JPH07230288A - フィルタ係数更新方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フィルタ係数を更新するための演算処理を高
速化することができるフィルタ係数更新方法を提供する
ことにある。 【構成】 自動車の車室等における閉空間で適応フィル
タを用いてエンジン騒音を相殺して低減する方法であっ
て、前記適応フィルタ内のタップを実線（図４中）で示
すように一括して更新するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、船舶等のエン
ジン騒音を空間で相殺することにより当該騒音を低減す
るシステムに採用される適応フィルタの係数を更新させ
るフィルタ係数更新方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、このようなエンジン騒音を低減さ
せるシステムとしては、適応フィルタを備えたアクティ
ブ・ノイズ・コントロール・システム（以下、単にＡＮ
Ｃと称する）がある。

【０００３】該ＡＮＣは、当該適応フィルタの係数に応
じてエンジン騒音を消音するキャンセル信号を生成する
のであるが、当該適応フィルタの係数を更新する場合に
は、各タップ数毎に係数を更新する所定の演算処理を行
なっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のフィルタ係数更新方法によれば、適応フィルタの係
数を更新する場合には、当該適応フィルタの各タップの
数だけ所定の演算処理が必要であったために、演算が複
雑化して当該演算処理の高速化を著しく損なってしまう
といった問題点があった。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、フィルタ係数を更新
するための演算処理を高速化することができるフィルタ
係数更新方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のフィルタ係数更新方法は、自動車の車室等に
おける閉空間で適応フィルタを用いてエンジン騒音を相
殺して低減する方法であって、前記適応フィルタ内のタ
ップを一括して更新することを特徴とする。

【０００７】

【作用】かかる構成により、適応フィルタのフィルタ係
数を更新する際に、適応フィルタ内のタップを一括して
更新するようにしたので、当該フィルタ係数を更新する
ための演算処理を迅速に行なうことができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明に係るフィルタ係数更新方法を
適用したアクティブ・ノイズ・コントロール・システム
の実施例について説明する。

【０００９】車載用アクティブ・ノイズ・コントロール
・システム（Ａｃｔｉｖｅ Ｎｏｉｓｅ・Ｃｏｎｔｒｏ
ｌ Ｓｙｓｔｅｍ；以下、ＡＮＣと称する）を例に説明
する。これは適用フィルタを応用し、エンジン騒音を空
間で相殺することにより乗員の頭部付近の騒音を低減す
るシステムである。

【００１０】本システムの信号処理上の特徴を列記する
と下記のようになる。

【００１１】１）一括更新型ＳＦＸ−ＬＭＳアルゴリズ
ムを考案し演算量を削減した。

【００１２】２）不連続音対策、適応フィルタの発散防
止、不要な低周波数音の成長防止用としての係数安定化
ＦＩＲフィルタ（ＳＴＦ）を採用した。

【００１３】３）回転数、回転状態感応型、ＳＴＦ、ス
テップサイズ変更方式を採用。

【００１４】４）エンジンパルス割り込みによるサンプ
リングタイミング調整機能の採用。

【００１５】図１は本実施例の構成を立体的に表わす斜
視図である。図１において、エンジン騒音の騒音源であ
るエンジン１００と、該エンジン１００の回転状態や回
転数を検出するエンジンコントロールユニット２００
と、当該車内の任意の位置に設置されたスピーカ３００
と、各座席の上部に設けて当該車内の騒音を収音するマ
イクロホン４００と、該ＡＮＣ全体を制御するＡＮＣコ
ントローラ５００とを有している。

【００１６】図２にＡＮＣモードのブロック図を示す。
ＳＰ１〜４はキャンセル音出力用スピーカであり、ＭＩ
Ｃ１〜４はエラーマイクロホンである。

【００１７】Ｃ１１〜４４はスピーカＳＰ１〜４、マイ
クロホンＭＩＣ１〜４間の伝達関数であり、Ｃｈａｔ１
１〜４４はシステム同定により推定されたスピーカＳＰ
１〜４、マイクロホンＭＩＣ１〜４間の伝達関数であ
る。

【００１８】「ＡＤＳＧ１〜４」は適応フィルタ（キャ
ンセル信号発生器）［Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｄｉｇｉｔａ
ｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ］であり、従来
より一般的に使用されているものである。

【００１９】「ＳＴＦ」はＡＤＳＧ係数安定化ＦＩＲフ
ィルタ、「ＵＰＦ」は一括更新型ＳＦＸ−ＬＭＳ係数更
新用ＦＩＲフィルタ、「ＳＳ１」はステップサイズ１、
各パスごとにかかる固定のステップサイズ、「ＳＳ２」
はステップサイズ２であり、回転数、回転状態により変
化するステップサイズである。

【００２０】Ｗ１（ｎ）〜Ｗ４（ｎ）は更新前のＡＤＳ
Ｇ係数である。１１はＡＤＳＧ１〜４から出力された出
力値の位相を反転させる位相反転部である。１０はエン
ジン回転数・回転状態判断部である。尚、ＥＮＧＩＮＥ
ＰＵＬＳＥはＡＤＳＧ１〜４及びエンジン回転数・回
転状態判断部１０に入力されるエンジン回転数に同期し
たパルスである。

【００２１】このシステムは図１に示すように１個のエ
ンジン１００を騒音源とし、４個のエラーマイクロホン
４００と４個のスピーカ３００を使うＣＡＳＥ（１，
４，４）である。

【００２２】では、次に図２に示すブロック図の動作に
ついて簡単に説明する。

【００２３】エンジン騒音とスピーカＳＰ１〜４より発
せられるキャンセル信号の和を、マイクロホンＭＩＣ１
〜４で取り込みエラー信号とする。そして、推定した伝
達関数（Ｃｈａｔ）を逆並べ（Ｄａｔａ Ｒｅｖｅｒｓ
ｅ）した数値とエラー信号の畳み込み演算を行う。これ
が一括更新型ＳＦＸ−ＬＭＳの特徴である。このＦＩＲ
フィルタをＵＰＦと呼ぶ。（このＳＦＸ−ＬＭＳについ
ての詳細は後述する）。さらに、畳み込んだ値にステッ
プサイズ１を乗算する。

【００２４】ステップサイズ１の乗算した結果を各マイ
クロホンＭＩＣ１〜４入力毎に加算し、エンジン回転
数、回転状態に応じたステップサイズ２（ＳＳ２）を乗
算する。これが、エンジン回転数、回転状態感応型ステ
ップサイズ変更方式である。また、この計算結果が、Ａ
ＤＳＧ係数の更新値である。

【００２５】現在のＡＤＳＧ係数［Ｗ１（ｎ）］〜［Ｗ
４（ｎ）］に更新値を、それぞれ加算する。

【００２６】その加算結果を安定させるために、ＳＴＦ
でフィルタリングし、その結果を新しいＡＤＳＧ係数
［Ｗ１（ｎ＋１）］〜［Ｗ４（ｎ＋１）］とする。ＳＴ
Ｆの特性はエンジン回転数、回転状態により変化する。
これが回転数感応型ＳＴＦ変更方式である。

【００２７】さらにＡＤＳＧから出力された信号の出力
値の位相を位相反転部１１により反転させる。そして、
スピーカＳＰ１〜ＳＰ４より出力する。以上がＡＮＣモ
ードの基本動作である。

【００２８】次にＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳについ
て説明する。

【００２９】通常のＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳで
は、３次元空間のＡＮＣを実現する場合、消音したい信
号（騒音）に相関性のある信号を参照信号として取り込
む。この場合の信号処理アルゴリズムを図３に示す。こ
れが一般的なＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳのアルゴリ
ズムである。

【００３０】このＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳの係数
更新式を（数１）、（数２）に示す。

【００３１】

【数１】

【００３２】

【数２】 但し、ここでｗは適応フィルタ係数、ｉはフィルタ係数
の番号、μはステップサイズ、ｅはエラー記号、ｒは伝
達関数補正用フィルタ出力信号、Ｃはマイクロホンとス
ピーカとの間の伝達関数、Ｘは参照入力信号、ｊはＣの
インパルス応答の番号、ｋはＣのタップ数である。

【００３３】（数２）がＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘの特徴で
ある空間（スピーカ〜マイクロホン間）の伝達関数Ｃと
入力データＸの畳込み演算である。

【００３４】ここで参照入力に次式のようなインパルス
を入力したとする。ただし、このインパルスは消音対象
ある周期性騒音に同期して繰り返される。

【００３５】Ｘ（０）＝１ Ｘ（ｉ）＝０ ｉ＜０ ｉ＞０ 上記式の条件を満たすということは、次式が成り立つ。

【００３６】ｎ＝ｊ→Ｘ（ｎ−ｊ）＝１ ｎ≠ｊ→Ｘ（ｎ−ｊ）＝０ すると（数２）は次式になる。

【００３７】ｒ（ｎ）＝ｃn すなわち、ｒ（ｎ）は伝達関数Ｃのインパスルレスポン
スｃn を順次出力することであり、畳込み演算を必要と
しない。フィルタＷに関しても、これと同様に畳込み演
算をせずにフィルタ係数ｗｉを順次出力すればよく、演
算量を大幅に削減できかつ、図３のような通常のＦｉｌ
ｔｅｒｅｄ−Ｘの参照入力にパルスが入力した場合と演
算結果は等価である。これがＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ
Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ（ＳＦＸ）アルゴリズムであ
る。

【００３８】次に、一括更新型ＳＦＸ−ＬＭＳについて
説明する。

【００３９】ＳＦＸでは（数１），（数２）は、（数
３）になる。

【００４０】

【数３】 従来のアルゴリズムでは図３（Ｈ部）の様に（数３）を
ｋ＋１回、１サンプルで更新していた。従って、フィル
タＷの係数ｗi の更新が完了するためには、Ｃのタップ
数であるｋ＋１回分更新しなければならない。この説明
を図４を使い説明する。（数３）を図式化したものが図
４である。縦に並ぶｅとｃが（数３）の右辺第２項の乗
算を示す。これは、Ｃを８タップ（ｋ＝７）とし、参照
入力のパルスが２２サンプル目に入力した場合の例であ
り、縦軸がサンプル数（ｎ）、横軸がフィルタＷのタッ
プ番号（ｉ）である。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３はポインタの位
置を示している。これらポインタについては後で説明す
る。

【００４１】例えば、１１サンプル目のｗｉを更新する
場合を考える。従来型のＳＦＸ−ＬＭＳアルゴリズムで
は（数３）に従い、ｗ１９からｗ１２までの８個の係数
を更新する（図４の点線で囲んだ部分の演算）。この処
理でｗ１２の更新は終了する。

【００４２】次にｗ１２に着目すると、このタップは、
４サンプル目から更新が始まり、１１サンプル目で更新
が終了する。更新が完了したｗ１２´は（数４）の様に
示される。

【００４３】

【数４】 尚、（ｗｉ´）はｗｉの更新が完了していることを示
す。

【００４４】（数４）を一般式に直すと（数５）で表さ
れる。

【００４５】

【数５】 （数５）式の右辺第２項はエラー信号と伝達関数Ｃの係
数ｃｊを逆並べした係数との畳込み演算である。（図４
の実線で囲んだ部分の演算を示す。）（数５）は、従来
の（数３）をｋ＋１回演算するのと比べ、乗算、減算と
もｋ＋１回削減することができる。

【００４６】また、ＤＳＰの特徴として、畳込み演算を
得意とするアーキテクチャを採用しいるため、実際は、
削減された演算数以上に、演算結果を短縮することがで
きる。

【００４７】また、図４においてタップ１２（実線枠
内）の更新を例にとり説明するが、従来においては、ｅ
４・ｃ１，ｅ５・ｃ２，…ｅ１０・ｃ７，ｅ１１・ｃ８
という演算に基づき順次に係数を更新していたが、本発
明においてはある時間においてｅ４・ｃ１，ｅ５・ｃ
２，…ｅ１０・ｃ７，ｅ１１・ｃ８の演算を一括して行
うことで更新を終了するようにしたので、タップの係数
更新に伴う演算処理を大幅に高速化することができる。

【００４８】これが、一括更新型ＳＦＸ−ＬＭＳアルゴ
リズムである。図２のＵＰＦがこの一括更新型ＳＦＸ−
ＬＭＳによる更新係数演算部であり、処理としては、伝
達関数Ｃを推定したＣｈａｔのインパルスレスポンスを
逆並べした数列を係数とするＦＩＲフィルタである。

【００４９】なお、図４において、Ｐ１は出力用ポイン
タである。ポインタはフィルタ係数（ｗ）上をサンプル
ごとにインクリメントされる。ＳＦＸなので畳込み演算
を行わず、Ｐ１の示すデータｗｉを出力すればよい。ま
た、このポインタは、参照入力にパルスが入力するとｗ
0 に戻る。すなわち適応フィルタのタップ数が可変であ
る。Ｐ２は一括更新する係数ｗを示すポインタである。

【００５０】次にＡＤＳＧ係数安定化ＦＩＲフィルタ
（ＳＴＦ）について説明する。

【００５１】本システムの適応フィルタが不安定になる
条件としては、次のようなことが考えられる。

【００５２】１）騒音の周波数帯域をスピーカＳＰ１〜
４の特性がカバーできない場合、フィルタ係数が発散す
る。例えば、騒音の周波数が５０Ｈｚで、スピーカＳＰ
１〜４が５０Ｈｚのような低域を発生できない場合、適
応フィルタは５０Ｈｚの信号を生成するが、エラー信号
は減少しないために、適応フィルタが発散してしまう。

【００５３】２）Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳの特性
として、高音域が発散しやすい。

【００５４】３）マイクロホンＭＩＣ１〜４入力に何か
の理由でオフセットがかかった場合、適応フィルタにも
ＤＣ成分が重畳してしまう。

【００５５】４）エンジン回転数が変化した場合、適応
フィルタの出力に不連続点が生じてしまう。

【００５６】これらの問題点を解決する方法として、フ
ィルタ係数安定化フィルタ（ＳＴＦ）を採用した。

【００５７】このフィルタ係数安定化フィルタの原理に
ついて説明する。

【００５８】一括更新型ＳＦＸ−ＬＭＳアルゴリズムに
より更新される値を直線位相のＦＩＲフィルタでフィル
タリングする。このＦＩＲフィルタの特性は基本的には
バンドパスフィルタとし、スピーカＳＰ１〜４の再生で
きない低音域と、空間で消音できない高音域の更新をカ
ットする。このフィルタにより、低音域や高音域の発散
を防止し、また、エンジン回転数が変化した場合の不連
続音の発生を減少させることができる。

【００５９】ＳＴＦに直線位相のＦＩＲフィルタを使う
ことで、位相状態は保たれたまま周波数のフィルタリン
グが可能となる。このＳＴＦによる遅延はタップ数の半
分のサンプル数となるため、その時間経過後に、適応フ
ィルタの更新を行わなければならない。

【００６０】この説明を図４を使い説明する。ＳＴＦを
７タップのＦＩＲフィルタとした場合、フィルタリング
された結果は、３サンプル後に出力される。従って、
（数５）の結果であるｗｉ´（ｎ＋１）をフィルタリン
グした値は、３サンプル後に更新すれば良い。Ｐ３が更
新されるアドレスである。

【００６１】次に回転数、回転状態感応型ステップサイ
ズ、ＳＴＦ変更方式について説明する。

【００６２】ＳＦＸアルゴリズムの欠点として、その構
造上、エラー信号の影響が直接出力信号に反映される。
言い換えると、エラー信号に参照入力と相関性のない信
号が入力した場合、出力信号にその相関性のない信号が
重畳されてしまっていた。

【００６３】本システムのようなＡＮＣの場合、エラー
マイクロホンに向かって声を発する等のことを行うと、
スピーカよりエコーが発生する場合がある。このような
対策として、ステップサイズを小さくし、更新量を小さ
くすることでエコーを抑える方法があるが、この処理
は、システムの性能を劣化させてしまう。

【００６４】従来は、これらのバランスを考えてステッ
プサイズを決定していた。その結果、エンジンの加減速
に追従する性能を出すことができなかった。

【００６５】また、もう一つの問題として、アルゴリズ
ムの構成上、加減速時にキャンセル信号に不連続点が発
生する場合がある。その対策として、ＳＴＦを付加した
が、単一の特性では効果的に不連続音を低減させること
ができなかった。

【００６６】そこで、本実施例においてはエンジン回転
数、回転状態を監視し、これによりステップサイズ、Ｓ
ＴＦを変更することで、前記の問題点が緩和させた。

【００６７】この方式の原理について説明する。

【００６８】エンジン回転数、回転状態をＤＳＰを使い
監視し、それにより、ステップサイズ、ＳＴＦを制御さ
せた。回転数は低回転、中回転、高回転の３段階に、回
転状態は、定常回転、加速、減速、急減速の４段階に分
け、これらの組み合わせの計１２通りの場合分けを行
い、夫々に最適なステップサイズ、ＳＴＦの係数を図示
せぬメモリに記憶しておき、当該メモリから夫々を選択
した。

【００６９】図５にエンジン回転数、回転状態に対する
ステップサイズ、ＳＴＦの例を、図６にＳＴＦの周波数
特性を示す。例えば、加減速時は、不連続点が発生しや
すいため、ローパス・フィルタのカットオフ周波数を低
く設定する。この時のカットオフ周波数は、２００〜４
００Ｈｚが適当である。また騒音の変化に対する追従性
を上げるため、ステップサイズを大きく設定する。

【００７０】対して、定常回転時は、なるべく高い周波
数まで消音するため、ローパス・フィルタのカットオフ
周波数を高くし、エコーを抑えるために、ステップサイ
ズを小さくする。ギアチェンジ等の急減速時は、適応処
理が追従できないとして、ＡＤＳＧの係数をすべてクリ
アする。なお、図５、図６は説明のための例であり、こ
の値にとらわれるものではない。

【００７１】次にエンジンパルス割り込みによるサンプ
リングタイミング調整機能について説明する。

【００７２】本システムのアルゴリズム（一括更新型Ｓ
ＦＸ−ＬＭＳ）は適応フィルタのタップ長をエンジン回
転数により変化させる可変タップアルゴリズムである。
適応フィルタのタップ長はエンジン二回転の周期に一致
させるのであるが、これは、サンプリング周期を単位と
して離散的になる。従って、従来の方法では騒音の周期
とキャンセル音の周期を正確に一致させることができ
ず、ビート音を発生するという問題があった。

【００７３】そこで、この対策として、エンジンパルス
をサンプリング周期の基準とし、強制的に騒音の周期と
キャンセル音の周期とを一致させる。この動作を図６に
示す。

【００７４】具体的には、エンジンパルスをＤＳＰの外
部割り込みに入力し、エンジンパルスにサンプリング周
期（ＡＤ，ＤＡコンバータのタイミング）を同期させ
る。エンジンパルスが入力されると、図７のＮ番目のサ
ンプルの処理を中断し、新たなサンプリングを開始す
る。これにより、エンジンパルス入力時のみ疑似的にサ
ンプリング周波数が高くなることになり、ビート音の発
生を抑えることができる。

【００７５】前記エンジン回転数が高回転になると、当
該エンジン回転数に同期したエンジンパルスの間隔が短
くなり、一括更新による係数の更新を行う前に、係数を
出力することになってしまう。これにより、不連続点が
発生し、ノイズが発生するといった問題があった。

【００７６】そこで、上記問題を打開するために当該エ
ンジン回転数に同期したエンジンパルスの間隔が、所定
間隔よりも短い間隔で入力されると、当該短い間隔で入
力された複数のエンジンパルスの合計時間が、所定間隔
よりも長くなるまで、エンジンパルスを読み飛ばすよう
にしたので、当該キャンセル音に不連続点が発生しノイ
ズが生じることを防止することができる。

【００７７】また、エンジンパルス間隔で、騒音が繰り
返されるので、キャンセル音も繰り返される。そこで、
はじめのエンジンパルス間隔分のキャンセル信号を読み
飛ばされたエンジンパルス以降に複写することにより、
不連続音に対しより一層の効果を上げることができる。

【００７８】

【発明の効果】上記のように構成された本発明のフィル
タ係数更新方法によれば、適応フィルタのフィルタ係数
を更新する際に、適応フィルタ内のタップを一括して更
新するようにしたので、当該フィルタ係数を更新するた
めの演算処理を迅速に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の構成を立体的に表わした斜視図であ
る。

【図２】ＡＮＣモードの概略を示すブロック図である。

【図３】ＳＦＸ−ＬＭＳの基本的なアルゴリズムを示す
ブロック図である。

【図４】一括更新型ＳＦＸ−ＬＭＳを図式化した説明図
である。

【図５】エンジン回転数、回転状態のチューニング結果
を示す説明図である。

【図６】ＳＴＦの係数と特性を示す説明図である。

【図７】エンジンパルス割り込み状態を示す概念図であ
る。

【符号の説明】

ＳＰ１〜４ キャンセル音出力用スピーカ ＭＩＣ１〜４ エラーマイクロホン Ｃ１１〜４４ 伝達関数 Ｃｈａｔ１１〜４４ 伝達関数 ＡＤＳＧ１〜４ 適応フィルタ ＳＴＦ ＡＤＳＧ係数安定化フィルタ ＵＰＦ 一括更新型ＳＦＸ−ＬＭＳ係数更新用ＦＩＲフ
ィルタ ＭＹＵ２ Ｒ ステップサイズ２ ＥＮＧＩＮＥ ＰＵＬＳＥ エンジンパルス １０ エンジン回転数・回転状態判断部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自動車の車室等における閉空間で適応フ
   ィルタを用いてエンジン騒音を相殺して低減する方法で
   あって、 前記適応フィルタ内のタップを一括して更新することを
   特徴とするフィルタ係数更新方法。