CN108389585A - 一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，首先，麦克风发出的信号经过射随放大整形后，通过微分电路进行处理，然后再通过动态限幅电路内的限幅器进行处理，且动态限幅电路还包括门限动态调整电路，在动态限幅电路处理前，幅值提取电路先将麦克风发出的信号进行处理，然后再将处理后的信号传输给门限动态调整电路，最后经过积分电路处理后传送到扬声器，由于微分电路和积分电路的信号可逆性，因此通过本方法实现的低通滤波器可以近乎无延迟的还原指定频率以下的音频信号，跟踪效果优于常规的模拟低通滤波器和数字低通滤波器，如此可以更为准确的产生抵消声波，在消噪处理频段内实现更好的降噪能力。

Description

一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法
技术领域
本发明涉及一种降噪的实现方式，具体涉及一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法。
背景技术
目前，主动降噪耳机已逐渐在民用市场普及，对于个人听力防护和噪声环境下的用户体验得到了有效提升。从实现原理上，基本的主动降噪系统分为前馈系统和反馈系统两种，后者由于具有更好的噪声跟踪性能，因此成为当前市场上的主导。自适应滤波器是反馈式主动降噪系统最重要的模块单元，其作用是根据麦克风检测到的噪声相位，输出一个同幅度、反相位的抵消声波。然而，由于扬声器输出及空间传播等原因所产生的相位延迟，以及不同频率之间的相位耦合作用，必然会导致在较高频段发生自激，因此，为了限制在高频段的幅频响应，上述的自适应滤波器实际上是充当了低通滤波器的作用。
然而，不论是模拟式的低频滤波器，还是常规的FIR、IIR数字滤波器，在抑制高频信号输出的同时，无一例外都会造成对低频信号的相位延迟，特点是频率越高，相位延迟越大。
这就造成了抵消声波不能及时跟踪噪声信号，使主动降噪耳机在消噪处理频段内随着频率的增加，其噪声消除能力越弱。
发明内容
本发明提供一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，解决了背景技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，首先，麦克风发出的信号经过射随放大整形后，通过微分电路进行处理，然后再通过动态限幅电路内的限幅器进行处理，且动态限幅电路还包括门限动态调整电路，在动态限幅电路处理前，幅值提取电路先将麦克风发出的信号进行处理，然后再将处理后的信号传输给门限动态调整电路，最后经过积分电路处理后传送到扬声器；由于不同频率的信号在微分电路处理后其输出幅度与频率成正比，因此，较低的频率信号将无失真地被还原，而频率较高的信号将由于限幅而被衰减，当输入信号的幅值变化时，通过动态地调整限幅电路的阈值，就可以有效衰减某一频点以上的信号输出幅值；在此过程中，由于指定频点以下的信号可以无失真的输出，因此可以实现极低的相位延迟，从而可以快速跟踪噪声信号，提升反馈式降噪耳机的噪声消除能力。
作为本发明的一种优选技术方案，该种实现方式包括模拟方式和数字方式。
作为本发明的一种优选技术方案，模拟方式包括模拟微分电路和模拟积分电路，微分电路和模拟积分电路采用1阶RC电路，且模拟微分电路和模拟积分电路中均设置有通用运算放大器，幅值提取电路为有效值或峰值保持电路，动态门限限幅器电路采用AD603芯片进行自动增益控制，输出信号与有效值保持电路的输出进行比较，对输出信号进行限幅。
作为本发明的一种优选技术方案，数字方式为：数字电路形式的微分电路先是进行A/D转换，即对模拟信号进行采样和量化，然后计算相邻采样点间的信号增量△X＝(X＇-X)，作为微分输出，动态限幅电路基于单片机(MCU)或者现场可编程电路(FPGA)完成，其过程为:先通过平均值法(X＝1/n∑X)判断当前信号的幅值，并基于信号频率和一个周期的采样点数计算出指定频率信号的步长增量最大值△Xmax，计算公式为:△Xmax＝±Usin(2πFd/N)，其中U为信号的幅值，Fd为信号频率，N为周期采样点数。当△X>△Xmax时，也即当信号频率大于Fd时，进行限幅操作，如此，Fd越高，输出限幅就越明显；数字积分电路的实现过程与之相反，且通过D/A进行转换输出；上述过程可以实现对高于指定频率的信号的衰减，而对于指定频率以下的信号将原样恢复，达到了对频率Fd以下信号进行低时延低通滤波的作用。
本发明所达到的有益效果是：由于微分电路和积分电路的信号可逆性，因此通过本方法实现的低通滤波器可以近乎无延迟的还原指定频率以下的音频信号，跟踪效果优于常规的模拟低通滤波器和数字低通滤波器，如此可以更为准确的产生抵消声波，在消噪处理频段内实现更好的降噪能力。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法的原理框图；
图2是本发明一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法的模拟微分电路的示意图；
图3是本发明一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法的模拟积分电路的示意图；
图4是本发明一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法的微分电路输出信号与动态限幅电路输出信号比较的示意图；
图5是本发明一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法的动态限幅电路输出信号与积分电路输出信号比较的示意图；
图6是本发明一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法的模拟电路形式的低相移低通滤波器原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1-6所示，本发明一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，首先，麦克风发出的信号经过射随放大整形后，通过微分电路进行处理，然后再通过动态限幅电路内的限幅器进行处理，且动态限幅电路还包括门限动态调整电路，在动态限幅电路处理前，幅值提取电路先将麦克风发出的信号进行处理，然后再将处理后的信号传输给门限动态调整电路，最后经过积分电路处理后传送到扬声器；由于不同频率的信号在微分电路处理后其输出幅度与频率成正比，因此，较低的频率信号将无失真地被还原，而频率较高的信号将由于限幅而被衰减，当输入信号的幅值变化时，通过动态地调整限幅电路的阈值，就可以有效衰减某一频点以上的信号输出幅值；在此过程中，由于指定频点以下的信号可以无失真的输出，因此可以实现极低的相位延迟，从而可以快速跟踪噪声信号，提升反馈式降噪耳机的噪声消除能力。
模拟方式包括模拟微分电路和模拟积分电路，微分电路和模拟积分电路采用1阶RC电路，且模拟微分电路和模拟积分电路中均设置有通用运算放大器，幅值提取电路为有效值或峰值保持电路，动态门限限幅器电路采用AD603芯片进行自动增益控制，输出信号与有效值保持电路的输出进行比较，对输出信号进行限幅。
实施例2：本发明一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，包括数字实现方式：
数字电路形式的微分电路先是进行A/D转换，即对模拟信号进行采样和量化，然后计算相邻采样点间的信号增量△X＝(X＇-X)，作为微分输出，动态限幅电路基于单片机(MCU)或者现场可编程电路(FPGA)完成，其过程为:先通过平均值法(X＝1/n∑X)判断当前信号的幅值，并基于信号频率和一个周期的采样点数计算出指定频率信号的步长增量最大值△Xmax，计算公式为:△Xmax＝±Usin(2πFd/N)，其中U为信号的幅值，Fd为信号频率，N为周期采样点数。当△X>△Xmax时，也即当信号频率大于Fd时，进行限幅操作，如此，Fd越高，输出限幅就越明显；数字积分电路的实现过程与之相反，且通过D/A进行转换输出；上述过程可以实现对高于指定频率的信号的衰减，而对于指定频率以下的信号将原样恢复，达到了对频率在Fd以下信号进行低时延低通滤波作用。
该种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，由于微分电路和积分电路的信号可逆性，因此通过本方法实现的低通滤波器可以近乎无延迟的还原指定频率以下的音频信号，跟踪效果优于常规的模拟低通滤波器和数字低通滤波器，如此可以更为准确的产生抵消声波，在消噪处理频段内实现更好的降噪能力。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，其特征在于，首先，麦克风发出的信号经过射随放大整形后，通过微分电路进行处理，然后再通过动态限幅电路内的限幅器进行处理，且动态限幅电路还包括门限动态调整电路，在动态限幅电路处理前，幅值提取电路先将麦克风发出的信号进行处理，然后再将处理后的信号传输给门限动态调整电路，最后经过积分电路处理后传送到扬声器；由于不同频率的信号在微分电路处理后其输出幅度与频率成正比，因此，较低的频率信号将无失真地被还原，而频率较高的信号将由于限幅而被衰减，当输入信号的幅值变化时，通过动态地调整限幅电路的阈值，就可以有效衰减某一频点以上的信号输出幅值；在此过程中，由于指定频点以下的信号可以无失真的输出，因此可以实现极低的相位延迟，从而可以快速跟踪噪声信号，提升反馈式降噪耳机的噪声消除能力。
2.根据权利要求1所述的一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，其特征在于，该种实现方式包括模拟方式和数字方式。
3.根据权利要求2所述的一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，其特征在于，模拟方式包括模拟微分电路和模拟积分电路，微分电路和模拟积分电路采用1阶RC电路，且模拟微分电路和模拟积分电路中均设置有通用运算放大器，幅值提取电路为有效值或峰值保持电路，动态门限限幅器电路采用AD603芯片进行自动增益控制，输出信号与有效值保持电路的输出进行比较，对输出信号进行限幅。
4.根据权利要求2所述的一种用于反馈式主动降噪系统的低通滤波器实现方法，其特征在于，数字方式为：数字电路形式的微分电路先是进行A/D转换，即对模拟信号进行采样和量化，然后计算相邻采样点间的信号增量△X＝(X＇-X)，作为微分输出，动态限幅电路基于单片机(MCU)或者现场可编程电路(FPGA)完成，其过程为:先通过平均值法(X＝1/n∑X)判断当前信号的幅值，并基于信号频率和一个周期的采样点数计算出指定频率信号的步长增量最大值△Xmax，计算公式为:△Xmax＝±Usin(2πFd/N)，其中U为信号的幅值，Fd为信号频率，N为周期采样点数。当△X>△Xmax时，也即当信号频率大于Fd时，进行限幅操作，如此，Fd越高，输出限幅就越明显；数字积分电路的实现过程与之相反，且通过D/A进行转换输出；上述过程可以实现对高于指定频率的信号的衰减，而对于指定频率以下的信号将原样恢复，达到了对频率Fd以下信号进行低时延低通滤波的作用。
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