CN109346054B - 一种主动降噪方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动降噪方法与装置，包括：使用滤波‑X最小均方算法建立次级声道模型，并多次迭代次级声道模型；采集噪声信号，并使用谱线插值修正的FFT算法精确测量噪声信号的基波/谐波分量，获得频率信息；对次级声道模型和频率信息使用I/Q信号合成方法多次迭代处理所述噪声信号，获得消声信号；再通过次级声道模型的预处理后输出至消声扬声器，从而将消声信号与噪声信号相叠加。本发明能够使用主动降噪算法抑制服务器散热风扇的低频谐波噪声。

Description

一种主动降噪方法与装置
技术领域
本发明涉及通信领域，并且更具体地，涉及一种主动降噪方法与装置。
背景技术
噪声污染是一个值得关注的环境问题。现有技术中的被动噪声控制方法能够在较宽范围内对高频噪声进行较好的抑制，但对低频抑制效果不佳，甚至几乎没有明显可分辨的降噪作用。相对地，主动噪声控制具有良好的低频特性，很适合控制产生于旋转设备或具有往复运动装置(如服务器散热风扇)的低频谐波噪声。谐波噪声的能量集中于有限的频率，是典型、常见的窄带噪声。
针对现有技术中缺乏易于实施的低频谐波噪声的主动噪声控制的解决方案的问题，目前尚未有有效的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种主动降噪方法与装置，能够使用主动降噪算法抑制服务器散热风扇的低频谐波噪声。
基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种主动降噪方法，包括以下步骤：
使用滤波-X最小均方算法建立次级声道模型，并多次迭代次级声道模型；
采集噪声信号，并使用谱线插值修正的FFT算法精确测量噪声信号的基波/谐波分量，获得频率信息；
对次级声道模型和频率信息使用I/Q信号合成方法多次迭代处理所述噪声信号，获得消声信号；将消声信号与噪声信号相叠加。
在一些实施方式中，使用滤波-X最小均方算法建立次级声道模型，并多次迭代次级声道模型包括：
使输入信号通过陷波滤波器获得输出信号，并将输入信号和输出信号叠加获得第一误差信号；
对输入信号和第一误差信号使用滤波-X最小均方算法来更新次级声道模型的陷波滤波器的抽头参数；
反复执行前述步骤直到第一误差信号小于第一预定精度阈值。
在一些实施方式中，在使用滤波-X最小均方算法时，使用时分复用的FFT频谱检测和三峰谱线插值算法来计算频率谱。
在一些实施方式中，根据次级声道模型使用I/Q信号合成方法多次迭代处理噪声信号包括：
根据抽头参数补偿噪声信号；
对噪声信号使用I/Q信号合成方法计算噪声信号的反相信号，并将噪声信号和反相信号叠加获得第二误差信号；
根据噪声信号和第二误差信号更新陷波滤波器；
反复执行前述步骤直到第二误差信号小于第二预定精度阈值。
在一些实施方式中，使用I/Q信号合成方法为：将噪声信号分为两路相互正交的同频信号，并通过调整同频信号的系数来合成反相信号。
在一些实施方式中，噪声为服务器散热风扇的工作噪声。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种主动降噪装置，使用了上述方法。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种计算机设备，包括存储器、至少一个处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时执行上述的方法。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时执行上述的方法。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算程序，计算程序包括指令，当指令被计算机执行时，使计算机执行上述方法。
本发明具有以下有益技术效果：本发明实施例提供的主动降噪方法与装置，通过使用滤波-X最小均方算法建立次级声道模型并多次迭代次级声道模型，根据次级声道模型使用I/Q信号合成方法多次迭代处理噪声信号获得消声信号，并应用消声信号的技术方案，能够使用主动降噪算法抑制服务器散热风扇的低频谐波噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的主动降噪方法的流程示意图；
图2为本发明提供的主动降噪装置的结构示意图；
图3为本发明提供的主动降噪方法的陷波滤波器的示意图；
图4为本发明提供的主动降噪方法的次级声道建模示意图；
图5为本发明提供的执行所述主动降噪方法的计算机设备的一个实施例的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
基于上述目的，本发明实施例的第一个方面，提出了一种主动降噪的方法。图1示出的是本发明提供的主动降噪方法的流程示意图。
所述主动降噪方法，包括以下步骤：
步骤S101，使用滤波-X最小均方算法建立次级声道模型，并多次迭代次级声道模型；
步骤S103，采集噪声信号，并使用谱线插值修正的FFT算法精确测量噪声信号的基波/谐波分量，获得频率信息；
步骤S105，对次级声道模型和频率信息使用I/Q信号合成方法多次迭代处理所述噪声信号，获得消声信号；
步骤S107，将消声信号与噪声信号相叠加。
本发明实施例通过根据滤波-X最小均方算法(FxLMS)建立次级声道模型、根据I/Q信号合成数字陷波滤波器、根据快速傅里叶变换(FFT)与三峰谱线插值的精确频点估计来不断修正算法参数来防止频点偏移带来的影响，达到主动降噪的效果。
如图4所示，在一些实施方式中，使用滤波-X最小均方算法建立次级声道模型，并多次迭代次级声道模型包括：
使输入信号通过陷波滤波器获得输出信号，并将输入信号和输出信号叠加获得第一误差信号；
对输入信号和第一误差信号使用滤波-X最小均方算法来更新次级声道模型的陷波滤波器的抽头参数；
反复执行前述步骤直到第一误差信号小于第一预定精度阈值。
在一些实施方式中，在使用滤波-X最小均方算法时，使用时分复用的FFT频谱检测和三峰谱线插值算法来计算频率谱。
如图3所示，在一些实施方式中，根据次级声道模型使用I/Q信号合成方法多次迭代处理噪声信号包括：
根据抽头参数补偿噪声信号；
对噪声信号使用I/Q信号合成方法计算噪声信号的反相信号，并将噪声信号和反相信号叠加获得第二误差信号；
根据噪声信号和第二误差信号更新陷波滤波器；
反复执行前述步骤直到第二误差信号小于第二预定精度阈值。
在一些实施方式中，使用I/Q信号合成方法为：将噪声信号分为两路相互正交的同频信号，并通过调整同频信号的系数来合成反相信号。
在一些实施方式中，噪声为服务器散热风扇的工作噪声。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的主动降噪方法，通过使用滤波-X最小均方算法建立次级声道模型并多次迭代次级声道模型，根据次级声道模型使用I/Q信号合成方法多次迭代处理噪声信号获得消声信号，并应用消声信号的技术方案，能够使用主动降噪算法抑制服务器散热风扇的低频谐波噪声。
当待测噪声信号的频率发生变化导致非同步采样或非整周期截断时，单一的FFT算法会出现栅栏效应和频谱泄露，从而引起频率估计误差。针对传统主动降噪方案因受频偏误差影响而存在的静音区小、噪声对消效果差的缺陷，本发明提出采用谱线插值FFT算法，通过合理选用窗函数并对计算结果进行插值修正。通过理论推导了三谱线插值修正公式，多种余弦组合窗函数的计算仿真表明，相比单一的FFT和双峰谱线插值FFT算法，三峰谱线在尽可能降低计算复杂度的同时，取得了更高的频率测量精确度。
本发明选取Nuttall窗，其时域表达式为：
Figure BDA0001838385570000051
该窗函数的傅里叶变换为：
Figure BDA0001838385570000061
将原始FFT结果中的峰值频点，即最高谱线用ka表示，其左侧谱线为ka-1,右侧谱线为ka+1，经过如下推导：
Figure BDA0001838385570000062
Figure BDA0001838385570000063
δ＝4(α-1)/(α+1)
得到修正后的信号频率为：
f1＝k·Δf＝(ka+δ)·Δf
修正后的信号幅度为：
Figure BDA0001838385570000064
Figure BDA0001838385570000065
修正后的信号相位为：
Figure BDA0001838385570000066
如上所述，通过加窗FFT计算结果，利用最高谱线及其左右两侧谱线的幅值，逐步得出修正后的精确频率、幅值和相位。针对含有多个谐波分量的噪声信号，可通过相同算法计算出各个频率成分的精确频率值。
需要特别指出的是，上述主动降噪方法的各个实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换之于主动降噪方法也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
基于上述目的，本发明实施例的第二个方面，提出了一种主动降噪的装置。如图2所示，本装置以STM32F7为实现主动降噪算法的核心芯片，在装置内部采用模块化的设计，形成音频采集模块、散热风扇转速检测模块、次级声道建模模块、I/Q信号合成模块、FFT频谱检测模块、反相波输出驱动模块。各模块相互协同工作，实现在数据中心内部环境的高效降噪。
音频采集模块使用WM8994芯片作为模数转换与麦克风音频信号的前端处理器。散热风扇转速检测模块通过风扇控制器的转速档位控制信号反馈给STM32平台。次级声道建模模块基于FxLMS算法使用LMS多次迭代来调整模拟次级声道的FIR滤波器抽头参数，进而逼近实际次声道的数学模型。I/Q信号合成模块：通过生成同频的两路信号，即sin(wt)、cos(wt)，通过S(t)＝A*sin(wt)+B*cos(wt)来实时调整A、B两个权值大小，间接控制合成信号S(t)的相位，产生与输入谐波等频反相的对消信号。FFT频谱检测模块通过加长采样时间、借助FFT蝶形结构开发时分复用的多点FFT和三峰谱线插值算法计算出更精确的频点检测值，以取代最多只能进行1024点的基4-FFT运算的DSP协处理器。反相波输出驱动模块基于WM8994芯片作为数模转换与扬声器音频信号的后端驱动器。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的主动降噪装置，通过使用滤波-X最小均方算法建立次级声道模型并多次迭代次级声道模型，根据次级声道模型使用I/Q信号合成方法多次迭代处理噪声信号获得消声信号，并应用消声信号的技术方案，能够使用主动降噪算法抑制服务器散热风扇的低频谐波噪声。
需要特别指出的是，上述主动降噪装置的实施例采用了所述主动降噪方法的实施例来具体说明各模块的工作过程，本领域技术人员能够很容易想到，将这些模块应用到所述主动降噪方法的其他实施例中。当然，由于所述主动降噪方法实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换之于所述主动降噪装置也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
基于上述目的，本发明实施例的第三个方面，提出了一种执行所述主动降噪方法的计算机设备的一个实施例。
所述执行主动降噪方法的计算机设备包括存储器、至少一个处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时执行上述任意一种方法。
如图5所示，为本发明提供的执行所述主动降噪方法的计算机设备的一个实施例的硬件结构示意图。
以如图5所示的计算机设备为例，在该计算机设备中包括一个处理器501以及一个存储器502，并还可以包括：输入装置503和输出装置504。
处理器501、存储器502、输入装置503和输出装置504可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。
存储器502作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的所述主动降噪方法对应的程序指令/模块。处理器501通过运行存储在存储器502中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的主动降噪方法。
存储器502可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据主动降噪装置的使用所创建的数据等。此外，存储器502可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器502可选包括相对于处理器501远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至本地模块。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置503可接收输入的数字或字符信息，以及产生与主动降噪装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置504可包括显示屏等显示设备。
所述一个或者多个主动降噪方法对应的程序指令/模块存储在所述存储器502中，当被所述处理器501执行时，执行上述任意方法实施例中的主动降噪方法。
所述执行主动降噪方法的计算机设备的任何一个实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。
基于上述目的，本发明实施例的第四个方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可执行上述任意方法实施例中的主动降噪方法与实现上述任意装置/系统实施例中的主动降噪装置/系统。所述计算机可读存储介质的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法与装置/系统实施例相同或者相类似的效果。
基于上述目的，本发明实施例的第五个方面，提出了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算程序，该计算机程序包括指令，当该指令被计算机执行时，使该计算机执行上述任意方法实施例中的主动降噪方法与实现上述任意装置/系统实施例中的主动降噪装置/系统。所述计算机程序产品的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法与装置/系统实施例相同或者相类似的效果。
最后需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。所述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。
此外，典型地，本发明实施例公开所述的装置、设备等可为各种电子终端设备，例如手机、个人数字助理(PDA)、平板电脑(PAD)、智能电视等，也可以是大型终端设备，如服务器等，因此本发明实施例公开的保护范围不应限定为某种特定类型的装置、设备。本发明实施例公开所述的客户端可以是以电子硬件、计算机软件或两者的组合形式应用于上述任意一种电子终端设备中。
此外，根据本发明实施例公开的方法还可以被实现为由CPU执行的计算机程序，该计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中。在该计算机程序被CPU执行时，执行本发明实施例公开的方法中限定的上述功能。
此外，上述方法步骤以及系统单元也可以利用控制器以及用于存储使得控制器实现上述步骤或单元功能的计算机程序的计算机可读存储介质实现。
此外，应该明白的是，本文所述的计算机可读存储介质(例如，存储器)可以是易失性存储器或非易失性存储器，或者可以包括易失性存储器和非易失性存储器两者。作为例子而非限制性的，非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦写可编程ROM(EEPROM)或快闪存储器。易失性存储器可以包括随机存取存储器(RAM)，该RAM可以充当外部高速缓存存储器。作为例子而非限制性的，RAM可以以多种形式获得，比如同步RAM(DRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据速率SDRAM(DDR SDRAM)、增强SDRAM(ESDRAM)、同步链路DRAM(SLDRAM)以及直接Rambus RAM(DRRAM)。所公开的方面的存储设备意在包括但不限于这些和其它合适类型的存储器。
本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性组件、方块、模块、电路和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现所述的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本发明实施例公开的范围。
结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块和电路可以利用被设计成用于执行这里所述功能的下列部件来实现或执行：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是可替换地，处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP和/或任何其它这种配置。
结合这里的公开所描述的方法或算法的步骤可以直接包含在硬件中、由处理器执行的软件模块中或这两者的组合中。软件模块可以驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域已知的任何其它形式的存储介质中。示例性的存储介质被耦合到处理器，使得处理器能够从该存储介质中读取信息或向该存储介质写入信息。在一个替换方案中，所述存储介质可以与处理器集成在一起。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。在一个替换方案中，处理器和存储介质可以作为分立组件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性设计中，所述功能可以在硬件、软件、固件或其任意组合中实现。如果在软件中实现，则可以将所述功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质来传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，该通信介质包括有助于将计算机程序从一个位置传送到另一个位置的任何介质。存储介质可以是能够被通用或专用计算机访问的任何可用介质。作为例子而非限制性的，该计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁性存储设备，或者是可以用于携带或存储形式为指令或数据结构的所需程序代码并且能够被通用或专用计算机或者通用或专用处理器访问的任何其它介质。此外，任何连接都可以适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字用户线路(DSL)或诸如红外线、无线电和微波的无线技术来从网站、服务器或其它远程源发送软件，则上述同轴线缆、光纤线缆、双绞线、DSL或诸如红外线、无线电和微波的无线技术均包括在介质的定义。如这里所使用的，磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能盘(DVD)、软盘、蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。上述内容的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”(“a”、“an”、“the”)旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种主动降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用滤波-X最小均方算法建立次级声道模型，并多次迭代所述次级声道模型；
采集噪声信号，并使用谱线插值修正的FFT算法精确测量所述噪声信号的基波/谐波分量，获得频率信息；
对所述次级声道模型和所述频率信息使用I/Q信号合成方法多次迭代处理所述噪声信号，获得消声信号；
将所述消声信号与所述噪声信号相叠加；
其中，使用所述滤波-X最小均方算法建立所述次级声道模型，并多次迭代所述次级声道模型包括：
使输入信号通过陷波滤波器获得输出信号，并将所述输入信号和所述输出信号叠加获得第一误差信号；
对所述输入信号和所述第一误差信号使用所述滤波-X最小均方算法来更新所述次级声道模型的陷波滤波器的抽头参数；
反复执行前述步骤直到所述第一误差信号小于第一预定精度阈值；
在使用所述滤波-X最小均方算法时，使用时分复用的FFT频谱检测和三峰谱线插值算法来计算频率谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述次级声道模型使用I/Q信号合成方法多次迭代处理所述噪声信号包括：
根据所述抽头参数补偿所述噪声信号；
对所述噪声信号使用所述I/Q信号合成方法计算所述噪声信号的反相信号，并将所述噪声信号和所述反相信号叠加获得第二误差信号；
根据所述噪声信号和所述第二误差信号更新所述陷波滤波器；
反复执行前述步骤直到所述第二误差信号小于第二预定精度阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用所述I/Q信号合成方法为：将所述噪声信号分为两路相互正交的同频信号，并通过调整所述同频信号的系数来合成所述反相信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述噪声为服务器散热风扇的工作噪声。
5.一种主动降噪装置，其特征在于，使用如权利要求1-4任意一项所述的方法。
6.一种计算机设备，包括存储器、至少一个处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时执行如权利要求1-4任意一项所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时执行权利要求1-4任意一项所述的方法。
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