CN111522244A - 一种使用泄漏FxLMS算法的主动控制系统 - Google Patents

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李善军
叶天贵
李小波
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Abstract

本发明的目的在于提供一种使用泄漏FxLMS算法的主动控制系统，本发明将新型泄露FxLMS算法应用于简化混合有源声品质控制系统中的反馈控制滤波器中，新的泄露项通过误差信号和扰动信号进行实时更新，对滤波器输出信号的幅值进行约束，提高简化混合有源声品质控制系统中反馈控制滤波器的稳定性，增加反馈控制结构的降噪量。本发明在保证控制结构稳定性的同时，提升系统对宽带干扰噪声的降噪量，可以有效约束反馈控制器的输出，并提升反馈控制结构的降噪性能。

Description

一种使用泄漏FxLMS算法的主动控制系统
技术领域
本发明涉及的是一种有源噪声控制系统。
背景技术
随着有源噪声控制技术的应用以及人们对声舒适性的要求逐渐提高，综合前反馈控制结构的优点，考虑控制结构的复杂度，提出了简化混合有源声品质控制系统。
发明内容
本发明的目的在于提供能解决传统泄露FxLMS算法降噪量低问题的一种使用泄漏FxLMS算法的主动控制系统。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种使用泄漏FxLMS算法的主动控制系统，其特征是：包括自适应前馈控制结构、自适应反馈控制结构、线谱噪声抵消控制结构，自适应前馈控制结构和线谱噪声抵消控制结构的参考信号均为x(n)；
参考信号x(n)经初级路径P(z)后得到期望信号d(n)，前馈控制滤波器Wf(z)以参考信号x(n)为输入，产生输出信号yf(n)，经增益1-β后与反馈控制滤波器Wb(z)的输出信号yb(n)合成总输出信号y(n)，总输出信号y(n)经次级路径模型S(z)后，与期望信号d(n)和随机扰动信号v(n)合成残余误差信号e(n)，残余误差信号e(n)与经增益β和次级路径估计模型
Figure BDA0002519739660000011
滤波的输出信号yf(n)合成虚拟误差信号e′(n)，虚拟误差信号e′(n)作为前馈控制结构的误差信号，与经次级路径估计模型
Figure BDA0002519739660000012
滤波后的参考信号x(n)共同参与前馈控制滤波器Wf(z)的权系数更新；
自适应反馈控制结构的参考信号xb(n)由残余误差信号e(n)和线谱噪声抵消控制滤波器Wc(z)的输出信号yc(n)两种信号合成，反馈控制结构的参考信号xb(n)作为反馈控制滤波器Wb(z)的输入信号产生输出信号yb(n)，经次级路径估计模型
Figure BDA0002519739660000013
滤波后的反馈控制结构的参考信号xb(n)与残余误差信号e(n)共同参与反馈控制滤波器Wb(z)的权系数更新；
线谱噪声抵消控制滤波器Wc(z)以参考信号为x(n)为输入信号产生输出信号yc(n)，参考信号xb(n)作为反馈控制结构的误差信号，与参考信号x(n)共同参与线谱噪声抵消控制滤波器Wc(z)权系数的更新。
本发明还可以包括：
1、滤波器权值按下式更新：
Figure BDA0002519739660000021
其中，w(n+1)为n+1时刻滤波器权系数，w(n)为n时刻滤波器权系数，xb(n)为反馈控制结构的参考输入信号，e(n)为误差信号，v(n)为扰动信号，
Figure BDA0002519739660000022
为次级路径估计模型，μ为控制滤波器迭代步长。
本发明的优势在于：本发明通过在滤波器迭代公式中引入随时间变化的泄露项，保证迭代过程稳定性的同时，解决了传统泄露FxLMS算法降噪量低的问题。
附图说明
图1为本发明系统结构图；
图2为使用传统泄露FxLMS算法和使用新型泄露FxLMS算法的简化混合有源声品质控制系统关于反馈控制结构输出信号稳定性的对比图；
图3为使用传统泄露FxLMS算法和使用新型泄露FxLMS算法的简化混合有源声品质控制系统关于降噪量的对比图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，图1所示为使用新型泄露FxLMS算法的主动控制系统结构，该系统主要包含线谱噪声声品质前馈控制结构、宽带干扰噪声抵消反馈控制结构和线谱噪声抵消控制结构三部分。线谱噪声声品质前馈控制结构中的滤波器使用FxLMS算法，通过设置不同的增益因子，可以控制线谱噪声幅值的抵消，保持和放大，从而达到提高线谱噪声声品质的目的。宽带干扰噪声抵消反馈控制结构中的滤波器使用一种新型泄露FxLMS算法，主要抵消系统中的宽带干扰噪声。该算法中的泄露项跟随时间实时变化，该泄露项包含迭代步长，残余误差信号和宽带干扰噪声信号，其中，泄露项中的迭代步长无需与反馈控制滤波器迭代步长保持一致。线谱噪声抵消控制结构中的滤波器使用LMS算法，用来抵消系统残余误差信号中剩余的线谱噪声，从而参与反馈控制结构中参考信号的合成。
图1中最上方实线框为自适应前馈控制结构，参考信号x(n)经初级路径P(z)后得到期望信号d(n)。前馈控制滤波器Wf(z)以参考信号x(n)为输入，产生输出信号yf(n)，经增益1-β后与反馈控制滤波器Wb(z)的输出信号yb(n)合成整个主动控制系统的总输出信号y(n)。总输出信号y(n)经次级路径模型S(z)后，与期望信号d(n)和随机扰动信号v(n)合成残余误差信号e(n)。残余误差信号e(n)与经增益β和次级路径估计模型
Figure BDA0002519739660000031
滤波的输出信号yf(n)合成虚拟误差信号e′(n)。该虚拟误差信号e′(n)作为前馈控制结构的误差信号，与经次级路径估计模型
Figure BDA0002519739660000032
滤波后的参考信号x(n)共同参与前馈控制滤波器Wf(z)的权系数更新。中间虚线框为主动控制系统中使用新型泄露FxLMS算法的自适应反馈控制结构，该反馈控制结构的参考信号xb(n)由残余误差信号e(n)和线谱噪声抵消控制滤波器Wc(z)的输出信号yc(n)两种信号合成。反馈控制结构的参考信号xb(n)作为反馈控制滤波器Wb(z)的输入信号产生输出信号yb(n)。经次级路径估计模型
Figure BDA0002519739660000033
滤波后的反馈控制结构的参考信号xb(n)与残余误差信号e(n)共同参与反馈控制滤波器Wb(z)的权系数更新。最下方点划线框是线谱噪声抵消控制结构，该控制结构的参考信号为x(n)，线谱噪声抵消控制滤波器Wc(z)以参考信号为x(n)为输入信号产生输出信号yc(n)。参考信号xb(n)作为反馈控制结构的误差信号，与参考信号x(n)共同参与线谱噪声抵消控制滤波器Wc(z)权系数的更新。
本发明中是通过在自适应反馈控制结构中引入随时间变化的泄露项来更新反馈控制滤波器Wb(z)的权系数，更新公式为：
Figure BDA0002519739660000034
迭代步长μ，残余误差信号e(n)和扰动信号v(n)的乘积作为反馈项。
本实施例采用的仿真软件是MATLAB，仿真条件如下：各滤波器的阶数为512，主路径传递函数为[0.0167 0.4833 0.4833 0.0167]，次级路径传递函数为[0.2037 0.59260.2037]，次级路径估计模型与次级路径传递函数相同，初始噪声为56Hz的单频噪声，干扰噪声即反馈控制结构的期望噪声为经128阶截止频率100Hz的低通滤波器滤波的零均值高斯随机噪声。设置前馈滤波器迭代步长为0.0005，反馈控制滤波器和线谱噪声抵消控制滤波器迭代步长为0.005，增益因子为0.5，比较新型泄露FxLMS算法和有不同泄露因子的泄露FxLMS算法对反馈控制滤波器输出的约束能力，仿真结果如图2所示。经仿真结果可知，两种泄露算法均对反馈控制滤波器输出信号幅值有较强的约束能力，且随泄露因子增大，泄露FxLMS算法对反馈控制滤波器输出信号幅值的约束能力变强，但新型泄露FxLMS算法对反馈控制滤波器输出信号的约束能力比泄露FxLMS算法更好。
将增益因子设置为0，即有源声品质控制系统变为传统有源噪声控制系统，其他参数设置保持不变，比较新型泄露FxLMS算法和传统泄露FxLMS算法的降噪性能，仿真结果如图3所示。经仿真结果可知，两种算法均可有效降低线谱噪声的幅值，以达到改善声品质的目的。另外，两种算法均可降低系统的宽带干扰噪声，即反馈控制结构的期望噪声，但使用新型泄露FxLMS算法的反馈控制滤波器对宽带干扰噪声的降噪能力比使用传统泄露FxLMS算法的反馈控制滤波器更强。

Claims (2)

1.一种使用泄漏FxLMS算法的主动控制系统，其特征是：包括自适应前馈控制结构、自适应反馈控制结构、线谱噪声抵消控制结构，自适应前馈控制结构和线谱噪声抵消控制结构的参考信号均为x(n)；
参考信号x(n)经初级路径P(z)后得到期望信号d(n)，前馈控制滤波器Wf(z)以参考信号x(n)为输入，产生输出信号yf(n)，经增益1-β后与反馈控制滤波器Wb(z)的输出信号yb(n)合成总输出信号y(n)，总输出信号y(n)经次级路径模型S(z)后，与期望信号d(n)和随机扰动信号v(n)合成残余误差信号e(n)，残余误差信号e(n)与经增益β和次级路径估计模型
Figure FDA0002519739650000011
滤波的输出信号yf(n)合成虚拟误差信号e′(n)，虚拟误差信号e′(n)作为前馈控制结构的误差信号，与经次级路径估计模型
Figure FDA0002519739650000012
滤波后的参考信号x(n)共同参与前馈控制滤波器Wf(z)的权系数更新；
自适应反馈控制结构的参考信号xb(n)由残余误差信号e(n)和线谱噪声抵消控制滤波器Wc(z)的输出信号yc(n)两种信号合成，反馈控制结构的参考信号xb(n)作为反馈控制滤波器Wb(z)的输入信号产生输出信号yb(n)，经次级路径估计模型
Figure FDA0002519739650000013
滤波后的反馈控制结构的参考信号xb(n)与残余误差信号e(n)共同参与反馈控制滤波器Wb(z)的权系数更新；
线谱噪声抵消控制滤波器Wc(z)以参考信号为x(n)为输入信号产生输出信号yc(n)，参考信号xb(n)作为反馈控制结构的误差信号，与参考信号x(n)共同参与线谱噪声抵消控制滤波器Wc(z)权系数的更新。
2.根据权利要求1所述的一种使用泄漏FxLMS算法的主动控制系统，其特征是：滤波器权值按下式更新：
Figure FDA0002519739650000014
其中，w(n+1)为n+1时刻滤波器权系数，w(n)为n时刻滤波器权系数，xb(n)为反馈控制结构的参考输入信号，e(n)为误差信号，v(n)为扰动信号，
Figure FDA0002519739650000015
为次级路径估计模型，μ为控制滤波器迭代步长。
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