CN118135981A - 一种封闭空间内音频信号主动降噪方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于主动降噪技术领域，尤其为一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，所述方法包括以下步骤；S1、通过麦克风实时获取当前空间的音频噪声信号，并将此音频信号依次进行信号放大，滤波处理及模数转换处理，输送给给硬件处理系统进行处理以得到当前实时的空间音频噪声信号。本发明提出硬件并行架构的方法，一种具有少量执行器(N个麦克风和一个扬声器)的分散控制，包括用于未来大规模实现的完整硬件架构，本发明侧重于降低计算成本，即通过改变算法在硬件体系中的运行架构(减少运算量)来减少主动噪声控制的硬件实现成本。使得改进后的降噪系统实现在硬件资源占用上得到显著减少，具有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及主动降噪技术领域，具体为一种封闭空间内音频信号主动降噪方法及系统。
背景技术
噪声控制是一个常见的问题，因为当产生过量噪声时会产生环境和健康问题。当今流行的处理方式为主动噪声控制(ANC)，它包括使用受控声源和波叠加特性来实现总声音之间的抵消噪声和受控声音的声压或至少其最小可能值。这些受控源发出的声音是通过数字信号处理系统获得的，使用来自麦克风的信号来更新发送到扬声器的信号。这些算法通常基于最小均方(LMS)滤波器的梯度算法。
在梯度算法中，滤波-x最小均方(filter-x Least Mean Square,FxLMS)算法由于其固有的鲁棒性和相对简单的实现，是一种被广泛使用的ANC算法。在FxLMS算法中，声音控制器采用有限脉冲响应(FIR)滤波器的形式，迭代更新过去样本的自适应权值。为了使被测声音的瞬时二次误差最小化，权值的更新采用梯度法进行。
对于FxLMS和其他几个控制器来说，ANC中最常见的问题之一是局部控制。这意味着，当控制器工作来更新一个麦克风时，在其他位置，声压是未知的，甚至会增加。因此，一个简单的想法是增加执行器(麦克风和扬声器)的数量，成为一个多通道系统。最重要的应用之一是主动屏蔽，它将麦克风和扬声器定位在噪声衰减区域的边界。这有不同的应用，例如衰减窗口上的噪声。实际上波长和传感器之间距离的关系会影响所需静音区内的性能，这表明控制系统中需要大量执行器，特别是在封闭空间这种情况会产生高的计算和空间成本。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种封闭空间内音频信号主动降噪方法及系统，解决了上述背景技术中所提出的局部噪声控制需要大量执行器而导致的计算和空间成本问题。
(二)技术方案
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，所述方法包括以下步骤；
S1、通过麦克风实时获取当前空间的音频噪声信号，并将此音频信号依次进行信号放大，滤波处理及模数转换处理，输送给给硬件处理系统进行处理以得到当前实时的空间音频噪声信号；
S2、硬件处理系统对实时空间音频噪声信号进行处理，在处理过程中使用硬件并行架构的方式降低算法运算量，通过FxLMS算法产生进行噪声抑制的共振逆旋波信号；
S3、扬声器将依次进行数模转换及处理信号放大后的共振逆旋波信号进行输出，抵消空间内噪声。
进一步地，所述S2中主动降噪方法通过FPGA硬件进行实现，在FPGA内部进行硬件并行架构的方式进行音频信号的主动降噪处理。
进一步地，所述S2中主动降噪算法基于FxLMS算法。
进一步地，所述S2中的硬件并行架构其中每个次级路径Skm都由并行的方式独立运行，数字滤波器的实现需要系数和输入的乘积之和，该和中的每一步都可以被视为乘法和累加的组合。
进一步地，所述S2中在算法结束时使用额外的MACC块来生成控制信号，每个MACC的输出结果对应于等式中的相移项，这些相移项存储在FPGA中的RAM块中。存储器块被配置为循环FIFO，其中最旧的数据被丢弃，并且一旦MACC块计算出最新的数据就被替换。
进一步地，所述S2中FxLMS算法的可变步长通过正弦变量函数调整进而用于更新FxLMS算法的权值公式；所述权值公式表示为：
进一步地，硬件处理系统以及其系统外部的麦克风，扬声器。
进一步地，所述硬件处理系统包括:
噪声采集模块，用于实时获取空间中的音频信号以及将音频噪声信号传递给FPGA进行主动降噪处理；
FPGA,通过降噪处理模块来高速处理噪声采集模块发送的音频噪声信号，基于FxLMS算法产生共振逆旋波信号发送给扬声器输出模块，进行主动降噪；
扬声器输出模块，用于发出共振逆旋波来抵消音频噪声，进行主动降噪。
进一步地，所述降噪处理模块包括:
并行架构单元，其内使用本发明的硬件并行架构，用于加速主动降噪算法的收敛速度，降低算法的运算量，减少执行时间。
主动降噪算法单元，其内基于FxLMS主动降噪算法，其算法的滤波器迭代地更新过去样本的自适应权重，权重的更新是使用梯度法进行的，以最大限度地减少测量声音的瞬时二次误差。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种封闭空间内音频信号主动降噪方法及其系统，具备以下有益效果：
本发明提出硬件并行架构的方法，一种具有少量执行器(N个麦克风和一个扬声器)的分散控制，包括用于未来大规模实现的完整硬件架构，本发明侧重于降低计算成本，即通过改变算法在硬件体系中的运行架构(减少运算量)来减少主动噪声控制的硬件实现成本。使得改进后的降噪系统实现在硬件资源占用上得到显著减少，具有较高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中采用的主动降噪具体流程图；
图2是本发明实施例中采用的主动降噪原理示意图；
图3为本发明实施例中的降噪算法硬件并行体系结构；
图4为本发明实施例中的主动降噪系统框图。
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。
实施例一
本发明一个实施例提出的一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，其是基于图2所示的对原噪音声波信号的处理，生成共振逆旋波(反相位声波)实现噪声的声波相消，以弥补无源被动噪声控制技术在低频段噪声控制的应用缺陷，解决低频宽带噪声防控问题的降噪原理。
请参阅图1，所示为本发明的音频信号主动降噪方法步骤，所述方法具体包括步骤S1-S3：
S1、通过麦克风实时获取当前空间的音频噪声信号，并将此音频信号依次进行信号放大，滤波处理及模数转换处理，输送给给硬件处理系统进行处理以得到当前实时的空间音频噪声信号；
其中麦克风的作用是能够将声音信号转换为电信号，是主动降噪系统硬件的重要组成部分。在降噪过程中，麦克风的性能直接影响着系统的降噪效果。传声器需要准确且完整的采集到噪声信号，以便控制器可以根据得到的参考信号和误差信号计算出所需的次级信号。
进一步地，麦克风的作用在于拾取音频噪声信号，但由于输出信号的幅度较小，需要进行放大。经过放大后的音频信号可有效减少信号失真、提高信号纯度和精确性，可以方便地进行各种音频信号处理。
在音频信号放大的基础上由于空间内音频噪声中含有高频信号，高频信号会对系统产生一定的干扰，为了防止干扰的产生，加入一个滤波电路来过滤声音信号中的高频信号。
在具体实施时，还需在滤波处理后将此音频噪声经由模数转换(A/D)输送给给硬件处理系统进行处理以得到当前实时的空间音频噪声信号。
S2、中硬件处理系统对实时空间音频噪声信号进行处理，在处理过程中使用硬件并行架构的方式降低算法运算量，通过FxLMS算法产生进行噪声抑制的共振逆旋波信号；
请参阅图3，在本实施例中，降噪算法的硬件并行体系结构中每个次级路径都由并行的方式独立运行，数字滤波器的实现需要系数和输入的乘积之和，该和中的每一步都可以被视为乘法和累加的组合。
进一步地，降噪算法硬件并行体系结构在算法结束时使用额外的MACC块来生成控制信号，每个MACC的输出结果对应于等式中的相移项，这些相移项存储在FPGA中的RAM块中。存储器块被配置为循环FIFO，其中最旧的数据被丢弃，并且一旦MACC块计算出最新的数据就被替换。
其中MACC代表累加累乘模块，FIFO代表先入先出存储器。
更进一步地本发明基于FxLMS算法中对所述音频信号进行主动降噪算法的权值更新公式为：
其中W(n+1)为权值迭代公式，为梯度，/>为梯度的估计，收敛系数μ是一个参数，用于控制系统的收敛速度和稳态误差失调量，r(n)为滤波-x信号，e(n)为误差信号。
在经此降噪算法处理后，产生的用于噪声抑制的共振逆旋波信号。
S3、中由扬声器将依次进行数模转换及处理信号放大后的共振逆旋波信号进行输出，抵消空间内噪声；
其中扬声器是一种可以将电信号转换为声音信号的电声转换器件。在本实施例中，具有和麦克风同样重要的作用，它承担着产生噪声信号和抵消信号的重任。对于主动降噪系统来说，选择的扬声器需要在中低频范围内具备平坦的频率响应特性曲线以及低失真，从而确保能够为系统提供准确的音频输出。
进一步地，本实施例中在具体实施时，将共振逆旋波信号经由数模转换(D/A)输出到功率放大电路中，再经过信号放大后驱动扬声器输出该共振逆旋波信号使其与S1所述的空间的噪声声波在相加，达到抵消或减弱噪声的目的
需要说明的是，虽然上述流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。
综上：本发明实施例提供了一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，即获取当前环境音频信号依次进行信号放大，滤波处理及模数转换处理，输送给给硬件处理系统进行处理以得到当前实时的空间音频噪声信号。经由所述硬件处理系统对实时空间音频噪声信号进行处理，在硬件处理系统中发明硬件并行架构的方法，一种具有少量执行器(N个麦克风和一个扬声器)的分散控制，即修改控制算法(减少运算量)来减少主动噪声控制的硬件实现成本。使得降噪算法在硬件资源占用上得到显著减少。最后通过FxLMS算法产生进行噪声抑制的共振逆旋波信号。将所述的共振逆旋波信号依次进行数模转换及处理信号放大后经由扬声器进行输出。
实施例二
本发明另一方面还提出一种封闭空间内音频信号主动降噪系统，请查阅图4，所示为本发明第二实施例中的主动降噪处理系统框图，所述系统包括：硬件处理系统以及其系统外部的麦克风，扬声器。
进一步地所述硬件处理系统包括:
噪声采集模块，用于实时获取空间中的音频信号以及将音频噪声信号传递给FPGA进行主动降噪处理。
FPGA,通过降噪处理模块来高速处理噪声采集模块发送的音频噪声信号。基于FxLMS算法产生共振逆旋波信号发送给扬声器输出模块，进行主动降噪。
扬声器输出模块，用于发出共振逆旋波来抵消音频噪声，进行主动降噪。
进一步地所述降噪处理模块包括:
并行架构单元，其内使用本发明的硬件并行架构，用于加速主动降噪算法的收敛速度，降低算法的运算量，减少执行时间。
主动降噪算法单元，其内基于FxLMS主动降噪算法，其算法的滤波器迭代地更新过去样本的自适应权重。权重的更新是使用梯度法进行的，以最大限度地减少测量声音的瞬时二次误差。
关于封闭空间内音频信号主动降噪系统的具体限定可以参见上文中对于封闭空间内音频信号主动降噪系统的限定，对应的技术效果也可等同得到，在此不再赘述。
上述封闭空间内音频信号主动降噪系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。其中特别要说明的是本发明的降噪算法硬件并行体系结构只能应用于FPGA之中不能使用计算机，DSP等进行替代。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤；
S1、通过麦克风实时获取当前空间的音频噪声信号，并将此音频信号依次进行信号放大，滤波处理及模数转换处理，输送给给硬件处理系统进行处理以得到当前实时的空间音频噪声信号；
S2、硬件处理系统对实时空间音频噪声信号进行处理，在处理过程中使用硬件并行架构的方式降低算法运算量，通过FxLMS算法产生进行噪声抑制的共振逆旋波信号；
S3、扬声器将依次进行数模转换及处理信号放大后的共振逆旋波信号进行输出，抵消空间内噪声。
2.根据权利要求1所述的一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，其特征在于：所述S2中主动降噪方法通过FPGA硬件进行实现，在FPGA内部进行硬件并行架构的方式进行音频信号的主动降噪处理。
3.根据权利要求1所述的一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，其特征在于：所述S2中主动降噪算法基于FxLMS算法。
4.根据权利要求2所述的一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，其特征在于：所述S2中的硬件并行架构其中每个次级路径Skm都由并行的方式独立运行，数字滤波器的实现需要系数和输入的乘积之和，该和中的每一步都可以被视为乘法和累加的组合。
5.根据权利要求4所述的一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，其特征在于：所述S2中在算法结束时使用额外的MACC块来生成控制信号，每个MACC的输出结果对应于等式中的相移项，这些相移项存储在FPGA中的RAM块中。存储器块被配置为循环FIFO，其中最旧的数据被丢弃，并且一旦MACC块计算出最新的数据就被替换。
6.如权利要求3所述的一种封闭空间内音频信号主动降噪方法，其特征在于，所述S2中FxLMS算法的可变步长通过正弦变量函数调整进而用于更新FxLMS算法的权值公式；所述权值公式表示为：
7.如权利要求1-6任一项所述的一种封闭空间内音频信号主动降噪系统，其特征在于，所述系统包括：硬件处理系统以及其系统外部的麦克风，扬声器。
8.如权利要求7所述的一种封闭空间内音频信号主动降噪系统，其特征在于，所述硬件处理系统包括:
噪声采集模块，用于实时获取空间中的音频信号以及将音频噪声信号传递给FPGA进行主动降噪处理；
FPGA,通过降噪处理模块来高速处理噪声采集模块发送的音频噪声信号，基于FxLMS算法产生共振逆旋波信号发送给扬声器输出模块，进行主动降噪；
扬声器输出模块，用于发出共振逆旋波来抵消音频噪声，进行主动降噪。
9.如权利要求8所述一种封闭空间内音频信号主动降噪系统，其特征在于，所述降噪处理模块包括:
并行架构单元，其内使用本发明的硬件并行架构，用于加速主动降噪算法的收敛速度，降低算法的运算量，减少执行时间。
主动降噪算法单元，其内基于FxLMS主动降噪算法，其算法的滤波器迭代地更新过去样本的自适应权重，权重的更新是使用梯度法进行的，以最大限度地减少测量声音的瞬时二次误差。
Publications (1)
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