CN113285692B - 基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法,包括，S1.采集脉冲噪声信号,将所述脉冲噪声信号传递给控制滤波器；S2.所述控制滤波器将所述脉冲噪声信号传递给后滤波器；S3.所述后滤波器根据所述脉冲噪声信号和内部的主动控制算法，生成所述脉冲噪声信号的抵消信号，并将所述抵消信号传递给扬声器；S4.所述扬声器发出所述的抵消信号，使所述抵消信号与所述脉冲噪声信号叠加，用于抵消所述脉冲噪声信号。本发明引入凸组合结构和变步长策略，通过调整控制滤波器结构中的步长系数，控制算法的收敛速度，协调收敛速度和稳态误差之间的矛盾，提高控制算法对脉冲噪声的收敛性能，实现有效控制脉冲噪声的目的。

Description

基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法
技术领域
本发明属于噪声主动控制领域，特别是涉及基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法。
背景技术
在现实环境中，服从于非高斯分布的脉冲噪声广泛存在。在有脉冲噪声出现的环境中，基于二阶矩理论的传统自适应算法性能衰退甚至恶化。随着噪声主动控制技术的应用以及噪声主动控制算法的发展，产生了基于1-范数的仿射投影符号算法，该算法结合了仿射投影算法和符号算法可以有效控制脉冲噪声，提升了在脉冲噪声环境下的算法性能。考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法不仅考虑了实际噪声控制中的次级路径，而且还可以灵活调节收敛速度和稳态误差的矛盾。但算法的收敛步长为固定步长，算法的收敛性能仍需进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于解决上述因考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法中固定步长的使用阻碍算法收敛性能进一步提升的问题，而提供基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法，在保证控制方法稳定性的同时，提升在脉冲噪声环境下的收敛性能，有效降低脉冲噪声。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法，包括，
S1.采集脉冲噪声信号,将所述脉冲噪声信号传递给控制滤波器,其中,所述控制滤波器包括第一控制滤波器、第二控制滤波器；
S2.所述控制滤波器将所述脉冲噪声信号传递给后滤波器，其中，所述后滤波器包括第一后滤波器、第二后滤波器；
S3.所述后滤波器根据所述脉冲噪声信号和内部的主动控制算法，生成所述脉冲噪声信号的抵消信号，并将所述抵消信号传递给扬声器；
S4.所述扬声器发出所述抵消信号，所述抵消信号与所述脉冲噪声信号叠加，用于抵消所述脉冲噪声信号。
优选地，所述脉冲噪声信号包括第一输入信号、第二输入信号、第三输入信号、第四输入信号、第五输入信号、第六输入信号。
优选地，所述第三输入信号通过初级路径模块,获得第一期望信号；
所述第四输入信号通过初级路径模块,获得第二期望信号。
优选地，基于所述第一控制滤波器，将所述第二输入信号作为输入，通过所述第一后滤波器、次级路径模块获得第一输出信号；
基于所述第二控制滤波器，将所述第五输入信号作为输入，通过所述第二后滤波器、次级路径模块获得第二输出信号。
优选地，基于所述第一输出信号和所述第一期望信号，获得第一后验误差信号，所述第一后验误差信号为所述第一控制滤波器的误差信号；
基于所述第二输出信号和所述第二期望信号，获得第二后验误差信号，所述第二后验误差信号为所述第一控制滤波器的误差信号。
优选地，所述第一输入信号通过次级路径估计模块获得第一滤波参考信号；
所述第六输入信号通过次级路径估计模块获得第二滤波参考信号。
优选地，所述第一后验误差信号和所述第一滤波参考信号用于控制所述第一控制滤波器的权系数更新；
所述第二后验误差信号和所述第二滤波参考信号用于控制所述第二控制滤波器的权系数更新。
优选地，基于所述第一输出信号和第一缓和系数，获得第三输出信号；
基于所述第二输出信号和第二缓和系数，获得第四输出信号；
基于所述第三输出信号和所述第四输出信号，获得控制系统的总输出信号。
优选地，基于所述第一后验误差信号与所述第一缓和系数，获得第三后验误差信号；
基于所述第二后验误差信号与所述第二缓和系数，获得第四后验误差信号；
基于所述第三后验误差信号和所述第四后验误差信号，获得控制系统的总误差信号。
优选地，所述总误差信号和所述第一期望信号用于控制所述第一控制滤波器的第一变步长的迭代更新；
所述总误差信号和所述第二期望信号用于控制所述第二控制滤波器的第二变步长的迭代更新。
本发明的有益效益是：
本发明引入凸组合结构和变步长策略，保证算法稳定性的同时，解决了因考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法中固定步长的使用阻碍算法收敛性能进一步提升的问题。通过调整控制滤波器结构中的步长系数，控制算法的收敛速度，协调收敛速度和稳态误差之间的矛盾，提高控制算法对脉冲噪声的收敛性能，实现有效控制脉冲噪声的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法的控制算法框图；
图2是根据本发明实施例的基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法的流程图；
图3是根据本发明实施例的基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法与基于后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制方法关于收敛性能的仿真结果对比图；
图4是根据本发明实施例的基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法与基于后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制方法关于降噪性能的仿真结果对比图；
图5是根据本发明实施例的基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法与基于后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制方法关于跟踪性能的仿真结果对比图；
图6是根据本发明实施例的不同步长参数下基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法的算法收敛曲线图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,本实施例提供了基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法，通过如下技术方案来实现：
采集脉冲噪声信号,将脉冲噪声信号传递给控制滤波器。其中,脉冲噪声信号包括第一输入信号、第二输入信号、第三输入信号、第四输入信号、第五输入信号、第六输入信号；控制滤波器包括第一控制滤波器、第二控制滤波器；控制滤波器再将脉冲噪声信号传递给后滤波器，后滤波器包括第一后滤波器、第二后滤波器；后滤波器根据脉冲噪声信号和内部的主动控制算法，生成脉冲噪声信号的抵消信号，并将抵消信号传递给扬声器；扬声器发出抵消信号，抵消信号与脉冲噪声信号叠加，用于抵消脉冲噪声信号。
进一步的，第三输入信号通过初级路径模块,获得第一期望信号；第四输入信号通过初级路径模块,获得第二期望信号。
基于第一控制滤波器，将第二输入信号作为输入，通过第一后滤波器、次级路径模块获得第一输出信号；基于第二控制滤波器，将第五输入信号作为输入，通过第二后滤波器、次级路径模块获得第二输出信号。
基于第一输出信号和第一期望信号，获得第一后验误差信号，第一后验误差信号为第一控制滤波器的误差信号；基于第二输出信号和第二期望信号，获得第二后验误差信号，第二后验误差信号为第一控制滤波器的误差信号。
第一输入信号通过次级路径估计模块获得第一滤波参考信号；第六输入信号通过次级路径估计模块获得第二滤波参考信号。
第一后验误差信号和第一滤波参考信号用于控制第一控制滤波器的权系数的更新；第二后验误差信号和第二滤波参考信号用于控制第二控制滤波器的权系数的更新。
基于第一输出信号和第一缓和系数，获得第三输出信号；基于第二输出信号和第二缓和系数，获得第四输出信号；基于第三输出信号和第四输出信号，获得控制系统的总输出信号。
基于第一后验误差信号与第一缓和系数，获得第三后验误差信号；基于第二后验误差信号与第二缓和系数，获得第四后验误差信号；基于第三后验误差信号和第四后验误差信号，获得控制系统的总误差信号。
总误差信号和第一期望信号用于控制第一控制滤波器的第一变步长的迭代更新；总误差信号和第二期望信号用于控制第二控制滤波器的第二变步长的迭代更新。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。
如图1所示为基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法的控制算法框图，该算法使用前馈控制结构。控制滤波器基于考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法，引入凸组合结构和变步长策略，通过调整两个控制滤波器结构中的步长系数可以控制算法的收敛性能，协调收敛速度和稳态误差之间的矛盾，同时实现有效控制脉冲噪声的目的。
图1中参考信号x(n)(脉冲噪声信号)经初级路径P(z)后得到期望信号d(n)。控制滤波器W1(z)以参考信号x(n)为输入，经后滤波器
Figure BDA0003101590800000081
和次级路径模型S(z)后产生输出信号y1(n)，控制滤波器W2(z)以参考信号x(n)为输入，经后滤波器
Figure BDA0003101590800000082
和次级路径模型S(z)后产生输出信号y2(n)，输出信号y1(n)与期望信号d(n)合成后验误差信号ep1(n)，输出信号y2(n)与期望信号d(n)合成后验误差信号ep2(n)。后验误差信号ep1(n)和ep1(n)分别作为各自控制滤波器的误差信号，与经次级路径估计模型
Figure BDA0003101590800000083
滤波后的参考信号x(n)分别共同参与控制滤波器W1(z)和W2(z)的权系数更新，权系数更新后的控制滤波器接着以参考信号作为输入，产生输出信号，以此类推。
输出信号y1(n)乘以n时刻的缓和系数θ(n)与输出信号y2(n)乘以n时刻的缓和系数1-θ(n)后叠加生成控制系统总的输出信号y(n)。后验误差信号ep1(n)乘以n时刻的缓和系数θ(n)与后验误差信号ep2(n)乘以n时刻的缓和系数1-θ(n)后叠加生成总的后验误差信号ep(n)。总后验误差信号ep(n)作为控制系统的误差信号，其信号功率与期望信号d(n)功率共同参与控制滤波器W1(z)和W2(z)对应的变步长μ1(n)和μ2(n)的迭代更新。
图2是根据本发明实施例的基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法的流程图；如图2所示，本发明提供的实施例是用于脉冲噪声主动控制的基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法，包括：
S201参考传感器采集脉冲噪声信号，所述脉冲噪声信号传递给控制滤波器；
S202所述控制滤波器将所述脉冲噪声信号传递给后滤波器；
S203所述后滤波器根据所述脉冲噪声信号和内部的主动控制算法，生成所述脉冲噪声信号的抵消信号，并将所述抵消信号传递给扬声器；
S204所述扬声器发出所述的抵消信号，使所述抵消信号与所述脉冲噪声信号叠加，以抵消所述脉冲噪声信号。
本发明通过在考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法中引入凸组合结构和随时间变化的变步长来更新控制滤波器W1(z)和W2(z)的权系数。其中,控制滤波器权系数更新公式包括两个控制器权系数后滤波，后验误差项和控制滤波器权系数更新共六部分，在保证算法稳定性的同时，提升控制算法对脉冲噪声的收敛性能。
更新公式为：
Figure BDA0003101590800000091
Figure BDA0003101590800000092
Figure BDA0003101590800000093
其中，sgn(·)为符号运算，(·)T为转置运算,n为时间系数，i为控制滤波器的个数，i＝1,2，wi(n+1)为n+1时刻第i个控制滤波器的权系数矢量，wi(n)为n时刻第i个控制滤波器权系数矢量，wi(n)＝[wi，0(n)，wi，1(n)，…，wi，M-1(n)]T，M为控制滤波器长度，
Figure BDA0003101590800000101
为n时刻第i个后滤波器权系数矢量，
Figure BDA0003101590800000102
Figure BDA0003101590800000103
为n时刻第i个后验误差信号矢量，epi(n)＝[epi(n)，epi(n-1)，…，epi(n-K+1)]T，K为投影阶数，Xf(n)为n时刻K阶滤波参考信号矢量，Xf(n)＝[xf(n)，xf(n-1)，…，xf(n-K+1)]，xf(n)为n时刻滤波参考信号矢量，xf(n)＝[xf(n)，xf(n-1)，…，xf(n-M+1)]T，
Figure BDA0003101590800000104
Figure BDA0003101590800000105
为的次级路径估计模型，xH(n)为n时刻参考信号矢量，xH(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-H+1)]T，H为次级路径长度，d(n)为n时刻期望信号矢量，d(n)＝[d(n)，d(n-1)，…，d(n-K+1)]T，γ为后滤波器中的权值因子，μ为控制滤波器迭代步长，∈为归一化参数。
变步长更新公式为：
Ad(n)＝βAd(n-1)+(1-β)|d(n)|，…(4)
Ae(n)＝βAe(n-1)+(1-β)|ex(n)|，…(5)
Figure BDA0003101590800000106
其中，β为遗忘因子，|·|为绝对值运算符号，d(n)为n时刻的期望信号，Ad(n)为n时刻的期望信号功率，Ad(n-1)为n-1时刻的期望信号功率，ep(n)为n时刻的总后验误差信号，ep(n)＝θ(n)ep1(n)+(1-θ(n))ep2(n)，ep1(n)为n时刻第1个后验误差信号，ep2(n)为n时刻第2个后验误差信号，θ(n)为n时刻的缓和参数，
Figure BDA0003101590800000107
e为常数，取2.71828，σ(n)为n时刻的混合参数。
a(n+1)＝a(n)+ρasgn(ep(n))(y1(n)-y2(n))θ(n)(1-θ(n))，a(n+1)为n+1时刻的混合参数，ρa是一个正数，y1(n)为第1个控制滤波器的输出，
Figure BDA0003101590800000111
Figure BDA0003101590800000112
为n时刻第1个后滤波器权系数矢量，y2(n)为第2个控制滤波器的输出，
Figure BDA0003101590800000113
Figure BDA0003101590800000114
为n时刻第1个后滤波器权系数矢量，Ae(n-1)为n-1时刻的后验误差信号功率，Ae(n)n时刻的后验误差信号功率，ε为正参数，σi为第i个变步长系数，μi(n)为n时刻第i个变步长。
本实施例设置如下仿真条件：滤波器的阶数为64，投影阶数为5，归一化参数为0.0001，初级路径传递函数为[0.0167 0.4833 0.4833 0.0167]，次级路径传递函数为[00.2037 0.5926 0.2037]，次级路径估计模型与次级路径传递函数相同，初始噪声为服从标准对称稳定分布的脉冲噪声，其中特征参数α＝1.8。
设置滤波器迭代步长为0.001，比较权值因子γ＝-0.8，γ＝0和γ＝0.8时考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法与步长系数σ1＝0.01，σ2＝0.008和σ1＝0.01，σ2＝0.003时基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法的收敛性能，仿真结果如图3所示。PFFxAPSA代表考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法，NCCSPFFxAPSA代表基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法。在仿真中基于变波长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法的权值因子γ＝-0.8，仿真结果是30次实验的平均结果。经仿真结果可知，基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法的收敛性能比考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法更好。同时，调节基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法的步长系数可以协调算法收敛速度和稳态误差的矛盾。
仿真参数保持不变，比较权值因子γ＝-0.8，γ＝0和γ＝0.8时考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法与步长系数σ1＝0.01，σ2＝0.008和σ1＝0.01，σ2＝0.003时基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法对脉冲噪声的降噪性能，仿真结果如图4所示。经仿真结果可知，基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法在脉冲噪声环境下具有较好的降噪性能。另外，当初级路径P(z)发生变化时，比较了权值因子γ＝-0.8，γ＝0和γ＝0.8时考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法与步长系数σ1＝0.01a1＝0.01，σ2＝0.008和σ1＝0.01，σ2＝0.003时基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法的收敛性能。仿真中初级路径P(z)在40000步迭代处变为-P(z)，仿真结果如图5所示。经仿真结果可知，步长系数σ1＝0.01，σ2＝0.008和σ1＝0.01，σ2＝0.003时基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法相较于权值因子γ＝-0.8，γ＝0和γ＝0.8时考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法具有更好的收敛性能。图6比较了不同步长参数下基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制算法的收敛曲线，仿真结果表明调整凸组合滤波器权值更新公式中的步长系数，可以调节算法的收敛性能，在一定范围内，随着两个步长系数的增大，收敛速度越快。
本发明通过引入凸组合结构和变步长策略，在保证算法稳定性的同时，解决了因考虑后滤波器的滤波参考仿射投影符号主动控制算法中固定步长的使用阻碍算法收敛性能进一步提升的问题。通过调整控制滤波器结构中的步长系数，控制算法的收敛速度，协调收敛速度和稳态误差之间的矛盾，提高控制算法对脉冲噪声的收敛性能，实现有效控制脉冲噪声的目的。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法,其特征在于，包括：
S1.采集脉冲噪声信号,将所述脉冲噪声信号传递给控制滤波器,其中,所述控制滤波器包括第一控制滤波器、第二控制滤波器；
S2.所述控制滤波器将所述脉冲噪声信号传递给后滤波器，其中，所述后滤波器包括第一后滤波器、第二后滤波器；
S3.所述后滤波器根据所述脉冲噪声信号和内部的主动控制算法，生成所述脉冲噪声信号的抵消信号，并将所述抵消信号传递给扬声器；
S4.所述扬声器发出所述抵消信号，所述抵消信号与所述脉冲噪声信号叠加，用于抵消所述脉冲噪声信号；
所述脉冲噪声信号包括第一输入信号、第二输入信号、第三输入信号、第四输入信号、第五输入信号、第六输入信号；
所述第三输入信号通过初级路径模块,获得第一期望信号；
所述第四输入信号通过初级路径模块,获得第二期望信号；
基于所述第一控制滤波器，将所述第二输入信号作为输入，通过所述第一后滤波器、次级路径模块获得第一输出信号；
基于所述第二控制滤波器，将所述第五输入信号作为输入，通过所述第二后滤波器、次级路径模块获得第二输出信号；
基于所述第一输出信号和所述第一期望信号，获得第一后验误差信号，所述第一后验误差信号为所述第一控制滤波器的误差信号；
基于所述第二输出信号和所述第二期望信号，获得第二后验误差信号，所述第二后验误差信号为所述第一控制滤波器的误差信号；
所述第一输入信号通过次级路径估计模块获得第一滤波参考信号；
所述第六输入信号通过次级路径估计模块获得第二滤波参考信号；
所述第一后验误差信号和所述第一滤波参考信号用于控制所述第一控制滤波器的权系数更新；
所述第二后验误差信号和所述第二滤波参考信号用于控制所述第二控制滤波器的权系数更新；
基于所述第一输出信号和第一缓和系数，获得第三输出信号；
基于所述第二输出信号和第二缓和系数，获得第四输出信号；
基于所述第三输出信号和所述第四输出信号，获得控制系统的总输出信号；
基于所述第一后验误差信号与所述第一缓和系数，获得第三后验误差信号；
基于所述第二后验误差信号与所述第二缓和系数，获得第四后验误差信号；
基于所述第三后验误差信号和所述第四后验误差信号，获得控制系统的总误差信号。
2.根据权利要求1所述的基于变步长的滤波参考仿射投影符号主动控制方法,其特征在于，
所述总误差信号和所述第一期望信号用于控制所述第一控制滤波器的第一变步长的迭代更新；
所述总误差信号和所述第二期望信号用于控制所述第二控制滤波器的第二变步长的迭代更新。
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