JPH08502595A - 適応制御システム - Google Patents

適応制御システム

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JPH08502595A JP6509801A JP50980194A JPH08502595A JP H08502595 A JPH08502595 A JP H08502595A JP 6509801 A JP6509801 A JP 6509801A JP 50980194 A JP50980194 A JP 50980194A JP H08502595 A JPH08502595 A JP H08502595A
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Abstract

(57)【要約】 好ましくない信号を低減する適応制御システムは、好ましくない信号と干渉させるために二次振動源(37)に二次信号を供給するプロセッサ(36)を備える。センサ(42)は、前記好ましくない信号と二次信号との干渉結果を示す残差振動を検出する。プロセッサ(36)はこの残差信号を使用して二次信号を調整し、残差信号を低減する。ノイズ生成手段(48)が設けられ、低レベルノイズ信号を二次信号に加算すべく、低レベルノイズ信号をプロセッザ(36)に供給する。プロセッサ(36)は低レベルノイズ信号と、センサ(42)からの残差信号を変換して、これら信号のスペクトル成分の振幅と位相を生成するように構成される。プロセッサ(36)は、これらスペクトル成分を用いて二次信号を変更調整し、好ましくない信号のより効果的な低減を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】 適応制御システム 本発明は、一次信号源で発生する好ましくない一次信号を低減するための適応 制御システムおよび方法に関する。 適応制御の基本原理は、一次信号をモニタし、この一次信号と相殺的に干渉す る無効化信号を生成することによって、好ましくない一次信号を低減することで ある。一次信号の無効化(取消)度を計測し、ここから無効化信号レベルを適応 調整して、好ましくない一次信号の低減度を向上させる。 この原理は、たとえば電気回路内の電気信号など、好ましくない発生ノイズを 有する任意の信号の処理に適応される。適応制御の適用分野の例として、ある領 域内での不必要な音響振動の低減がある。 ここで、「音響振動」とは音を含むすべての音響上の振動を意味する。 一次信号源からの振動の振幅及び周波数をすばやく適応変化させることのでき る制御システムを実現するために、従来より多くの試みが成されてきた。例えば WO88/02912号に開示されるシステムでは、ディジタル適応有限インパルス応答( FIR)フィルタとしてのコントローラが示される。このようなフィルタでは、 好ましくない振動の無効化(取消)度に基づいてそのフィルタ係数が適応調整さ れるが、これを可能にするためには、システムの音響応答のモデル、すなわち二 次振動源からの出力に対する残差振動センサの応答を求めなければならない。WO 88/02912号に開示される構成では、システムの音響応答は、で示される伝達関 数マトリクスによってモデル(模式)化される。モデル化はあらかじめ記憶され たモデルであってもよいし、WO88/02912号の構成のように、ノイズ消去(無効化 )が行われている域内の音響特性の変化に起因する伝達関数の変化を示すマトリ クスエントリーを調整可能に変更してもよい。このような従来の伝達関数の適応 習得は時間領域で行われている。 従って本発明の目的は、ノイズを消去(無効化)するために生成される駆動信 号と、検出された残差信号との間の伝達関数を、周波数領域で適応可能に決定で きる適応制御システムの提供にある。 本発明による、好ましくない信号を低減する制御システムは、好ましくない信 号と干渉する少なくとも一つの二次信号を生成する演算処理手段と、前記好まし くない信号と二次信号との干渉結果を示す少なくとも一つの残差信号を前記演算 処理手段に供給する残差手段とを備え、前記演算処理手段は、前記少なくとも一 つの残差信号を用いて前記二次信号を調整し、前記少なくとも一つの残差信号を 低減するように構成される。このシステムはさらに、前記少なくとも一つの二次 信号に少なくとも一つの低レベルノイズ信号を加算するために、前記少なくとも 一つの低レベルノイズ信号を前記演算処理手段に供給するノイズ生成手段を備え 、前記演算処理手段は、前記少なくとも一つの低レベルノイズ信号と前記少なく とも一つの残差信号とを変換してこれら信号のスペクトル成分の振幅及び位相を 求め、これら信号のスペクトル成分を用いて前記少なくとも一つの二次信号を変 更調整するように構成されることを特徴とする。 良好な形態として、このシステムは、少なくとも選択された好ましくない信号 を表す少なくとも一つの第1信号を生成する信号手段を含み、前記演算処理手段 は、第1のフィルタ係数と第2のフィルタ係数を有する適応応答フィルタ手段を 備える。第1のフィルタ係数は、前記少なくとも一つの二次信号の応答を前記少 なくとも一つの残差信号としてモデル化する係数であり、第2のフィルタ係数は 、前記少なくとも一つの残差信号に応じて調整される。適応応答フィルタ手段は 、前記第1及び第2のフィルタ係数を用いて前記少なくとも一つの二次信号を調 整するように構成される。 また、前記信号(低レベルノイズ信号及び残差信号)の変換値を用いて、少な くとも一つの重なりスペクトル推定値を生成し、少なくとも一つの重なりスペク トル推定値を前記第1のフィルタ係数の変更調整に使用する。 実施例では、前記少なくとも一つの重なりスペクトル推定値は、前記演算処理 手段で前記低レベルノイズ信号の変換値と複素共役な値を、前記少なくとも一つ の残差信号の変換値で乗算することによって生成される。 別の実施例では、前記演算処理手段において、前記少なくとも一つの重なりス ペクトル推定値に十分に小さい収束係数を乗算し、前記第1のフィルタ係数の変 更に対する重なりスペクトル推定値のランダムエラーの影響を平滑化する。 また別の実施例では、システムの音響応答の補正を周波数領域で行い、この場 合、第1のフィルタ係数は複素数であり、前記演算処理手段は前記複素第1フィ ルタ係数を変更調整するように構成される。 さらに別の実施例では、システム応答の補正を時間領域で行い、この場合、前 記演算処理手段は、前記少なくとも一つの重なりスペクトル推定値を逆変換して 少なくとも一つの相互相関推定値を生成し、この少なくとも一つの相互相関推定 値を用いて前記第1のフィルタ係数を変更するように構成される。 このような時間領域のための構成では、周波数領域のシステムと同様に重なり スペクトル推定値に収束係数を乗算するか、または前記少なくとも一つの相互相 関推定に十分に小さい収束係数を乗算して、前記第1のフィルタ係数の変更に対 する相互相関推定値のランダムエラーの影響を平滑化する。 複素第1フィルタ係数の変更は、理論的には、前記第1の信号を時間領域で処 理して二次信号を時間領域で生成する制御システムに適しているが、このような システムにおいても第2フィルタ係数の適応は周波数領域で行われる。このよう な本発明の一実施例によるシステムでは、演算処理手段は、前記少なくとも一つ の第1信号を変換し、第1信号の変換値と前記少なくとも一つの残差信号の変換 値を用いて少なくとも一つの第2の重なりスペクトル推定値を生成し、この少な くとも一つの第2重なりスペクトル推定値を逆変換して少なくとも一つの第2の 相互相関推定値を生成し、前記少なくとも一つの第2の推定相互相関を用いて前 記第2フィルタ係数を変更するように構成される。このようなシステムでは、第 1及び第2のフィルタ係数双方の更新が、周波数領域で行われる。 このような周波数領域で第2フィルタ係数を更新するシステムの実施例におい ては、前記演算処理手段は、前記少なくとも一つの第2重なりスペクトル推定値 の生成を、前記複素第1フィルタ係数を用いて前記少なくとも一つの第1信号の 変換値をフィルタリングし、フィルタリング結果の複素共役な値に前記少なくと も一つの残差信号の変換値を乗算することによって行うように構成される。 また別の実施例では、演算処理手段は、前記複素第1フィルタ係数の複素共役 を用いて前記少なくとも一つの残差信号の変換値をフィルタリングし、フィルタ リング結果に前記少なくとも一つの第1信号の変換値の複素共役な値を乗算する ことによって、前記少なくとも一つの第2重なりスペクトル推定値を生成するよ うに構成される。 適応制御システムが、好ましくない信号のうち選択された信号を低減するため のものである場合、制御システムの演算処理手段は、前記少なくとも一つの二次 信号を選択された信号の周波数において調節しない第1フィルタ係数だけを変更 するように構成される。 本発明の実施例では、前記ノイズ生成手段は、ランダムまたは疑似ランダムノ イズを生成、または少なくとも選択された信号と相関しないノイズを生成するよ うに構成される。 本発明のさらに別の実施例では、演算処理手段は、前記ノイズ信号のスペクト ル成分の振幅と位相の少なくとも一方を変更調整し、変更スペクトル成分を逆変 換して前記少なくとも一つの二次信号に加算するように構成される。これによっ て、二次信号のノイズ成分のS/N比がシステム内の環境雑音より低く保たれる 。 ノイズ信号と前記少なくとも一つの二次信号の変換を可能にするためには、デ ータブロックのウィンドウ長に多数のデータポイントを設ける必要がある。スペ クトル成分を求めるための適切な変換操作はフーリエ変換であり、より適切には 、離散高速フーリエ変換である。ウィンドウ長(データポイントの数)が長い場 合、離散高速フーリエ変換によって良好な制御が行われるが、更新時に長い遅延 を生じる。他方、短ウィンドウデータでは適応が迅速になされるが、制御面で劣 る。 信号を第1フィルタ係数で処理する際の、データのサンプリングと、適応応答 フィルタを通る信号伝達での遅延の問題を解決するために、演算処理手段を、前 記ノイズ信号と前記少なくとも一つの残差信号とをディジタルサンプリングし、 前記各信号の複数のディジットを記憶してノイズ信号データブロックと残差信号 データブロックをそれぞれ生成するように構成する。前記ノイズ信号データブロ ックと残差信号データブロックは時間アラインされる。前記演算処理手段はさら に、各ノイズ信号データブロック端部のいくつかのディジットの値をゼロにセッ トして、変更ノイズ信号データブロックを生成し、変更ノイズ信号データブロッ クと時間的に整列された残差信号データブロックを変換して、ディジタルサンプ リングされた信号のスペクトル成分の振幅と位相を求める。 好ましくは、ゼロにセットされる各変更ノイズ信号データブロック端部のディ ジット数は、ノイズ信号と、残差信号中のノイズ信号からの寄与成分との間の遅 延に応じて決定される。より好ましくは、ゼロにセットされるディジット数は、 前記ディジット数のサンプリングにかかる時間が、二次信号と、任意の残差信号 中の二次信号からの寄与成分との間の遅延より大きくなるように設定される。 好ましくない信号が、好ましくない音響振動である場合、前記システムは、前 記少なくとも一つの二次信号を受信して二次振動を生成し、前記好ましくない振 動と干渉させるように構成された少なくとも一つの二次信号源を含む。前記残差 手段は、前記二次振動と好ましくない音響振動との干渉結果を示す残差振動を検 出して、少なくとも一つの残差信号を生成するように構成された少なくとも一つ のセンサ手段を含む。 本発明はまた、好ましくない信号を能動的に低減する方法を提供する。この方 法は、好ましくない信号と干渉する少なくとも一つの二次信号を生成するステッ プと、前記好ましくない信号と二次信号との干渉結果を示す少なくとも一つの残 差信号を生成するステップと、前記少なくとも一つの残差信号を用いて前記二次 信号を調整し、残差信号を低減させるステップと、少なくとも一つの低レベルノ イズ信号を生成するステップと、前記少なくとも一つのノイズ信号を前記少なく とも一つの二次信号に加算するステップと、前記少なくとも一つのノイズ信号と 少なくとも一つの残差信号を変換してこれら信号のスペクトル成分の振幅と位相 を求めるステップと、前記信号のスペクトル成分を用いて前記少なくとも一つの 二次信号を変更調整するステップとを備える。 以下、本発明の実施例を図面を参照して述べる。 図1は、音響システムの変換関数を周波数領域で適応調整し、適応ノイズ消去 (無効化)を時間領域で行う適応制御システムの概略図である。 図2は、音響システムの変換関数の適応調整と、適応ノイズ消去のためのフィ ルタ係数の適応調整を周波数領域で行い、駆動信号の適合調整を時間領域で行う 適応制御システムの概略図である。 図3は、図2のシステムの別のアレンジメント(配置構成)を示す図であり、 駆動信号を適応制御するための重なりスペクトルを別の方法で生成する適応制御 システムの概略図である。 図4は、2つの基準信号を用いるように図2のアレンジメントを拡張したシス テムの図である。 図5は、2つのエラーセンサを用いるように図2のアレンジメントを拡張した システムの図である。 図6は、2つの二次振動源を用いるように図2のアレンジメントを拡張したシ ステムの図である。 図7は、重なりスペクトル推定値を生成するための変換に使用されるノイズ信 号データブロックとエラー信号データブロックの図である。 図8は、実用例としてのアクティブ(能動)振動制御システムの概略図である 。 図1に、アクティブ振動制御システムの操作を示す。このシステムでは、駆動 信号の生成と、駆動信号を適応調整する適応フィルタ係数の更新が時間領域で行 われる。図には、単一の基準信号x(n)を有する信号チャネルシステム、単一 の駆動信号y(n)を受信する単一の二次振動源、および単一のエラー信号e( n)を生成する単一エラーセンサを示す。「A」は一次振動源からノイズ消去( 無効化)を行う音響領域への音響パスである。基準信号x(n)は適応応答フィ ルタwに入力され、駆動信号y(n)を生成して二次振動源へ出力する。二次信 号源で生成された振動は一次信号と干渉し、その干渉をセンサが検出して、エラ ー信号e(n)を生成する。この信号は残差振動の測定値、すなわち一次振動の 無効化度を示す。エラー信号e(n)は、より良いノイズ消去を達成するために 、wフィルタのフィルタ係数を適応調整して駆動信号y(n)を変更するのに使 用される。 wフィルタ係数の更新(適応調整)の間、基準信号x(n)はインパルス応答 関数のマトリクスを通過する。マトリクスは駆動信号y(n)に対するセン サの音響応答をモデル化(模式化)する。フィルタリングされた基準信号とエラ ー信号は、相互相関推定値の生成に用いられ、相互相関推定値はwフィルタ係数 の変更に使用される。相互相関推定値におけるランダムな変動を低減するために 、 相互相関推定値を収束係数で乗算する。収束係数は、相互相関推定のランダム変 動の影響を小さくして平滑化するために十分に小さい値をとるが、収束時間を増 長しないように小さすぎないようにする。 m個の二次振動源とl個のセンサを有するマルチチャネルシステムにおいては 、適応応答フィルタwの係数は、時間領域のサンプル点ごとに、以下の等式にし たがって調整される。 ここにおいて、μ:収束係数 e l (n):l番目のセンサからサンプリングされた出力 r lm (n):基準信号x(n)を、l番目のセンサの応答をm番目の二 次振動源の出力にモデル化するマトリクスCでフィルタリ ングすることによって形成されるシーケンス。 これは、各規準信号が、二次振動源とセンサとの間の全てのパスのための係数 を有するCフィルタでフィルタリングされることを要件とする。ここまでは、C 係数を変更することによるシステムの音響応答における変化の補正について考慮 していない。これについて以下に述べる。 ノイズ源は、基準信号x(n)と相関しないランダムまたは疑似ランダムノイ ズ信号s(n)を生成する。このノイズ信号は二次振動源に供給され、ノイズ消 去を行う音響領域で低レベルホワイトノイズを生成する。ノイズのレベルは低く 、音響領域内の環境ノイズより低い。また、ノイズ信号s(n)を高速フーリエ 変換して、スペクトル成分Sを生成する。エラーセンサからのエラー信号e( n)は、二次振動源によって検出されるノイズ信号s(n)のノイズ入力からの 寄与成分を含む。このエラー信号e(n)も高速フーリエ変換してスペクトル成 分Ekを生成する。エラー信号のフーリエ変換値Ekと、ノイズ信号のフーリエ変 換値Skを使用して、重なりスペクトル推定値を生成する。さらに、重なりスペ クトル推定値を逆高速フーリエ変換して、相互相関推定値を生成する。Cフィル タ 係数の変更に用いられるのが、この相互相関推定値である。上述のW係数の適応 調整と同様に理由で、相互相関推定値を収束係数で乗算する。 このような構成において、以下のアルゴリズムが与えられる。 (n+1)=(n)−μIFFT( k H k) ここにおいて、μ:収束係数 :k番目の反復でのノイズ信号のフーリエ変換値の複素数のベクトル :k番目の反復でのエラー信号e(n)のフーリエ変換の複素数のマト リクス H:マトリクスの複素共役 IFFT:括弧内の項の高速逆フーリエ変換 また、Cフィルタ係数の適応調整に対するランダムエラーの影響を低減するた めに、重なりスペクトル推定値に収束係数を乗算してもよい。この場合のアルゴ リズムは以下の等式で表される。 (n+1)=(n)−IFFT(μ k H k) 重なりスペクトル推定値を生成することにってCフィルタ係数を周波数領域で 更新することの利点は、ノイズ信号s(n)と基準信号x(n)の間に相関があ る場合、消去する振動の周波数から離れて、その周波数に対応するCフィルタ係 数だけを調整すればよい点である。これは、基準信号が単一または少数の周波数 でのみ構成される場合に特に有効となる。そのような構成では、ノイズ無効化の 周波数でCフィルタ係数の適合調整を行うとすると、その後ノイズ信号s(n) と基準信号x(n)の間の相関の可能性によって、Cフィルタ係数の誤った値が 求められシステムが不安定になるおそれがある。適応調整が行われているCマト リクスの周波数成分においてノイズ信号s(n)が基準信号x(n)と相関しな いことが重要である。例えば、WO88/2912号に開示される車両の客室で 発生する調波を中和(消去)するシステムでは、図1のシステムは、適応無効化 が行われる周波数がなくとも、その周波数でのCフィルタ係数を適合調整し、同 時に適応ノイズ消去を行う。エンジン周波数が変わり、調波の周波数も変化する につれ、一定のエンジン速度では更新されなかったCフィルタ係数が、エンジン 速度の変化とともに更新される。これによっって、例えば窓の開放などによって 客室内の音響応答が変化しても、音響応答の正確なモデル化が可能になる。 図2の適応ノイズ消去システムでは、wフィルタの係数の更新を周波数の領域 で行い、駆動信号y(n)の適応を時間領域で行う。w係数の適応調整を周波数 領域で行うので、システムの音響応答の補正も周波数領域で行う。Cフィルタ上 の係数は複素数であり、これら複素数フィルタ係数の値は周波数領域で変更され る。 図2の構成は、基準信号x(n)とエラー信号e(n)の双方を高速フーリエ 変換する点で図1のシステムと異なる。これによって、基準信号x(n)とエラ ー信号e(n)のそれぞれのスペクトル成分の振幅及び位相成分を表す複素値の ベクトルを生成し、それぞれXk、Ekで示す。システムの音響応答を補正するた めに、エラー信号のフーリエ変換値Ekに、Cフィルタの複素数フィルタ係数の 複素共役な値を乗算する。この乗算結果に、今度は基準信号のフーリエ変換値Xk の複素共役な値を乗算し、重なりスペクトル推定値を生成する。次いで、重な りスペクトル推定値の逆高速フーリエ変換値を求め、相互相関推定値を生成する 。相互相関推定値の作因部分(causal part)用いてwフィルタ係数の更新を行 う。適応制御システムの安定性を向上するために、重なりスペクトル推定値また は相互相関推定値のいずれかに収束係数を乗算し、適合操作に対する重なりスペ クトル推定値と相互相関椎定値のランダムエラーの影響を平滑にする。適応制御 におけるこの更新アルゴリズムは以下の通りである。 (n+1)=(n)−μIFFT[ k H H k)] あるいは (n+1)=(n)−IFFT[μ k H H k)] ここにおいて kは、k番目の反復での基準信号x(n)のフーリエ変換の複素 値のベクトルを表す。 上記等式で、マトリクスは、各センサで検出される各駆動信号に適用される 変換関数または振幅及び位相のモデルを含み、マトリクスの共役数は、振幅と 逆位相のモデルを表す。 ここまでは、マトリクスの複素数C係数の変更について考慮していないが、 C係数の変更は、図1の構成においてホワイトノイズ信号を二次振動源に入力し 、ノイズ無効化が行われている音響領域内でホワイトノイズを発生させることに よって達成される。また、ノイズ信号s(n)を高速フーリエ変換して、スペク トル成分Skの振幅と位相を求める。次いで、(すでに有用となっている)エラ ー信号のフーリエ変換値Ekに、ノイズ信号の変換値Skの複素共役の値を乗算し 、重なりスペクトル推定値を生成する。この重なりスペクトル推定値を用いて、 マトリクスの係数を変更し、ここから複素共役の値を計算してエラー信号の変 換値Ekに乗算する。マトリクスの複素係数の変更は、以下の等式で表される 。 k+1 k−μ k H k 図3は、図2の構成を変形したものである。相違点は、エラー信号の変換値Ekマトリクスの複素共役な値を乗算する代わりに、基準信号の変換値Xk マトリクスを乗算する点である。 図3の構成において、マトリクスの係数を変更するためのアルゴリズムは以 下の通りである。 (n+1)=(n)−μIFFT[(CX kH k] あるいは (n+1)=(n)−IFFT[μ(CX kH k] この構成で、マトリクスの係数の変更は図2のシステムに関連して述べたの と同様の方法で行われる。図2及び3は、w係数を適応調整するための重なりス ペクトルを生成するための択一的な構成を示している。多数の基準信号x(n) を有するマルチチャネルシステムでは、各基準信号についてマトリクスでの変 更を通さねばならないので、演算面で図3の構成の効果がやや劣る。 図2、3の構成とも、関数の乗算だけで重なりスペクトルが生成できるので、 w係数の更新計算が効率よく行われるという利点を有する(図1のシステムでは 、相互相関推定値の公式は関数の合成を必要とする)。 このように、かなり多数の係数を有するwフィルタに関しては、図2、3の構 成のほうが演算的により効果的である。また、多数の基準信号、二次振動源、エ ラー源を備えるマルチチャネルシステムでは、図2の構成のほうが、各基準信号 をマトリクスで乗算しなくてもよいという利点を有する。基準信号の数で決定 される因数によって図2の構成に比べて演算数を低減する。 さらに、特に非常に多くの係数がある場合、周波数領域でマトリクスの係数 を変更することによって演算数の節減が達成される。先に述べたように、重なり スペクトル推定値の生成は単に関数の乗算だけを含むが、相互相関推定値の生成 は関数の合成を含む。図2、3に示す方法で、重なりスペクトル推定値の逆フー リエ変換の必要がなくなるため、w係数の周波数領域での更新を用いることによ って周波数領域でマトリクスの係数を変更する利点が完全に実現できる。すな わち、図1のシステムでは、時間領域でのCフィルタの係数変更に使用する相互 相関推定値を生成するために逆フーリエ変換を行う必要があるが、これに比較し て、図2、3の方法では、Cフィルタの複素数係数を変更するのに重なりスペク トル推定値を直接使用することができる。 図2の構成はまた、適応wフィルタが音響領域内でノイズ低減を行っている周 波数がなくとも、Cフィルタの複素フィルタ係数の変更に周波数を与えることが できる。上述したように、基準信号がわずかの調波しか含まず、基準信号x(n )とノイズ信号s(n)の間に相関がありがちな時間領域においては、これは重 要なことである。相関する周波数でマトリクス係数の変更を行うと、適応制御 システムが不安定になり、これは避けねばならないことである。 図4、5、6は、図2の構成をマルチチャネルシステムのために拡張したもの である。図4は、2つの基準信号x1(n)とx2(n)を有するシステムを、図 5は、2つのエラー信号e1(n)、e2(n)をそれぞれ生成する2つのエ ラーセンサを備える適応制御システムを示す。図6は、2つの駆動信号y1(n )、y2(n)をそれぞれ受信する2つの二次振動源を有する適応制御システム を示す。現実の完全マルチチャネルシステムは、多数の基準信号エラーセンサと 二次振動源を含み、当業者にとって周知の配置構成で構築される。 多数のエラーセンサを有するマルチチャネルシステムでは、WO88/029 12号に開示されるのと同様の方法でエラー信号の2乗平均値の総和を減少させ るアルゴリズムによって、ノイズを低減する。 上述の実施例では、時間領域での駆動信号の適応調整に対して、周波数領域で のCフィルタ係数の変更(時間もしくは周波数領域のいずれかでwフィルタ係数 を更新することによって)を示してきたが、本発明は、周波数領域で駆動信号を 適応調整するアクティブ振動制御システムにも等しく適用できる。その場合は、 複素数wフィルタ係数を用い、基準信号の変換と出力駆動信号の逆変換を必要と する。 上述のいずれの実施例においても、ノイズ消去領域内でS/N比を一定に保つ ためにノイズ信号の変換値Skを変更調整する。ノイズのS/N比を、駆動信号 のS/N比より小さくしてもよい。 ここまでは、連続する基準信号x(n)、エラ−信号e(n)、ノイズ信号s (n)のフーリエ変換値をとることの実際的な問題点に関する考慮を行っていな い。離散高速フーリエ変換を行うためには、データブロックまたはデータウィン ドウを記憶して演算処理を行う必要がある。エラ−信号e(n)に現れるwフィ ルタに対する影響が基準信号x(n)にもあるはずなので、wフィルタ係数の適 応を可能にするのに必要なデ−タポイントの数は、少なくとも適応応答フィルタ wに関連する遅延と対応しなければならない。また、エラー信号e(n)に現れ るシステムの音響応答によるフィルタへの影響がノイズ信号s(n)においても 現れるはずなので、Cフィルタの係数の変更に必要なデータポイントの数は、少 なくともシステム内の音響遅延に関連する遅延に対応しなければならない。 Cフィルタの変更を行う状況を例にとるなら、ノイズデータブロックが、高速 フーリエ変換による演算を行うn個のデータポイントを有するとすると、n番目 のデータポイントは、エラー信号e(n)中の音響遅延による遅延寄与を有する ことになる(この寄与部分はCフィルタによるモデル化を受け、Cフィルタの長 さに対応する)。すなわち、時間アラインされたエラー信号e(n)のデータウ ィンドウをとる場合、ノイズ信号中のn番目のデータポイントからの遅延寄与成 分は測定されないことになる。これはシステムに対する音響応答を正確にモデル 化する可能性を低減する結果となる。この問題を解決するために、n個のデータ ポイントを有するデータブロックまたはデータウィンドウの最後のp個(数個) のデータポイントをゼロにセットする。すなわち、データブロックは0〜nの長 さを有するが、0〜(n−p)までのデータポイントだけが実際のノイズ信号デ ータを含む。ゼロに設定されるp個のデータポイントの値は、システム内の音響 遅延に応じて決定される。pの値は、p個のデータポイントをサンプリングする のにかかる時間が少なくともシステム内の音響遅延と同じ、あるいはそれより長 くなるように設定される。 この方法によれば、時間的に整列した2つのデータブロックにおいて、ノイズ 信号データポイントs(n−p)からのすべての寄与成分が確実に、エラー信号 データブロックe(n)内に含まれる。図7は、ノイズ信号とエラー信号それぞ れのデータブロックを示す。これらのデータブロックは高速フーリエ変換に使用 され、この方法でノイズ信号データポイントからのすべての寄与成分がエラー信 号データブロック中に含まれる。 データブロックまたはウィンドウブロックは、ノイズ信号及びエラー信号の時 間における「スナッブショット(snap shots:断片)」を表す。これらデータブ ロックを端から端までとる必要はない。データブロックは、時間のインターバル で取られ、デーブロック獲得間のインターバル(間隔)が大きければ、明らかに Cフィルタの係数の変更は遅くなり、システムの音響応答の変化に対するシステ ムの対応も遅くなるが、データ獲得数が減ることによって必要な演算処理が著し く減少される。データポイントの間隔(すなわち数)の決定は、音響変化に対す る迅速な応答を取るか、必要演算数の最小化を取るかの選択肢に依存する。 サンプリングデータ生成の同様の問題点がwフィルタにもある。そこで、Cフ ィルタで行ったのと類似の方法で、基準信号データx(n)のブロックを抽出し 、wフィルタ内の遅延に対応してデータポイントのうちp個をゼロに設定して、 基 準信号データブロックによるすべての寄与成分がエラー信号データブロック内に 納まるようにする。 図8は、自動車に使用されるアクティブ振動制御システムの構成図である。こ の構成は、マイクロフォン421〜424としての4つのエラーセンサ、ラウドス ピーカー371372としての2つの二次振動源、信号32に基づいて生成される 自動車の点火コイルからの基準信号x(n)を有するマルチチャネルシステムを 示す。ここでは、点火コイル信号32の波形を波形成形器33で成形し、トラッ キングフィルタを用いて正弦波形を生成することによって基準信号x (n)を 生成する。正弦波形をA/Dコンバータ35によってディジタル信号に変換し、 プロセッサ36に入力する。プロセッサ36はメモリ61を有し、プロセッサ3 6自身の操作を制御するためのプログラムとともにデータを記憶する。すなわち 、信号32はエンジンの回転周波数の直接測定値を表し、この信号を用いてプロ セッサ内で調波を生成する。調波は自動車の乗客室内で無効化(消去)される。 プロセッサ36は駆動信号ym(n)を生成する。駆動信号を、D/Aコンバ ータ41でアナログ信号に変換し、デマルチプレクサ38によって当初の信号に 分離してローパスフィルタ39、増幅器40を介してラウドスピーカ371、3 72へと出力する。これが乗客室内に二次振動を与え、エンジンなどの一次振動 源で生成された振動を相殺する。エンジンを例に取ると、エンジンの回転周波数 は、調波を有する一次振動周波数からなり、乗客室内で無効化(相殺)されるの はこれら調波である。 マイクロフォン421〜424は、振動の無効化度(消去度)を検出し、この出 力を増幅器43で増幅し、ローパスフィルタ44で低域通過フィルタリングし、 マルチプレクサ45で多重化して、A/Dコンバータ46でディジタル化してエ ラー信号l(n)を生成する。 このように、プロセッサ36には、基準信号x(n)とエラー信号l(n) が入力され、駆動信号ym(n)を出力する。プロセッサ36にはサンプル速度 オシレータから一定サンプル速度が与えられ、信号のサンプリングを制御する。 ブロセッサ36にはノイズ信号s(n)も供給される。ホワイトノイズ発生器4 8は、基準信号x(n)と相関しないランダムまたは疑似ランダムノイズを生成 する。生成されたホワイトノイズはローパスフィルタ49を通過し、A/Dコン バータ50でディジタル信号s(n)に変換される。プロセッザ36内で、ホワ イトノイズ発生器からのノイズ信号s(n)も駆動信号y(n)に加算され、結 果として低レベルノイズ信号がラウドスピーカ37、37から出力する。ノイズ 信号s(n)はまた、上述のようにマトリクスの係数を決定するためにプロセ ッサ36でエラー信号l(n)とともに演算処理される。 図3ではホワイトノイズ発生器として示したが、ノイズ信号生成器48は基準 信号と相関しないノイズを生成する限り、どのようなノイズ源であってもよい。 ある特定の周波数だけを無効化(相殺)する場合は、ノイズ生成器は無効化する 周波数と異なる周波数のノイズを生成して、これらの周波数でマトリクスのエ ントリー(Cフィルタ係数)の変更を可能にする。ノイズ源は、「チャープ(ch irp)」などの掃引周波数信号を生成するものであってもよいが、ノイズ無効化 の分野では、ホワイトノイズまたはランダムノイズの使用が最も問題が少ないの で、ホワイトノイズの生成が好ましいと思われる。 図3では、A/Dコンバータ35、46とD/Aコンバータ41を個別に示し ているが、単一チップ上に設けてもよい。プロセッサはサンプル周波数オシレー タからクロック信号60を受信し、ナイキスト基準を満たす要件によってのみ低 減される振動周波数と関連する固定周波数で演算する。プロセッサ36は、テキ サスインストルメンツ社のTMS320C50などの固定小数点プロセッサでも よい。また、このアルゴリズムを実行するのにテキサスインストルメンツ社の浮 動小数点プロセッサTMS320C30を用いてもよい。 図3の構成は、単一の基準信号を用いたエンジンノイズ消去システムを描いて いるが、一つ以上の基準信号を生成して、たとえば車両の各車輪の振動などの道 路ノイズの消去にも本システムを適用できる。その場合は、車輸振動は広範囲の 周波数から成るが、選択した周波数だけを無効化すればよい。 また、図3では二次振動源にラウドスピーカ371、372を用いているが、振 動アクチュエータあるいは、ラウドスピーカとアクチュエータの組み合わせを用 いてもよい。 以上、実施例に基づき、好ましくない音響振動の無効化(消去)と関連して述 べてきたが、本発明のシステムは音響振動の取消に限定されるものではなく、た とえば電気回路内の電気信号など、好ましくない信号の無効化あるいは低減にも 等しく適用できる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.好ましくない信号を低減するための適応制御システムであって、 前記好ましくない信号に干渉する少なくとも一つの二次信号を生成するように 構成された演算処理手段と、 前記好ましくない信号と二次信号との干渉結果を示す少なくとも一つの残差信 号を生成して、前記演算処理手段に供給する残差手段と、 を備え、 前記演算処理手段は、前記少なくとも一つの残差信号を用いて二次信号を調整 し、前記少なくとも一つの残差信号を低減するものであり、 前記適応制御システムはさらに、 前記少なくとも一つの二次信号に少なくとも一つの低レベルノイズ信号を加算 するように、少なくとも一つの低レベル信号を前記演算処理手段に供給するノイ ズ生成手段を備え、 前記演算処理手段は、前記少なくとも一つの低レベルノイズ信号と前記少なく とも一つの残差信号を変換してこれら信号のスペクトル成分の振幅と位相を生成 し、これら信号のスペクトル成分を用いて前記少なくとも一つの二次信号を変更 調整するように構成される、 適応制御システム。 2.請求項1に記載の適応制御システムにおいて、少なくとも選択された好まし くない信号を表わす第1信号を生成する信号手段を含み、前記演算処理手段は、 前記少なくとも一つの二次信号の応答を前記少なくとも一つの残差信号としてモ デル化する第1フィルタ係数と、前記少なくとも一つの残差信号に応じて適応可 能な第2フィルタ係数とを有する適応応答フィルタ手段を備え、適応応答フィル タ手段は、前記第1及び第2のフィルタ係数を用いて前記少なくとも一つの二次 信号を調整し、前記少なくとも一つの残差信号を低減するように構成される、適 応制御システム。 3.請求項1に記載の適応制御システムにおいて、前記演算処理手段は、前記少 なくとも一つの低レベルノイズ信号と少なくとも一つの残差信号との変換値を用 いて、少なくとも一つの重なりスペクトル推定値を生成し、少なくとも一つの重 なりスペクトル惟定値を用いて前記第1フィルタ係数を変更調整するように構成 される、適応制御システム。 4.請求項3に記載の適応制御システムにおいて、前記演算処理手段は、前記低 レベルノイズ信号変換値の複素共役な値に、前記少なくとも一つの残差信号の変 換値を乗算することによって、前記少なくとも一つの重なりスペクトル推定値を 生成するように構成される、適応制御システム。 5.請求項3または4に記載の適応制御システムにおいて、前記演算処理手段は 、前記少なくとも一つの重なりスペクトル推定値を十分に小さい収束係数で乗算 して、前記第1フィルタ係数の変更調整に対する重なりスペクトル推定値のラン ダムエラー作用を平滑化するように構成される、適応制御システム。 6.請求項3〜5のいずれかに記載の適応制御システムにおいて、前記第1フィ ルタ係数は複素数であり、前記演算処理手段は、前記複素第1フィルタ係数を変 更調整するように構成される、適応制御システム。 7.請求項3〜5のいずれかに記載の適応制御システムにおいて、前記演算処理 手段は、前記少なくとも一つの重なりスペクトル推定値を逆変換して、少なくと も一つの相互相関推定値を生成し、この少なくとも一つの相互相関推定値を用い て前記第1フィルタ係数を変更調整するように構成される、適応制御システム。 8.請求項7に記載の適応制御システムにおいて、前記演算処理手段は、前記少 なくとも一つの相互相関推定値を十分に小さい収束係数で乗算し、前記第1フィ ルタ係数の変更調整に対する相互相関推定値のランダムエラー作用を平滑化する ように構成される、適応制御システム。 9.請求項2〜8のいずれかに記載の適応制御システムにおいて、前記演算処理 手段は、前記少なくとも一つの第1信号を変換し、前記第1信号の変換値と前記 少なくとも一つの残差信号の変換値を用いて少なくとも一つの第2の重なりスペ クトル推定値を生成し、前記少なくとも一つの第2重なりスペクトル推定値を逆 変換して少なくとも一つの第2の相互相関推定値を生成し、前記第2相互相関推 定値を用いて前記第2のフィルタ係数を変更調整するように構成される、適応制 御システム。 10.請求項6に従属する請求項9に記載の適応制御システムにおいて、前記演 算処理手段は、前記複素第1フィルタ係数を用いて前記少なくとも一つの第1信 号変換値をフィルタリングし、フィルタリング結果の複素共役な値に前記少なく とも一つの残差信号の変換値を乗算することによって、前記少なくとも一つの第 2重なりスペクトル推定値を生成するように構成される、適応制御システム。 11.請求項6に従属する請求項9に記載の適応制御システムにおいて、前記演 算処理手段は、前記複素第1フィルタ係数の複素共役な値を用いて前記少なくと も一つの残差信号の変換値をフィルタリングし、フィルタリング結果に前記少な くとも一つの第1信号の複素共役な値を乗算することによって、前記少なくとも 一つの第2重なりスペクトル推定値を生成するように構成される、適応制御シス テム。 12.請求項2〜11のいずれかに記載の、前記好ましくない信号のうち選択さ れた信号を低減するための適応制御システムにおいて、前記演算処理手段は、前 記少なくとも一つの二次信号を調整するものではない第1フィルタ係数だけを前 記選択された信号の周波数で変更調整するように構成される、適応制御システム 。 13.請求項1〜12のいずれかに記載の適応制御システムにおいて、前記ノイ ズ生成手段はランダムノイズまたは疑似ランダムノイズを生成するように構成さ れる、適応制御システム。 14.請求項1〜13のいずれかに記載の適応制御システムにおいて、前記ノイ ズ生成手段は、少なくとも前記好ましくない信号のうち選択された信号と相関し ないノイズを生成するように構成される、適応制御システム。 15.請求項1〜14のいずれかに記載の適応制御システムにおいて、前記演算 処理手段は、前記ノイズ信号のスペクトル成分の振幅および位相の少なくとも一 つを変更調整し、変更されたスペクトル成分を逆変換して前記少なくとも一つの 二次信号に加算するように構成される、適応制御システム。 16.請求項1〜15のいずれかに記載の適応制御システムにおいて、前記演算 処理手段は、前記ノイズ信号と前記少なくとも一つの残差信号をディジタルサン プリングし、前記各信号の複数のディジットを記憶して、お互いに時間的に整列 されたノイズ信号データブロックと残差信号データブロックを生成するように構 成され、前記演算処理手段はさらに、各ノイズ信号データブロック端部の複数の ディジットをゼロにセットして調整ノイズ信号データブロックを生成し、調整ノ イズ信号データブロックと時間アラインされた残差信号データブロックとを変換 して、ディジタルサンプリングされたこれらの信号のスペクトル成分の振幅およ び位相を生成するように構成される、適応制御システム。 17.請求項16に記載の適応制御システムにおいて、前記演算処理手段は、ノ イズ信号と、残差信号中のノイズ信号からの寄与成分との間の遅延に応じて、各 調整ノイズ信号データブロック端部の複数のディジットをゼロに設定するように 構成される、適応制御システム。 18.請求項17に記載の適応制御システムにおいて、前記演算処理手段は、前 記ゼロに設定されるディジットの数を、前記ディジット数のサンプリングにかか る時間が、二次信号と、任意の残差信号中の二次信号からの寄与成分との間の遅 延よりも大きくなるように選定するように構成される、適応制御システム。 19.請求項1〜18のいずれかに記載の適応制御システムにおいて、前記演算 処理手段は、前記信号フィルタ係数を変更調整して、コスト関数を低減するよう に構成される、適応制御システム。 20.請求項1〜19のいずれかに記載の適応制御システムにおいて、前記好ま しくない信号は、好ましくない音響振動であり、前記システムは少なくとも一つ の二次振動源を含み、この二次振動源は前記少なくとも一つの二次信号を受信し て前記好ましくない振動に干渉する二次振動を生成し、前記残差手段は、前記二 次振動と好ましくない振動との干渉結果である残差振動を検出して少なくとも一 つの残差信号を生成する少なくとも一つのセンサ手段を備える、適応制御システ ム。 21.好ましくない信号を能動的に低減する方法であって、 前記好ましくない信号と干渉する少なくとも一つの二次信号を生成するステッ プと、 前記好ましくない信号と二次信号との干渉結果を示す少なくとも一つの残差信 号を生成するステップと、 前記少なくとも一つの残差信号を用いて前記二次信号を調整し、残差信号を低 減するステッブと、 少なくとも一つの低レベルノイズ信号を生成するステップと、 前記少なくとも一つの低レベルノイズ信号を前記少なくとも一つの二次信号に 加算するステップと、 少なくとも一つのノイズ信号と前記少なくとも一つの残差信号を変換してこれ ら信号のスペクトル成分の振幅および位相を生成するステップと、 前記信号のスペクトル成分を用いて前記少なくとも一つの二次信号を変更調整 するステップと、 を含む方法。 22.請求項21に記載の方法において、前記残差信号の低減調整は、前記少な くとも一つの二次信号の応答を前記少なくとも一つの残差信号にモデル化する第 1フィルタ係数と、前記少なくとも一つの残差信号に応じて適応可能な第2フィ ルタ係数とを有する適応応答フィルタ手段を用いて行われ、さらに、少なくとも 選択された好ましくない信号を表す少なくとも一つの第1信号を生成するステッ プと、前記第1および第2のフィルタ係数を用いて前記少なくとも一つの二次信 号を調節し、前記少なくとも一つの残差信号を低減するステップとを含む方法。 23.請求項22に記載の方法において、前記ノイズ信号と残差信号との変換値 を用いて少なくとも一つの重なりスペクトル推定値を生成するステップと、前記 少なくとも一つの重なりスペクトル推定値を用いて前記第1フィルタ係数を変更 調整するステップとを含む方法。 24.請求項23に記載の方法において、前記少なくとも一つの重なりスペクト ル推定値を、前記少なくとも一つのノイズ信号の変換値の複素共役な値に、前記 少なくとも一つの残差信号の変換値を乗算することによって生成する方法。 25.請求項23または24に記載の方法において、前記少なくとも一つの重な りスペクトル推定値に十分に小さい収束係数を乗算して、前記第1フィルタ係数 の変更調整に対する重なりスペクトル推定値のランダムエラー作用を平滑化する ステップを含む方法。 26.請求項23〜25のいずれかに記載の方法において、前記第1フィルタ係 数は複素数であり、前記複素第1フィルタ係数は前記少なくとも一つの重なりス ペクトル推定値を用いて変更調整される方法。 27.請求項23〜25のいずれかに記載の方法において、前記少なくとも一つ の重なりスペクトル推定値を逆変換して少なくとも一つの相互相関推定値を生成 するステップと、前記少なくとも一つの相互相関推定値を用いて前記第1フィル タ係数を変更調整するステップとを含む方法。 28.請求項27に記載の方法において、前記少なくとも一つの相互相関推定値 に十分に小さい収束係数を乗算し、前記第1フィルタ係数の変更調整に対する相 互相関推定値のランダムエラー作用を平滑化するステップを含む方法。 29.請求項23〜28のいずれかに記載の方法において、前記少なくとも一つ の第1信号を変換するステップと、前記少なくとも一つの第1信号の変換値と前 記少なくとも一つの残差信号の変換値とを用いて少なくとも一つの第2の重なり スペクトル推定値を生成するステップと、前記少なくとも一つの第2重なりスぺ クトル推定値を逆変換して、少なくとも一つの第2の相互相関推定値を生成する ステップと、前記少なくとも一つの相互相関推定値を用いて前記第2のフィルタ 係数を変更調整するステップと、を含む方法。 30.請求項26に従属する請求項29の方法において、前記少なくとも一つの 第2重なりスペクトル推定値は、前記複素第1フィルタ係数を用いて前記少なく とも一つの第1信号の変換値をフィルタリングし、フィルタリング結果の複素共 役な値に前記少なくとも一つの残差信号の変換値を乗算することによって生成さ れる方法。 31.請求項26に従属する請求項29の方法において、前記少なくとも一つの 第2重なりスペクトル推定値は、前記複素第1フィルタ係数の複素共役な値を用 いて前記少なくとも一つの残差信号の変換値をフィルタリングし、フィルタリン グ結果を前記少なくとも一つの第1信号の変換値の複素共役で乗算することによ って生成される方法。 32.請求項22〜31のいずれかに記載の、好ましくない信号のうち選択され た信号を低減する方法において、前記選択された信号の周波数において前記少な くとも一つの二次信号を調整しない第1フィルタ係数だけが変更調整される方法 。 33.請求項21〜32のいずれかに記載の方法において、低レベルノイズ信号 生成ステップは、低レベルのランダムノイズ信号または疑似ランダムノイズ信号 の生成を含む方法。 34.請求項21〜33のいずれかに記載の方法において、低レベルノイズ信号 生成ステップは、少なくとも前記好ましくない信号のうち選択された信号と相関 しない低レベルノイズ信号の生成を含む方法。 35.請求項21〜34のいずれかに記載の方法において、前記ノイズ信号のス ペクトル成分の振幅と位相の少なくとも一つを変更調整するステップと、変更さ れたスペクトル成分を逆変換して前記少なくとも一つの二次信号に加算するステ ップとを含む方法。 36.請求項21〜35のいずれかに記載の方法において、前記ノイズ信号と前 記少なくとも一つの残差信号をディジタル的にサンプリングするステップと、前 記各信号の複数のディジットを記憶して、お互いに時間アラインされるノイズ信 号データブロックと残差信号データブロックをそれぞれ生成するステップと、各 ノイズ信号データブロック端部のいくつかのディジットをゼロに設定して調整ノ イズ信号データブロックを生成するステッブと、調整ノイズ信号データブロック と時間アラインされた残差信号データブロックを変換してディジタル的にサンプ リングされた信号の振幅と位相を生成するステップを含む方法。 37.請求項36に記載の方法において、ゼロにセットされるディジットの数は 、ノイズ信号と、残差信号中のノイズ信号からの寄与成分との間の遅延に応じて 決定される方法。 38.請求項37に記載の方法において、ゼロにセットされる前記ディジットの 数は、前記ディジット数のサンプリングにかかる時間が、二次信号と、任意の残 差信号中の二次信号の寄与成分との間の遅延より大きくなるように決定される方 法。 39.請求項19〜35のいずれかに記載の方法において、前記第2フィルタ係 数はコスト関数を低減するために変更調整される方法。 40.請求項21〜39のいずれかに記載の方法において、前記好ましくない信 号は好ましくない音響振動であり、前記少なくとも一つの二次信号から少なくと も一つの二次振動を生成するステップと、前記少なくとも一つの二次信号と前記 好ましくない振動とを干渉させるステップと、干渉結果の残差振動を検出して前 記少なくとも一つの残差信号を生成するステップを含む方法。 41.添付図面を参照して上記記載される方法。 42.図面を参照して上述され、図示される適応制御システム。
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