CN110517661A - 一种可控的最大权信号实时选通多通道有源噪声控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可控的最大权信号实时选通多通道有源噪声控制系统，属于有源噪声控制技术领域。为了解决随多通道有源噪声控制系统中麦克风数量的增多导致ADC电路数量的线性增加、以及算法运算量的明显上升的技术问题，本发明提出了一种新的多通道有源噪声控制系统。在该系统中提出并运用了一种实时监测多路声波电压信号大小并保持电压最大一路输出的电路系统，同时其也具有能够人为控制选通任意一路信号的功能。本发明通过将多通道有源噪声控制系统中多个声波信号大小的比较以及选通过程通过硬件电路完成，不占用核心控制器资源，同时控制系统仅对最大误差信号所对应的控制滤波器进行部分更新，有效降低多通道有源噪声控制系统中的运算成本。

Description

一种可控的最大权信号实时选通多通道有源噪声控制系统
技术领域
本发明属于有源噪声控制领域，具体涉及到一种可控的最大权信号实时选通多通道有源噪声控制系统。
背景技术
有源噪声控制是一种电声器件参与降噪工作的噪声控制技术。有源噪声控制系统主要由参考麦克风、次级扬声器、误差麦克风以及自适应控制器等电声器件组成。其工作方式是参考麦克风将噪声转换为电信号(参考信号)，自适应控制器通过采集到的参考信号产生一个参考信号的“反噪声”信号(控制信号)，再通过功率放大器驱动次级扬声器发出控制声波与噪声声波进行对消。同时误差麦克风拾取空间中经过对消的残余噪声，将误差信号再传回给自适应控制器进行更新迭代控制，整个过程不停往复使误差麦克风接收到的能量最小化，从而达到有效控制噪声的目的。
当有源噪声控制系统中参考麦克风、次级扬声器、误差麦克风以及自适应控制器数量不全为一时，被称为多通道有源噪声控制系统。可以简单的假设有源噪声控制系统的计算量为参考麦克风数量×次级扬声器数量×误差麦克风数量，在一定空间(例如一个房间)进行噪声控制时，为保证空间中多个区域被同时控制，此时有必要使用多通道有源噪声控制系统，但是电声器件也随即增加，从而使得运算芯片的计算压力大幅增加。因此如何在保证噪声抑制效果的同时降低多通道有源噪声控制系统的算法复杂度、或者将一部分计算量从软件处理的方式中转移到更廉价的底层电路中，减小运算芯片的计算压力，是一个符合实际需求的探索方向。
然而在之前的研究探索中，各研究成果要么是直接对多通道有源噪声控制算法进行改进以降低算法复杂度，要么是直接采用运算能力更强的运算芯片。如申请号为CN201210100006.7的中国专利申请公开了一种时频域混合自适应有源噪声控制算法；如A.Gonzalez,A.Albiol,S.J.Elliott.Minimization of the maximum error signal inactive control.《IEEE Transactions on Speech and Audio Processing》.1998,第6卷(第3期),第268至281页发表公开了一种多通道有源噪声控制Minimax算法；如申请号为CN201610064529.9的中国专利申请公开了一种数字多通道有源噪声控制系统。以上所述的研究成果均仅从单一方向对现有问题进行了改进尝试，目前尚未存在使用模拟数字混合的方式实现降低系统算法复杂度的有源噪声控制系统。
发明内容
本发明的发明目的在于：为了解决随多通道有源噪声控制系统中麦克风数量的增多导致ADC电路数量的线性增加、以及算法运算量的明显上升的问题，提出了一种新的多通道有源噪声控制系统。在该系统中提出并运用了一种实时监测多路声波电压信号大小并保持电压最大一路输出的电路系统，同时其也具有能够人为控制选通任意一路信号的功能。其优势在于将多通道有源噪声控制系统中多个声波信号大小的比较以及选通过程通过硬件电路完成，不占用核心控制器资源，同时控制系统仅对最大误差信号所对应的控制滤波器进行部分更新，此举能有效降低多通道有源噪声控制系统中的运算成本。
本发明的可控的最大权信号实时选通多通道有源噪声控制系统，包括多个参考麦克风、次级扬声器、误差麦克风，以及最大权信号实时选通单元和多通道自适应控制器；
其中，所述最大权信号实时选通单元配置在各参考麦克风与多通道自适应控制器之间；以及配置在各误差麦克风与多通道自适应控制器之间；
连接多个参考麦克风的最大权信号实时选通单元，用于从接入的各参考麦克风中选通电压最大或最小的参考麦克风或某一指定参考麦克风，并将选通后的参考麦克风的参考信号传递给多通道自适应控制器；
连接多个误差麦克风的最大权信号实时选通单元，用于从接入的各误差麦克风中选通幅度最大或最小的误差麦克风或某一指定误差麦克风，并将选通后的误差麦克风的误差信号传递给多通道自适应控制器；
多通道自适应控制器连接多个次级扬声器，向次级扬声器发送控制信号实现降噪，即通过功率放大器驱动次级扬声器发出控制声波与噪声声波进行对消，从而实现有源降噪。
其中，最大权信号实时选通单元包括电压比较单元，选通控制单元，所述电压比较单元对输入的信号进行一级或多级比较，由最后一级的比较结果输出选通控制信号；所述选通控制单元通过电压比较单元所输出的选通控制信号输出选通输出信号；
其中，前一级的电压比较单元的输入作为后一级电压比较单元的输入，第一级的电压比较单元用于比较来自参考麦克风的参考信号或来自误差麦克风的误差信号，最后一级只包括一个电压比较单元；且每一级的各电压比较单元用于对输入的两路信号进行电压比较，并输出选通控制信号，即所比较的两路信号中的最大或最小者所对应的通路；
同时，为了实现选通指定输入端的信号。所述最大权信号实时选通单元还包括指定信号选通单元，即控制信号选择单元，指定信号选通单元的输入与电压比较单元的输出相连，输出与选通控制单元相连，用于进行最大或最小信号(电压或幅度最大或最小)选通模式与指定信号选通模式的切换，即相当于将信号选通单元的控制信号从电压比较单元的输出改为指定信号输入。
进一步的，本发明的有源噪声控制系统还包括选通电路指示单元，所述选通电路指示单元与最后一级的比较电压单元的输出相连。同时，所述选通电路指示单元还可以对所连接的电压比较单元的输出进行对应的译码处理后再输出，从而实现更好的指示效果。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过在多通道有源噪声控制系统中设计并加入最大权信号实时选通单元，实现了实时判断各路输入信号最大值或最小值、且可以实时选通某一指定输入信号的功能。同时也为多通道有源噪声控制系统初始化时的信道遍历提供了快捷的操作方法。同时，通过此系统设计，可以将多通道有源噪声控制系统中多路信号最值选通从软件处理的方式中转移到更廉价的底层电路中，大大节约了CPU运算资源与ADC硬件资源。相比于传统多路ADC采集后在CPU内处理的方法具有更高的实用性和灵活性。
附图说明
图1是可控的最大权信号实时选通多通道有源噪声控制系统示意框图；
图2是二输入信号比较单元示意图；
图3是八输入信号选通系统输出指示信号示意图；
图4是二输入带指定信号选通功能的单元示意图；
图5是四输入信号的最大权信号实时选通系统实验图；
图6是二输入两路脉冲信号的仿真结果图；
图7是二输入两路正弦信号的仿真结果图；
图8是输入脉冲、正弦和直流信号的仿真结果图；
图9是输入脉冲、不同频率正弦信号的仿真结果图；
图10是输入两路脉冲与两路正弦信号的仿真结果图。
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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
为了解决随多通道有源噪声控制系统中麦克风数量的增多导致ADC电路数量的线性增加、以及算法运算量的明显上升的技术问题，本发明提出了一种新的多通道有源噪声控制系统。在该系统中提出并运用了一种实时监测多路声波电压信号大小并保持电压最大一路输出的电路系统，同时其也具有能够人为控制选通任意一路信号的功能。其优势在于将多通道有源噪声控制系统中多个声波信号大小的比较以及选通过程通过硬件电路完成，不占用核心控制器资源，同时控制系统还可以仅对最大误差信号所对应的控制滤波器进行部分更新，进而能有效降低多通道有源噪声控制系统中的运算成本。
参见图1，本发明的有源噪声控制系统包括多个参考麦克风、次级扬声器、误差麦克风，以及最大权信号实时选通单元(简称实时选通单元)和多通道自适应控制器(简称多通道控制器)；
其中，参考信号以及误差信号的实时选通于模拟域完成，有源噪声控制的部分在数字域完成。
根据多通道有源噪声控制系统的不同降噪需求，本发明将可控的最大权信号实时选通单元用于参考麦克风信号选通或误差麦克风信号选通，或者两者同时使用选通单元。即，在存在多个参考麦克风的多通道有源噪声控制系统中，可以将可控的最大权信号实时选通单元配置在各参考麦克风与多通道自适应控制器之间。其作用是针对复杂噪声环境，多通道自适应控制器仅对每一时刻电压最大的噪声信号或某一指定噪声信号进行降噪处理，而不需要对所有参考信号进行处理。这一选通过程由该实时选通单元完成，将选通后的参考信号传递给多通道自适应控制器进行处理。
同样的，在存在多个误差麦克风的多通道有源噪声控制系统中，可以将可控的最大权信号实时选通单元配置在各误差麦克风与多通道自适应控制器之间。其作用是针对某些特定有源噪声控制算法中只使用幅度最大误差信号或某一指定误差信号参与有源噪声控制的情况，各误差麦克风接收到各误差信号后，通过这个可控的最大权信号实时选通单元，将选通后的误差信号传递给多通道自适应控制器进行噪声控制，而不需要对所有误差信号进行处理。
本具体实施方式中，采用的可控的最大权信号实时选通单元包括电压比较部分、信号选通部分(涉及信号通路的二进制码输出部分以及数控信号选通部分)。该可控的最大权信号实时选通单元可拓展为具有任意数量输入的信号选通电路，以匹配不同多通道有源噪声控制系统中具体的通道数量。其核心单元为二输入选通单元，该单元即可选通最大电压(同理若将电路逻辑控制开关改为负逻辑，即可实现选通最小电压)，亦可根据并行数据输入端的二进制数据进行指定信号的选通。再通过多个二输入选通单元的串并联组合可实现任意数量输入信号的最大选通与指定选通功能。即一个或者多个二输入选通单元构成电压比较部分。
其中指定通道选通采用并行二进制码进行模式选择与通道指定，能够普遍适应当前各种常见控制方式，包括拨码开关机械控制、单片机、DSP芯片、FPGA等数字控制方式等。
所述的二输入选通单元框图如图2所示，其包括电压比较单元和选通控制单元，其中输入信号1、2分别为电压比较单元和选通控制单元的输入，电压比较单元的输出信号(选通控制信号)也输入到选通控制单元，由其输出选通输出信号。即电压比较单元对输入的两路信号进行比较，将两路输入中的最大电压作为选通控制信号并发送给选通控制单元。选通控制单元通过电压比较单元所输出的选通控制信号输出选通输出信号。
进一步的，还可以设置选通电路指示单元来进行更为复杂的信号选通处理。由于电压比较单元的输出已经包含了两路输入信号的大小比较结果，因此可直接利用该输出结果进行选通结果的指示。可以直接将所有电压比较单元的输出结果进行组合输出，亦可以将该输出进行合适的译码，以便更好的指示或处理。当有多个二输入选通单元进行组合时，仅需通过后级输出结果就可决定前级的多个同级比较单元的输出结果中哪一个单元是选通信号所经过的单元，进而正确找到选通信号所经过的每一级二输入选通单元，最终可得到输入信号所在的具体输入端指示。图3为三级八输入信号选通系统输出指示信号示意图。
在完整的降噪过程中，初始时需要依次将所有通道进行选通定位，因此需要系统在具有能够自动输出所需最大或最小信号功能的同时，还能够选通指定输入端的信号。本具体实施方式中，通过指定信号选通单元实现这一功能。首先增加了一个模式控制信号，来进行最大或最小信号选通模式与指定信号选通模式的切换。在前者，单元结构未发生变化，在后者，相当于将信号选通单元的控制信号从电压比较单元的输出改为指定信号输入，其余结构未发生变化。图4为二输入选通单元增加指定信号选通功能后的示意图。
以一个单参考麦克风、四次级扬声器、四误差麦克风、四自适应控制器组成的四通道有源噪声控制系统为例，具体说明本发明的实现过程。其它形式的多通道有源噪声控制系统的具体实施方式与举例系统类似，故不再累述。
首先将可控的最大权信号实时选通单元配置在各误差麦克风与多通道自适应控制器之间，用作选取每一时刻幅度最大的误差信号或每一时刻某一指定误差信号。具体的实时选通单元结构及选通方式如下所述。
在图5所示电路结构中，使用了3路拨码开关、3个电压比较器(U1～U3)、7个带有控制信号的单刀双掷开关(SD1～SD7)、带编码器的七段数码管。其中，电压比较器采用的器件型号为TLV301，其包括8个引脚(图5中所示的电压比较器的引脚1～8)，其中，“NC”表示空脚，“-IN”表示反相输入端，“+IN”表示同向输入端，“V-”表示负电源输入端，“SHDN”表示关断信号控制端，“V+”表示正电源输入端，“OUT”表示输出端。带有控制信号的单刀双掷开关采用的器件型号为ADG819，其也包括8个引脚(图5中所示的单刀双掷开关的引脚1～8)，其中，“D”表示漏极端，用于输入或输出；“S1”表示源端，用于输入或输出；“GND”表示接地端；“VDD”表示电源端；“IN”表示逻辑控制输入端；“S2”表示源端，用于输入或输出；“NC”表示空脚。
先说明第一种工作模式，即保持幅度最大误差信号持续输出模式：
3路拨码开关的第一路开关接三个电压比较器之后的单刀双掷开关的控制信号；第二路开关接前两个比较器后单刀双掷开关的2输入(即S2端)；第三路开关接第三个比较器后单刀双掷开关2输入。
电路输入选择了4路误差信号，分别是e1(n)、e2(n)、e3(n)和e4(n)，代表当前n时刻的各误差信号值。首先将3路拨码开关的的三个开关全部置0。前两路误差信号经过电压比较器U1接带有控制信号的单刀双掷开关SD1的1输入(S1端)，由于三路开关全部置0，三个比较器后的单刀双掷开关全部为1输入导通，并且电压比较U1的输出接到下一单刀双掷开关SD2的控制信号，SD2的1、2输入端(S1端、S2端)分别接e1(n)误差信号和e2(n)误差信号，当e1(n)误差信号幅值大于e2(n)误差信号幅值时，单刀双掷开关SD2切换为2通道输出e2(n)误差信号到下一级。
同理，e3(n)误差信号和e4(n)误差信号经过相同比较电路输出两误差信号在当前时刻信号幅度最大者。
第二级比较电路原理类似，将一级选择后的信号进行比较，输出较大者。同时，将最后的电压比较器(U3)的输出同时接单刀双掷开关SD7的控制信号和数码管最低位，单刀双掷开关SD7的1、2输入端分别接一级比较电路后比较器输出，输出端接数码管次低位。这样就可实现实时显示选中信道的数字信号和输出电压最大值一路的误差信号。
第二种工作模式为选择固定信道误差信号：
实现这一点需要通过控制3路拨码开关实现。在工作模式1情况下，三路开关都为0状态。
当三路开关为100时，开关SD1、SD3、SD5控制信号置1，开关输出由1输入变为2输入，所以电路固定输出为第四路输入误差信号e4(n)，数码管显示0。
当三路开关为101时，开关SD6的2输入为高电平，使开关SD5控制信号置1，选中第二路输入误差信号e2(n)，数码管显示1。
当三路开关为110时，开关SD1、SD3的2输入为高电平，使SD4、SD6选择2输入误差信号输出，最终输出第三路输入误差信号e3(n)，数码管显示2。
当三路开关为111时，选中第一路输入误差信号e1(n)输出，数码管显示3。
不论以哪种工作方式对各误差信号进行选通，将选通后的误差信号(Selectederror signal)es(n)传递给自适应控制器进行噪声控制。自适应控制器系数的更新迭代公式亦从公式1变化为公式2。
Wji(n+1)＝Wji(n)-2μes(n)Rsji(n) (2)
公式中Wji(n)代表第i个参考麦克风与第j个次级扬声器之间的自适应控制器系数序列。μ代表有源噪声控制系统中的衰减因子。Rkji(n)代表滤波参考信号序列，由公式3得到。
其中Xi T(n)为参考信号序列，为第j个次级扬声器与第k个误差麦克风之间的次级通路估计值。次级通路为声波信号在各次级扬声器与各误差麦克风之间的信号传递通路。在这个举例说明的四通道可控的最大权信号实时选通有源噪声控制系统中，i为1，j为4，k为4。
随后，自适应控制器会根据选通后的误差信号激励各次级扬声器发出“反噪声”声波信号(控制信号)对噪声声波信号进行对消，实现降噪过程。
以上所述，以配置4路输入信号的可控的最大权信号实时选通有源噪声控制系统进行降噪处理为例，仅为本发明的基本实施方式。其是基于2路输入信号的比较输出单元并串联而成，同理可以由以2路输入信号比较输出单元为基本8路、16路、32路等等更多路输入信号的选通系统。而模式控制则可由手动开关或者直接与数字芯片IO口相连进行选择，也即上例中拨码开关的第一位的输入信号。在选择固定信道输出的模式下，选择信号为并行二进制数据，也可由手动开关或者数字芯片进行选择，即上例中拨码开关的后两位。当然随输入信号的增多，信号选择的端口随之增多。
为了进一步的描述本发明的处理性能，采用了五组不同的仿真数据(输入的四路误差信号不同)，获取本发明的基于图5所示的电路结构的最大权信号实时选通单元输出结果，其分别如图6-10所示。其中，各组仿真数据具体为：
1、输入误差信号e1(n)：正弦信号，峰峰值4V，偏移2V，相位0，频率100Hz；
输入误差信号e2(n)：0；
输入误差信号e3(n)：正弦信号，峰峰值4V，偏移2V，相位180°，频率100Hz；
输入误差信号e4(n)：0；
输出结果如图6所示。
2、输入误差信号e1(n)：0；
输入误差信号e2(n)：脉冲信号，幅值5V，占空比10％，相位0，频率100Hz；
输入误差信号e3(n)：0；
输入误差信号e4(n)：脉冲信号，幅值4.5V，占空比20％，相位0，频率100Hz；
输出结果如图7所示。
3、输入误差信号e1(n)：正弦信号，峰峰值4V，偏移2V，相位0，频率100Hz；
输入误差信号e2(n)：脉冲信号，幅值5V，占空比10％，相位0，频率100Hz；
输入误差信号e3(n)：2.5V直流信号；
输入误差信号e4(n)：0；
输出结果如图8所示。
4、输入误差信号e1(n)：正弦信号，峰峰值4V，偏移2V，相位0，频率100Hz；
输入误差信号e2(n)：脉冲信号，幅值5V，占空比10％，相位0，频率100Hz；
输入误差信号e3(n)：正弦信号，峰峰值4V，偏移2V，相位180°，频率1000Hz；
输入误差信号e4(n)：0；
输出结果如图9所示。
5、输入误差信号e1(n)：正弦信号，峰峰值4V，偏移2V，相位0，频率100Hz；
输入误差信号e2(n)：脉冲信号，幅值5V，占空比10％，相位0，频率100Hz；
输入误差信号e3(n)：正弦信号，峰峰值4V，偏移2V，相位180°，频率100Hz；
输入误差信号e4(n)：脉冲信号，幅值4.5V，占空比20％，相位0，频率100Hz；
输出结果如图10所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.可控的最大权信号实时选通多通道有源噪声控制系统，包括多个参考麦克风、次级扬声器、误差麦克风，多通道自适应控制器，其特征在于，还包括最大权信号实时选通单元；
其中，所述最大权信号实时选通单元配置在各参考麦克风与多通道自适应控制器之间；以及配置在各误差麦克风与多通道自适应控制器之间；
连接多个参考麦克风的最大权信号实时选通单元，用于从接入的各参考麦克风中选通电压最大或最小的参考麦克风，并将选通后的参考麦克风的参考信号传递给多通道自适应控制器；
连接多个误差麦克风的最大权信号实时选通单元，用于从接入的各误差麦克风中选通幅度最大或最小的误差麦克风，并将选通后的误差麦克风的误差信号传递给多通道自适应控制器；
多通道自适应控制器连接多个次级扬声器，向次级扬声器发送控制信号实现降噪，即通过功率放大器驱动次级扬声器发出控制声波与噪声声波进行对消，从而实现有源降噪。
其中，最大权信号实时选通单元包括电压比较单元，选通控制单元，所述电压比较单元对输入的信号进行一级或多级比较，由最后一级的比较结果输出选通控制信号；所述选通控制单元通过电压比较单元所输出的选通控制信号输出选通输出信号；
其中，前一级的电压比较单元的输入作为后一级电压比较单元的输入，第一级的电压比较单元用于比较来自参考麦克风的参考信号或来自误差麦克风的误差信号，最后一级只包括一个电压比较单元；且每一级的各电压比较单元用于对输入的两路信号进行电压比较，并输出选通控制信号，即所比较的两路信号中的最大或最小者所对应的通路。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述最大权信号实时选通单元还包括指定信号选通单元，用于指定某一指定参考麦克风或误差麦克风与多通道自适应控制器的选通；
所述指定信号选通单元的输入与电压比较单元的输出相连，输出与选通控制单元相连，用于进行最大或最小信号选通模式与指定信号选通模式的切换。
3.如权利1所述的系统，其特征在于，所述有源噪声控制系统还包括选通电路指示单元，所述选通电路指示单元与最后一级的比较电压单元的输出相连。
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