DE69328851T2

DE69328851T2 - Aktive Regelungsvorrichtung mit einem adaptiven Digitalfilter

Info

Publication number: DE69328851T2
Application number: DE69328851T
Authority: DE
Inventors: Masaki Eguchi; Kozo Hiyoshi; Hiroyuki Iida; Jun Saitoh
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-07-07
Filing date: 1993-07-06
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2013-07-07
Also published as: EP0578212A3; EP0578212A2; US5337366A; DE69328851D1; EP0578212B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein aktive Regelungsvorrichtungen unter Verwendung adaptiver Digitalfilter, und spezieller betrifft sie eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven Digitalfilters zum Einsatz in einer Signalregelungsschaltung, die in einer aktiven Geräuschaufhebungsvorrichtung, einer aktiven Schwingungsregelungsvorrichtung, einer Echoaufhebungsvorrichtung, einer adaptiven entsprechenden Anlage oder anderen aktiven Regelungssystemen verwendet wird.

Beschreibung der einschlägigen Technik

Ein Beispiel für eine aktive Geräuschregelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven Digitalfilters ist in Fig. 11 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung wird eine aktive Aufhebung von Geräuschen in einem Kanal ausgeführt.
Gemäß Fig. 11 ist eine Geräuschquelle 11 in einem Kanal 12 mit einer Öffnung an einem Ende vorhanden, und es sind ein Mikrofon 13 zur Geräuscherfassung, ein Mikrofon 14 zum Erfassen einer Geräuschaufhebungsabweichung und ein Lautsprecher 15 zur Geräuschaufhebung angebracht.
Ein vom Geräuscherfassungsmikrofon 13 erfasstes Geräuscherfassungssignal xi(n), das dann durch einen Verstärker 22 geleitet wurde und in einem A/D-Wandler 25 in ein digitales Signal umgesetzt wurde, wird in einem Addierer 42 zum Ausgangssignal v1(n) eines ersten adaptiven FIR(Finite Impulse Response)-Digitalfilter 41 addiert, um ein Signal u1(n) zu ergeben, und es wird in ein zweites adaptives FIR-Digitalfilter 43 eingegeben. Das Ausgangssignal y1(n) des zweiten Digitalfilters 43 wird als Geräuschaufhebungssignal an einen D/A-Wandler 26 ausgegeben. Das im D/A-Wandler 26 in ein analoges Signal umgewandelte Geräuschaufhebungssignal wird über einen Verstärker 23 an den Geräuschaufhebungs-Lautsprecher 15 ausgegeben. Das Ausgangssignal u1(n) des Addierers 42 wird in einen ersten Koeffizientensteuerungsteil 44 und ein FIR-Digitalfilter 45 zur Korrektur eingegeben. Das Aufhebungssignal y1(n) wird in ein erstes adaptives Digitalfilter 41 und den ersten Koeffizientensteuerungsteil 44 eingegeben. Das Ausgangssignal u11(n) des digitalen Korrekturfilters 45 wird in einen zweiten Koeffizientensteuerungsteil 46 eingegeben. Das Ergebnis der Geräuschaufhebung wird im Geräuschaufhebungsabweichungs-Erfassungsmikrofon 14 erfasst und als Geräuschaufhebungs-Abweichungssignal e1(n) über einen Verstärker 24 und einen A/D-Wandler 27 in den zweiten Koeffizientensteuerungsteil 46 eingegeben.
Die Eingangs/Ausgangs-Beziehung für das erste adaptive Digitalfilter 41 ist durch die folgende Gleichung (1) gegeben:
v1(n) = a1(i) · y1(n - i) (1)
wobei a1(i) der Filterkoeffizient des ersten adaptiven Digitalfilters 41 ist und M die Anzahl der Abgriffe des Filters 41 ist. (n) und (n - i) repräsentieren die Zeit.
In ähnlicher Weise ist die Eingangs-Ausgangs-Beziehung des zweiten adaptiven Digitalfilters 44 durch die folgende Glei chung (2) gegeben:
y1(n) = b1(i) · u1(n - i) (2)
wobei b1(i) der Filterkoeffizient des zweiten adaptiven Digitalfilters 43 ist und N die Anzahl der Abgriffe des Filters 43 ist. Der Filterkoeffizient a1(i) des ersten Digitalfilters 41 wird durch die folgende Koeffizientenaktualisierungsformel (3) seriell aktualisiert, um eine akustische Rückkopplungskomponente zu beseitigen, die vom Geräuscherfassungsmikrofon 13 erfasst wurde und mittels eines vom Geräuschaufhebungslautsprecher 15 erzeugten Tons erzeugt wurde und durch den Kanal 12 geleitet wurde:
a1(i, n + 1) = a1(i, n) - α1 · y1(n - i) · u1(n) (3)
wobei α1 einen kleinen positiven Wert eines Schrittgrößenparameters einnimmt. Die Aktualisierung des Filterkoeffizienten a1(i) beruhend auf der Gleichung (3) erzeugt ein Signal u1(n) mit einer Komponente des Geräuscherfassungssignals x1(n), die mit dem aufgehobenen Geräuschaufhebungssignal y1(n) korreliert ist. Demgemäß kann ein Beseitigen der oben beschriebenen Rückkopplungskomponente erzielt werden, was zu einer Unterdrückung von Pfeifgeräuschen und einer Verbesserung des Geräuschaufhebungseffekts beiträgt. Die Koeffizientenaktualisierung auf Grundlage der Gleichung (3) wird im ersten Koeffizientensteuerungsteil 44 ausgeführt.
Der Filterkoeffizient b1(i) des zweiten adaptiven Digitalfilters 43 wird durch die folgende Gleichung (4) so aktualisiert, dass die mittlere elektrische Leistung des Abweichungssignals e1(n) minimal ist:
b1(i, n + 1) = b1(i, n) - β1 · u11(n - i) · e1(n) (4)
wobei β1 einen kleinen positiven Wert in einem Schrittgrößeparameter einnimmt. u11(n) wird dadurch erzeugt, dass das Eingangssignal u1(n) des zweiten adaptiven Digitalfilters 43 unter Verwendung des digitalen Korrekturfilters 45 korrigiert wird, wie durch die folgende Gleichung (5) gegeben:
u11(n) = h1(i) · u1(n - i) (5)
wobei h1(i) der Filterkoeffizient des digitalen Korrekturfilters 45 ist und L die Anzahl der Abgriffe des Filters 45 ist. Das digitale Korrekturfilter 45 ist durch einen Übertragungskoeffizienten vom Ausgang y1(n) des zweiten Digitalfilters 43 über das Geräuschaufhebungsabweichungs-Erfassungsmikrofon 14 zum zweiten Koeffizientensteuerungsteil 46 gekennzeichnet. Die Koeffizientenaktualisierung auf Grundlage der Gleichung (4) wird im zweiten Koeffizientensteuerungsteil 46 ausgeführt.
Als herkömmliche Technik kann anstelle des ersten adaptiven FIR-Digitalfilters 41 ein Digitalfilter mit einem vorab berechneten Koeffizienten verwendet werden. Dabei wird die Übertragungscharakteristik eines akustischen Rückkopplungspfads vom Ausgang y1(n) des zweiten adaptiven FIR-Digitalfilters 43 über den Geräuschaufhebungs-Lautsprecher 45 und das Geräuscherfassungsmikrofon 13 zum Eingang u1(n) des zweiten adaptiven Digitalfilters 43 identifiziert und es wird ein Filterkoeffizient zum Reproduzieren der Charakteristik eingestellt.
Bei einer herkömmlichen aktiven Geräuschregelungsvorrichtung, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist, kann, wenn ein zu löschender Geräuschsignalverlauf ein zufälliger Signalverlauf ist, nur die akustische Rückkopplungskomponente aufge hoben werden, wenn der Filterkoeffizient auf Grundlage der Gleichung (3) aktualisiert wird. Ein Aktualisieren des Filterkoeffizienten auf Grundlage der Gleichung (3) minimiert jedoch die mittlere elektrische Leistung des Signals u1(n), und wenn ein Geräuschsignalverlauf periodisch ist, wird nicht nur die akustische Rückkopplungskomponente sondern auch die Geräuschkomponente selbst aufgehoben. Demgemäß kann keine Aufhebung einer Frequenz im Resonanzmodus im Kanal ausgeführt werden. Daher kann eine herkömmliche aktive Geräuschregelungsvorrichtung nicht auf Geräusche mit einem periodischen Element angewandt werden. Dieser Nachteil ist der Tatsache zuzuschreiben, dass ein Aktualisieren des Koeffizienten auf Grundlage der Gleichung (3) selbst dann fortgesetzt wird, wenn das Abweichungssignal e1(n) 0 wird und die periodische Komponente des Signals u1(n) aufgehoben ist. Ferner sollte, wenn ein Verfahren zum Festlegen des Filterkoeffizienten des ersten adaptiven FIR-Digitalfilters 41 verwendet wird, die Übertragungscharakteristik des akustischen Rückkopplungspfads vorab gemessen werden. Dieser Vorgehensweise fehlt es an Adaption auf Änderungen der Umgebung.
Wenn Geräuschaufhebung im Kanal unter Verwendung eines aktiven Geräuschaufhebungssystems mit dem oben beschriebenen adaptiven FIR-Digitalfilter ohne das erste adaptive FIR-Digitalfilter 41 in Fig. 11 ausgeführt wird, ergibt sich auch der folgende Nachteil. Eine vom Geräuschaufhebungs-Lautsprecher 15 ausgegebene Schallwelle breitet sich zum Geräuscherfassungsmikrofon 13 aus, weswegen stromaufwärts bezüglich des Geräuschaufhebungs-Lautsprechers 15 eine stehende Welle erzeugt wird. Wenn angenommen wird, dass die Beziehung zwischen dem Abstand L1 zwischen dem Geräuschaufhebungs-Lautsprecher 15 und dem Geräuscherfassungsmikrofon 13 und der Wellenlänge λn einer Schallwelle durch die folgende Gleichung repräsentiert ist:
λn = 2/n · L1 (n = 1, 2, ...) (6)
befindet sich der Knoten der stehenden Welle an der Position des Geräuscherfassungsmikrofons 13 und die Schallwelle der Wellenlänge λn kann nicht erfasst werden, weswegen Schall dieser Frequenz nicht aufgehoben werden kann. Dies ist in Fig. 12 veranschaulicht. Bei aktiver Geräuschaufhebung unter Verwendung von FIR-Digitalfiltern wird bis heute ein Schallabsorptionsmaterial an der Innenwand eines Kanals angebracht, um den Anteil stehender Wellen zu verringern (SWR: Amplitudenverhältnis eines Knotens zu einem Antiknoten in der stehenden Welle), und es wird das Ausmaß akustischer Rückkopplung verringert.
Um den oben beschriebenen Nachteil zu überwinden, kann anstelle eines FIR-Digitalfilters ein IIR(Infinite Impulse Response)-Digitalfilter verwendet werden. Der Aufbau eines IIR-Digitalfilters 16 ist schematisch in Fig. 13 dargestellt. Das IIR-Digitalfilter 16 besteht aus einem nicht- rekursiven Teil 18 und einem rekursiven Teil 17. Wenn das IIR-Digitalfilter 16 als solches zur aktiven Geräuschaufhebung verwendet wird, kann durch erfolgreiches Aktualisieren eines Filterkoeffizienten in adaptiver Weise etwas an akustischer Rückkopplung durch die Funktion des rekursiven Teils 17 aufgehoben werden.
Nun wird das IIR-Digitalfilter beschrieben.
Allgemein ist die Übertragungsfunktion H(z) eines adaptiven FIR-Digitalfilters durch die folgende Gleichung (7) gegeben:
Fig. 14 veranschaulicht einen speziellen Aufbau eines derartigen adaptiven IIR-Digitalfilters. Dieses adaptive IIR-Digitalfilter beinhaltet ein Einheitsverzögerungselement 28, einen Multiplizierer 29 und einen Addierer 30. Ein Eingangssignal u wird über das Einheitsverzögerungselement 28 und den Multiplizierer 29 auf den Addierer 30 gegeben, und es unterliegt einer Addition im Addierer 30, um als Ausgangssignal y ausgegeben zu werden. a(i) und b(j) repräsentieren Filterkoeffizienten. Hierbei entspricht ein Teil mit FIR- Digitalfilter aus dem Filterkoeffizient a(i) mit Realisierung der durch die folgende Gleichung (8) gegebenen Übertragungsfunktion HN(z) dem nicht-rekursiven Teil 18 des adaptiven IIR-Digitalfilters 16:
HN(z) = a(i) z-i (8)
Der aus dem Filterkoeffizient b(j) bestehende Teil, der die durch die folgende Gleichung (9) gegebene Übertragungsfunktion HR(z) realisiert, entspricht dem rekursiven Teil 17:
Für das Eingangssignal u(n) und das Ausgangssignal y(n) des adaptiven IIR-Digitalfilters 16 ist die Eingangs-Ausgangs- Beziehung durch die folgende Gleichung (10) gegeben:
y(n) = a(i) u(n - i) + b(j) y(n - j) (10)
wobei N die Zahl der Abgriffe des nicht-rekursiven Teils 18 repräsentiert, während M die Zahl der Abgriffe des rekursiven Teils 17 repräsentiert. Es existieren verschiedene Arten von Aktualisierungsalgorithmen für Filterkoeffizienten, von denen einer darin besteht, einen Filterkoeffizienten auf Grundlage der folgenden Gleichungen (11) und (12) zu aktualisieren:
a (i, n + 1) = a(i, n) + αu(n - 1) e(n) (11)
b (j, n + 1) = b(j, n) + βy(n - j) e(n) (12)
wobei e(n) eine Ausgangssignalabweichung d(n) - y(n) zwischen einer gewünschten Antwort d(n) und einem Filterausgangssignal y(n) repräsentiert und α und β Schrittgrößeparameter repräsentieren, die einen kleinen positiven Wert einnehmen. Ferner kann zum Erhöhen der Stabilität und der Konvergenz beim Aktualisieren des Filterkoeffizienten die durch die folgende Gleichung (13) gegebene Funktion f(n) anstelle von e(n) in den Gleichungen (11) und (12) verwendet werden:
f(n) = e(n) + c(1) e(n - 1) (13)
wobei c(1) die Gewichtung eines laufenden Mittelwerts repräsentiert und eine vorbestimmte Konstante ist. L2 repräsentiert die Anzahl der Datenwerte, über die der laufende Mittelwert berechnet wird.
Das in Fig. 15 dargestellte adaptive IIR-Digitalfilter 36 ist dasselbe wie das in Fig. 14, mit einem Steuerungsteil zum Aktualisieren des Filterkoeffizienten. Die Verbindung im nicht-rekursiven Teil 18 ist dergestalt, dass das Eingangssignal u(n) und das Ausgangsabweichungssignal e(n) in den Koeffizientensteuerungsteil 20 eingegeben werden und Steuerungssignale vom Koeffizientensteuerungsteil 20 in jeweilige Multiplizierer 29 eingegeben werden. Indessen ist auf der Seite des rekursiven Teils 17 die Verbindung dergestalt, dass das Ausgangssignal y(n) und das Ausgangsabweichungssignal e(n) in einen Koeffizientensteuerungsteil 21 eingegeben werden und von diesem Koeffizientensteuerungsteil 21 Steuerungssignale in jeweilige Multiplizierer 29 eingegeben werden. Im Fall des Verwendens der Gleichung (13), wie auch in den Fällen des Verwendens der folgenden Gleichungen (14) und (15) anstelle von u(n - i) in der Gleichung (11) und von y(n - j) in der Gleichung (12) wird ein Aufbau erzielt, der im Wesentlichen derselbe ist, wie er in Fig. 15 dargestellt ist, und die Verarbeitung kann ohne die Koeffizientenasteuerungsteile 20 und 21 ausgeführt werden:
u&sub0;(i, n) = u(n - i) + b(k, n) u&sub0;(i, n - k) (14)
y&sub0;(j, n) = y(n - j) + b(k, n) y&sub0;(j, n - k) (15)
Fig. 16 veranschaulicht die Anwendung der oben beschriebenen adaptiven IIR-Digitalfilter 16, 36 im Verarbeitungsteil einer aktiven Geräuschaufhebungsvorrichtung, die Geräusche dadurch unterdrückt, dass sie von einem Geräuschaufhebungs- Lautsprecher eine Schallwelle mit derselben Amplitude wie das Geräusch mit einer Phasenverschiebung von 180º zu diesem abstrahlt, um dadurch Schallwelleninterferenz zu verursachen. Der Inhalt der Fig. 16 ist im Wesentlichen derselbe wie der der Fig. 11. Ein von einem Geräuscherfassungsmikrofon 13 erfasstes Erfassungssignal wird über einen Vorverstärker 22 zur Analog-Digital-Umsetzung an einen A/D-Wandler 25 geliefert, und das digitalisierte Signal wird in das adaptive IIR-Digitalfilter 16 eingegeben. Das im Geräuscherfassungsmikrofon 13 erfasste Eingangssignal u(n) wird im adaptiven IIR-Digitalfilter 16 einer Operation auf Grundlage der Gleichung (10) unterzogen, und das Operationsergebnis y(n) wird vom Geräuschaufhebungs-Lautsprecher 15 über einen D/A-Wandler 26 und einen Leistungsverstärker 23 als Geräuschaufhebungssignal ausgegeben. Der Filterkoeffizient a(i) des nicht-rekursiven Teils 18 des adaptiven IIR-Digitalfilters 16 sowie der Filterkoeffizient b(j) des rekursiven Teils 17 werden in den Koeffizientensteuerungsteilen 20 und 21 auf ein im Geräuschaufhebungsabweichungs-Erfassungsmikrofon 14 erfasstes Geräuschaufhebungs-Abweichungssignal -e(n) und auf Grundlage von Signalen, die über einen Vorverstärker 24 und einen A/D-Wandler 27 in die jeweiligen Koeffizientensteuerungsteile 20, 21 eingegeben werden, in diesen Koeffizientensteuerungsteilen 20 und 21 seriell aktualisiert. Das im Geräuscherfassungsmikrofon 13 erfasste Erfassungsignal wird über ein digitales Filter 32 statt über das adaptive IIR-Digitalfilter 16 in den Koeffizientensteuerungsteil 20 eingegeben, während das Geräuschaufhebungssignal unmittelbar vom adaptiven IIR-Digitalfilter 16 über ein digitales Filter 31 statt über das Geräuschaufhebungsabweichungs-Erfassungsmikrofon 14 in den Koeffizientensteuerungsteil 21 eingegeben wird.
Unter Verwendung der Gleichungen (11) und (12) ist die Aktualisierungsformel durch die folgenden Gleichungen (16) und (17) gegeben:
a(i, n + 1) = a(i, n) + αu2(n - i) e(n) (16)
b(j, n + 1) = b(j, n) + βy2(n - j) e(n) (17)
u2(n) würde durch Korrigieren des Eingangssignals u(n) des adaptiven IIR-Digitalfilters 16 unter Verwendung des digitalen Filters 32 erzeugt, während y2(n) durch Korrigieren des Ausgangssignals y(n) des adaptiven IIR-Digitalfilters 16 unter Verwendung des digitalen Filters 31 erzeugt wird. Die digitalen Filter 31 und 32 sind durch die Übertragungscha rakteristik vom Ausgang des adaptiven IIR-Digitalfilters 16 über das Geräuschaufhebungsabweichungs-Erfassungsmikrofon 14 zu den jeweiligen Koeffizientensteuerungsabschnitten 20 und 21 gekennzeichnet.
Ein anderes herkömmliches Beispiel ist das in Fig. 17 dargestellte, bei dem die gewünschte Antwort d unmittelbar erhalten wird. In diesem Fall wird das Eingangssignal u einer Operation im nicht-rekursiven Teil 18 und im rekursiven Teil 17 des adaptiven IIR-Digitalfilters 16 unterzogen. Das Operationsergebnis y wird als Geräuschaufhebungssignal ausgegeben, das mit einer gewünschten Antwort d verglichen wird. Ein dem Geräuschaufhebungs- Abweichungssignal e entsprechendes Signal wird in jeweilige Koeffizientensteuerungsteile 20 und 21 eingegeben. Das Ausgangssignal y wird über den rekursiven Teil 17 in den Koeffizientensteuerungsteil 20 eingegeben, das Eingangssignal u wird über den rekursiven Teil 17 in den Koeffizientensteuerungsteil 21 eingegeben, und der Filterkoeffizient im nicht-rekursiven Teil wird aktualisiert. So werden die Werte u&sub0;(i, n) und y&sub0;(j, n) der Gleichungen (14) und (15) anstelle u(n - i) und y(n - j) der Gleichungen (11) und (12) verwendet.
Beim Aktualisieren der Filterkoeffizienten des adaptiven IIR-Digitalfilters 36 mit dem rekursiven Teil 17, wie in Fig. 15 dargestellt, können Instabilitäten und Divergenzen des Filters auftreten. Der rekursive Teil 17 des adaptiven IIR-Digitalfilters 36 leidet manchmal unter einer Divergenz seiner Ausgangssignale im Verlauf der Aktualisierung des Filterkoeffizienten. Wenn das Aktualisieren des Filterkoeffizienten im rekursiven Teil 17 so ausgeführt wird, dass der Ausgangspegel des rekursiven Teils oder des adaptiven IIR- Digitalfilters 17 parallel minimiert wird, kann eine Signaldivergenz im rekursiven Teil 17 eingeschränkt werden, jedoch wird, wenn das Eingangssignal des adaptiven IIR-Digitalfil ters 36 periodisch ist und das periodische Signal als Ausgangssignal des adaptiven IIR-Digitalfilters 36 erforderlich ist, dieses erforderliche periodische Signal im rekursiven Teil aufgehoben.
Ferner ist der Rechenaufwand erhöht, wenn die Gleichungen (16) und (17) verwendet werden. Jedoch ist unabhängig vom Rechenaufwand Hochgeschwindigkeitsbetrieb erforderlich. Die Anwendung aktiver Geräuschaufhebungsregelung erfordert Betriebsabläufe in den Digitalfiltern 31 und 32 wie eine Vorverarbeitung in den Koeffizientensteuerungsteilen 20 und 21, wie in Fig. 16 veranschaulicht, was selbstverständlich zu einer Erhöhung des Rechenaufwands führt.
Außerdem offenbart das Dokument US-A-4,736,431 ein aktives Dämpfungssystem mit erhöhtem dynamischem Bereich, mit einer Einrichtung zum Erfassen des Umfangs eines physikalischen Effekts, einer Regelungssignal-Ausgabeeinrichtung, die auf ein durch die Erfassungseinrichtung erhaltenes Erfassungssignal reagiert, um ein Regelungssignal zum Regeln des Umfangs des physikalischen Effekts auf den gewünschten Wert auszugeben, und einem adaptiven Digitalfilter und einer Abweichungssignal-Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben der Abweichung zwischen dem gewünschten Wert des physikalischen Effekts und dem tatsächlichen Umfang desselben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesichts des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der Erfindung, in einer aktiven Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven Digitalfilters stabile Aktualisierung des Filterkoeffizienten zu erzielen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Geräuschaufhebungseffekt für periodischen Schall in einer aktiven. Ge räuschregelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven Digitalfilters auszuführen.
Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist es, die Aktualisierung von Koeffizienten in einer aktiven Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven Digitalfilters zu vereinfachen.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Stabilität einer aktiven Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven Digitalfilters zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung sind die oben genannten Aufgaben durch eine aktive Regelungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 7 gelöst.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der beigefügten abhängigen Ansprüche.
Demgemäß ist das Regelungssignal frei vom Einfluss des rekursiven Filters. Im Ergebnis kann eine Aktualisierung der Filterkoeffizienten des nicht-rekursiven Filters auf dieselbe Weise wie die Koeffizientenaktualisierung bei einem FIR- Digitalfilter erfolgen. So kann eine aktive Regelungsvorrichtung geschaffen werden, die das Aktualisieren eines Koeffizienten vereinfacht.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Erscheinungsformen und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser erkennbar.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, das schematisch eine Geräuschaufhe bungsvorrichtung als aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das schematisch eine Geräuschaufhebungsvorrichtung als aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das schematisch eine Geräuschaufhebungsvorrichtung als aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das schematisch eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das schematisch eine Geräuschaufhebungsvorrichtung als aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist ein Diagramm, das schematisch eine Geräuschaufhebungsvorrichtung als aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das schematisch eine Geräuschaufhebungsvorrichtung als aktive Regelungsvorrichtung unter Ver wendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das schematisch ein neuntes Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem die Erfindung auf eine aktive Geräuschregelungsvorrichtung angewandt ist;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das schematisch ein zehntes Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem die Erfindung auf eine aktive Geräuschregelungsvorrichtung angewandt ist;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das schematisch eine herkömmliche aktive Geräuschregelungsvorrichtung zeigt;
Fig. 12 ist eine Ansicht zur Verwendung beim Veranschaulichen des Einflusses einer stehenden Welle in einem Kanal während einer Geräuschaufhebungsregelung;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das schematisch den Aufbau eines IIR-Digitalfilters zeigt;
Fig. 14 ist ein Schaltbild, das den speziellen Aufbau eines IIR-Digitalfilters zeigt;
Fig. 15 ist ein Schaltbild, das eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines herkömmlichen adaptiven IIR- Digitalfilters zeigt;
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Geräuschaufhebungsvorrichtung als aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines herkömmlichen adaptiven IIR-Digitalfilters zeigt; und
Fig. 17 ist ein Schaltbild, das eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines herkömmlichen adaptiven IIR- Digitalfilters zeigt.
Fig. 18 und 19 sind Ansichten, die Beispiele zeigen, bei denen eine aktive Regelungsvorrichtung zum Steuern einer Schwingung verwendet ist.
Fig. 20 ist eine Ansicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem die aktive Regelungsvorrichtung für eine Geräuschaufhebungseinrichtung verwendet ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

(1) Wenn ein adaptives IIR-Digitalfilter verwendet wird

Nun werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen adaptiven Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters beschrieben. Es ist zu beachten, dass gleiche Komponenten, die dieselbe Funktion wie bei der herkömmlichen Vorrichtung aufweisen, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das schematisch ein Ausführrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen aktiven Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters zeigt. Eine Geräuschquelle 11 ist in einem Kanal 12 mit einer Öffnung an einem Ende angeordnet. Im Kanal 12 sind ein Mikrofon 13 zum Erfassen von Geräuschen und ein Mikrofon 14 zum Erfassen einer Geräuschaufhebungsabweichung 14 abgewandt von der Geräuschquelle 11 angeordnet, und an der Seitenwand des Kanals 12 ist ein Lautsprecher 15 zur Geräuschaufhebung angeordnet. Vom Geräuscherfassungsmikrofon 13 erfasste Geräusche werden über einen Vorverstärker 22 an einen A/D- Wandler 25 geliefert und in ein digitales Signal umgesetzt, und das sich ergebende Geräuschsignal u(n) wird in einem adaptiven IIR-Digitalfilter 16 einer Operation unterzogen, wobei das Operationsergebnis als Geräuschaufhebungssignal y(n) an einen D/A-Wandler 26 ausgegeben wird. Das im D/A- Wandler 26 in ein analoges Signal umgesetzte Geräuschaufhebungssignal wird über einen Leistungsverstärker 23 vom Lautsprecher 15 ausgegeben. Das Ergebnis der Geräuschaufhebung wird im Geräuschaufhebungsabweichungs-Erfassungsmikrofon 14 erfasst und über einen Vorverstärker 24 und einen. A/D-Wandler 27 als Geräuschaufhebungs-Abweichungssignal -e(n) in Koeffizientensteuerungsteile 20 und 21 eingegeben. Das Eingangssignal u(n) eines nicht-rekursiven Teils 18 wird auch in ein digitales Filter 32 eingegeben, dessen Ausgangssignal u2(n) in den Koeffizientensteuerungsteil 20 eingegeben wird. Das Ausgangssignal y(n) eines rekursiven Teils 17 wird ebenfalls in ein digitales Filter 31 eingegeben, dessen Ausgangssignal y2(n) ebenfalls in den Koeffizientensteuerungsteil 21 eingegeben wird. Die Filterkoeffizienten a(i) und b(j) des adaptiven IIR-Digitalfilters 16 werden so aktualisiert, dass das Geräuschaufhebungs-Abweichungssignal minimiert wird. Die Aktualisierungsformel ist dabei durch die folgenden Gleichungen (16) und (17) repräsentiert:
a(i, n + 1) = a(i, n) + αu2(n - i) e(n) (16)
b(j, n + 1) = b(j, n) + βy2(n - j) e(n) (17)
wobei α und β Schrittgrößeparameter repräsentieren und einen kleinen positiven Wert einnehmen. Beim Aktualisieren der Filterkoeffizienten a(j) und b(j) kann f(n) der Gleichung (13) anstelle von e(n) in den Gleichungen (16) und (17) verwendet werden. y3(j, n) in der folgenden Gleichung (18) kann anstelle von y2(n - j) in der Gleichung (17) verwendet werden:
y3(j, n) = y2(n - j) + b(k, n) y3(j, n - k) (18)
Es ist zu beachten, dass dasselbe Ergebnis erzielt werden kann, wenn ein Berechnungsabschnitt für die Gleichung (18) in einer Vorstufe vor dem digitalen Filter 31 positioniert wird. Ferner wird vom Koeffizientensteuerungsteil 19 auch das Aktualisieren des Filterkoeffizienten b(j) des rekursiven Teils 17 ausgeführt. Das Ausgangssignal y(n) des rekursiven Teils 17 wird in den Koeffizientensteuerungsteil 19 eingegeben und der Filterkoeffizient b(j) wird auf Grundlage der folgenden Gleichung (19) so aktualisiert, dass der Pegel des Ausgangssignals y(n) minimiert wird:
b(j, n + 1) = b(j, n) - γy(n - j) y(n) (19)
wobei γ einen Schrittgrößeparameter repräsentiert und einen kleinen positiven Wert einnimmt. Das Aktualisieren der Filterkoeffizienten auf Grundlage der Gleichungen (17) und (19) wird parallel oder auf Zeitmultiplexweise ausgeführt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Aktualisieren der Filterkoeffizienten parallel ausgeführt, um den Ausgangspegel des rekursiven Teils 17 in Bezug auf den Filterkoeffizienten dieses rekursiven Teils 17 zu minimieren, wodurch eine Divergenz des Signals vom rekursiven Teil 17 unterdrückt werden kann. Wenn das Geräusch Zufallsschall ohne Periodizität ist, hebt ein Aktualisieren des Filterkoeffizienten des rekursiven Teils 17 in solcher Weise, dass der Ausgangspegel dieses rekursiven Teils 17 minimiert wird, ein Geräuschsignal im rekursiven Teil 17 nicht auf, und dabei vom Geräuschaufhebungs-Lautsprecher 15 emittierter Schall löscht einen Teil der an das Geräuscherfassungsmikrofon 13 rückgekoppelten Signalkomponente, weswegen ein höherer Geräuschaufhebungseffekt erwartet werden kann.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Diagramm einer aktiven Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digi talfilters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Hardwareaufbau dieses Ausführungsbeispiels ist identisch mit dem in Fig. 1, wobei die Positionen des rekursiven Teils 17 und des nicht-rekursiven Teils 18 im adaptiven IIR-Digitalfilter 16 vertauscht sind. Die anderen Komponenten sind identisch, weswegen hier eine detaillierte Beschreibung der Hardware weggelassen wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Filterkoeffizient a(i) im Koeffizientensteuerungsteil 20 auf Grundlage der folgenden Gleichung (20) aktualisiert:
a(i, n + 1) = a(i, n) + αv2(n - i) e(n) (20)
Der Filterkoeffizient b(j) wird im Koeffizientensteuerungsteil 21 auf Grundlage der folgenden Gleichung (17) aktualisiert:
b(j, n + 1) = b(j, n) + βy2(n - j) e(n) (17)
Ferner wird der Filterkoeffizient b(j) im Koeffizientensteuerungsteil 19 auf Grundlage der folgenden Gleichung (21) so aktualisiert, dass der Pegel des Ausgangssignals v(n) des rekursiven Teils 17 minimiert wird:
b(j, n + 1) = b(j, n) - γv(n - j) v(n) (21)
Wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels werden die Aktualisierungen der Filterkoeffizienten auf Grundlage der Gleichungen (17) und (21) parallel oder auf Zeitmultiplexweise ausgeführt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann eine Divergenz des Signals des rekursiven Teils 17 unterdrückt werden, da das Aktualisieren der Filterkoeffizienten parallel ausgeführt wird, um den Ausgangspegel des rekursiven Teils 17 in Bezug auf den Filterkoeffizienten dieses rekursiven Teils 17 zu minimieren. Ferner kann durch Vertauschen der Positionen des nicht-rekursiven Teils 18 und des rekursiven Teils 17 die Stabilität beim Aktualisieren des Filterkoeffizienten im nicht-rekursiven Teil 18 erhöht werden. Wie im Fall des vorigen Ausführungsbeispiels hebt, wenn das Geräusch ein Zufallsschall ohne Periodizität ist, das Aktualisieren des Filterkoeffizienten im rekursiven Teil 17 in solcher Weise, dass der Ausgangspegel desselben minimiert wird, das Geräuschsignal nicht auf, und dabei vom Geräuschaufhebungs- Lautsprecher 15 emittierter Schall hebt einen Teil der an das Geräuscherfassungsmikrofon 13 rückgekoppelten Signalkomponente auf, weswegen ein höherer Geräuschaufhebungseffekt erwartet werden kann.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das schematisch eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Beim Hardwareaufbau dieses Ausführungsbeispiels ist der Eingang des Koeffizientensteuerungsteils 19 des in Fig. 2 dargestellten adaptiven IIR-Digitalfilters vom Ausgang v(n) des rekursiven Teils auf den Ausgang y(n) des nicht-rekursiven Teils umgeändert. Die anderen Komponenten sind dieselben wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen, weswegen hier eine detaillierte Beschreibung des Hardwareaufbaus weggelassen wird.
Der Filterkoeffiziententeil 19 aktualisiert den Filterkoeffizienten b(n) auf Grundlage der oben beschriebenen Gleichung (19) in solcher Weise, dass der Pegel des Ausgangssignals y(n) des nicht-rekursiven Teils 18 minimiert wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird, wie im Fall des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels, das Aktualisieren der Fil terkoeffizienten parallel so ausgeführt, dass der Ausgangspegel des rekursiven Teils 17 minimiert ist, und daher kann eine Divergenz für das Signal des rekursiven Teils 17 unterdrückt werden. Ferner hebt, wenn das Geräusch Zufallsschall ohne Periodizität ist, das Aktualisieren des Filterkoeffizienten des rekursiven Teils 17 zum Minimieren des Ausgangspegels des rekursiven Teils 17 das Geräuschsignal in diesem rekursiven Teil 17 nicht auf, aber dabei vom Geräuschaufhebungs-Lautsprecher 15 emittierter Schall hebt einen Teil der an das Geräuscherfassungsmikrofon 13 rückgekoppelten Signalkomponente auf, weswegen ein stärkerer Geräuschaufhebungseffekt zu erwarten ist.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das schematisch eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, bei dem das Signal u(n) in das IIR-Digitalfilter 16 eingegeben wird und das Signal y(n) als Ergebnis ausgegeben wird. Hinsichtlich des Innenaufbaus des IIR-Digitalfilters 16 ist der rekursive Teil 17 mit dem Filterkoeffizienten b(j) in einer Vorstufe angeordnet, während der nicht-rekursive Teil 18 mit dem Filterkoeffizienten a(i) in einer Folgestufe angeordnet ist. Der Koeffizientensteuerungsteil 20 aktualisiert den Filterkoeffizienten a(i), und das Ausgangssignal v(n) des rekursiven Teils 17 und die Ausgangssignalabweichung e(n) werden in den Koeffizientensteuerungsteil 20 eingegeben. Das Ausgangssignal y(n) und die Ausgangssignalabweichung e(n) werden in das IIR-Digitalfilter 16 eingegeben. Die Ausgangssignalabweichung e(n) ist die Differenz zwischen der gewünschten Antwort d(n) und dem Ausgangssignal y(n) des IIR-Digitalfilters 16. Der Koeffizientensteuerungsteil 20 aktualisiert den Filterkoeffizienten a(i) in solcher Weise, dass der mittlere quadratische Wert der Ausgangssignalabweichung e(n) minimiert wird, was auf Grundlage der Gleichung (22) erfolgt:
a(i, n + 1) = a(i, n) + αv(n - i) e(n) (22)
Der Koeffizientensteuerungsteil 21 aktualisiert den Filterkoeffizienten b(j) auf Grundlage der Gleichung (17):
b(j, n + 1) = b(j, n) + βy2(n - j) e(n) (17)
wobei α und β Schrittgrößeparameter repräsentieren und einen kleinen positiven Wert einnehmen. Beim Aktualisieren des Filterkoeffizienten b(j) kann anstelle von y(n - j) in der Gleichung (17) der Wert y&sub0;(j, n) in der folgenden Gleichung (15) verwendet werden:
y&sub0;(j, n) = y(n - j) + b(k, n) y&sub0;(j, n - k) (15)
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal des nicht-rekursiven Teils 18 ausgegeben, ohne dass es durch den rekursiven Teil 17 geführt wird. Im Ergebnis führt das Aktualisieren des Filterkoeffizienten im nicht-rekursiven Teil 18 zu einer Aktualisierung des Koeffizienten eines FIR-Digitalfilters unter Verwendung des Ausgangssignals des rekursiven Teils 17 als Eingangssignal. Demgemäß sind beim Aktualisieren des Koeffizienten im nicht-rekursiven Teil 18 dessen Stabilität und Konvergenz gewährleistet. Ferner wurde, wenn Filterkoeffizienten auf Grundlage der Gleichungen (14) und (15) aktualisiert werden, im rekursiven Teil 17 bereits eine der Gleichung (14) entsprechende Operation ausgeführt, was eine Verringerung des Rechenumfangs oder der Schaltungsgröße ermöglicht.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das schematisch eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Er findung zeigt. Eine Verarbeitung auf Grundlage der Gleichung (15) beim in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird im Koeffizientensteuerungsteil 21 ausgeführt, jedoch wird im Fall der Fig. 5 diese Verarbeitung außerhalb des Koeffizientensteuerungsteils 21 ausgeführt. Ein in Fig. 5 dargestelltes rekursives Digitalfilter 19 führt die Verarbeitung aus. Beim Aktualisieren des Filterkoeffizienten b(j) kann anstelle von e(n) in der Gleichung (17) die folgende Funktion f(n) mit dem laufenden Mittelwert von e(n) verwendet werden:
f(n) = e(n) + c(1) e(n - 1) (13)
wobei c(1) die Gewichtung des laufenden Mittelwerts repräsentiert und L2 die Anzahl der Datenwerte repräsentiert, über die der Mittelwert erzeugt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann, wie im Fall des oben beschriebenen vierten Ausführungsbeispiels, das Aktualisieren des Filterkoeffizienten im nicht-rekursiven Teil 18 denselben Effekt wie das Aktualisieren des Filterkoeffizienten in einem FIR-Digitalfilter unter Verwendung des Ausgangssignals des rekursiven Teils 17 als Eingangssignal ergeben. Daher sind die Stabilität und Konvergenz beim Aktualisieren des Filterkoeffizienten des nicht-rekursiven Teils 18 weiter gewährleistet. Beim Aktualisieren von Filterkoeffizienten unter Verwendung der Gleichungen (14) und (15) wurde im rekursiven Teil 17 bereits eine der Gleichung (14) entsprechende Operation ausgeführt, weswegen dies nicht mehr erforderlich ist, was den Rechenumfang oder die Schaltungsgröße verringert.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Eine Geräuschquelle 11 ist in einem Kanal 12 mit einer Öffnung an einem Ende angeordnet, ein Mikrofon 13 zur Geräuscherfassung und ein Mikrofon zur Erfassung einer Geräuschaufhebungsabweichung 14 sind abgewandt von der Geräuschquelle 11 angeordnet, und ein Lautsprecher 15 zur Geräuschaufhebung ist an der Seitenwand des Kanals 12 angeordnet. Ein durch das Geräuscherfassungsmikrofon 13 erfasstes Geräuschsignal u(n), das über einen Vorverstärker 22 zur A- D-Umsetzung an einen A/D-Wandler 25 geliefert wird, wird in einem adaptiven IIR-Digitalfilter 16 einer Operation unterzogen, und das Operationsergebnis, wird als Geräuschaufhebungssignal y(n) an einen D/A-Wandler 26 geliefert. Das im D/A-Wandler 26 in ein analoges Signal umgesetzte Geräuschaufhebungssignal wird über einen Leistungsverstärker 23 vom Lautsprecher 15 ausgegeben. Das Ergebnis der Geräuschaufhebung wird vom Geräuschaufhebungsabweichungs-Erfassungsmikrofon 14 erfasst und in einen Koeffizientensteuerungsteil 20 und einen Koeffizientensteuerungsteil 21 über einen A/D- Wandler 27 als Geräuschaufhebungs-Abweichungssignal -e(n) eingegeben. Das Ausgangssignal v(n) des rekursiven Teils 17 wird auch in ein Digitalfilter 32 eingegeben, und das Ausgangssignal v&sub2;(n) des Digitalfilters 32 wird in den Koeffizientensteuerungsteil 20 eingegeben. Das Ausgangssignal y(n) des nicht-rekursiven Teils 18 wird auch in ein Digitalfilter 31 eingegeben. Das Ausgangssignal y2(n) des Digitalfilters 31 wird auch in den Koeffizientensteuerungsteil 21 eingegeben. Die Filterkoeffizienten a(i) und b(j) des adaptiven IIR-Digitalfilters 16 werden so aktualisiert, dass das Geräuschaufhebungs-Abweichungssignal minimiert wird. Die Aktualisierungsformel ist dabei durch die folgenden Gleichungen (20) und (17) gegeben:
a(i, n + 1) = a(i, n) + αv2 (n - i) e(n) (20)
b(j, n + 1) = b(j, n) + βy2(n - j) e(n) (17)
wobei α und β Schrittgrößeparameter repräsentieren und einen kleinen positiven Wert einnehmen. Beim Aktualisieren des Filterkoeffizienten b(j) kann f(n) in der Gleichung (13) anstelle von e(n) in der Gleichung (17) verwendet werden. y3(j, n) in der Gleichung (18) kann anstelle von y2(n - j) in der Gleichung (17) verwendet werden:
y3 (j, n) = y2 (n - j) + b(k, n) y3 (j, n - k) (18)
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann, wie im Fall des vorigen fünften Ausführungsbeispiels, das Aktualisieren des Filterkoeffizienten im nicht-rekursiven Teil 18 denselben Effekt wie das Aktualisieren des Filterkoeffizienten in einem FIR- Digitalfilter unter Verwendung des Ausgangssignals des rekursiven Teils 17 als Eingangssignal ergeben, und daher können Stabilität und Konvergenz beim Aktualisieren des Filterkoeffizienten im nicht-rekursiven Teil gewährleistet werden. Ferner wird dasselbe Ergebnis dann erzielt, wenn in Berechnungsabschnitt für die Gleichung (18) in einer Vorstufe zum Digitalfilter 31 angeordnet wird, um dabei die Reihenfolge zu vertauschen. Bei der Aktualisierung der Filterkoeffizienten unter Verwendung der Gleichungen (14) und (15) wurde im rekursiven Teil 17 bereits eine der Gleichung (14) entsprechende Operation ausgeführt, die nicht mehr erforderlich ist, was den Rechenumfang oder die Schaltungsgröße verringert.
Fig. 7 ist ein Diagramm, das eine aktive Steuerungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Eine Geräuschquelle 11 ist in einem Kanal 12 mit einer Öffnung an einem Ende angeordnet, und ein Mikrofon 13 zur Geräuscherfassung und ein Mikrofon 14 zur Erfassung einer Geräuschaufhebungsabweichung sind abgewandt von der Geräusch quelle 11 im Kanal 12 angeordnet, wobei ein Geräuschaufhebungs-Lautsprecher 15 an der Seitenwand des Kanals 12 angeordnet ist. Das im Geräuscherfassungsmikrofon 13 erfasste Signal u(n), das zur A-D-Umsetzung über einen Vorverstärker 22 an einen A/D-Wandler 25 geliefert wird, unterliegt einer Operation in einem adaptiven IIR-Digitalfilter 16, und das Operationsergebnis wird als Geräuschaufhebungssignal y(n) an einen D/A-Wandler 26 ausgegeben. Das im D/A-Wandler in ein analoges Signal umgesetzte Geräuschaufhebungssignal wird über einen Leistungsverstärker 23 vom Geräuschaufhebungs- Lautsprecher 15 ausgegeben. Das Ergebnis der Geräuschaufhebung wird im Geräuschaufhebungsabweichungs-Erfassungsmikrofon 14 erfasst und über einen A/D-Wandler 27 als Geräuschaufhebungs-Abweichungssignal - e(n) in einen Koeffizientensteuerungsteil 20 und einen Koeffizientensteuerungsteil 21 eingegeben. Das Eingangssignal u(n) eines nicht-rekursiven Teils 18 wird auch in ein Digitalfilter 32 eingegeben, und das Ausgangssignal u&sub2;(n) des Digitalfilters 32 wird in den Koeffizientensteuerungsteil 20 eingegeben. Das Ausgangssignal y(n) des rekursiven Teils 17 wird in ein digitales Filter 31 eingegeben, und das Ausgangssignal y2(n) des digitalen Filters 31 wird in den Koeffizientensteuerungsteil 21 eingegeben. Die Filterkoeffizienten a(i) und b(j) des adaptiven IIR-Digitalfilters 16 werden so aktualisiert, dass das Geräuschaufhebungs-Abweichungssignal minimiert wird. Die Aktualisierungsformel ist dabei durch die folgenden Gleichungen (16) und (17) gegeben:
a(i, n + 1) = a(i, n) + αu2(n - i) e(n) (16)
b(j, n + 1) = b(j, n) + βy2(n - j) e(n) (17)
wobei α und β Schrittgrößeparameter repräsentieren und einen kleinen positiven Wert einnehmen. Beim Aktualisieren der Filterkoeffizienten a(j) und b(j) kann f(n) der Gleichung (13) anstelle von e(n) in den Gleichungen (16) und (17) ver wendet werden. y3(j, n) in der folgenden Gleichung (18) kann anstelle von y2(n - j) in der Gleichung (17) verwendet werden:
y3(j, n) = y2(n - j) + b(k, n) y3(j, n - k) (18)
Es ist zu beachten, dass dasselbe Ergebnis erzielt wird, wenn ein Berechnungsabschnitt für die Gleichung (18) in einer Vorstufe zum Digitalfilter 31 angeordnet wird, um dabei die Reihenfolge zu vertauschen. Das Aktualisieren des Filterkoeffizienten b(j) des rekursiven Teils 17 kann auch vom Koeffizientensteuerungsteil 19 ausgeführt werden. Der Koeffizientensteuerungsteil 19 erhält das Ausgangssignal y(n) des rekursiven Teils 17 als Eingangssignal, und er aktualisiert den Filterkoeffizienten b(j) auf Grundlage der Gleichung (19) zum Minimieren des Pegels des Ausgangssignal y(n):
b(j, n + 1) = b(j, n) - γy(n - j) y(n) (19)
wobei γ einen Schrittgrößeparameter repräsentiert und einen kleinen positiven Wert einnimmt. Hierbei wird der Vorgang des Aktualisierens der Filterkoeffizienten auf Grundlage der Gleichung (19) unter Steuerung durch den Koeffizientensteuerungsteil 19 durch die Leistung P des Ausgangssignals y(n) des rekursiven Teils 17 gesteuert. Genauer gesagt, wird das Ausgangssignal y(n) des rekursiven Teils 17 in einen Pegelerfassungsteil 33 eingegeben und es wird die Leistung P des Ausgangssignals y(n) berechnet. Der Koeffizientensteuerungsteil 19 führt eine Filterkoeffizienten-Aktualisierungsoperation nur dann aus, wenn die Eingangsleistung P größer als eine vorbestimmte Bezugsleistung ist. Das Aktualisieren der Filterkoeffizienten auf Grundlage der Gleichungen (17) und (19) wird parallel oder auf Zeitmultiplexweise ausgeführt.
Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Betriebsablauf im Koeffizientensteuerungsteil 19 nur dann zulässig, wenn der vom Pegelerfassungsteil 33 erfasste Signalpegel größer als ein vorbestimmter Bezugswert ist. Im Ergebnis kann eine Divergenz des Signals im rekursiven Teil 17 unterdrückt werden und im adaptiven IIR-Digitalfilter 16 kann stabile Aktualisierung der Filterkoeffizienten erzielt werden. Ferner kann, da der Koeffizientensteuerungsteil 19 nur dann arbeitet, wenn der im Pegelerfassungsteil 33 erfasste Signalpegel größer als ein vorgeschriebener Bezugswert ist, eine zweckdienliche Geräuschaufhebungsverarbeitung nicht nur für Zufallsschall sondern auch für ein periodisches Signal ausgeführt werden, ohne dass ein Signal im rekursiven Teil 17 aufgehoben wird.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine aktive Regelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven IIR-Digitalfilters gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Der Aufbau in Fig. 8 ist identisch mit dem in Fig. 7, wobei die Positionen des rekursiven Teils 17 und des nichtrekursiven Teils 18 im adaptiven IIR-Digitalfilter 16 vertauscht sind. Der Filterkoeffizient a(i) wird im Koeffizientensteuerungsteil 20 auf Grundlage der folgenden Gleichung aktualisiert:
a(i, n + 1) = a(i, n) + αv2(n - i) e(n) (20)
Der Filterkoeffizient b(j) wird im Koeffizientensteuerungsteil 21 auf Grundlage der Gleichung (17) aktualisiert:
b(j, n + 1) = b(j, n) + βy2(n - j) e(n) (17)
Ferner wird der Filterkoeffizient b(j) im Koeffizientensteuerungsteil 19 auf Grundlage der Gleichung (21) so aktualisiert, dass der Pegel des Ausgangssignal v(n) des rekursi ven Teils 17 minimiert wird:
b(j, n + 1) = b(j, n) - γv(n - j) v(n) (21)
Das Ausgangssignal v(n) des rekursiven Teils 17 wird in den Pegelerfassungsteil 33 eingegeben, und es wird die Leistung P des Ausgangssignals v(n) berechnet. Der die Gleichung (21) ausführende Koeffizientensteuerungsteil 19 führt eine Filterkoeffizienten-Aktualisierungsoperation nur dann aus, wenn die Eingangsleistung P größer als eine vorgeschriebene Bezugsleistung ist. Dabei wird das Aktualisieren der Filterkoeffizienten auf Grundlage der Gleichungen (17) und (21) parallel oder auf Zeitmultiplexweise ausgeführt.
Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist, wie im Fall der vorigen Ausführungsbeispiele, ein Betriebsablauf im Koeffizientensteuerungsteil 19 nur dann zulässig, wenn der vom Pegelerfassungsteil 33 erfasste Signalpegel größer als ein vorgeschriebener Bezugswert ist, weswegen eine Divergenz des Signals im rekursiven Teil 17 unterdrückt werden kann. Im Ergebnis kann im adaptiven IIR-Digitalfilter 16 stabiles Aktualisieren der Filterkoeffizienten erzielt werden. Da der Koeffizientensteuerungsteil 19 nur dann arbeitet, wenn der im Pegelerfassungsteil 33 erfasste Signalpegel größer als ein vorgeschriebener Bezugswert ist, kann zweckdienliche Geräuschaufhebungsverarbeitung nicht nur für Zufallsschall sondern auch für ein periodisches Signal ausgeführt werden, ohne dass ein Signal im rekursiven Teil 17 aufgehoben wird.

(2) Wenn ein adaptives FIR-Digitalfilter verwendet wird

Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine aktive Geräuschregelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven FIR-Digitalfilters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht Fig. 11, und dieselben Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 11 gekennzeichnet.
In Fig. 9 wird ein Geräuschaufhebungs-Abweichungssignal e1(n), das das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 27 ist, in einen ersten und einen zweiten Koeffizientensteuerungsteil 44 und 46 eingegeben. Im ersten digitalen Korrekturfilter 45 wird eine Operation auf Grundlage der Gleichung (5) ausgeführt. Das Ausgangssignal u11(n) des digitalen Korrekturfilters 45 wird in den zweiten Koeffizientensteuerungsteil 46 eingegeben, in dem der Filterkoeffizient b1(i) eines zweiten adaptiven Digitalfilters 43 auf Grundlage der Gleichung (4) aktualisiert wird. Die Übertragungscharakteristik des digitalen Korrekturfilters 45 berücksichtigt die Übertragungscharakteristik im Pfad für y1(n) aus dem zweiten adaptiven Digitalfilter 43 zum zweiten Koeffizientensteuerungsteil 46. In ein drittes adaptives FIR-Digitalfilter 47 wird auch das Geräuschaufhebungssignal y1(n) eingegeben. Der Filterkoeffizient b1(i) des dritten adaptiven Digitalfilters 47 wird gleichzeitig mit dem Aktualisieren des Filterkoeffizienten b1(i) des zweiten adaptiven Digitalfilters 43 aktualisiert. Demgemäß ist die Übertragungscharakteristik des dritten adaptiven Digitalfilters 47 dieselbe wie die des zweiten adaptiven Digitalfilters 43. Das Ausgangssignal y11(n) des dritten adaptiven Digitalfilters 47 wird in ein zweites korrigierendes FIR-Digitalfilter 48 eingegeben. Das zweite digitale Korrekturfilter 48 ist mit dem ersten digitalen Korrekturfilter 45 identisch. Das Ausgangssignal y21(n) des zweiten digitalen Korrekturfilters 48 wird in den ersten Koeffizientensteuerungsteil 44 eingegeben. Dieser erste Koeffizientensteuerungsteil 44 aktualisiert den Filterkoeffizienten a(i) des ersten adaptiven Digitalfilters 41 auf Grundlage der folgenden Gleichung (22):
a1(i, n + 1) = a1(i, n) - α · y21(n - i) · e1(n) (22)
wobei α einen Schrittgrößeparameter repräsentiert und einen kleinen positiven Wert einnimmt.
y21(n) wird im zweiten digitalen Korrekturfilter 48 auf Grundlage der folgenden Gleichung (23) erzeugt:
y21(n) = h1(i) · y11(n - i) (23)
wobei h1(i) den Filterkoeffizienten des zweiten digitalen Korrekturfilters 48 repräsentiert und L die Zahl der Abgriffe des Filters 48 ist.
y11(n) wird im dritten adaptiven Digitalfilter (47) auf Grundlage der folgenden Gleichung (24) erzeugt:
y11(n) = b1(i, n) · y1(n - i) (24)
wobei b1(i, n) den Filterkoeffizienten des zweiten adaptiven Digitalfilters 43 in der Zeit n repräsentiert und N die Zahl der Abgriffe des zweiten und dritten adaptiven Digitalfilters 43, 47 ist.
Wenn die Filterkoeffizienten a1(i) und b1(i) des ersten und zweiten adaptiven Digitalfilters 41 und 43 unter Verwendung der Reihe der Gleichungen 4, 5 sowie 22 - 24 aktualisiert werden, kann die mittlere Leistung des Abweichungssignals e1(n) verringert werden.
Fig. 10 ist eine aktive Geräuschregelungsvorrichtung unter Verwendung eines adaptiven FIR-Digitalfilters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind dieselben Komponenten wie beim vorigen Ausfüh rungsbeispiel in Fig. 9 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Dieses Ausführungsbeispiel betrifft den Fall, dass eine gewünschte Antwort d1(n) hinsichtlich des Ausgangssignals y1(n) des zweiten adaptiven Digitalfilter s erhalten wird und ein Ausgangsabweichungssignal e01(n) (= d1(n) - y1(n)) unmittelbar geliefert werden kann. In diesem Fall können die zwei digitalen Korrekturfilter 45 und 48 beim vorigen Ausführungsbeispiel weggelassen werden. Demgemäß erfolgt die Aktualisierung des Filterkoeffizienten a1(i) des ersten adaptiven Digitalfilters 41 durch die folgende Gleichung (25), und diese Aktualisierung wird im ersten Koeffizientensteuerungsteil 44 ausgeführt:
a1(i, n + 1) = a1(i, n) + α1 · y11(n - 1) · e01(n) (25)
wobei α1 ein Schrittgrößeparameter ist und einen kleinen positiven Wert einnimmt. y11 ist das Ausgangssignal des dritten adaptiven Digitalfilters 47, das durch die Gleichung (24) erzeugt wird.
Der Filterkoeffizient b1(i) des zweiten adaptiven Digitalfilters 43 ist durch die folgende Gleichung (26) gegeben, und er wird im zweiten Koeffizientensteuerungsteil 46 aktualisiert:
b1(i, n + 1) = b1(i, n) + β1 · u1(n - 1) · e01(n) (26)
wobei β1 ein Schrittgrößeparameter ist und einen kleinen positiven Wert einnimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bildet ein zweiter Addierer 49 eine Abweichungssignal-Ausgabeeinrichtung. Der erste und zweite Koeffizientensteuerungsteil 44, 46 und das dritte adaptive Digitalfilter 47 bilden eine Koeffizientensteuerungseinrichtung.
Die Erfindung ist bei anderen aktiven Regelungsvorrichtungen als einer aktiven Geräuschregelungsvorrichtung anwendbar. Beispiele für derartige Anwendungen sind in den Fig. 18-20 dargestellt. Gemäß den Fig. 18 und 19 wird die aktive Regelungsvorrichtung zum Regeln von Schwingungen verwendet, und gemäß Fig. 20 wird die aktive Regelungsvorrichtung als Geräuschaufhebungseinrichtung verwendet. Gemäß der Fig. 20 können Geräusche dadurch aufgehoben werden, dass der Filterkoeffizient auf solche Weise aktualisiert wird, dass der Wert "e" minimal wird.
Obwohl die Erfindung im Einzelnen beschrieben und Veranschaulicht wurde, ist deutlich zu beachten, dass dies nur zur Veranschaulichung und als Beispiel dient und nicht zur Beschränkung zu verwenden ist, da der Schutzumfang der Erfindung nur durch die Begriffe der beigefügten Ansprüche begrenzt ist.

Claims

1. Aktive Regelungsvorrichtung zum Regeln des Werts eines physikalischen Effekts auf einen gewünschten Wert, mit:

- einer Erfassungseinrichtung (13, 22, 25) zum Erfassen des Werts (u) des physikalischen Effekts;

- einer Regelungssignal-Ausgabeeinrichtung (15, 16, 23, 26), die auf das durch die Erfassungseinrichtung erhaltene Erfassungssignal (u) reagiert, um ein Regelungssignal zum Regeln des Werts des physikalischen Effekts auf den gewünschten Wert auszugeben, und die ein adaptives Digitalfilter (16) enthält; und

- einer Abweichungssignal-Ausgabeeinrichtung (14, 24, 27) zum Ausgeben der Abweichung zwischen dem gewünschten Wert des physikalischen Effekts und dem tatsächlichen Wert desselben;

dadurch gekennzeichnet, dass

- das adaptive Digitalfilter (16) aus einem nicht-rekursiven Filter (18) und einem rekursiven Filter (17) besteht; und

- die Regelungssignal-Ausgabeeinrichtung (15, 16, 23, 26) Folgendes aufweist:

-- eine erste Koeffizientensteuerungseinrichtung (20), die auf das Ausgangssignal der Abweichungssignal-Ausgabeeinrichtung (14, 24, 27) und das Eingangssignal des nicht-rekursiven Filters (18) reagiert, um das Filter so zu aktualisieren, dass der Pegel des Ausgangssignals der Abweichungssignal-Ausgabeeinrichtung (14, 24, 27) minimiert wird;

-- eine zweite Koeffizientensteuerungseinrichtung (19), die so vorhanden ist, dass sie auf das Ausgangssignal des rekursiven Filters (17) reagiert, um den Filterkoeffizienten dieses rekursiven Filters (17) so zu steuern, dass der Aus gangssignalpegel dieses rekursiven Filters (17) minimiert wird; und

-- eine dritte Koeffizientensteuerungseinrichtung (21), die so vorhanden ist, dass sie auf das Ausgangssignal der Abweichungssignal-Ausgabeeinrichtung (14, 24, 27) und das Ausgangssignal des rekursiven Filters (17) reagiert, um den Filterkoeffizienten des rekursiven Filters (17) so zu steuern, dass der Ausgangssignalpegel der Abweichungssignal-Ausgabeeinrichtung (14, 24, 27) minimiert wird.

2. Aktive Regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungssignal von der Erfassungseinrichtung (13, 22, 25) über das nicht-rekursive Filter (18) an das rekursive Filter (17) geliefert wird.

3. Aktive Regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungssignal von der Erfassungseinrichtung (13, 22, 25) über das rekursive Filter (17) an das nicht-rekursive Filter (18) geliefert wird.

4. Aktive Regelungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Koeffizientensteuerungseinrichtung (19) den Filterkoeffizienten unter Berücksichtigung des Ausgangssignals des nicht-rekursiven Filters (18) aktualisiert.

5. Aktive Regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungssignal-Ausgabeeinrichtung ferner eine Pegelerfassungseinrichtung (33) zum Erfassen des Pegels des Regelungssignals (y) und eine Einrichtung aufweist, die auf den Erfassungspegel durch die Pegelerfassungseinrichtung (33) reagiert, um die zweite Koeffizientensteuerungseinrichtung (19) zu betreiben.

6. Aktive Regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungssignal-Ausgabeeinrichtung ferner eine Pegelerfassungseinrichtung (33) zum Erfassen des Pegel des Ausgangssignals des rekursiven Filters (17) und eine Einrichtung aufweist, die auf den Erfassungsspegel durch die Pegelerfassungseinrichtung (33) reagiert, um die zweite Koeffizientensteuerungseinrichtung (19) zu betreiben.

7. Aktive Regelungsvorrichtung zum Regeln des Werts eines physikalischen Effekts auf einen gewünschten Wert, mit:

- einer Erfassungseinrichtung (13, 22, 25) zum Erfassen des Werts des physikalischen Effekts;

- einer Regelungssignal-Ausgabeeinrichtung (15, 23, 26, 41, 43) die auf das durch die Erfassungseinrichtung (13, 22, 25) erhaltene Erfassungssignal (x1(n)) reagiert, um ein Regelungssignal (y1(n)) zum Regeln des Werts des physikalischen Effekts auf den gewünschten Wert auszugeben, und die ein adaptives Digitalfilter (41, 43) enthält; und

- einer Abweichungssignal-Ausgabeeinrichtung (14, 24, 27) zum Ausgeben der Abweichung (e1(n)) zwischen dem gewünschten Wert des physikalischen Effekts und dem tatsächlichen Wert desselben;

dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungssignal-Ausgabeeinrichtung (15, 23, 26, 41, 43) Folgendes aufweist:

- ein erstes nicht-rekursives Digitalfilter (43) zum Ausgeben des Regelungssignals (y1(n));

- ein zweites nicht-rekursives Digitalfilter (41) zum Eingeben des Regelungssignals (y1(n));

- wobei ein Additionssignal (u1(n)) betreffend das Erfassungssignal (x1(n)) von der Erfassungseinrichtung und das Ausgangssignal (v1(n)) des zweiten Digitalfilters in das erste Digitalfilter eingegeben werden;

- eine erste Koeffizientensteuerungseinrichtung (46), die auf das Abweichungssignal (e1(n)) und das Additionssignal (u1(n)) reagiert, um einen Filterkoeffizienten des ersten Digitalfilters (43) zu steuern; und

- eine zweite Koeffizientensteuerungseinrichtung (44), die auf das Abweichungssignal (e1(n)) und ein Signal (y11(n)) reagiert, das dadurch erhalten wird, dass das Regelungssignal (y1(n)) mit derselben Filtercharakteristik gefiltert wird, die durch das erste Digitalfilter (43) verwendet wird, um einen Filterkoeffizienten des zweiten adaptiven Digitalfilters (41) zu steuern.