC使用FXLMS算法，ANC的次级通路使用FIR(有限脉冲响应)数字滤波器来作为估计和补偿，
ANC系统(以1路参考信号，1路输出信号和1路误差信号的系统为例)的FIR自适应滤波器输出和权值更新算法如式(3)和式(5)所示，次级通路估计信号产生方法如式(2)所示。
公式(2)、公式(3)和公式(5)表达的是工作在低采样率下的ANC系统工作方式，由于系统混音的采样频率是和车载多媒体数字音频信号相同的高采样率，对于每一个高采样率周期，ANC都需要输出一个样本提供混音，并且这些样本组成的信号时间序列在高采样率周期下需要具有足够小的失真，使得ANC的音频信号经扬声器输出后不出现与ANC处理无关的高频的噪音，在本方法中通过FIR低通插滤波器实现，如公式(4)。
由于ANC工作在低采样率周期，每M个高采样率周期更新一次输出值yn，因此对于每一个高采样率周期，进行如公式(4)所示的差值滤波，即可向高采样率循环提供ANC信号以供混音。
由于ANC工作在低采样率，因此需要对输入地采样率循环的信号进行抗混叠低通滤波，由于输入ANC低采样率循环的参考信号和误差信号采样率为和车载多媒体相同的高采样率，出于实时性的考虑，使用IIR数字滤波器对其进行低通抗混叠滤波，在本方法中通过IIR数字抽取滤波器实现，如式(1)所示。
对于ANC，每M个高采样率周期更新一次输出值yn，可以将公式(2)、公式(3)和公式(5)表示的ANC算法分摊到M个高采样率周期之内，避免计算负荷集中在某一个高采样率周期而导致在改周期内计算无法足够快完成，而系统无法正常运行或者出现噪声。
对于IIR数字抽取滤波器、FIR数字插值滤波器以及低采样率下的ANC算法已经在上文中列出，对于ANC算法在M个高采样率循环中的分摊，分别计算出FIR自适应滤波器长度与次级通路估计FIR滤波器长度和M之间的商再向下取整，计算出从第1各到第(M-1)个高采样率循环需要涉及的滤波器权值长度，剩下的计算量在第M个高采样率循环完成。该部分过程可以采用如下代码实现，其中step_index的意义为上文中的“第i个高采样率循环”中的i，SRC_Ratio为采样率转换比率，SP_Length、filterlength分别为次级通路估计滤波器长度和FIR自适应滤波器长度。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种车载前馈主动降噪系统，其特征在于：所述主动降噪系统运行在与车载多媒体数字信号采样率相同的高采样率下，车载多媒体数字信号每个高采样率周期输出一个样本提供混音，主动降噪信号每个高采样率周期输出一个样本提供混音。
2.如权利要求1所述的车载前馈主动降噪系统，其特征在于，该主动降噪系统包括：混音模块、主动降噪计算模块以及第一～第四滤波器；
多媒体音频信号输入至混音模块，参考信号划分为两路，其中一路参考信号经过第一滤波器处理后输出至主动降噪计算模块，另一路参考信号经过第一滤波器处理后输出至第二滤波器处理再输出至主动降噪计算模块，误差传感器采集扬声器的误差信号经过第一滤波器处理后输出至主动降噪计算模块，主动降噪计算模块的输出经过第三滤波器处理后输出至第四滤波器处理再输出至混音模块，混音模块输出混音后信号至扬声器。
3.如权利要求2所述的车载前馈主动降噪系统，其特征在于：主动降噪计算模块使用FXLMS算法。
4.如权利要求2所述的车载前馈主动降噪系统，其特征在于：第一滤波器IIR数字抽取滤波器，该IIR数字抽取滤波器计算公式如下：
其中，out(n)为IIR数字抽取滤波器的输出信号，in(i)为IIR数字抽取滤波器的输入信号，b(i)和a(j)分别为IIR数字抽取滤波器对于输入信号和输出信号的权值，Lb和La分别为b(i)何a(j)的长度。
5.如权利要求2所述的车载前馈主动降噪系统，其特征在于：第二滤波器是FIR次级通路估计滤波器，该FIR次级通路估计滤波器计算公式如下：
x(i)为被缓存的参考信号，r(n)为被缓存的滤波参考信号,Ls为次级通路估计FIR次级通路估计滤波器的长度，Se(i)为次级通路估计FIR次级通路估计滤波器的权值。
6.如权利要求2所述的车载前馈主动降噪系统，其特征在于：第三滤波器是FIR自适应滤波器，该FIR自适应滤波器计算公式如下：
y(n)为FIR自适应滤波器输出信号，L为FIR自适应滤波器的长度，x(i)为被缓存的参考信号，w(i)为FIR自适应滤波器权值。
7.如权利要求2所述的车载前馈主动降噪系统，其特征在于：第四滤波器是FIR数字插值滤波器，该FIR数字插值滤波器计算公式如下：
M为高采样率与采样率的商，Li等于FIR数字插值滤波器与M的商再向下取整的结果，istep为当前的高采样周期步数与M取余数的结果，wi为差滤波器的权值。
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