WO2006111039A1 - Verfahren zur nachbildung eines secondary-path bei einem aktiven geräuschreduktionssystem - Google Patents

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adjustable filter
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secondary path
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Harry Bachmann
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Definitions

  • the present invention relates to a method for reproducing a secondary path in an active noise reduction system, comprising a transmission path, an adaptively adjustable filter and an addition unit, wherein the adaptively adjustable filter is adjusted in response to an output signal of the addition unit, and a method for operating a active noise reduction system.
  • Noise sources are increasingly perceived as an environmental impact and are considered to reduce the quality of life.
  • noise reduction methods based on the principle of wave cancellation have already been proposed.
  • ANC Active Noise Canceling
  • the principle of Active Noise Canceling is based on the cancellation of sound waves due to interference. These interferences are generated by one or more electro-acoustic transducers, such as loudspeakers.
  • the signal radiated by the electro-acoustic transducers is calculated by means of a suitable algorithm and continuously corrected.
  • the basis for the calculation of the signal to be radiated by the electro-acoustic transducers are those of one or more sensors -? -
  • An active noise reduction algorithm requires information from at least one sensor (for example, a microphone) that determines the residual error.
  • another sensor is provided that provides information about the nature of the signal to be minimized.
  • an adaptive noise reduction system requires one or more actuators (for example in the form of loudspeakers) to output the correction signal.
  • the information from the sensors must be converted by an analog / digital converter into a suitable format. After processing by the algorithm, the signal is reconverted from a digital to analog converter and transmitted to the actuators.
  • offline modeling of the secondary path (component influence).
  • the known method for determining the secondary path is referred to as “offline modeling", since the properties of the secondary path are determined in advance, that is, while the system is not in operation.
  • This method of determining the secondary path has in common the property that the time delay which occurs between the actuator and the sensor is taken into account for the calculation of the component influence (secondary path) independently of the frequency response.
  • this time delay is an essential property of the secondary path, neglecting this time delay in the modeling of secondary influence affects the efficiency and stability of the whole system.
  • the environmental parameters such as the air pressure or the temperature
  • the duration of the signal changes. If the running time of the signal becomes smaller, the algorithm is characterized by that in the model of the secondary path given delay too slow to deliver a satisfactory result. As a result, poorer damping properties and, in extreme cases, an unstable system can arise.
  • the idea with this method is to add a signal in addition to the noise that is to be canceled and to determine the properties of the secondary path (component influence) due to the change of this signal.
  • the additional signal is filtered out again before the "Antinoise signal" is output via the actuator, in this case a loudspeaker.
  • the disadvantage of this method is that this signal is always present.
  • ANC uses a model of the secondary path (component influence)
  • its properties are automatically included in the calculation of the "anti-noise”.
  • the model of the secondary path contains a time delay, as is the case in the usual models, the system is limited by the fact that a change in the delay of the signal can no longer be compensated. This is especially the case when the duration of the signal decreases.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method which does not have the disadvantages mentioned above.
  • the invention firstly relates to a method for simulating a secondary path in an active noise reduction system comprising a transmission path, an adaptively adjustable filter and an addition unit, wherein the adaptively adjustable filter is set in dependence on an output signal of the addition unit.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • a known signal is supplied to the transmission link and to the adaptively adjustable filter having an adjustable transfer function
  • the adaptive filter or its transfer function is set in such a way that the output signal of the addition unit is minimal;
  • a delay time of a signal through the transmission path is or is eliminated in the transfer function of the adaptively adjustable filter to produce the replica of the secondary path.
  • the delay time is determined, for which purpose a method based on the peak search method is used in particular.
  • a method based on the peak search method is used in particular.
  • the adaptively adjustable filter operates in the frequency domain.
  • white noise is supplied as a known signal to the transmission path and to the adaptively adjustable filter.
  • the known signal is transformed by means of a transformation from a time domain to a frequency domain before the known signal is fed to the adaptively adjustable filter, and that an output signal of the transmission path is transformed by means of a transformation from the time domain. in the frequency domain is transformed before the output signal of the transmission path of the addition unit is supplied.
  • the adaptively adjustable filter is supplied with a known signal having a constant amplitude spectrum, and that an output signal of the transmission path is transformed by means of a transformation from the time domain to the frequency domain before the output signal of the Transmission line of the addition unit is supplied.
  • the phase spectrum of the known signal is no longer used. This achieves a further simplification.
  • a method for operating an active noise reduction system comprising a transmission path, an adaptively adjustable filter and an addition unit, wherein the adaptively adjustable filter is adjusted in response to an output signal of the addition unit and wherein a simulated secondary-path acts on the adaptive filter such that secondary-path influences are taken into account, wherein the replica of the secondary-path has been carried out according to the method described above.
  • the present invention is based on
  • FIG. 1 is a simplified block diagram of a known method for determining the secondary path according to the "Offline Modeling" method
  • Fig. 2 is a simplified block diagram of a
  • FIG. 3 is another simplified block diagram of a known method for determining the properties of the secondary path
  • Fig. 5 is a further simplified representation of
  • FIG. 6 shows a further simplified block diagram of a method according to the invention, _. , _ . , _ "_
  • Fig. 7 is a block diagram of another
  • Fig. 8 shows an example of a waveform
  • Fig. 9 shows another example of a waveform.
  • Fig. 1 consists of a noise generator unit 1, the transmission path 2 with the transfer function H (z) whose properties are to be replicated, and a filter 3 in which a model H (z) of the actual transfer function H (z) is included and is controlled by an adaptive unit 4, in which an adaptive algorithm is processed.
  • the model H (z) is thus the replica of the transfer function H (z) in the transmission path 2.
  • the transmission path 2, the filter 3 and the adaptive unit 4 are supplied with a randomly generated by the noise generator unit 1 signal (Random Noise Generator). From the signals d (n), y (n) resulting at the output of the transmission path 2 and the filter 3, a sum is formed in an addition unit 5, wherein the output signal y (n) of the filter 3 is inverted before the addition.
  • the noise generator unit 1 signal Random Noise Generator
  • the resulting residual signal e (n) 6 is supplied to the adaptive unit 4.
  • the one in the adaptive unit 4 processed algorithm sets the filter 3 so that the residual signal e (n) is minimized.
  • An optimal adjustment of the overall system is achieved when the residual signal e (n) 6 is equal to zero. In this case, the transfer function H (z) coincides with the model H (z).
  • a transmission path is formed of an amplification unit 8, an actuator 9 (for example a loudspeaker), a sensor 10 (for example a microphone) and a sensor amplifier 11.
  • a noise generator unit 7 supplies this transmission path, the filter 13 and the white noise adaptive unit 15.
  • the filter 13 is adjusted by the adaptive algorithm, which is executed in the adaptive unit 15, so that the result of the addition unit 14 is minimized, wherein one of the two summands must be inverted.
  • time delays attributed to the secondary path (component influence) flow into the calculation of the filter 13.
  • the secondary path (component influence) here consists of the specific influence of the amplifiers 8, 11, the actuator 9, the sensor 10 and the transmission medium between the actuator 9 and the sensor 10.
  • a secondary path can be.
  • a speaker and a microphone other actuators and sensors may be used.
  • the microphone amplifier 11 may also include a filter under certain circumstances.
  • the present invention consists in the fact that the influence of the signal propagation times occurring in the secondary path is canceled out by the fact that the signals are transformed from the time domain into the frequency domain. This will be illustrated with reference to the embodiment of the invention shown in FIG.
  • the noise generator unit 7 supplies the secondary path with white noise.
  • the noise is supplied to a transformation unit 12, which carries out a transformation from the time domain to the frequency domain.
  • Another transformation unit 16 transforms the signal into the frequency domain at the end of the secondary path.
  • the adaptive algorithm used in the unit 15 adjusts the filter 13 so that the sum formed in the adding unit 14 is minimized, inverting the signal resulting from the filter 13 before the summation.
  • the temporal change of the maturity is excluded by a majority. It has been found that certain signal components, which are offset by a multiple of 2 * ⁇ , can not be excluded.
  • the filter 13 thus only represents the properties of the secondary path (component influence) in the frequency domain.
  • the difference from the method shown in FIG. 3 is the transformations carried out in the transformation units 12 and 16 from the time domain to the frequency domain.
  • FIG. 8 A further embodiment variant of the method according to the invention is explained with reference to FIG. 8, with which the time delay T can be determined.
  • the time delay T required for the suppression is determined.
  • the component contained in the impulse response H (t) which occurs before a first maximum 31 of the impulse response H (t) is erased, for example by means of a known peak search method, by a certain number in the information contained in the impulse response Samples are looked back.
  • a curve as shown in FIG. 9 is obtained.
  • Fig. 4 shows the frequency spectrum of white noise. On the abscissa the frequency is 20, on the ordinate the amplitude 19 is plotted. The spectrum shows a constant course of the amplitude 17.
  • Fig. 5 shows the frequency spectrum after the white noise according to Fig. 4 has passed the secondary path.
  • the abscissa again has the frequency 20, and the ordinate the amplitude 19.
  • the spectrum no longer shows a constant amplitude spectrum but a frequency spectrum that varies with the frequency.
  • This amplitude spectrum shows a possible output signal in the frequency range of a secondary path, after it has been excited with the course of FIG.
  • the amplitude 18 is no longer the same size at each frequency, as shown in FIG. 5 can be seen.
  • Fig. 6 shows a block diagram, with the two noise generators 21 and 22, in which white noise is generated.
  • a constant value is used at the input of the filter 13 and at the adaptive unit 15.
  • the use of a number - in this case a constant value instead of a complex one Signals - is another simplification in the modeling of the secondary path.
  • a simple ANC system is shown.
  • the operation of an ANC system whose secondary path has been determined in the frequency domain is explained below.
  • Blocks 25 and 26 deserve special attention.
  • the secondary path (component influence) is identified, and at 26 an estimate of the secondary path (component influence) is indicated.
  • the parameters are stored which were previously determined by means of the methods described in FIGS. 2 and 3.
  • the parameters determined in the filter 13 must first be transformed back into the time domain from the frequency domain by means of an inverse transformation, before they are stored in the model of the secondary path (block 26).
  • the block 26 thus describes the frequency characteristics of the secondary path 25.
  • a sum is formed after the signal x (n) to be minimized has been influenced on the one hand by the transmission path 23, and on the other hand by the filter 24 and the secondary Path 25 was edited.
  • the adaptive unit 27 in which an adaptive algorithm is executed, controls the filter 24 such that the residual signal e (n) 29 is as small as possible, ie minimal.

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Abstract

Ein Verfahren zur Nachbildung eines Secondary-Path bei einem aktiven Geräuschreduktionssystem ist angegeben, das eine Übertragungsstrecke (S, 9', 10, 11) , ein adaptiv einstellbares Filter (13) und eine Additionseinheit (14) umfasst, wobei das adaptiv einstellbare Filter (13) in Abhängigkeit eines Ausgangssignals der Additionseinheit (14) eingestellt wird. Das Verfahren umfasst unter anderem den Schritt: eine Verzögerungszeit (T) eines Signals durch die Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) wird bzw. ist in der Übertragungsfunktion des adaptiv einstellbaren Filters (13) zur Erzeugung der Nachbildung des Secondary-Path eliminiert.

Description

Verfahren zur Nachbildung eines Secondary-Path bei einem aktiven Geräuschreduktionssysteπi
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbildung eines Secondary-Path bei einem aktiven Geräuschreduktionssystem, das eine Übertragungsstrecke, ein adaptiv einstellbares Filter und eine Additionseinheit umfasst, wobei das adaptiv einstellbare Filter in Abhängigkeit eines Ausgangssignals der Additionseinheit eingestellt wird, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines aktiven Geräuschreduktionssystems .
Lärmquellen werden zunehmend als Umweltbelastung wahrgenommen und gelten als Verminderung der Lebensqualität. Da sich Lärmquellen häufig jedoch nicht vermeiden lassen, wurden bereits Verfahren zur Geräuschreduktion vorgeschlagen, die auf dem Prinzip der Wellenauslöschung basieren.
Das Prinzip der aktiven Geräuschreduktion (ANC oder "Active Noise Cancelling") beruht auf der Auslöschung von Schallwellen durch Interferenzen. Diese Interferenzen werden von einem oder mehreren elektro-akustischen Wandlern, beispielsweise von Lautsprechern, erzeugt. Das von den elektro-akustischen Wandlern abgestrahlte Signal wird mittels eines dazu geeigneten Algorithmus berechnet und laufend korrigiert. Als Grundlage für die Berechnung des von den elektro-akustischen Wandlern auszustrahlenden Signals dienen die von einem oder mehreren Sensoren — ? —
gelieferten Informationen. Dies sind zum einen Informationen über die Beschaffenheit des zu minimierenden Signals. Hierzu kann zum Beispiel ein Mikrofon verwendet werden, welches das zu minimierende Geräusch erfasst. Zum anderen werden aber auch Informationen über das verbleibende Restsignal benötigt. Auch hierzu können Mikrofone verwendet werden.
Das bei aktiver Geräuschreduktion angewendete grundlegende Prinzip wurde von Dr. Paul Lueg in einer Patentschrift aus dem Jahr 1935 und der Offenlegungsnummer AT-141 998 B beschrieben. Durch diese Druckschrift ist offenbart, wie Lärm in einer Röhre mittels Erzeugung eines Signals mit entgegen gesetzter Phasenlage ausgelöscht werden kann.
Ein Algorithmus zur aktiven Geräuschreduktion benötigt Informationen von mindestens einem Sensor (zum Beispiel ein Mikrofon), welcher den Restfehler ermittelt. Je nach Anwendung und verwendetem Algorithmus kommt ein weiterer Sensor dazu, der Informationen über die Beschaffenheit des zu minimierenden Signals liefert. Ferner benötigt ein adaptives Geräuschreduktionssystem einen oder mehrere Aktuatoren (zum Beispiel in der Form von Lautsprechern) zur Ausgabe des Korrektursignals. Die Informationen der Sensoren müssen von einem Analog/Digital-Wandler in ein entsprechendes Format umgewandelt werden. Nach der Bearbeitung durch den Algorithmus wird das Signal von einem Digital/Analog-Wandler zurückgewandelt und an die Aktuatoren übermittelt. Diese Wandler unterliegen Beschränkungen, sowohl bezüglich Auflösung als auch bezüglich Dynamik.
Bei der Anwendung von "Active Noise Cancelling" , nachstehend ANC genannt, ist die Stabilität des verwendeten Algorithmus ein entscheidender Faktor. Derzeit werden eine Reihe von spezifischen Algorithmen eingesetzt, wie zum Beispiel der LMS- (Least Mean Square) oder der mit diesem Verwandte Fx-LMS-Algorithmus . Insbesondere die Fx- Algorithmen weisen eine gute Stabilität auf und lassen sich daher bei ANC-System gut verwenden. Das Präfix "Fx" deutet dabei auf die Nachbildung des so genannten "Secondary-Path" hin, der die Eigenschaften der verwendeten Aktuatoren, Sensoren, Verstärker, Analog/Digital-Wandler, Digital/Analog-Wandler und des Übertragungswegs sowie aller anderen Einflüsse auf das zu übertragende Signal beinhaltet. Der "Secondary-Path" wird im Folgenden auch etwa als "Komponenteneinfluss" bezeichnet.
Nachstehend werden einige gängige Verfahren zur Ermittlung des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) beschrieben und deren Schwächen aufgezeigt.
Ein komplettes ANC-System mit integriertem Secondary-Path wird unter anderem im Dokument "A New Structure For Feed forward Active Noise Control Systems with Online Secondary- Path Modeling" beschrieben, welches von den Autoren Muhammad Tahir Akthar, Masahide Abe und Masayuki Kawamat anlässlich des "International Workshop on Acoustic Echo and Noise Control (IWAENC2003) " im September 2003 in Kyoto publiziert wurde.
In diesem Dokument wird ein Offline Modeling des Secondary- Path (Komponenteneinfluss) beschrieben. Das bekannte Verfahren zur Bestimmung des Secondary-Path wird als "Offline Modeling" bezeichnet, da die Eigenschaften des Secondary-Path vorgängig bestimmt werden, also während das System nicht im Betrieb ist.
Sobald der Komponenteneinfluss (Eigenschaften des Secondary-Path) mit Hilfe von weissem Rauschen bestimmt ist, wird ein Filter, welches diese Eigenschaften nachbildet, vom LMS-Algorithmus in die Berechnung miteinbezogen.
Diesem Verfahren zur Bestimmung des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) ist die Eigenschaft gemeinsam, dass die Zeitverzögerung, welche zwischen Aktuator und Sensor auftritt, für die Berechnung des Komponenteneinfluss (Secondary-Path) unabhängig vom Frequenzgang beachtet wird. Da diese Zeitverzögerung aber eine wesentliche Eigenschaft des Secondary-Path ist, beeinträchtigt die Vernachlässigung dieser Zeitverzögerung bei der Modellierung des Komponenteneinflusses (Secondary-Path) die Effizienz und die Stabilität des ganzen Systems. Bei einer Veränderung der Umgebungsparameter, wie zum Beispiel des Luftdruck oder der Temperatur, verändert sich auch die Laufzeit des Signals. Wird die Laufzeit des Signals kleiner, ist der Algorithmus durch die im Modell des Secondary-Path vorgegebene Verzögerung zu langsam, um ein zufrieden stellendes Ergebnis zu liefern. Als Folge davon können schlechtere Dämpfungseigenschaften und im Extremfall ein instabiles System entstehen.
Eine weitere Methode zur Bestimmung des Secondary-Path während des Betriebs wird von Sen M. Kuo im US Patent mit der Nummer 5,940,519 beschrieben.
Die Idee bei diesem Verfahren besteht darin, zusätzlich zum Rauschen, welches ausgelöscht werden soll, ein Signal beizumischen und aufgrund der Veränderung dieses Signals die Eigenschaften des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) zu bestimmen. Das zusätzliche Signal wird wieder herausgefiltert, bevor das "Antinoise-Signal" über den Aktuator, in diesem Fall ein Lautsprecher, ausgegeben wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass dieses Signal immer vorhanden ist.
Wird bei ANC ein Modell des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) verwendet, fliessen dessen Eigenschaften automatisch in die Berechnung des "Anti- Noise" mit ein. Enthält das Modell des Secondary-Path eine Zeitverzögerung, wie es in den üblichen Modellen der Fall ist, ist das System dadurch limitiert, dass eine Veränderung der Laufzeit des Signals nicht mehr ausgeglichen werden kann. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn sich die Laufzeit des Signals verringert. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe ist durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und ein Verfahren zum Betrieb eines aktiven
Geräuschreduktionssystems sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Nachbildung eines Secondary-Path bei einem aktiven Geräuschreduktionssystem, das eine Übertragungsstrecke, ein adaptiv einstellbares Filter und eine Additionseinheit umfasst, wobei das adaptiv einstellbare Filter in Abhängigkeit eines Ausgangssignals der Additionseinheit eingestellt wird. Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- ein bekanntes Signal wird der Übertragungsstrecke und dem adaptiv einstellbaren Filter, das eine einstellbare Übertragungsfunktion aufweist, zugeführt;
- das adaptive Filter bzw. dessen Übertragungsfunktion wird derart eingestellt, dass das Ausgangssignal der Additionseinheit minimal ist;
- eine Verzögerungszeit eines Signals durch die Übertragungsstrecke wird bzw. ist in der Übertragungsfunktion des adaptiv einstellbaren Filters zur Erzeugung der Nachbildung des Secondary-Path eliminiert. Damit wird erstmals ein Verfahren geschaffen, mit dem der Einfluss der Signallaufzeit auf das Modell des Secondary- Path nicht mehr vorhanden ist, womit eine wesentliche Verbesserung der Systemstabilität des aktiven Geräuschreduktionssystems erreicht wird.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Verzögerungszeit bestimmt, wobei hierzu insbesondere ein auf der Peak-Search Methode basierendes Verfahren verwendet wird. Hierdurch ist eine äusserst genaue Ermittlung der Verzögerungszeit möglich, was zu einem überaus guten Systemverhalten während dem späteren Betrieb führt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens arbeitet das adaptiv einstellbare Filter im Frequenzbereich. j
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird weisses Rauschen als bekanntes Signal der Übertragungsstrecke und dem adaptiv einstellbaren Filter zugeführt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass das bekannte Signal mittels einer Transformation von einem Zeit- in einen Frequenzbereich transformiert wird, bevor das bekannte Signal dem adaptiv einstellbaren Filter zugeführt wird, und dass ein Ausgangssignal der Übertragungsstrecke mittels einer Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich transformiert wird, bevor das Ausgangssignal der Übertragungsstrecke der Additionseinheit zugeführt wird.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei der Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich lediglich das Amplitudenspektrum weiter verwendet wird. Hierdurch wird eine weitere Vereinfachung bei der Modellierung des Secondary-Path und damit eine Effizienzsteigerung erhalten.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass dem adaptiv einstellbaren Filter ein bekanntes Signal zugeführt wird, das ein konstantes Amplitudenspektrum aufweist, und dass ein Ausgangssignal der Übertragungsstrecke mittels einer Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich transformiert wird, bevor das Ausgangssignal der Übertragungsstrecke der Additionseinheit zugeführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Phasespektrum des bekannten Signals nicht weiter verwendet. Hierdurch wird eine weitere Vereinfachung erreicht.
Schliesslich wird ein Verfahren zum Betrieb eines aktiven Geräuschreduktionssystems angegeben, das eine Übertragungsstrecke, ein adaptiv einstellbares Filter und eine Additionseinheit umfasst, wobei das adaptiv einstellbare Filter in Abhängigkeit eines Ausgangssignals der Additionseinheit eingestellt wird und wobei ein nachgebildeter Secondary-Path derart auf das adaptiv einstellbaren Filter einwirkt, dass Secondary-Path- Einflüsse berücksichtigt werden, wobei die Nachbildung des Secondary-Path nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren vorgenommen worden ist.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen im Folgenden weiter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltdiagramm eines bekannten Verfahrens zur Bestimmung des Secondary Path gemäss der „Offline Modeling" Methode,
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer
Ausführungsform eines erfindungsgemässen Verfahrens in schematischer Darstellung,
Fig. 3 ein weiteres vereinfachtes Blockdiagramm eines bekannten Verfahrens zur Bestimmung der Eigenschaften des Secondary-Path,
Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 5 eine weitere vereinfachte Darstellung zur
Erläuterung eines erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 6 ein weiteres vereinfachtes Blockdiagramm eines erfindungsgemässen Verfahrens, _ . . _ . . _ „ _
- 10 -
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren
Ausführungsform eines erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 8 ein Beispiel für einen Signalverlauf und
Fig. 9 ein weiteres Beispiel für einen Signalverlauf.
Fig. 1 besteht aus einer Rauschgeneratoreinheit 1, dem Übertragungsweg 2 mit der Übertragungsfunktion H(z), dessen Eigenschaften nachgebildet werden sollen, und einem Filter 3, in dem ein Modell H(z) der tatsächlichen Übertragungsfunktion H(z) enthalten ist und das von einer adaptiven Einheit 4 gesteuert wird, in der ein adaptiver Algorithmus abgearbeitet wird. Das Modell H(z) ist somit die Nachbildung der Übertragungsfunktion H(z) im Übertragungsweg 2.
Der Übertragungsweg 2, das Filter 3 sowie die adaptive Einheit 4 werden mit einem von der Rauschgeneratoreinheit 1 zufällig generierten Signal versorgt (Random Noise Generator) . Aus den am Ausgang des Übertragungsweges 2 und des Filters 3 resultierenden Signalen d(n), y(n) wird in einer Additionseinheit 5 eine Summe gebildet, wobei das Ausgangssignal y(n) des Filters 3 vor der Addition invertiert wird.
Das hieraus resultierende Restsignal e (n) 6 wird der adaptiven Einheit 4 zugeführt. Der in der adaptiven Einheit 4 abgearbeitete Algorithmus stellt das Filter 3 so ein, dass das Restsignal e(n) minimiert wird. Eine optimale Einstellung des Gesamtsystems ist dann erreicht, wenn das Restsignal e (n) 6 gleich null ist. In diesem Fall stimmt die Übertragungsfunktion H(z) mit dem Modell H(z) überein.
Fig. 3 zeigt ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) . Ein Übertragungsweg ist aus einer Verstärkungseinheit 8, einem Aktuator 9 (beispielsweise einem Lautsprecher) , einem Sensor 10 (beispielsweise einem Mikrofon) und einem Sensorverstärker 11 gebildet. Eine Rauschgeneratoreinheit 7 versorgt diesen Übertragungsweg, das Filter 13 und die adaptive Einheit 15 mit weissem Rauschen. Das Filter 13 wird vom adaptiven Algorithmus, der in der adaptiven Einheit 15 abgearbeitet wird, so eingestellt, dass das Resultat der Additionseinheit 14 minimiert wird, wobei einer der beiden Summanden invertiert werden muss. Bei diesem Verfahren fliessen Zeitverzögerungen, die dem Secondary-Path (Komponenteneinfluss) zuzuschreiben sind, in die Berechnung des Filters 13 ein. Der Secondary-Path (Komponenteneinfluss) besteht hier aus dem spezifischen Einfluss der Verstärker 8, 11, des Aktuators 9, des Sensors 10 und des Übertragungsmediums zwischen dem Aktuator 9 und dem Sensor 10. Dies ist nur eine der Möglichkeiten, wie ein Secondary-Path beschaffen sein kann. Anstelle von einem Lautsprecher und einem Mikrofon können auch andere Aktuatoren und Sensoren verwendet werden. Der Mikrofonverstärker 11 kann unter Umständen auch ein Filter beinhalten. Die vorliegende Erfindung besteht nun darin, dass die Beeinflussung durch die im Secondary-Path auftretenden Signallaufzeiten dadurch aufgehoben wird, dass die Signale vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert werden. Dies wird anhand der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemässen Ausführungsvariante illustriert.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemässen Systems zur Bestimmung der Eigenschaften des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) , der aus den verschiedenen Komponenten, wie Verstärker 8, Aktuator bzw. Lautsprecher 9, Sensor bzw. Mikrofon 10, Sensor- bzw. Mikrofonverstärker 11 sowie aus dem Übertragungsmedium zwischen Aktuator 9 und Sensor 10 besteht. Die Rauschgeneratoreinheit 7 versorgt den Secondary-Path mit weissem Rauschen. Gleichzeitig wird das Rauschen einer Transformationseinheit 12 zugeführt, die eine Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich vornimmt. Eine weitere Transformationseinheit 16 transformiert das Signal am Ende des Secondary-Path in den Frequenzbereich. Der in der Einheit 15 angewendete adaptive Algorithmus stellt das Filter 13 so ein, dass die in der Additionseinheit 14 gebildete Summe minimiert wird, wobei das aus dem Filter 13 resultierende Signal vor der Summenbildung invertiert wird.
Durch die in den Transformationseinheiten 12 und 16 durchgeführte Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich wird die im Secondary-Path auftretende zeitliche Veränderung der Laufzeit mehrheitlich ausgeklammert. Es hat sich gezeigt, dass gewisse Signalanteile, welche um ein Vielfaches von 2*π versetzt sind, nicht ausgeklammert werden können. Das Filter 13 repräsentiert also lediglich die Eigenschaften des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) im Frequenzbereich.
Der Unterschied zu dem in Fig. 3 gezeigten Verfahren ist dabei die in den Transformationseinheiten 12 und 16 durchgeführten Transformationen aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich .
Anhand von Fig. 8 wird -eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert, mit der die Zeitverzögerung T bestimmt werden kann. Dabei ist in Fig. 8 eine mögliche Impulsantwort H(t) der Übertragungsstrecke dargestellt, wobei ein Signal zum Zeitpunkt t=0 in die Übertragungsstrecke gegeben wird. Aus der Impulsantwort H(t) wird die zur Ausblendung gesuchte Zeitverzögerung T ermittelt. Hierzu wird nun der in der Impulsantwort H(t) enthaltene Anteil, welcher vor einem ersten Maximum 31 der Impulsantwort H(t) auftritt, beispielsweise mittels einer bekannten Peak-Search Methode gelöscht, indem in der in der Impulsantwort enthaltenen Information um eine bestimmte Anzahl Abtastwerte zurückgeschaut wird. Somit erhält man nach Anwendung der Peak-Search Methode einen Verlauf, wie er in Fig. 9 dargestellt ist. Der Vorteil dieses Verfahrens zur Ausklammerung der zeitlichen Verzögerung besteht darin, dass die Verzögerung T sehr genau bestimmt werden kann. Fig. 4 zeigt das Frequenzspektrum von weissem Rauschen. Auf der Abszisse ist die Frequenz 20, auf der Ordinate die Amplitude 19 aufgetragen. Das Spektrum zeigt einen konstanten Verlauf der Amplitude 17.
Fig. 5 zeigt das Frequenzspektrum, nachdem das weisse Rauschen gemäss Fig. 4 den Secondary-Path passiert hat. Auf der Abszisse ist wiederum die Frequenz 20, auf der Ordinate die Amplitude 19 aufgetragen. Das Spektrum zeigt nun kein konstantes Amplitudenspektrum mehr, sondern ein mit der Frequenz variierendes Amplitudenspektrum. Dieses Amplitudenspektrum zeigt ein mögliches Ausgangssignal im Frequenzbereich eines Secondary-Path, nachdem dieser mit dem Verlauf gemäss Fig. 4 angeregt worden ist.
In Fig. 2 wird von der Rauschgeneratoreinheit 1 weisses Rauschen erzeugt, was bedeutet, dass die Amplitude 17 jeder einzelnen Frequenz gleich gross ist. Dies ist in Fig. 4 dargestellt .
Nachdem das weisse Rauschen nun den Secondary-Path passiert hat, ist die Amplitude 18 nicht mehr bei jeder Frequenz gleich gross, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltdiagramm, mit den beiden Rauschgeneratoren 21 und 22, in denen weisses Rauschen erzeugt wird. Zur Berechnung des Secondary-Path wird beim Eingang des Filters 13 und bei der adaptiven Einheit 15 ein konstanter Wert verwendet. Die Verwendung einer Zahl - in diesem Falle ein konstanter Wert anstelle eines komplexen Signals - ist eine weitere Vereinfachung bei der Modellierung des Secondary-Path.
In Fig. 7 wird ein einfaches ANC-System gezeigt. Die Funktionsweise eines ANC-Systems, dessen Secondary-Path im Frequenzbereich ermittelt wurde, wird im Folgenden erläutert .
Das zu minimierende Signal x(n) ist mit 28, das verbleibende Restsignal e(n) ist mit 29, die Übertragungsstrecke mit der Übertragungsfunktion H ist mit 23, und das Filter H, mit dem die Übertragungsstrecke H nachgebildet wird, ist mit 24 referenziert . Die Blöcke 25 und 26 verdienen besondere Aufmerksamkeit. So ist mit 25 der Secondary-Path (Komponenteneinfluss) identifiziert, und mit 26 ist eine Schätzung des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) angegeben. In Block 26 sind also die Parameter gespeichert, welche zuvor anhand der in Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen Methoden ermittelt wurden.
Gelangt das in Fig. 3 beschriebene bekannte Verfahren zum Einsatz, kommen die Beschränkungen zum Tragen, welche weiter oben bereits beschrieben wurden, nämlich die zeitliche Veränderung der Laufzeit der Signale im Secondary-Path nicht berücksichtigt wird. Wenn die Beeinflussung durch die Signallaufzeit im Block 26 gross ist, kann dies vom Filter 24 nicht mehr korrigiert werden.
Wurden die Parameter hingegen mit der in Fig. 2 beschriebenen erfindungsgemässen Methode ermittelt, ist der Einfluss der Signallaufzeit auf das Modell des Secondary- Path nicht mehr vorhanden. Die im Filter 13 (Fig. 2 oder 6) ermittelten Parameter müssen allerdings zuvor aus dem Frequenzbereich mittels einer inversen Transformation wieder in den Zeitbereich transformiert werden, bevor sie im Modell des Secondary-Path (Block 26) gespeichert werden. Der Block 26 beschreibt somit die Frequenzeigenschaften des Secondary-Path 25. In der Additionseinheit 14 wird wiederum eine Summe gebildet, nachdem das zu minimierende Signal x(n) einerseits durch die Übertragungsstrecke 23 beeinflusst wurde, und andererseits durch das Filter 24 und den Secondary-Path 25 bearbeitet wurde. Zu beachten ist, dass einer der beiden Summanden zur Differenzbildung mit der Additionseinheit 14 invertiert werden muss, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Die adaptive Einheit 27, in der ein adaptiver Algorithmus abgearbeitet wird, regelt das Filter 24 derart, dass das Restsignal e (n) 29 so klein wie möglich ist, d.h. minimal ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Nachbildung eines Secondary-Path bei einem aktiven Geräuschreduktionssystem, das eine Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) , ein adaptiv einstellbares Filter (13) und eine Additionseinheit (14) umfasst, wobei das adaptiv einstellbare Filter (13) in Abhängigkeit eines Ausgangssignals der Additionseinheit
(14) eingestellt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst :
- ein bekanntes Signal wird der Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) und dem adaptiv einstellbaren Filter (13), das eine einstellbare Übertragungsfunktion aufweist, zugeführt;
- das adaptive Filter (13) bzw. dessen
Übertragungsfunktion wird derart eingestellt, dass das Ausgangssignal der Additionseinheit (14) minimal ist;
- eine Verzögerungszeit (T) eines Signals durch die Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) wird bzw. ist in der Übertragungsfunktion des adaptiv einstellbaren Filters (13) zur Erzeugung der Nachbildung des Secondary-Path eliminiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit (T) bestimmt wird, wobei hierzu insbesondere ein auf der Peak-Search Methode basierendes Verfahren verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptiv einstellbare Filter (13) im Frequenzbereich arbeitet .
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weisses Rauschen als bekanntes Signal der Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) und dem adaptiv einstellbaren Filter (13) zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bekannte Signal mittels einer Transformation von einem Zeit- in einen Frequenzbereich transformiert wird, bevor das bekannte Signal dem adaptiv einstellbaren Filter (13) zugeführt wird, und dass ein Ausgangssignal der Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) mittels einer Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich transformiert wird, bevor das Ausgangssignal der Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) der Additionseinheit (14) zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich lediglich das Amplitudenspektrum weiter verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem adaptiv einstellbaren Filter (13) ein bekanntes Signal zugeführt wird, das ein konstantes Amplitudenspektrum aufweist, und dass ein Ausgangssignal der Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) mittels einer Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich transformiert wird, bevor das Ausgangssignal der Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) der Additionseinheit (14) zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasespektrum des bekannten Signals nicht weiter verwendet wird.
9. Verfahren zum Betrieb eines aktiven
Geräuschreduktionssystems, das eine Übertragungsstrecke (8, 9, 10, 11) , ein adaptiv einstellbares Filter (13) und eine Additionseinheit (14) umfasst, wobei das adaptiv einstellbare Filter (13) in Abhängigkeit eines Ausgangssignals der Additionseinheit (14) eingestellt wird und wobei ein nachgebildeter Secondary-Path derart auf das adaptiv einstellbaren Filter (13) einwirkt, dass Secondary- Path-Einflüsse berücksichtigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbildung des Secondary-Path nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erfolgt.
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