DE69230867T2

DE69230867T2 - System zur reduktion von periodischen störungen

Info

Publication number: DE69230867T2
Application number: DE69230867T
Authority: DE
Inventors: Graham Eatwell
Original assignee: Noise Cancellation Technologies Inc
Current assignee: Noise Cancellation Technologies Inc
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2012-06-26
Also published as: EP0694234A4; EP0694234B1; WO1994000930A1; DE69230867D1; ATE191303T1; EP0694234A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf ein Steuersystem zum Dämpfen einer periodischen Anfangsstörung in einem physikalischen System mittels einer Gegenstörung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9.
Das Prinzip der Reduzierung einer unerwünschten Störung durch Erzeugen einer Störung mit der entgegengesetzten Phase ist gut dokumentiert. Die Technik wird häufig als aktive Steuerung bezeichnet, um sie von einer passiven Steuerung zu unterscheiden, bei der die Elemente des Systems nicht in der Lage sind, Störungen zu erzeugen.
EP-A 0 465 174 offenbart eine adaptive, aktive Vorrichtung zur Rauschunterdrückung, bei der das Signal eines ersten Sensorelementes zum Aufnehmen von Vibrationen auf einer Rauschquelle über einen Signalprozessor zu einem Lautsprechermittel geleitet wird, um eine Gegenstörung zu erzeugen. Diese Gegenstörung löscht eine ursprüngliche Störung bei einem zweiten Erfassungsmittel, das zum Detektieren einer Reststörung verwendet wird. Der Ausgang des zweiten Erfassungsmittels ist mit einem Verzögerungsmittel und einem inversen Filtermittel verbunden, um eine adaptive Steuereinheit zu versorgen, die zum Adaptieren des Signalprozessors verwendet wird. Im Fall einer erfolgreichen Adaption desselben wird das Signal des ersten Sensorelements in einer Weise verarbeitet, dass effektiv keine Reststörung durch dieses zweite Erfassungsmittel detektiert wird.
Nelson und Elliot geben einen Überblick über einige der Arbeiten, die bis heute durchgeführt wurden, in: "Active Control of Sound", Academic Press (1992).
Die früheste Technik auf diesem Gebiet wurde von P. Lueg erarbeitet, der im US-Patent 2 034 416 einen Aktuator und einen Sensor beschrieb, die durch eine einfache negative Rückkopplungsschleife gekoppelt waren.
Der Hauptnachteil dieses Systems besteht darin, daß die Störung lediglich über einen begrenzten Bereich von niedrigen Frequenzen reduziert werden kann. Dies liegt an der endlichen Antwortzeit des Steuersystems (die Zeitspanne, die ein Signal, das zu dem Aktuator gesendet wird, braucht, um eine Antwort des Sensors zu bewirken). Die Regelschleife kann die mit dieser Verzögerung verknüpften Phasenverschiebungen nicht kompensieren und arbeitet somit nur bei niedrigen Frequenzen, bei denen die Phasenverschiebungen gering sind. Die Verstärkung der Rückkopplungsschleife muß bei anderen Frequenzen gering sein, um die Stabilität des Systems aufrechtzuerhalten. Dies wird durch den Einbau eines Tiefpassfilters in die Schleife erreicht - was eine zusätzliche Verzögerung einbringt.
Der Anwendungsbereich von aktiven Steuersystemen wurde durch die Verwendung von moderneren adaptiven Steuertechniken erweitert, wie jenen von B. Widrow und S. D. Stearns in "Adaptive Signal Processing", Prentice Hall (1985) beschriebenen. Im US-Patent Nr. 5 105 377 erzielt Ziegler eine Rückkopplungssystemstabilität durch die Verwendung eines Kompensationsfilters, das digitale Filter muß jedoch weiterhin versuchen, die Phasencharakteristika des Systems zu kompensieren. Dies ist nicht allgemein möglich, wenn jedoch die Störung eine begrenzte Frequenzbandbreite aufweist, kann das digitale Filter adaptiert werden, um bei den interessierenden Frequenzen ungefähr die richtige Phasencharakteristik aufzuweisen. Die Filtercharakteristik ist daher sowohl von der Störung als auch von dem zu steuernden System abhängig und muß verändert werden, wenn sich das Rauschen ändert.
Eine Klasse von Störungen, für welche diese Vorgehensweise erfolgreich sein kann, sind periodische Störungen. Diese sind durch eine Grundperiode charakterisiert, eine Zeitspanne, über die hinweg sich die Störung selbst wiederholt. Störungen sind selten exakt periodisch, aber es kann jegliche Störung, bei der sich die Periode über eine Zeitskala ändert, die länger als jene ist, über die hinweg sich die Störung selbst ändert, in diese Klasse einbezogen werden.
Es wurden mehrere Vorgehensweisen zur Steuerung periodischer Störungen entwickelt, einschließlich jener von C. Ross im US- Patent Nr. 4 480 333 beschriebenen. Das Patent beschreibt ein Vorwärtsregelsystem, bei dem ein Tachometersignal durch ein adaptives digitales Filter geführt wird. Es liegt keine Beschreibung der Form des Tachometersignals vor, aber es enthält keine Information über die Amplitude der zu steuernden Störung, und somit muß das Filter wiederum in Reaktion auf die Störung adaptiert werden. Chaplin et al. beschreiben im US-Patent 4 153 815 das Verfahren der Signalverlaufssynthese, bei der ein Modell eines Zyklus des gewünschten Steuersignals gespeichert und dann wiederholt zu dem Aktuator gesendet wird. Nelson und Elliot, siehe unten, beschreiben die Äquivalenz dieser zwei Vorgehensweisen in dem speziellen Fall, in dem die Periode konstant bleibt.
Im US-Patent 4 490 841 erkennen Chaplin et al. den Vorteil des Aufspaltens des gespeicherten Signalverlaufs in seine Frequenzkomponenten. Der Vorteil dieses Schrittes liegt darin, daß jede Frequenzkomponente unabhängig adaptiert werden kann. Dies kann die Fähigkeit des Systems verbessern, sich an sich rasch verändernde Störungen zu adaptieren, und kann die mit dieser Adaption verknüpften Berechnungsanforderungen re duzieren. Andere haben diese Technik zur Kenntnis genommen, wie Swinbanks im US-Patent Nr. 4 423 289, der die Verwendung von frequenzabtastenden Filtern und die Äquivalenz von Gewichten im Zeit- oder Frequenzraum beschreibt.
In allen vorstehenden Systemen müssen die Filter eingestellt werden, um die sich ändernden Störungen zu bewältigen. Dies erfordert Verarbeitungsleistung und macht das Steuersystem kostenintensiver. Außerdem werden alle vorstehenden Systeme zunehmend kompliziert, wenn die Anzahl an Harmonischen in der Störung zunimmt. Dies ist ein Problem für Störungen, die ihrer Art nach impulsförmig sind - wie der Schall des Auslasses oder Einlasses einer Brennkraftmaschine.
Demgemäß besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, ein Steuersystem für periodische Störungen bereitzustellen, das wenig oder keine Adaption erfordert.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Steuersystems, das zum Löschen periodischer Störungen auf dem Zeitraum basiert.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein charakteristisches System zum Steuern des Löschens periodischer Störungen bereitzustellen, bei dem der erforderliche Berechnungsaufwand mit der Anzahl von zu steuernden Harmonischen nicht zunimmt.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Steuersystem nach Anspruch 9 erfüllt, wobei ein verzögertes inverses Filter, eine variable Verzögerung und optional ein Kammfilter verwendet werden.
Anders als bei vormaligen Systemen ist wenig oder keine Adaption erforderlich, und da das System auf dem Zeitraum basiert statt auf dem Frequenzraum, nimmt der erforderliche Berechnungsaufwand mit der Anzahl an zu steuernden Harmonischen nicht zu.
Das Steuersystem weist viele Anwendungsmöglichkeiten auf, einschließlich der aktiven Steuerung von Schall und Vibration sowie der selektiven Entfernung von periodischem Rauschen in Kommunikationssignalen.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich, in denen
Fig. 1 eine diagrammatische Ansicht des grundlegenden Steuersystems ist,
Fig. 2 eine diagrammatische Ansicht eines rekursiven Kammfilters ist,
Fig. 3 eine diagrammatische Ansicht einer Kammfilterkonfiguration ist,
Fig. 4 eine diagrammatische Ansicht eines Steuersystems ist,
Fig. 5 eine diagrammatische Ansicht eines kombinierten Systems ist,
Fig. 6 eine diagrammatische Ansicht der Adaption eines verzögerten inversen Filters ist,
Fig. 7 eine diagrammatische Ansicht der Identifizierung eines Modellfilters A ist,
Fig. 8 eine Ansicht einer off-line-Adaption eines verzögerten Inversen ist,
Fig. 9 eine diagrammatische Ansicht eines Systems mit on- line-Identifizierung ist,
Fig. 10 eine diagrammatische Ansicht eines in-wire-Rauschunterdrückungssystems ist,
Fig. 11 eine diagrammatische Ansicht eines Mehrkanalsystems ist und
Fig. 12 eine Zeitanalyse eines abgetasteten Signals ist.
Die Erfindung ermöglicht eine Löschung von periodischen Störungen und weist die folgenden Hauptvorteile auf:
1) Das Filter ist durch das zu steuernde System festgelegt und muß nicht adaptiert werden, um sich ändernde Störungen zu bewältigen.
2) Das Filter arbeitet im Zeitraum, beruhend lediglich auf der Periodizität des Rauschens, und somit sind die Berechnungsanforderungen unabhängig von der Anzahl von harmonischen Komponenten in der Störung.
Zwecks Erläuterung wird zuerst ein digitales Einzelkanal- Steuersystem beschrieben.
Das in Fig. 1 gezeigte, grundlegende Steuersystem besteht aus einer Rückkopplungsschleife, die einen Fehlersensor (1), eine Signalaufbereitung (2), einen Analog-Digital-Wandler (ADC) (3) (nur erforderlich, wenn digitale Filter zu verwenden sind), ein Kompensationsfilter (4), ein 'verzögertes inverses' Filter (S), eine Verzögerungsleitung (6) mit einer Verzögerung τ-mT, einen Digital-Analog-Wandler (DAC) (7) (nur erforderlich, wenn digitale Filter zu verwenden sind), eine Signalaufbereitung (8) sowie einen Aktuator (9) beinhaltet.
Die zusätzliche Verzögerung wird so gewählt, dass die modellierende Verzögerung und die zusätzliche Verzögerung eine ganze Zahl von Rauschzyklen betragen. Wenn die Zykluslänge τ nicht im voraus bekannt ist oder Schwankungen unterliegt, muß die Verzögerung in dem Maß variiert werden, in dem die Periode des Rauschens variiert. Die Periode kann von dem Rauschen selbst oder von einem Sensor, wie einem Beschleunigungsmesser oder einem Tachometer, in Reaktion auf die Frequenz der Rauschquelle gemessen werden. Der Teil des Systems von dem Steuerungsausgang zu dem Steuerungseingang wird als Anlage bezeichnet. Er beinhaltet sowohl die Elemente 6, 7, 8, 9, 1, 2, 3 in Fig. 1 als auch die Antwort des physikalischen Systems.
Die modellierende Verzögerung ist durch das zu steuernde System festgelegt und muß typischerweise größer als die Verzögerung durch die Anlage sein. Sie wird durch das verzögerte inverse Filter 5 implementiert.
Die zusätzliche Verzögerung ist durch die modellierende Verzögerung und durch die Grundperiode des Rauschens (der Störung) festgelegt. Sie wird durch die Verzögerungsleitung 6 implementiert.
Anders als bei vormaligen Steuersystemen braucht das Filter sich mit dem Rauschen nicht zu ändern.
Für eine Abtastperiode T ist das abgetastete Fehlersignal e(nT) gegeben durch
e (nT) = y(nT) + (A*x)(nT), (1)
wobei * eine Faltung bezeichnet, die gegeben ist durch
und wobei y(nT) das Signal aufgrund der nicht gelöschten Störung ist, A(kT) die Antwort am Fehlersensor zum Zeitpunkt t = kT aufgrund eines Einheitsimpulses ist, der zum Zeitpunkt t = 0 zu dem Aktuator gesendet wurde, und x das Steuerungsausgangssignal ist.
Für elektrische Störungen steht das Signal y zur Verfügung, für andere Anwendungen kann das Signal y durch Subtrahieren des vorhergesagten Effektes der Steuereinheit von dem Fehlersignal ermittelt werden durch
y(nT) = e(nT) - (A*x)(nT), (3)
unter der Voraussetzung, daß die Antwort A bekannt ist.
Das ideale Ausgangssignal x kann erhalten werden, indem das Signal y über ein Filter F geführt und invertiert wird, so daß
x(nT) = -(F*y)(nT). (4)
Das Filter F ist das Inverse von A, das in digitaler Form definiert ist durch
(A*F)(nT) = 1, wenn n = 0, ansonsten 0. (5)
Unglücklicherweise kann das Filter F nicht realisiert werden, da es die Verzögerung der Antwort A kompensieren muß.
Häufig ist es jedoch möglich, ein Filter B zu realisieren, welches das verzögerte Inverse von A mit einer Phaseninversion ist. B ist definiert durch
(A*B)(nT) = -1, wenn n = m, ansonsten 0, (6)
wobei mT als die modellierende Verzögerung bezeichnet wird.
Wir können ein Filter D(t) definieren, welches einer reinen Zeitverzögerung t entspricht. Gleichung (6) kann dann kompakter als
A*B = -D (mT) (7)
geschrieben werden.
Eine periodische Störung wird durch Verzögern derselben um einen Rauschzyklus sehr wenig verändert, so daß sich für eine Störung mit der Periode τ ergibt:
y(t - τ) &sim; y(t).
oder äquivalent
D(τ)*y &sim; y. (9)
Das Steuersystem verwendet diese Eigenschaft der Störung.
Bei einer Form des Steuersystems wird das Filter durch serielles Kombinieren des Filters B und eines Filters D(τ-mT) erzielt. Das Aktuatortreibersignal wird erhalten, indem das Signal y(t), das unter Verwendung von Gleichung (3) erhalten wurde, über dieses kombinierte Filter geführt wird. Die Antwort am Sensor ist
e = y + A*(B*D(τ-mT))*y. (10)
Bei Verwendung der Definition (7) ist ersichtlich, daß die Kombination A*B*D äquivalent zu einer reinen Zeitverzögerung τ ist, folglich ist die Reststörung
e(t) = y(t) - y(t-τ). (11)
Für periodische Signale, die (9) genügen, ist diese Reststörung klein.
Wenn die modellierende Verzögerung größer als eine Periode ist, muss τ in Gleichung 10 und den nachstehend beschriebenen Systemen durch ein ganzzahliges Vielfaches der Periode, Nτ, derart ersetzt werden, daß Nτ > mT ist.
Fig. 4 zeigt ein Steuersystem, bei dem das Kompensationsfilter vermieden werden kann. In dieser Form wird das Aktuatortreibersignal erhalten, indem das Fehlersignal e(t) über das verzögerte inverse Filter B und die Verzögerungsleitung D(τ- mT) und anschließend über eine zusätzliche Verstärkung K geführt wird (man beachte, daß die Reihenfolge dieser Elemente vertauscht werden kann). Die Antwort am Sensor ist
e = y + A*K.(B*D)*e. (12)
Die Kombination A*B*D ist äquivalent zu einer reinen Verzögerung τ, folglich
e(t) = y(t) - K.e(t-τ). (13)
Wenn das Fehlersignal periodisch mit der Periode τ ist, kann (13) umgeschrieben werden, um
e(t) = y(t)/(1 + K) (14)
zu ergeben. Folglich ist die Störung um einen Faktor 1 + K reduziert.
Störungen mit anderen Perioden (anderen Frequenzen) werden möglicherweise nicht reduziert und können verursachen, daß das System instabil wird. Dies kann durch Herausfiltern von Störungen vermieden werden, die keine Grundperiode τ aufweisen.
Eine Weise, um dies zu bewerkstelligen, besteht in der Verwendung eines 'Kamm-Filters', das an jedem beliebigen Punkt in der Rückkopplungsschleife positioniert werden kann. Ein Beispiel für ein Kammfilter ist eine positive Rückkopplungsschleife mit einer Verzögerung um einen Zyklus um die Schleife herum und einer Schleifenverstärkung a von weniger als eins. Dies ist in Fig. 2 gezeigt. Ein weiteres Beispiel ist eine Vorwärtsregelschleife mit einer Verzögerung von 1/2 Zyklus in einem der Pfade, wie in Fig. 3 gezeigt.
Das vollständige Steuersystem ist in Fig. 4 gezeigt. Die Verzögerung und das Kammfilter wurden in diesem Beispiel kombiniert, so daß lediglich eine einzige variable Verzögerung erforderlich ist. Das Ausgangssignal der Steuereinheit ist
x = D(τ-mT) (K(1-a)B*e + aD(mT)*x). (15)
In der ersten Form des Steuersystems, die in Fig. 1 gezeigt ist, wird die Ermittlung des nicht gelöschten Signals y durch Verwenden von Gleichung (3) erhalten. Dieses Signal wird dann über das Filter B geführt, um ein Signal B*y zu ergeben. Dies erfordert die Berechnung von zwei Faltungen. Bei Verwenden der Beziehung
B*y = B*(e-A*x) = B*e - B*A*x = B*e + D(mT)*x (16)
wird jedoch ersichtlich, daß das Signal B*y über eine einzige Faltung und eine Verzögerung berechnet werden kann. Dies erfordert einen geringeren Berechnungsaufwand.
Das Ausgangssignal der Steuereinheit ist
x = D(τ-mT)B*y = D(τ-mT)(B*e + D(mT)*x), (17)
was Gleichung (15) sehr ähnlich ist, da das Kompensationsfilter als Kammfilter erscheint. Formal sind die zwei Gleichungen in dem Grenzfall die gleichen, in dem a mit K(1-a) = 1 zu eins tendiert.
Wenn ein zusätzliches Kammfilter zu der Steuereinheit in Gleichung (17) hinzugefügt wird, können das Kammfilter und die Rückkopplungskompensation kombiniert werden. Das Ausgangssignal der Steuereinheit ist dann
x = D(τ-mT)B*y = D(τ-mT)((1-a)B*e + D(mT)*x). (18)
Das resultierende Steuersystem ist in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Form des Steuersystems bestimmt der Parameter a den Grad an Selektivität der Steuereinheit, wobei a = 0 der am wenigstens selektive ist und die Selektivität mit zunehmendem a zunimmt.
Es gibt viele bekannte Weisen, die erforderlichen Verzögerungen auszuführen. Ein Beispiel, das verwendet werden kann, wenn die Abtastfrequenz im Vergleich zu der höchsten Frequenz der Störung hoch ist, besteht darin, ein digitales Filter zu verwenden, das lediglich zwei Koeffizienten ungleich null aufweist. Für eine Verzögerung t = (n + δ)T, die kein ganzzahliges Vielfaches von Abtastperioden ist, ist dies äquivalent mit dem Ausdruck
D(t) &sim; (1-δ).D(nT) + δ.D(nT + T). (19)
Dies kann als digitales Filter mit dem n-ten Koeffizienten 1-δ und dem (n+1)-ten Koeffizienten δ ausgeführt werden.
Weitere Arten der Implementierung der erforderlichen Verzögerungen beinhalten analoge und digitale Verzögerungsleitungen sowie vollständig digitale Filter.
Die Einbeziehung eines Kammfilters vermeidet eine Verstärkung der Störung bei nicht-harmonischen Frequenzen und macht außerdem das Steuersystem selektiv.
Ein Kammfilter kann in jeglicher Form des Steuersystems eingebaut werden. In der ersten Form ist es lediglich erforderlich, wenn Selektivität nötig ist, da die Stabilität durch Verwendung des Kompensationsfilters erzielt wird. In der zweiten Form ist das Filter notwendig, um die Rückkopplungsschleife zu stabilisieren.
Es gibt allgemein bekannte Verfahren, um das verzögerte inverse Filter zu erhalten. Einige von diesen werden von Widrow und Stearns beschrieben. Ein Beispiel ist in Fig. 6 gezeigt. Ein Prüfsignal wird durch ein adaptives Filter geführt und anschließend zu dem Aktuator gesendet. Die Antwort von dem Sensor wird zu einer verzögerten Version des Prüfsignals addiert, und jegliche Differenz wird zum Adaptieren des Filters verwendet. Wenn die Filteradaption beendet ist, ist das Filter eine Näherung für das erforderliche Filter B, das ein verzögertes Inverses des Systems mit einer Phaseninversion ist. Das Filter kann eine Kombination eines Filters mit endlicher Impulsantwort und eines rekursiven Filters sein.
Es ist nicht immer möglich, ein verzögertes Inverses des Systems zu erhalten. Dies geschieht zum Beispiel, wenn das Sy stem nicht als minimales Phasensystem zuzüglich einer Verzögerung modelliert werden kann. Es gibt Wege, dieses Problem zu überwinden, wobei ein Weg darin besteht, einen zusätzlichen Filter und Aktuator zu verwenden. Diese Technik ist auf dem Gebiet der Audioverarbeitung allgemein bekannt, wo eine Kompensation der Raumakustik erforderlich ist, siehe Miyoshi et al. in "Inverse Filtering of Room Acoustics", IEEE Trans Acoustics Speech and Signal Processing, ASSP-36, 145 bis 152 (1988). Für eine Anwendung zur aktiven Steuerung in Fahrgasträumen von Flugzeugen und Automobilen, bei denen es der Nachhall des Fahrgastraums schwierig macht, ein Einzelkanalsystem zu implementieren, ist es zum Beispiel wahrscheinlich, daß Mehrkanalversionen des Steuersystems verwendet werden.
Für die erste Form des Steuersystems, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Vorwärtsfilter A ebenfalls erforderlich. Wiederum gibt es allgemein bekannte Techniken zur Identifizierung eines Modells von A, die z. B. in "adaptive signal processing" von Berard Widrow und Samuel D. Stearns, Prentice-Hall Inc., Kapitel 9 offenbart sind. Ein Beispiel ist in Fig. 7 gezeigt. Ein Prüfsignal wird zu dem Aktuator und über ein adaptives Filter gesendet. Die Antwort beim Sensor wird mit dem Ausgangssignal des adaptiven Filters verglichen, und jegliche Differenz wird zum Adaptieren des Filters verwendet.
Ist das Filter A einmal bekannt, kann das Filter B bestimmt werden wie in Fig. 8. Dies ist äquivalent zu Fig. 6, mit der Ausnahme, daß das tatsächliche System durch das Modell des Systems ersetzt wurde. Alternativ kann das Filter B unter Verwendung der Wiener-Filter-Theorie berechnet werden. Diese Vorgehensweise ist nützlich, wenn die Frequenzbandbreite des Rauschens begrenzt ist oder wenn ein exaktes Inverses nicht erzielbar ist (aufgrund von Effekten endlicher Filterlänge oder nicht-minimaler Phase).
Bei einigen Anwendungen kann sich die Systemantwort über die Zeit hinweg langsam ändern. Bei diesen Anwendungen ist es notwendig, die Filter A und B zu ändern.
Ein Weg, um dies zu bewerkstelligen, besteht darin, das Steuersystem auszuschalten und die Antworten neu zu messen. Alternativ gibt es einige allgemein bekannte Techniken zur Identifizierung von A 'online', d. h. während das Steuersystem weiterhin in Betrieb ist. Zum Beispiel kann ein Prüfsignal mit niedrigem Pegel zu dem Ausgangssignal der Steuereinheit addiert werden. Die Differenz zwischen der aktuellen Antwort und der vorhergesagten Antwort kann dazu verwendet werden, das Modell von A zu adaptieren, vorausgesetzt daß das Prüfsignal zu dem ursprünglichen Rauschen unkorreliert ist.
Das Filter B kann dann unter Verwendung des Modells von A wie in Fig. 8 'off-line' aktualisiert werden.
Ein Beispiel für ein vollständiges Steuersystem einschließlich einer online-Systemidentifizierung ist in Fig. 9 gezeigt.
Alternativ kann das Filter B selbst als ein adaptives Filter behandelt werden. Es gibt viele Verfahren zur Durchführung der Adaption, wie in der Veröffentlichung von Widrow beschrieben, zum Beispiel ist eine Weise der Algorithmus mit 'LMS mit gefilterter Eingabe'. Bei dieser Vorgehensweise wird das Eingangssignal zu dem Filter durch ein Modell der Antwort des Restes des Systems (einschließlich der variablen Verzögerung und des Kammfilters, wenn vorhanden) geführt und dann mit dem Fehlersignal korreliert, um die erforderliche Änderung des Filters zu bestimmen. Dies liefert lediglich Informationen bei Frequenzen, die harmonische Vielfache der Grundfrequenz des Rauschens sind. Bei einigen Anwendungen gibt es jedoch mehr Harmonische im Rauschen als es Koeffizienten in dem Filter gibt. In diesen Fällen gibt es ausreichend Informationen, um alle Koeffizienten zu aktualisieren.
Bei einigen Anwendungen ist die Störung ein elektrisches Signal, wie ein Kommunikationssignal. In diesem Fall ist die Antwort des Systems typischerweise eine reine Verzögerung (zuzüglich eines bestimmten Verstärkungsfaktors). Das verzögerte inverse Filter B stellt dann ebenfalls eine reine Verzögerung dar, und das gesamte System besteht gerade aus einer festen Verzögerung und einer variablen Verzögerung, wie in Fig. 10 gezeigt.
Die Erweiterung des Systems auf mehrfach wechselwirkende Kanäle ist für den Fachmann offensichtlich. Ein Beispiel für ein Mehrkanalsystem mit drei Eingängen und zwei Ausgängen ist in Fig. 11 gezeigt. Ein inverses Filter Bij ist für jedes Paar von wechselwirkendem Sensor und Aktuator erforderlich, während lediglich ein Kammfilter (oder eine variable Verzögerungseinheit) für jeden Ausgangskanal (CF1 und CF2 in der Figur) erforderlich ist. Die Kammfilter können stattdessen auf die Eingangskanäle angewendet werden, häufig gibt es jedoch mehr Eingänge als Ausgänge, was in diesem Fall zu einem komplexeren Steuersystem führen würde.
Das Eingangssignal in das i-te Kammfilter ist
wobei ej das Signal von dem j-ten Sensor ist und Bij das geeignete inverse Filter ist.
Das Ausgangssignal von dem i-ten Kanal ist
Yi = (1-a)D(mT)*ri + D(τ)*Yi. (21)
Die Filter Air, welche die Systemantwort modellieren, können auf die gleiche Weise wie die Einzelkanalfilter aufgefunden werden, indem die Ausgangskanäle der Reihe nach mit einem Prüfsignal angesteuert werden. Alternativ können alle Kanäle gleichzeitig mit unabhängigen (unkorrelierten) Signalen angesteuert werden.
Sind die Filter Air einmal identifiziert, gibt es eine Vielzahl von Wegen, auf denen die Filter Bij erhalten werden können. Diese beinhalten Vorgehensweisen im Zeitraum, wie Wiener-Filterung, sowie Vorgehensweisen im Frequenzraum.
Alternativ können die Filter Bij direkt durch adaptives Filtern unter Verwendung zum Beispiel des Mehrkanal-Algorithmus der kleinsten Fehlerquadrate erhalten werden.
Die anderen Einzelkanalsysteme, die vorstehend beschrieben sind, können ebenfalls als Mehrkanalsysteme ausgeführt werden.

Umsetzung in die Praxis

Es wurde die Effektivität des Steuersystems auf das selektive Filtern eines periodischen Rauschens von einem Kommunikationssignal demonstriert. In diesem Beispiel befindet sich das Übertragungsmikrofon in der Nähe einer lauten, periodischen Rauschquelle, und unbehandelt kann das Gespräch über dem Rauschen nicht gehört werden. Die Zeitspur des unbehandelten Signals ist in der oberen graphischen Darstellung in Fig. 12 gezeigt.
Das behandelte Signal ist in der unteren graphischen Darstellung gezeigt, und das Sprachsignal ist klar über dem redu zierten Rauschpegel erkennbar (und hörbar). Der Rauschpegel fällt exponentiell ab, wenn das System das erste Mal eingeschaltet wird, da das Löschsignal für den Aufbau der Antwort mehrere Male die Regelschleife durchlaufen muß.

Claims

1. Verfahren zur Reduktion einer periodischen Anfangs- Störung in einem physikalischen System mittels einer Gegen-Störung unter Einstatz eines Steuer- und Regelsystems mit den Schritten des:

- Erzeugens der Gegen-Störung durch ein oder mehrere Geber-Mittel (9) aufgrund eines Steuer-Signals (x(t)), das mittels eines Schaltkreises erzeugt wird,

- Erfassens einer Rest-Störung in dem physikalischen System durch ein oder mehrere Sensor-Mittel (1), wobei die Rest-Störung als Überlagerung der Anfangs-Störung und der Gegen-Störung definiert ist, um ein Fehler- Signal (e(t)) zu erzeugen, das mit der Rest-Störung verknüpft ist,

- Führens des Fehler-Signals (e(t)) oder eines ersten Signales (y(t)), welches von dem Fehler-Signal (e(t)) abgeleitet ist, durch ein inverses Filter-Mittel (5) und ein erstes Verzögerungs-Mittel (6), die in serieller Anordnung aneinander gekoppelt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das inverse Filter-Mittel (5) ein Signal mit einer festen Modellverzögerung ausgibt, die für eine inverse Modellverzögerung des physikalischen Systems repräsentativ ist, und

- das erste Verzögerungsmittel (6) ein Signal mit einer Verzögerungszeit ausgibt, das an die Periode der ursprünglichen periodischen Führung und die feste Modellverzögerung angepaßt ist, so daß die Summe der festen Modellverzögerung und der Verzögerungszeit gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Periode der ursprünglichen periodischen Störung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es das Führen des Fehler-Signales (e(t)) oder des ersten Signales (y(t)), das von dem Fehler-Signal (e(t)) abgeleitet ist, durch zunächst das inverse Filter-Mittel (5) und dann darauffolgend durch das erste Verzögerungs-Mittel (6) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Schritt des Messens einer Fundamentalperiode der ursprünglichen periodischen Störung und, basierend auf der Fundamentalperiode der ursprünglichen periodischen Störung, des Variierens der Verzögerungszeit des ersten Verzögerungs-Mittels (6) enthalten ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen an dem Fehler-Signal (e(t)) oder dem ersten Signal (y(t)) durchgeführt wird, das von dem Fehler- Signal (e (t)) abgeleitet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen an einem zusätzlichen Frequenz-Signal durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren das Führen des Steuer- Signales (x(t)) durch ein Rückkopplungskompensation- Filter-Mittel (4) und das Subtrahieren seines Ausgangs von dem Fehler-Signal (e(t)) umfaßt, um das erste Signal (y(t)) bereitzustellen, das von dem Fehler-Signal (e(t)) abgeleitet ist, wobei das erste Signal (y(t)) für die ursprüngliche Störung repräsentativ ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren das Führen des Fehler- Signales (e(t)) durch ein Kamm-Filter-Mittel umfaßt, welches vor oder nach dem inversen Filter-Mittel (5) angeordnet ist, um lediglich die Störungen mit einer ausgewählten Fundamentalperiode zu regeln.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Signal-Filterns in dem Kamm-Filter mit einem Schritt des Verstärkens oder Abschwächens über ein Verstärker-Mittel (12) kombiniert ist.

9. Steuer- und Regelsystem zur Reduktion einer ursprünglichen periodischen Störung in einem physikalischen System mittels einer Gegen-Störung mit:

- Mitteln zum Erzeugen der Gegen-Störung auf ein Steuer- Signal (x(t)) hin, das mit einem Schaltkreis erzeugt ist, durch ein oder mehrere Geber-Mittel (9),

- Mitteln (1) zum Erfassen einer Rest-Störung in dem physikalischen System, wobei die Rest-Störung als eine Kombination der ursprünglichen Störung und der Gegen- Störung definiert ist und zum Zwecke des Erzeugens eines Fehler-Signales (e(t)) mit der Rest-Störung verknüpft ist,

- einem Schaltkreis, dessen Eingang mit dem Fehler- Signal gespeist ist, der ein inverses Filter-Mittel (5) und ein erstes Verzögerungs-Mittel (6) enthält, die in serieller Anordnung zusammengekoppelt sind, durch die das Fehler-Signal (e(t)) oder ein erstes Si gnal (y(t)), das von dem Fehler-Signal (e(t)) abgeleitet ist, geführt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das inverse Filter-Mittel (5) Mittel zum Ausgeben eines Signales enthält, die eine feste Modellverzögerung haben, die für eine inverse Modellverzögerung des physikalischen Systems repräsentativ ist, und

- das erste Verzögerungs-Mittel (6) Mittel zum Ausgeben eines Signales mit einer Verzögerungszeit enthält, die an die Periode der ursprünglichen periodischen Störung und die feste Modellverzögerung angepaßt ist, so daß die Summe aus der festen Modellverzögerung und der Verzögerungszeit gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Periode der ursprünglichen periodischen Störung ist.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es Einstell-Mittel für das erste Verzögerungs-Mittel (6) aufweist, um dessen Verzögerungszeit zu variieren, um die Summe der festen Modellverzögerung des inversen Filter- Mittels (5) und der Verzögerungszeit des ersten Verzögerungs-Mittels (6) einem ganzzahligen Vielfachen dieser ursprünglichen periodischen Störung gleichzusetzen.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zum Messen einer Fundamentalperiode der ursprünglichen periodischen Störung enthält, um die Verzögerungszeit des ersten Verzögerungs-Mittels (6) entsprechend dieser Fundamentalperiode zu variieren.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß-Mittel zum Messen einer Fundamentalperiode der ursprünglichen periodischen Störung so ausgelegt ist, daß es das Fehler-Signal (e(t)) oder das erste Signal (y(t)), das von dem Fehler-Signal (e(t)) abgeleitet ist, verwenden kann.

13. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß-Mittel für das Verwenden eines zusätzlichen Frequenz- Signales ausgelegt ist.

14. System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückkopplungskompensation-Filter-Mittel (4) vorgesehen ist, durch das ein Rückkopplungs-Signal geführt ist, und Subtrahier-Mittel vorgesehen sind, um das Ausgangs-Signal des Rückkopplungskompensation-Filter- Mittels (4) von dem Fehler-Signal (e(t)) zu subtrahieren, um das erste Signal (y(t)) bereitzustellen, das für die ursprüngliche Störung repräsentativ ist.

15. System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kamm-Filter-Mittel vorgesehen ist, das vor oder nach dem inversen Filter-Mittel (5) angeordnet ist, durch das das Fehler-Signal (e(t)) geführt ist, um lediglich die Störungen mit einer ausgewählten Fundamentalperiode zu regeln.

16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbares Verstärker-Mittel (12) vorgesehen ist, das sich zum Verstärken oder Bedämpfen eignet, wobei das Kamm-Filter-Mittel mit diesem einstellbaren Verstärker- Mittel (12) kombiniert ist.