一种基于改进FxLMS算法的主动噪声控制系统与方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种基于改进FxLMS算法的主动噪声控制系统与方法。主要包括5个模块：(1)FxLMS算法、(2)次级通道、(3)性能监视、(4)变功率白噪声产生器及(5)主通道路径。本发明专利技术目的在于提高ANC系统的降噪性能以及次级通道的建模精度和收敛速率。创新点在于针对次级通道的训练信号(辅助随机白噪声)进行了功率调度，然后通过观察(2)中的性能，当μSmax‑μS＜α(1×10‑5＜α＜1×10‑3)时，停止(4)中的辅助随机白噪声的注入；当20log10|f(n)|＜0时，重新开启(4)中的辅助随机白噪声的注入。从而实现对次级通道进行在线建模和离线建模的相互转换，最终得到一个具有较高建模精度和降噪性能的ANC系统。结构简单、易适应环境变化和大方差辅助白噪声等特点。

An active noise control system and method based on improved FxLMS algorithm

The invention requests to protect an active noise control system and method based on improved FxLMS algorithm. It mainly includes five modules: (1) FxLMS algorithm, (2) secondary channel, (3) performance monitoring, (4) variable power white noise generator and (5) main channel path. The invention aims to improve the noise reduction performance of the ANC system and the modeling accuracy and convergence rate of the secondary channel. The innovation lies in power scheduling for the training signal (auxiliary random white noise) of the secondary channel, and then by observing the performance in (2), stopping the injection of auxiliary random white noise in (4) when the mu Smax mu S < alpha (1 10_5 < alpha < 1 10_3) and restarting the auxiliary random white noise in (4) when the log10 | f (n) | < 0. The injection of sound. Thus, the transformation between on-line modeling and off-line modeling of secondary channels is realized, and an ANC system with high modeling accuracy and noise reduction performance is finally obtained. Simple structure, easy to adapt to environmental changes and large variance auxiliary white noise.

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进FxLMS算法的主动噪声控制系统与方法
本专利技术属于噪声消除
，尤其涉及到一种基于FxLMS算法的对低频噪声消除的主动噪声控制系统(ANC)中次级通道建模方法的研究。
技术介绍
近年来，随着工业设备如风扇、发动机、压缩机和变压器的不断增长，声学噪音逐渐成为一个严重的问题。传统降噪方法采用的是被动噪声控制：利用声学包装、安装消声器和设计隔声结构来降低噪声，这种方法因其在高频率范围内的高衰减噪声受到重视，但其在较低的频率范围内所取得的降噪效果并不明显且体积大、成本高。而主动噪声控制(ANC)对低频噪声却有着很好的降噪效果[1]，因此受到了很大的关注。ANC作为噪声消除中的重要组成部分，其设计中所面临的主要挑战与次级通道相关。次级通道(从噪声控制滤波器的输出到误差传感器测量残余噪声的路径)的存在会导致标准最小均方(LMS)算法的不稳定性，并且次级通道路径是随时间变化或非线性的，这又会导致ANC系统降噪性能的下降或发散。因此为了确保ANC系统的收敛，需要对次级通道路径进行建模[2,3]，以跟踪次级路径的变化，从而提高ANC系统降噪性能的稳定性。由于传统的FxLMS算法在对ANC系统进行降噪处理时，次级通道采用的是固定步长参数μ。固定步长容易在环境突然改变时，造成ANC系统中次级通道建模的发散，从而影响ANC系统的降噪性能；另外次级通道的训练信号(辅助随机白噪声)采用的是固定功耗，同样也会使得系统容易发散，造成降噪性能的下降。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种实现了对ANC系统更高的降噪性能的方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于改进FxLMS算法的主动噪声控制系统，其包括：改进的FxLMS(滤波x-最小均方算法)算法模块、次级通道、性能监视模块、变功率白噪声产生器及主通道路径，其中所述改进的FxLMS算法模块，用于通过次级通道模拟滤波器S’(z)对初始参考噪声信号x(n)进行滤波，产生滤波信号x’(n)进而注入到ANC系统主控制自适应滤波器中，成为主通道自适应滤波器的输入信号；以及可以对初始参考噪声信号x(n)进行滤波，产生主通道自适应滤波器的输出信号y(n)：改进的FxLMS算法改进主要体现在：(对主动噪声控制系统中的次级通道采取变步长在线建模和离线建模相互转换的方式以及对次级通道的训练信号辅助随机白噪声采取功率调度)输出信号y(n)之后与辅助随机白噪声v(n)结合，一起注入到次级通道S(z)中去，产生一个输出信号y′(n)-v′(n)，紧接着，主通道自适应滤波器的期望信号d(n)会与这个输出信号做差，从而得到ANC系统的误差函数e(n)：次级通道，用于对次级通道路径S(z)进行跟踪和模拟，产生一个供初始参考噪声信号x(n)滤波的自适应滤波器S’(z)，在建模的过程中，次级通道会不断根据ANC误差函数e(n)与次级通道自适应滤波器的输出信号做差，得到次级通道自适应滤波器的误差函数f(n)，进而再注入到次级通道自适应滤波器和主通道自适应滤波器中，分别对其的抽头系数进行调整；还对次级通道步长参数μS(n)采取了变步长算法；性能监视模块，通过观察次级通道自适应滤波器的步长参数μS(n)和误差函数f(n)的大小对次级通道辅助随机白噪声的连续注入进行控制：变功率白噪声产生器，用于产生ANC系统中次级通道的训练信号即随机白噪声，并对其功率进行分配调度，然后注入到次级通道中；主通道路径，用于模拟ANC系统主通道的路径函数(声学响应)，从而对初始参考噪声信号进行滤波，得到主通道自适应滤波器的期望信号d(n))。进一步的，所述改进的FxLMS算法模块中y(n)：y(n)＝ωT(n)x(n)，ωT(n)表示主通道自适应滤波器抽头系数的转置表示被模拟次级道滤波后的参考噪声信号；进一步的，所述次级通道误差函数f(n)的表达式为：，抽头系数的表达式为：μs(n)表示次级通道自适应滤波器的步长参数μω(n)表示主通道自适应滤波器的步长参数进一步的，所述采用变步长算法用于更新次级通道建模滤波器的抽头系数，具体步骤如下：(1)首先，计算误差信号e(n)和f(n)的功耗：Pe(n)＝λPe(n-1)+(1-λ)e2(n)Pf(n)＝λPf(n-1)+(1-λ)f2(n)；(2)然后，获得两个误差信号功率的比值：ρ(n)＝Pf(n)/Pe(n)(3)最后，步长参数计算如下：μs(n)＝ρ(n)μSmin+(1-ρ(n))μSmax其中μSmin表示次级通道自适应滤波器的最小步长参数μSmax表示次级通道自适应滤波器的最大步长参数λ表示遗忘因子。进一步的，所述变功率白噪声产生器对随机白噪声功率进行分配调度，具体包括：将次级通道辅助随机白噪声v(n)的方差调整如下：表示v(n)方差的最小值表示v(n)方差的最大值，最后得到的数据可以根据如下公式反映出其降噪性能的大小和次级通道建模的精确度：其中R：ANC系统的降噪性能的好坏；e(n)：ANC系统主控制自适应滤波器的误差函数；d(n)：ANC系统主控制自适应滤波器的期望信号；△S：ANC系统中次级通道建模的精确度大小；Si(n)：ANC系统中实际次级通道的路径函数；ANC系统中模拟次级通道的路径函数。进一步的，所述ANC系统在进行次级通道建模的一开始，采用在线建模，而当噪声降低到ANC系统趋于稳定时，关闭次级通道的在线建模，即停止辅助白噪声的注入，采用离线建模。进一步的，所述ANC系统在进行次级通道建模时，是通过判断次级通道的变步长参数μS(n)和次级通道建模误差f(n)的大小进而实现在线建模和离线建模相互转换的，当μSmax-μS＜α时，μSmax表示次级通道自适应滤波器的最大步长参数，μS表示次级通道自适应滤波器的变步长参数，α表示常数；停止次级通道中的辅助随机白噪声的注入；当20log10|f(n)|＜0时，重新开启次级通道中的辅助随机白噪声的注入。一种基于所述系统的主动噪声控制方法，其包括以下步骤：初始参考噪声信号x(n)分别经过主通道路径模块(5)的次级通道模拟滤波器S’(z)产生主通道自适应滤波器的期望信号d(n)，及经过改进的FxLMS算法模块(1)中的主控制自适应滤波器W(z)产生滤波信号x’(n)和输出信号y(n)，其中S’(z)是由次级通道模块(2)产生的，与此同时，变功率白噪声产生器模块(4)发出的随机白噪声信号v(n)与主控制自适应滤波器的输出信号y(n)结合，并一起注入到次级通道路径S(z)中，产生的信号再与期望信号d(n)相减，得到误差信号e(n)，而e(n)是表示ANC系统降噪性能的物理量，然后在ANC系统运行期间，次级通道通过性能监视模块(3)进行不断的建模调整，采用变步长算法用于更新次级通道建模滤波器的抽头系数，从而实现次级通道在线建模和离线建模的相互转换。进一步的，所述采用变步长算法更新次级通道建模滤波器的抽头系数，具体步骤如下：(1)首先，计算误差信号e(n)和f(n)的功耗：Pe(n)＝λPe(n-1)+(1-λ)e2(n)Pf(n)＝λPf(n-1)+(1-λ)f2(n)(2)然后，获得两个误差信号功率的比值：ρ(n)＝Pf(n)/Pe(n)(3)最后，步长参数计算如下：μs(n)＝ρ(n)μSmin+(1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进FxLMS算法的主动噪声控制系统，其特征在于，包括：改进的FxLMS滤波x‑最小均方算法模块(1)、次级通道(2)、性能监视模块(3)、变功率白噪声产生器(4)及主通道路径(5)，其中所述的改进FxLMS算法模块，用于通过次级通道模拟滤波器S’(z)对初始参考噪声信号x(n)进行滤波，产生滤波信号x’(n)进而注入到ANC系统主控制自适应滤波器中，成为主通道自适应滤波器的输入信号；以及可以对初始参考噪声信号x(n)进行滤波，产生主通道自适应滤波器的输出信号y(n)：改进的FxLMS算法改进主要体现在：对主动噪声控制系统中的次级通道采取变步长在线建模和离线建模相互转换的方式以及对次级通道的训练信号辅助随机白噪声采取功率调度；输出信号y(n)之后与辅助随机白噪声v(n)结合，一起注入到次级通道S(z)中去，产生一个输出信号y′(n)‑v′(n)，紧接着，主通道自适应滤波器的期望信号d(n)会与这个输出信号做差，从而得到ANC系统的误差函数e(n)：次级通道(2)，用于对次级通道路径S(z)进行跟踪和模拟，产生一个供初始参考噪声信号x(n)滤波的自适应滤波器S’(z)，在建模的过程中，次级通道会不断根据ANC误差函数e(n)与次级通道自适应滤波器的输出信号...

【技术特征摘要】
1.一种基于改进FxLMS算法的主动噪声控制系统，其特征在于，包括：改进的FxLMS滤波x-最小均方算法模块(1)、次级通道(2)、性能监视模块(3)、变功率白噪声产生器(4)及主通道路径(5)，其中所述的改进FxLMS算法模块，用于通过次级通道模拟滤波器S’(z)对初始参考噪声信号x(n)进行滤波，产生滤波信号x’(n)进而注入到ANC系统主控制自适应滤波器中，成为主通道自适应滤波器的输入信号；以及可以对初始参考噪声信号x(n)进行滤波，产生主通道自适应滤波器的输出信号y(n)：改进的FxLMS算法改进主要体现在：对主动噪声控制系统中的次级通道采取变步长在线建模和离线建模相互转换的方式以及对次级通道的训练信号辅助随机白噪声采取功率调度；输出信号y(n)之后与辅助随机白噪声v(n)结合，一起注入到次级通道S(z)中去，产生一个输出信号y′(n)-v′(n)，紧接着，主通道自适应滤波器的期望信号d(n)会与这个输出信号做差，从而得到ANC系统的误差函数e(n)：次级通道(2)，用于对次级通道路径S(z)进行跟踪和模拟，产生一个供初始参考噪声信号x(n)滤波的自适应滤波器S’(z)，在建模的过程中，次级通道会不断根据ANC误差函数e(n)与次级通道自适应滤波器的输出信号做差，得到次级通道自适应滤波器的误差函数f(n)，进而再注入到次级通道自适应滤波器和主通道自适应滤波器中，分别对其的抽头系数进行调整；还对次级通道步长参数μS(n)采取了变步长算法；性能监视模块，通过观察次级通道自适应滤波器的步长参数μS(n)和误差函数f(n)的大小对次级通道辅助随机白噪声的连续注入进行控制：变功率白噪声产生器，用于产生ANC系统中次级通道的训练信号即随机白噪声，并对其功率进行分配调度，然后注入到次级通道中；主通道路径(5)，用于模拟ANC系统主通道的路径函数即声学响应，从而对初始参考噪声信号进行滤波，得到主通道自适应滤波器的期望信号d(n))。2.根据权利要求1所述的一种基于改进FxLMS算法的主动噪声控制系统，其特征在于，所述改进的FxLMS算法模块中y(n)：y(n)＝ωT(n)x(n)，ωT(n)表示主通道自适应滤波器抽头系数的转置。表示被模拟次级道滤波后的参考噪声信号。3.根据权利要求1所述的一种基于改进FxLMS算法的主动噪声控制系统，其特征在于，所述次级通道(2)误差函数f(n)的表达式为：，抽头系数的表达式为：μs(n)表示次级通道自适应滤波器的步长参数。μω(n)表示主通道自适应滤波器的步长参数。4.根据权利要求3所述的一种基于改进FxLMS算法的主动噪声控制系统，其特征在于，所述采用变步长算法用于更新次级通道建模滤波器的抽头系数，具体步骤如下：(1)首先，计算误差信号e(n)和f(n)的功耗：Pe(n)＝λPe(n-1)+(1-λ)e2(n)Pf(n)＝λPf(n-1)+(1-λ)f2(n)(2)然后，获得两个误差信号功率的比值：ρ(n)＝Pf(n)/Pe(n)(3)最后，步长参数计算如下：μs(n)＝ρ(n)μSmin+(1-ρ(n))μSmax其中μSmin表示次级通道自适应滤波器的最小步长参数，μSmax表示次级通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁军，刘东旭，唐晓斌，王巍，王冠宇，吕韦喜，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50