CN111031442A - 一种基于dsp虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统 - Google Patents

一种基于dsp虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统。所述系统主要由控制模块及电声模块组成。其中控制模块包括电源、内设DSP控制器的数字信号处理器、前馈控制器、反馈控制器以及外围电路，电声模块则主要有自适应滤波器、次级声源传声器、扬声器、参考传感器。该系统通过创新性地引入参考传声器来替代误差传感器，在不依赖误差传声器的条件实现了前馈控制FxLMS算法与反馈IMC算法相结合的主动降噪自适应系统，并且通过提取HpTF频谱特征来估计正则化参数的取值，在实现更小的频响损伤的同时进一步加强均衡效果，保持降噪系统更优的稳定性。

Description

一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统
技术领域
本发明属于语音信号处理技术及设备研发领域，具体涉及一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统。
背景技术
市场上常见的降噪耳机主要分为两类,主动降噪耳机与被动降噪耳机。被动降噪耳机主要是通过物理隔绝的方式降低外界噪音的干扰,让其与耳朵隔绝开来,处理高频率降噪效果不错，而主动降噪是通过在耳机内设置降噪系统产生与外界噪声相等的反向波,将噪声进行中和处理,进而实现降噪效果。它是从消除噪声出发,处理低频噪音效果较好。而常见的降噪电路自适应系统中数字滤波器多采用自适应滤波法,它能够通过强大的计算能力同时实现对相位及幅度错误进行纠正。以头戴式主动降噪自适应系统为例,它会通过耳机顶部的噪声收集器将所采集的噪音信号作为参考信号,之后自适应滤波器利用收集信号经过耳机系统模型的转移函数来预测耳机内部可能产生的噪音,最后系统将预测噪音反相后与所需要的音频信号进行相互结合叠加,最终传到至耳机的换能器。在耳罩内的噪音收集器可以获得实际的噪音并通过处理产生一个精准的误差信号,进而使得滤波器经过处理可以获得更加精准的抗造信号。但是这些传统的自适应有源降噪耳机中由于误差传声器会带来算法稳定性差、声频信号频响损伤和耳机结构复杂等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统，以回应背景技术中所提到的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：第一步，启动电源，采集电路采集到声音信号，通过采集电路对信号进行放大。
第二步，滤波再传送至内设DSP控制器的数字信号处理器，通过控制器内的相应算法对输入信号进行加工与处理，用人工头中的参考传声器提前测量出初级通道和次级通道传递函数，再根据参考传声器信号与滤波器输出信号实时估计人耳处噪声信号传送到前馈控制器。
第三步，在自适应滤波器进行迭代更新时，利用估计的误差信号最小化为目标，从而起到降低人耳处噪声的效果对输出的数字信号再加以调整与改变将其转化为模拟信号，经过内部集成数模转换和模数转换，然后发送到外围电路。
第四步，外围电路通过对外部输入信号的调整，将其转化为数字信号，通过逆滤波器和参考传感器，再配上相应的算法处理能够引入一个与原噪声声波相同而相位相反的次级声波，进而让产生的噪音在原有的基础上在特定的区域内进行相互抵消，并且在降低噪音的过程中确保其它语音信号的顺利传输。
第五步，次级声源传声器产生的信号通过滤波器来自动调节正则化参数的大小来控制HpTF相应中频谱谷的均衡程度，随即通过反馈控制器处理后发送扬声器完成降噪出声，从而构成一个完整的主动降噪自适应系统。
进一步地，可以通过电路优化设计，以及外部滤波器等滤波电路设去除因高分贝引发的电噪声，以及通过A/D采样后产生的高频脉冲信号。
进一步地，该系统可配置数字红外接近传感器模块TMD2635，以更好地应用TWS耳机高端系列中。
进一步地，可优化前馈调节和反馈调节降噪方法，同时配备双麦克风，一个放置在噪声环境中，另一个放置在耳罩内部的喇叭附近，以完成双重降噪。
进一步地，可以设置测试系统进一步优化LMS算法的性能指标，取白噪声和正弦波的混合信号作为输入信号x(n)来分析收敛因子以及滤波器长度L对控制系统的收敛失真效果。
本发明的有益效果为：创新性地引入参考传声器信号来估计人耳处噪声信号，在不依赖误差传声器的条件实现了前馈控制FxLMS算法与反馈IMC算法相结合的主动降噪自适应系统，并且通过提取HpTF频谱特征来估计正则化参数的取值，在实现更小的频响损伤的同时进一步加强均衡效果，保持降噪系统更优的稳定性。
附图说明
图1是本发明所述的一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统架构图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统由控制模块及电声模块组成。其中控制模块包括电源、内设DSP控制器的数字信号处理器、前馈控制器、反馈控制器以及外围电路，电声模块则主要有自适应滤波器、次级声源传声器、扬声器、参考传感器，包括以下具体步骤：
第一步，启动电源，采集电路采集到声音信号，通过采集电路对信号进行放大。此处可设置使用传统混合控制自适应ANC算法的对照组，其余运行系统外部环境一致，系统采样频率为16kHz，两个自适应滤波器及初级通道和次级通道传递函数FIR模型均为500阶。实验测试环境为20立方米的有简单的消声装修处理的普通房间，混响时间约为300ms。
第二步，滤波再传送至内设DSP控制器的数字信号处理器，通过控制器内的相应算法对输入信号进行加工与处理，用人工头中的参考传声器提前测量出初级通道和次级通道传递函数，再根据参考传声器信号与滤波器输出信号实时估计人耳处噪声信号传送到前馈控制器。人耳处噪声信号是期望信号与滤波输出信号经次级通道传播后的信号二者的叠加，可使用人工头中的误差传声器提前测量出初级通道和次级通道传递函数，再根据参考传声器信号与滤波器输出信号实时估计人耳处噪声信号。在自适应滤波器进行迭代更新时，利用估计的误差信号最小化为目标，从而起到降低人耳处噪声的效果。在算法中增加了构造虚拟误差信号的步骤。构造虚拟误差信号所依赖的信息为参考信号、滤波输出信号、初级通道传递函数和主通道传递函数。其中，参考信号由参考传声器采集获得，滤波输出信号由算法计算得出，均为已知的可靠信息，初级通道和次级通道传递函数需要提前通过传递函数建模获得。建模时其中x(n)、d(n)、e(n)和y 1(n)分别为参考信号、人耳处外部噪声信号(期望信号)、人耳处残留噪声信号(误差信号)和滤波器输出信号，P(z)、S(z)和W1(z)分别为耳机的初级通道传递函数、次级通道传递函数和自适应FIR滤波器传递函数，P(z)和S(z)分别为建模的初级通道和次级通道传递函数，二者均采用离线自适应系统辨识方法得到，x′(n)和y′1(n)分别为x(n)和y 1(n)经S(z)滤波后的信号，d(n)和y′1(n)分别为x(n)和y 1(n)经P(z)和S(z)滤波后的信号，e′(n)为构造的人耳处残留噪声信号。
第三步，在自适应滤波器进行迭代更新时，利用估计的误差信号最小化为目标，从而起到降低人耳处噪声的效果对输出的数字信号再加以调整与改变将其转化为模拟信号，经过内部集成数模转换和模数转换，然后发送到外围电路。这其中通过参考传声器构造与反馈算法等效的滤波输入信号和误差信号，实际上是通过参考传声器替换了误差传声器。
第四步，外围电路通过对外部输入信号的调整，将其转化为数字信号，通过逆滤波器和参考传感器，再配上相应的算法处理能够引入一个与原噪声声波相同而相位相反的次级声波，进而让产生的噪音在原有的基础上在特定的区域内进行相互抵消，并且在降低噪音的过程中确保其它语音信号的顺利传输。
第五步，次级声源传声器产生的信号通过滤波器来自动调节正则化参数的大小来控制HpTF相应中频谱谷的均衡程度，随即通过反馈控制器处理后发送扬声器完成降噪出声，从而构成一个完整的主动降噪自适应系统。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统，其特征在于，包括控制模块及电声模块。其中控制模块包括电源、内设DSP控制器的数字信号处理器、前馈控制器、反馈控制器以及外围电路，电声模块则主要有自适应滤波器、次级声源传声器、扬声器、参考传感器。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统，其特征在于，具体包括以下步骤：
第一步，启动电源，采集电路采集到声音信号，通过采集电路对信号进行放大。
第二步，滤波再传送至内设DSP控制器的数字信号处理器，通过控制器内的相应算法对输入信号进行加工与处理，用人工头中的参考传声器提前测量出初级通道和次级通道传递函数，再根据参考传声器信号与滤波器输出信号实时估计人耳处噪声信号传送到前馈控制器。
第三步，在自适应滤波器进行迭代更新时，利用估计的误差信号最小化为目标，从而起到降低人耳处噪声的效果对输出的数字信号再加以调整与改变将其转化为模拟信号，经过内部集成数模转换和模数转换，然后发送到外围电路。
第四步，外围电路通过对外部输入信号的调整，将其转化为数字信号，通过逆滤波器和参考传感器，再配上相应的算法处理能够引入一个与原噪声声波相同而相位相反的次级声波，进而让产生的噪音在原有的基础上在特定的区域内进行相互抵消，并且在降低噪音的过程中确保其它语音信号的顺利传输。
第五步，次级声源传声器产生的信号通过滤波器来自动调节正则化参数的大小来控制HpTF相应中频谱谷的均衡程度，随即通过反馈控制器处理后发送扬声器完成降噪出声，从而构成一个完整的主动降噪自适应系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统，其特征在于，信号输入支持MIC和LINEIN两种输入方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统，其特征在于，在算法中增加了构造虚拟误差信号的步骤。构造虚拟误差信号所依赖的信息为参考信号、滤波输出信号、初级通道传递函数和主通道传递函数。其中，参考信号由参考传声器采集获得，滤波输出信号由算法计算得出。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统，其特征在于，混合算法阶段主要为生成滤波输入信号，生成滤波输出信号，构造虚拟误差信号，更新权重滤波向量。
6.根据权利要求1所述的一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统，其特征在于，系统采样频率为16kHz，两个自适应滤波器及初级通道和次级通道传递函数FIR模型均为500阶。实验测试环境为20立方米的有简单的消声装修处理的普通房间，混响时间约为300ms。
7.根据权利要求1所述的一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统，其特征在于，通过滤波器来自动调节正则化参数的大小来控制HpTF相应中频谱谷的均衡程度。
8.根据权利要求1所述的一种基于DSP虚拟传感的耳机主动降噪自适应系统，其特征在于，通过前馈降噪次级通道离线建模，并利用数组buffer
进行存储后加入主程序系统。
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