CN111627415B - 一种基于自适应MFxLMS算法的主动降噪装置及FPGA实现 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种基于自适应MFxLMS算法的主动降噪装置及FPGA实现，其包括动量MFxLMS算法软件部分和FPGA硬件部分，其中，动量MFxLMS算法软件部分包括噪声信号滤波模块、MFxLMS算法模块、次级通道建模模块、白噪声产生器及主通道路径模块；FPGA硬件部分包括WM8731音频编解码器、IIC控制模块、寄存器配置模块、时钟发生模块、2个音频接收模块、音频发送模块、2个FIFO模块以及ANC算法模块，本发明的主动噪声控制算法不仅能降低计算复杂度、建模准确度、稳态性能以及收敛速度，而且利用FPGA的并行处理能力使得算法有更快的运行速度。

Description

一种基于自适应MFxLMS算法的主动降噪装置及FPGA实现
技术领域
本发明属于音频信号处理领域，尤其涉及到一种基于动量MFxLMS算法的对低频噪声消除的主动噪声控制系统(ANC)中次级通道建模方法的研究以及硬件平台的搭建。
背景技术
随着经济的发展和城市化的不断推进，城市噪声已经变成一个亟待解决的问题。在2018年全国“12369环保举报联网管理平台”统计数据显示，涉及噪声的举报占比为35.3％，仅次于大气污染，排名第二。在城市噪声中交通干线两侧的交通噪声又是最显著的。国家生态环境部在2019年的《中国环境噪声污染防治报告》中指出，2018年全国城市中在交通干线两侧的检测数据显示白天未达到国家标准为6％，夜晚未达到国家标准的为49.6％。2018年直辖市和省会城市中在交通干线两侧的检测数据表明，白天未达标率为17.3％，夜晚未达标率为79.8％。上述调查结果表明在城市道路两侧的居民长期生活在噪声超标的环境下。
目前噪声的控制途径主要可以针对噪声源、噪声接收者、噪声的传播途径三个方面。日常生活中主要针对噪声的传播途径进行控制，包括吸声处理、隔声处理、声屏障以及消声器等。这些消除噪声的方法被称为无源或被动式的控制(Passive Noise Control)方法，基本原理是使噪声的声波与声学材料或结构相互作用而消耗声能。无源降噪方案中对于阻性消声设备在中高频段的降噪效果比较理想，而针对于低频段的噪声降噪效果较差；在无源降噪的设备中针对于抗性消声设备，可以对特定低频的噪声有很强的降噪效果，但因为降噪频率较窄，且体积比较庞大，只能针对特殊的大型场合，但不适合一般城市居民楼中的室内噪声消除。为了消除低频段的噪声而产生的另外一种消除噪声的方法：有源噪声控制(Active Noise Control)。有源噪声控制的基本原理是人为主动的产生一个与主噪声幅值相同、相位相反的干涉波来降低主噪声源的能量。有源噪声控制又被称为主动噪声控制。
主动噪声控制利用声波的相消干涉原理，根据杨氏干涉理论可以知道，在初级声源和次级声源振幅相同，相位相反就可以降低初级噪声源的声压级。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于动量MFxLMS算法及FPGA的主动噪声控制装置。本发明的技术方案如下：
一种基于动量MFxLMS算法及FPGA的主动噪声控制装置，其包括动量MFxLMS算法软件部分和FPGA硬件部分，其中，
动量MFxLMS算法软件部分包括噪声信号滤波模块、MFxLMS算法模块、次级通道建模模块、白噪声产生器及主通道路径模块，其中噪声信号滤波模块是将原始的噪声信号通过滤波器输出y(n)，再通过次级通道产生抗噪声信号y’(n)与主通道路径的期望信号d(n)结合，最终达到减少扬声器周围环境声压的效果。MFxLMS算法模块用于获得更好的建模精度和稳定性，对步长值采用梯度下降的方法，使用建模精度△S的变化来决定步长是否需要变化。次级通道建模模块用于白噪声产生器用于在对次级路径进行实时建模的时候，使用白噪声发生器对次级路径注入高斯白噪声；主通道路径模块利用输入信号X(n)经过P(Z)这一主通道路径得到期望信号d(n)。
FPGA硬件部分包括WM8731音频编解码器、IIC控制模块、寄存器配置模块、时钟发生模块、2个音频接收模块、音频发送模块、2个FIFO模块以及ANC算法模块，WM8731音频编解码器(利用其AD模块将外界噪声进行解码后给FPGA进行处理，再利用其DA模块给扬声器)、IIC控制模块(用于驱动WM8732音频编解码器以及寄存器的配置)、时钟发生模块(用于产生采集时钟、数据位同步时钟以及WM8731的主时钟)、2个音频接收模块(用于对外界噪声和误差信号进行采集)、音频发送模块(用于给扬声器产生一个与外界噪声相反的信号)、2个FIFO模块(用于对输入音频数据进行缓存)以及ANC算法模块(用于对输入的音频数据做出实时的自适应处理)，其中IIC控制模块、寄存器配置模块、时钟发生模块、2个音频接收模块、音频发送模块、2个FIFO模块以及ANC算法模块均封装在一起，输入端WM8731音频编解码器分别与参考噪声麦克风、FIFO模块相连接，输出端WM8731音频编解码器分别与FIFO模块、误差噪声麦克风、扬声器相连接。进一步的，所述MFxLMS算法模块选择变步长算法VSS-LMS，
变步长算法VSS-LMS具体包括：
VSS-LMS算法用于对次级路径建模滤波器
Figure BDA0002471701510000031
进行权系数的更新，开始的时候建模滤波器
Figure BDA0002471701510000032
采用小步长，随着信号[d(n)-y′(n)]降低，采用大步长对建模滤波器
Figure BDA0002471701510000033
的权系数进行更新，用以提升建模滤波器
Figure BDA0002471701510000034
的收敛速度，进而提高整个系统的收敛速度以及降噪量。
进一步的，所述动量MFxLMS算法只比LMS算法增加了一个由权系数相关而引入的动量项，其中函数ΔS为次级路径在线建模的精度实时值，本发明将ΔS作为μs(n)是否进行下降检测的函数，同时设置T1、T2两个下降阈值。
Figure BDA0002471701510000035
进一步的，还包括对降噪性能的大小和次级通道建模的精确度进行评价的步骤，具体包括：
Figure BDA0002471701510000036
Figure BDA0002471701510000037
其中R：ANC系统的降噪性能的好坏；e(n)：ANC系统主控制自适应滤波器的误差函数；d(n)：ANC系统主控制自适应滤波器的期望信号；△S：ANC系统中次级通道建模的精确度大小；Si(n)：ANC系统中实际次级通道的路径函数；
Figure BDA0002471701510000038
ANC系统中模拟次级通道的路径函数。
进一步的，所述FPGA硬件部分，充分利用FPGA可现场编程的灵活性进行建模的特点将电路模块分为IIC控制模块，寄存器配置模块，时钟发生模块，2个音频接收模块，音频发送模块，2个FIFO模块。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明结合上述现实生活中的噪声问题提出一种基于动量FxLMS算法的主动噪声控制(ANC)系统的全流程设计，利用在传统的LMS算法中引入一个由于权系数相关的动量项，来降低整个ANC系统的收敛时间，实现了整个ANC系统更快的收敛速度，并利用FPGA进行了ANC系统的硬件平台设计。
主动噪声控制(ANC)主要是基于声叠加原理，利用机电组合来抑制声学噪声信号的方法。与传统的被动噪声控制(PNC)方法相比，传统的噪声控制方法只可以降低频段较窄的低频信号并且需要的装置或者体积庞大而且笨重，应用的场景受限。而ANC系统在低频噪声的降噪、安装的便利、工作性能的稳定等方面有着很好的效果并且还可以通过控制参数来抵消不同特性的噪声。
而基于动量MFxLMS算法的次级通道建模的ANC系统，不仅解决了对于次级路径的快速的跟踪，来保证控制滤波器算法的稳定性，而且也解决了由于噪声源产生的参考信号的自相关矩阵的特征值分散问题导致控制滤波器的收敛速度慢导致整个ANC系统运行时间慢的问题。
本发明在一定程度上提高了ANC系统在对低频噪声的降噪效果，具有如下突出的优点：
1.收敛速度快，动量LMS只比LMS算法增加了一个由于权系数相关而引入的动量项，在权系数变化较大的情况下，则目前的权系数就会增加，可以起到加速梯度下降，使权系数均值收敛的更快更平稳的作用。采用动量MFxLMS算法后，其收敛系数的取值较FxLMS算法有所增加，来降低步长对参考信号自相关矩阵的特征值分散程度的敏感性，从而加速控制滤波器的收敛速度。
2.模型的准确性，利用MATLAB对MFxLMS的仿真与Modelsim的功能仿真结果进行对比，使得模型更加准确和有效。
3.信号处理的实时性，基于FPGA进行MFxLMS算法对电路模型进行设计，有效利用了FPGA的并行处理特点，相比较传统的DSP处理器具有更高的灵活性，为后面的ASIC设计提供了快速的原型系统模型。
本发明基于MFxLMS算法的宽带前馈ANC系统的建模方法对室内降噪有着显著的效果。本发明的主动噪声控制算法不仅能降低计算复杂度、建模准确度、稳态性能以及收敛速度，使用Verilog HDL硬件描述语言设计室内降噪ANC系统的电路，利用Quartus II与Modelsim进行联合仿真，并将代码加载到Xilinx的XC7Z015-2clg485I开发板上进行实验。实验结果显示基于动量LMS算法次级路径在线辨识的变步长主动噪声控制系统可以准确对次级路径进行估计，最高可以降低14dB噪声。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例自适应有源前馈系统示意图；
图2为窄带前馈型主动噪声控制系统；
图3为主动噪声控制ANC系统硬件平台框图；
图4为ANC系统时序仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提出的ANC系统采用Matlab与Modelsim进行仿真对照。
如附图1所示，本发明提出一种基于动量MFxLMS算法的主动噪声控制(ANC)系统的设计，能够降低LMS算法由于参考信号的自相关矩阵的特征值分散程度的敏感性使得控制滤波器的收敛时间大大降低，并且由于次级路径采用的变步长算法，使得整个ANC系统的收敛时间大大降低，其特征在于，包括：
5个模块：(1)噪声信号滤波、(2)MFxLMS算法、(3)次级通道建模、(4)白噪声产生器及(5)主通道路径。
动量MFxLMS算法模块，目的在于添加的次级通道建模滤波器的S’(z)是为了保证动量LMS算法的稳定性，噪声源产生的信号通过S’(z)输入到动量LMS算法来更新控制滤波器的权系数。原始的噪声信号通过控制滤波器输出y(n)，再经过次级路径产生抗噪信号y’(n),y’(n)与主路径的噪声d(n)相结合以减少误差扬声器周围的声压。
次级通道建模模块，在实际的工程中，由于次级路径是时变的，这种情况下主控制滤波器中的动量LMS算法会出现不稳定甚至发散，也会使得降噪的效果恶化。为了解决这个问题需要对次级通道进行实时的建模。
变步长算法模块，在更新建模滤波器的权值的时候，注意到不仅要关注算法的收敛速度还需要算法拥有更敏感跟踪性能，为了在这个限制条件之间取得更好的效果，选择变步长算法(VSS-LMS)。
白噪声发生器模块，在对次级路径进行实时建模的时候，需要在次级路径中注入的输入信号与噪声源产生的信号不相关，为了解决这个问题对使用白噪声发生器对次级路径注入高斯白噪声。
主通道路径模块，目的在于给ANC系统提供一个初始的主路径声学响应函数，进而结合其它几个模块一起构成对初始参考噪声x(n)的降噪，并在误差麦克风e(n)处监测其降噪性能。
有源噪声消除是根据叠加原理，通过产生同等振幅并且相位相反的信号，噪声源产生的参考信号x(n)通过主通道产生干扰信号d(n)，为了产生抗噪声信号y’(n)，参考信号通过控制滤波器w(z)，产生输出信号y(n)，y(n)通过次级路径产生抗噪声信号y’(n)，为了使得动量LMS算法对控制滤波器权值更新的稳定性，必须让参考信号x(n)通过次级建模滤波器
Figure BDA0002471701510000061
为了解决次级路径随时间变化，必须在线的对次级建模滤波器进行估计，为此需要使用与参考信号不相关的随机噪声注入到次级路径里面，白噪声发生器产生这样一组随机信号v(n)，v(n)通过次级路径产生建模信号v’(n)，另外一端v(n)通过建模滤波器
Figure BDA0002471701510000062
产生建模信号v’(n)，参与误差信号e(n)与建模信号做差产生误差信号f(n)。f(n)作为动量LMS算法和VSS-LMS算法的误差信号。
最后得到的数据可以根据如下公式反映出其降噪性能的大小和次级通道建模的精确度：
Figure BDA0002471701510000071
Figure BDA0002471701510000072
其中R：ANC系统的降噪性能的好坏；
e(n)：ANC系统主控制自适应滤波器的误差函数；
d(n)：ANC系统主控制自适应滤波器的期望信号；
△S：ANC系统中次级通道建模的精确度大小；
Si(n)：ANC系统中实际次级通道的路径函数；
Figure BDA0002471701510000073
ANC系统中模拟次级通道的路径函数
如附图2所示，窄带前馈型主动噪声控制系统。在主动噪声控制应用中，很多噪声具有周期性，由傅里叶级数的展开式可以得出，任何周期信号均可以展开为由基波以及其谐波成分构成的许多正弦波形之和，并且各谱线之间的频率具有倍数关系。针对窄带噪声信号的特点，可以使用非声学的传感器，例如加速计或者转速计获得信号的基频，由此构造出参考噪声信号。因此窄带前馈型主动噪声控制系统具有如下优点：第一，避免从对消扬声器反馈回参考拾音器的不良声反馈；第二，由于没有使用参考麦克风，避免了传感器的老化引起的非线性失真；第三，由于噪声的周期性，消除了由于延时带来的误差；第四，由于参考信号是内部产生的，所以可以独立控制每个谐波；第五，由于对声学路径的建模只需要关注谐波附近的频率，因此可以选取较低阶数的有限脉冲响应(FIR)滤波器。
如附图3所示，在ANC控制应用中，首先对WM8731模块中的寄存器进行配置，通过IIC总线写入音频模块中。其次是音频信号的接收模块，接收从麦克风输入语音信号，将串行数据转换成并行数据。使用FIFO写模块完成FIFO数据到外部存储器的写入，从外部存储器中将数据调出通过ANC模块进行数据处理。紧接着使用FIFO读模块从外部存储器读取数据。使用语音信号发送模块，完成音频数据的串行化，最后通过扬声器发出抗噪声信号。
如附图4所示，其中clk与rst分别为系统时钟输入，e_in_1为误差信号，x_in_1为输入噪声信号，y_out_1为期望信号，通过观察搭建的仿真测试平台，得到基于动量LMS算法主动噪声控制系统有很好的收敛速度和降噪效果。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于自适应MFxLMS算法的主动降噪装置，其特征在于，包括动量MFxLMS算法软件部分和FPGA硬件部分，其中，
动量MFxLMS算法软件部分包括噪声信号滤波模块、MFxLMS算法模块、次级通道建模模块、白噪声产生器及主通道路径模块，其中噪声信号滤波模块是将原始的噪声信号通过滤波器输出y(n)，再通过次级通道产生抗噪声信号y’(n)与主通道路径的期望信号d(n)结合，最终达到减少扬声器周围环境声压的效果；MFxLMS算法模块用于获得更好的建模精度和稳定性，对步长值采用梯度下降的方法，使用建模精度△S的变化来决定步长是否需要变化；次级通道建模模块用于白噪声产生器用于在对次级路径进行实时建模的时候，使用白噪声发生器对次级路径注入高斯白噪声；主通道路径模块利用输入信号X(n)经过P(Z)这一主通道路径得到期望信号d(n)；
FPGA硬件部分包括WM8731音频编解码器、IIC控制模块、寄存器配置模块、时钟发生模块、2个音频接收模块、音频发送模块、2个FIFO模块以及ANC算法模块，WM8731音频编解码器利用其AD模块将外界噪声进行解码后给FPGA进行处理，再利用其DA模块给扬声器，IIC控制模块用于驱动WM8732音频编解码器以及寄存器的配置，时钟发生模块用于产生采集时钟、数据位同步时钟以及WM8731的主时钟，2个音频接收模块用于对外界噪声和误差信号进行采集，音频发送模块用于给扬声器产生一个与外界噪声相反的信号，2个FIFO模块用于对输入音频数据进行缓存，以及ANC算法模块用于对输入的音频数据做出实时的自适应处理，其中IIC控制模块、寄存器配置模块、时钟发生模块、2个音频接收模块、音频发送模块、2个FIFO模块以及ANC算法模块均封装在一起，输入端WM8731音频编解码器分别与参考噪声麦克风、FIFO模块相连接，输出端WM8731音频编解码器分别与FIFO模块、误差噪声麦克风、扬声器相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应MFxLMS算法的主动降噪装置，其特征在于，所述MFxLMS算法模块选择变步长算法VSS-LMS，
变步长算法VSS-LMS具体包括：
VSS-LMS算法用于对次级路径建模滤波器
Figure FDA0003472507190000021
进行权系数的更新，开始的时候建模滤波器
Figure FDA0003472507190000022
采用小步长，随着信号[d(n)-y′(n)]降低，采用大步长对建模滤波器
Figure FDA0003472507190000023
的权系数进行更新，用以提升建模滤波器
Figure FDA0003472507190000024
的收敛速度，进而提高整个系统的收敛速度以及降噪量。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应MFxLMS算法的主动降噪装置，其特征在于，所述动量FxLMS算法只比LMS算法增加了权系数相关而引入的动量项，其中函数ΔS为次级路径在线建模的精度实时值，将ΔS作为步长是否进行下降检测的函数，同时设置T1、T2两个下降阈值；
Figure FDA0003472507190000025
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应MFxLMS算法的主动降噪装置，其特征在于，还包括对降噪性能的大小和次级通道建模的精确度进行评价的步骤，具体包括：
Figure FDA0003472507190000026
Figure FDA0003472507190000027
其中R：ANC系统的降噪性能的好坏；e(n)：ANC系统主控制自适应滤波器的误差函数；d(n)：ANC系统主控制自适应滤波器的期望信号；△S：ANC系统中次级通道建模的精确度大小；Si(n)：ANC系统中实际次级通道的路径函数；
Figure FDA0003472507190000028
ANC系统中模拟次级通道的路径函数。
5.根据权利要求1所述的一种基于自适应MFxLMS算法的主动降噪装置，其特征在于，所述FPGA硬件部分，充分利用FPGA可现场编程的灵活性进行建模的特点将电路模块分为IIC控制模块，寄存器配置模块，时钟发生模块，2个音频接收模块，音频发送模块，2个FIFO模块。
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