CN110599996A - 一种利用上位机实时离线更新的有源噪声控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用上位机实时离线更新的有源噪声控制系统，属于有源噪声控制技术领域。本发明利用上位机实时离线更新的有源噪声控制系统具有更好的自适应性，应对噪声环境变化有更强的再控制能力；通过本发明所提出的系统，可以将有源噪声控制系统中最占用硬件实现资源的控制滤波器更新迭代环节从控制器中分离出来，并将这一部分传递给上位机进行处理，大程度地节省了有源噪声控制系统中的硬件实现压力。从而使得源噪声控制系统利用更廉价的硬件实现平台进行实现，节约实现成本；以及将节省下来的硬件资源用于增加控制滤波器系数长度、使用计算复杂度更高的改进算法等其它需增加系统运算复杂度的部分，获得更好的噪声抑制效果。
Description
技术领域
本发明属于有源噪声控制领域，具体涉及到一种利用上位机离线更新的有源噪声控制系统设计。
背景技术
噪声控制技术可分为两类，即无源噪声控制与有源噪声控制。由于成本、部署方式等局限性的限制，无源噪声控制技术对低频噪声的抑制效率不高。而人耳对于低频噪声又较为敏感，故能有效抑制低频噪声的有源噪声控制技术受到了越来越多的关注。有源噪声控制技术的降噪原理源于声波的干涉现象。在对待处理噪声进行分析后，通过自适应处理技术使电声器件发出一个与噪声幅度相同、相位相反的“反噪声”在指定位置进行抵消，进而消耗噪声的声功率实现降噪。其中有源噪声控制系统可根据有无参考麦克风参与系统工作分为前馈式有源噪声控制系统与反馈式有源噪声控制系统。
有源噪声控制系统中的系统运算量大小与工程实现难易息息相关。一方面，在单通道或多通道有源噪声控制系统追求更优降噪效果的过程中，各类改进算法的使用使得系统运算量增大。另一方面，存在多个参考麦克风(如存在)、次级扬声器、误差麦克风以及自适应控制器的多通道有源噪声控制系统由于通道数增加，加上声场中的耦合性，导致有源噪声控制系统的运算量大幅上升，系统更加复杂。过于复杂的有源噪声控制系统会使硬件平台的计算压力过大，不利于工程实现。因此，如何有效地控制有源噪声控制系统的运算量、降低硬件实现平台的计算压力，是有源噪声控制技术持续发展、推动商业化应用的一项切实需求。
针对这一问题进行解决的各类方案很多，主要是直接对有源噪声控制的算法进行改进，即尝试从算法层面降低有源噪声控制系统的计算复杂度。如A.Gonzalez,A.Albiol,S.J.Elliott.Minimization of the maximum error signal in active control.《IEEETransactions on Speech and Audio Processing》.1998,第6卷(第3期),第268至281页发表公开了一种有源噪声控制Minimax算法、S.C.Douglas.Adaptive filters employingpartial updates.《IEEE Transactions on Speech and Audio Processing》.1997,第5卷(第4期)，第378-381页发表公开了一种有源噪声控制的部分更新迭代算法，均是该类尝试。对于在线更新多通道有源噪声系统，即控制器占用自身的运算资源实时更新自适应滤波器，要求控制器有比较强的运算能力，这将会造成硬件实现成本较大。出于降低硬件实现压力以及成本的考虑，现存的有源噪声控制系统(如：有源噪声控制耳机)常使用离线更新的方式，即通过计算机训练自适应滤波器，当自适应滤波器训练完成后，再保存至控制器进行降噪处理。在实际应用中经常遇到噪声环境变化等情况，由于固定的滤波器不再迭代更新，导致控制器无法做出有效地应对，将使系统的鲁棒性差，离线更新系统的降噪效果将会不如预期的降噪效果理想。目前尚未出现将自适应控制更新迭代过程与硬件实现平台分离系统及实现方法。
发明内容
本发明的发明目的在于：为了解决有源噪声控制系统中由于使用改进算法、增大通道数量等原因所造成系统运算量过大的问题，提出了将自适应控制更新迭代过程与降噪硬件实现平台相分离的技术设计方法，从而提供了一种全新的利用上位机离线更新的有源噪声控制系统。
本发明的利用上位机实时离线更新的有源噪声控制系统，包括上位机、控制器和外部设备；
其中，上位机包括寄存器、更新滤波器系数处理模块、次级通路模型模块；其中次级通路模型模块基于次级通路建模得到；
控制器包括寄存器、滤波器和滤波器系数更新处理单元；
外部设备包括参考麦克风、误差麦克风、次级扬声器、放大器、模数转换器、数模转换器；
其中，参考麦克风通过放大器和模数转换器与控制器相连；误差麦克风通过放大器和模数转换器与控制器相连；控制器通过数模转换器和放大器与次级扬声器相连；
控制器将来自参考麦克风的参考信号存储为参考信号序列，将来自误差麦克风的误差信号存储为误差信号序列；当满足预设的上传条件时，控制器将其存储器中存储的参考信号序列和误差信号序列上传至上位机；
上位机将接收的参考信号序列和误差信号序列存储到其存储器中，上位机的更新滤波器系数处理模块读取当前参考信号序列和误差信号序列，并基于次级通路模型模块中的次级通路模型进行降噪算法中自适应控制滤波器系数的更新迭代处理，将获得的控制滤波器系数增量传递给控制器；
控制器若未接收到上位机传回的控制滤波器系数增量，则直接基于当前自适应控制滤波器系数并与当前参考信号生成控制信号，经模数转换器输出至连接次级扬声器的放大器，驱动次级扬声器发声进行降噪处理；若接收到上位机传回的控制滤波器系数增量，则控制器的滤波器系数更新处理单元将本端已有的自适应控制滤波器系数与收到的控制滤波器系数增量相加作为当前自适应控制滤波器系数，控制器再将当前自适应控制滤波器系数并与当前参考信号生成控制信号，经模数转换器输出至连接次级扬声器的放大器，驱动次级扬声器发声进行降噪处理。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
相比现有的自适应滤波器系数离线更新的有源噪声控制系统，本发明提出的一种全新的利用上位机实时离线更新的有源噪声控制系统具有更好的自适应性，应对噪声环境变化有更强的再控制能力。其次通过本发明所提出的系统，可以将有源噪声控制系统中最占用硬件实现资源的控制滤波器更新迭代环节从控制器中分离出来。并将这一部分传递给上位机进行处理，大程度地节省了有源噪声控制系统中的硬件实现压力。节省下来的硬件资源一方面可以使有源噪声控制系统利用更廉价的硬件实现平台进行实现，这样做可以节约实现成本，以便于更好地推动有源噪声控制系统的商业化应用；另一方面可以将节省下来的硬件资源用于增加控制滤波器系数长度、使用计算复杂度更高的改进算法等其它需增加系统运算复杂度的部分，获得更好的噪声抑制效果。
附图说明
图1是本发明的利用上位机离线更新的有源噪声控制系统结构图；
图2是本发明的系统各部分构成以及实现示意图；
图3是本发明的次级通路建模的各部分构成以及实现示意图；
图4是实施例中，本发明的仿真验证示意图A；
图5是实施例中，本发明的仿真验证示意图B；
图6是实施例中，本发明的仿真验证示意图C。
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。
本发明提出并设计了一种利用上位机实时离线更新的有源噪声控制系统，相比于在线更新系统，该系统能有效降低有源噪声控制系统在控制器上的计算复杂度以及成本，并使有源噪声控制系统能有效的适应噪声环境的变化。其采用的方式是：本发明的有源噪声控制系统将原本最为消耗硬件资源的自适应控制更新迭代过程从硬件实现平台分离出来，并利用上位机对该部分进行控制滤波器系数的离线更新。从而使硬件实现平台只对所需要的信号信息进行储存与搬运等占有硬件资源不多的步骤进行实现。进而使得有源噪声控制的工程实现可以利用更为廉价的硬件设备实现。大幅降低了有源噪声控制系统的实现成本。同时，由于上位机实际参与自适应控制器的更新迭代过程，故可以在不增加硬件设备压力的前提下使用计算复杂度更大的改进算法，进一步提升目标降噪效果。
本发明的利用上位机离线更新的有源噪声控制系统可应用于单通道、多通道、前馈式、反馈式等各类有源噪声控制系统中，其系统结构示意框图如图1所示。
本发明的有源噪声控制系统包含上位机、控制器(硬件控制器)及外部设备，整个系统可整体或部分存在。其中外部设备包括参考麦克风、误差麦克风、次级扬声器等有源噪声控制系统中所需要的电声器件，以及系统所需的各类模数转换器、数模转换器、抗混叠滤波器、功率放大器及外围电路等。
本发明的有源噪声控制系统的上位机包括寄存器、更新滤波器系数处理模块、次级通路模型模块；控制器包括寄存器、滤波器系数更新处理单元；外部设备包括参考麦克风、误差麦克风、次级扬声器、放大器、模数转换器、数模转换器；其中上位机的寄存器、次级通路模型模块分别连接更新滤波器系数处理模块；且上位机的寄存器与控制器的寄存器相连；上位机的更新滤波器系数处理模块与控制器的滤波器系数更新处理单元相连，用于更新控制器的当前自适应滤波系数，控制器通过数模转换器和放大器与次级扬声器相连；用于相次级扬声器输出自适应控制滤波器系数与当前参考信号生成控制信号，输出至功率放大器，驱动外部次级扬声器发声进行降噪处理。同时，参考麦克风通过放大器和模数转换器与控制器的寄存器相连，误差麦克风通过放大器和模数转换器与控制器的寄存器相连。
该上位机实时离线更新的有源噪声控制系统进入工作状态后，外部设备中的参考麦克风拾取其所在位置处的噪声声波。同时误差麦克风拾取其所在位置处的声波，用作监控系统的降噪情况。外部设备与控制器相连接，并将二者每一时刻接收到的声波信号传递给控制器，并暂存于控制器的寄存器中。
控制器不进行降噪算法中自适应控制滤波器系数的更新迭代处理部分，只输出控制信号，通过功率放大器驱动次级扬声器发出“反噪声”声波。其一方面与外部设备相连接，将每一时刻参考麦克风接收到的参考信号存储为参考信号序列。同时将每一时刻误差麦克风接收到的误差信号储存为误差信号序列。另一方面其与上位机相连接，当寄存器中数据量达到一定程度后或通过定时器方式计时结束后，将其传递给上位机进行处理，即数据量满足上传阈值或周期上传至上位机。
上位机利用次级通路建模得到的次级通路模型进行降噪算法中自适应控制滤波器系数的更新迭代处理部分。上位机只与控制器相连接，且将控制滤波器系数增量传递给控制器来获得当前自适应控制滤波器系数具有多种选择，如将最后时刻更新完成的控制滤波器系数传递给控制器、将选取后最理想的控制滤波器系数传递递给控制器、将指定时刻更新完成的控制滤波器系数传递给控制器等。
控制器利用当前自适应控制滤波器系数与当前参考信号生成控制信号，输出至功率放大器，驱动外部次级扬声器发声进行降噪处理。
与该发明进行降噪工作时的工作原理相类似，此种利用上位机离线更新的有源噪声控制系统将次级通路模型的更新过程同样移交给上位机进行处理。在本发明的有源噪声控制系统中，各外围设备(麦克风、扬声器、模数转换器、数模转换器、放大器、外围电路等)的具体数量及类型不做限制，根据具体应用需求、应用场景、所配套控制器类型、上位机类型的不同而选用。同样的，对系统中控制器的数量与类型不做限制。以及对上位机的数量与类型不做限制。
实施例
以下以一个单通道前馈式有源噪声控制系统为例，结合附图2对本发明的具体实施方式做详细说明。单通道反馈式有源噪声控制系统、多通道前馈式有源噪声控制系统、多通道反馈式有源噪声控制系统与本例实现方法大致相同，故不做赘述。
将该单通道的利用上位机实时离线更新的有源噪声控制系统配置在待控制噪声区域内中。首先外部设备中的参考麦克风持续拾取噪声声波，经放大器与模数转换器处理后传递给控制器。同时外部设备中的误差麦克风在指定位置持续拾取残余噪声声波，经放大器和模数转换器处理后传递给控制器。控制器此阶段不做自适应控制滤波器系数的更新迭代过程，仅在每一时刻利用控制器现有的自适应控制滤波器系数与参考信号生成控制信号，传递给数模转换器经放大器后驱动次级扬声器发出“反噪声”声波。该过程持续一段时间，每一时刻控制器都将接收到的参考信号、误差信号储存在其指定的寄存器中，直至达到预期长度的参考信号序列、误差信号序列。
参考信号序列、误差信号序列存储完成后，控制器将二者传递给上位机中的寄存器。同时外部设备中的参考麦克风继续拾取噪声声波，经放大器与模数转换器处理后继续传递给控制器、误差麦克风在指定位置继续拾取残余噪声声波，经放大器与模数转换器处理后继续传递给控制器。控制器继续工作，并且继续存储每一时刻接收到的参考信号与误差信号至指定的寄存器中。
接收到控制器传输过来的数据后，上位机运行降噪算法中的自适应控制滤波器系数的更新迭代程序。首先依照其存储顺序依次读取寄存器中存储的参考信号序列与误差信号序列，再读取系统实时离线更新的次级通路模型，上位机将存储时间内每一时刻的自适应控制滤波器系数的更新迭代过程进行运算。每次更新后得到一组当前时刻的自适应控制滤波器系数值。考虑到上位机处理数据需要时间及系统内各部分存在传输延时等因素，上位机具体的更新时长及次数根据具体情况来确定。待上位机对自适应控制滤波器系数的更新迭代工作完成后，再将自适应控制滤波器的系数增量传回给控制器的更新滤波器系数处理模块。
以下上位机传输更新完成后的控制滤波器系数至控制器的过程根据几例不同的传输方法分别简单描述：
上位机可以直接根据系统处理所需时间间隔来选择将固定时间内最后时刻更新得到的自适应控制滤波器系数传回给控制器。
上位机可以根据降噪需求在每次上位机更新过程内设置阈值，当更新后的自适应控制滤波器系数达到要求后停止更新并传回给控制器。
同样的，上位机还可以以其它不同方式选取更新完成后的自适应控制滤波器系数，并将其传回给控制器。
控制器接收到上位机传回的自适应控制滤波器系数后，其更新滤波器系数处理模块将其与现有的自适应控制滤波器系数相加得到当前自适应控制滤波器系数。控制器再将该自适应控制滤波器系数与参考信号生成控制信号，传递给数模转换器经放大器后驱动次级扬声器发出“反噪声”声波。在收到下一次上位机更新完成的自适应控制滤波器系数前，同样不做自适应控制滤波器系数的更新迭代工作，一直使用当前自适应控制滤波器系数对目标空间进行降噪处理。同时控制器继续将接收到的参考信号与误差信号储存在指定寄存器中，待储存完成后传至上位机进行下一个上位机处理周期。
整个过程不停重复直至待控制噪声空间获得较好的噪声抑制效果。
本发明的次级通路建模部分同样通过上位机离线更新得到。图3给出了本发明工作时的次级通路建模实现示意图，其具体处理过程为：
首先利用控制器激励扬声器发出一个稳定的白噪声。各麦克风拾取到噪声后，将经放大器与模数转换器处理后传递给控制器。控制器此阶段不更新次级通路模型，仅在每一时刻利用控制器现有的次级通路模型与参考信号生成控制信号，传递给数模转换器经放大器后激励次级扬声器发声。该过程持续一段时间，每一时刻控制器都将接收到的参考信号、误差信号储存在指定的寄存器中，直至达到预期长度的参考信号序列、误差信号序列。
待寄存器中参考信号序列、误差信号序列存储完成后，向上传递给上位机。上位机利用存储的数据对次级通路模型进行更新迭代，具体的次级通路模型长度根据降噪需求的不同而确定。与之前详细描述的系统具体实施方式类似，待更新完成的次级通路模型满足要求后，由上位机传回给控制器。控制器再利用得到的更新完成的次级通路模型与每一当前时刻的参考信号生成新的控制信号，激励次级扬声器发声。
整个过程不停往复，直至次级通路模型与实际的物理通路在一定程度上吻合。
以下为使用经典单通道有源噪声控制算法后的仿真结果说明该利用上位机离线更新的有源噪声控制系统的有效性：
首先假设系统中处理数据及传递数据等所需时间为0.5秒，即上位机传递自适应控制滤波器系数给控制器、控制器传递寄存器中数据给上位机的时间间隔均为0.5秒。通过仿真实验可以得到本发明的仿真验证结果图A，如图4所示。
图4中实线代表该利用上位机离线更新的有源噪声控制系统工作前，噪声的声功率随时间的变化情况。虚线代表该利用上位机离线更新的有源噪声控制系统工作后，噪声的声功率随时间的变化情况。其中横坐标为迭代次数，16000次迭代为1秒。纵坐标为声功率，单位为分贝(dB)。
从仿真结果可以清楚发现，当该利用上位机离线更新的有源噪声控制系统工作后，待控制位置的噪声声功率明显下降。验证了该系统在将自适应控制滤波器的更新迭代过程转移到上位机，大幅降低运算复杂度的同时，可以有效对噪声进行抑制。
以下分别以不同的上位机更新迭代控制滤波器系数的处理时长来进一步验证该利用上位机离线更新的有源噪声控制系统的有效性：
假设系统中处理数据及传递数据等所需时间为1秒，即上位机传递自适应控制滤波器系数给控制器、控制器传递寄存器中数据给上位机的时间间隔均为1秒。通过仿真实验可以得到图5本发明的仿真验证示意图B。
更进一步地，假设系统中处理数据及传递数据等所需时间为2秒，即上位机传递自适应控制滤波器系数给控制器、控制器传递寄存器中数据给上位机的时间间隔均为2秒。通过仿真实验可以得到图6本发明的仿真验证示意图C。
综上所述，相比现有的自适应滤波器系数离线更新的有源噪声控制系统，本发明提出的一种全新的利用上位机实时离线更新的有源噪声控制系统具有更好的自适应性，应对噪声环境变化有更强的再控制能力。其次通过本发明所提出的系统，可以将有源噪声控制系统中最占用硬件实现资源的控制滤波器更新迭代环节从控制器中分离出来。并将这一部分传递给上位机进行处理，大程度地节省了有源噪声控制系统中的硬件实现压力。节省下来的硬件资源一方面可以使有源噪声控制系统利用更廉价的硬件实现平台进行实现，这样做可以节约实现成本，以便于更好地推动有源噪声控制系统的商业化应用；另一方面可以将节省下来的硬件资源用于增加控制滤波器系数长度、使用计算复杂度更高的改进算法等其它需增加系统运算复杂度的部分，获得更好的噪声抑制效果。同时该发明系统中的次级通路建模部分同样采用上位机离线更新的方式获得，依托该上位机实时离线更新的有源噪声控制系统，能很方便的获取次级通路模型，而且可以进一步地节省控制器的硬件资源。
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 (4)
1.一种利用上位机实时离线更新的有源噪声控制系统，其特征在于，包括上位机、控制器和外部设备；
其中，上位机包括寄存器、更新滤波器系数处理模块、次级通路模型模块；其中次级通路模型模块基于次级通路建模得到；
控制器包括寄存器、滤波器和滤波器系数更新处理单元；
外部设备包括参考麦克风、误差麦克风、次级扬声器、放大器、模数转换器、数模转换器；
其中，参考麦克风通过放大器和模数转换器与控制器相连；误差麦克风通过放大器和模数转换器与控制器相连；控制器通过数模转换器和放大器与次级扬声器相连；
控制器将来自参考麦克风的参考信号存储为参考信号序列，将来自误差麦克风的误差信号存储为误差信号序列；当满足预设的上传条件时，控制器将其存储器中存储的参考信号序列和误差信号序列上传至上位机；
上位机将接收的参考信号序列和误差信号序列存储到其存储器中，上位机的更新滤波器系数处理模块读取当前参考信号序列和误差信号序列，并基于次级通路模型模块中的次级通路模型进行降噪算法中自适应控制滤波器系数的更新迭代处理，将获得的控制滤波器系数增量传递给控制器；
控制器若未接收到上位机传回的控制滤波器系数增量，则直接基于当前自适应控制滤波器系数并与当前参考信号生成控制信号，经模数转换器输出至连接次级扬声器的放大器，驱动次级扬声器发声进行降噪处理；若接收到上位机传回的控制滤波器系数增量，则控制器的滤波器系数更新处理单元将本端已有的自适应控制滤波器系数与收到的控制滤波器系数增量相加作为当前自适应控制滤波器系数，控制器再将当前自适应控制滤波器系数并与当前参考信号生成控制信号，经模数转换器输出至连接次级扬声器的放大器，驱动次级扬声器发声进行降噪处理。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，预设的上传条件为：存储的数据长度达到阈值或者周期上传的上传时间到达。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，上位机将获得的控制滤波器系数增量传递给控制器的方式包括：
将最后时刻更新完成的控制滤波器系数增量传递给控制器、将选取后最优的控制滤波器系数增量传递递给控制器或将指定时刻更新完成的控制滤波器系数增量传递给控制器。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，次级通路模型模块中的次级通路模型采用上位机离线更新的方式获得。
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