有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法、系统技术方案

本发明专利技术涉及一种有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法、系统，涉及主动控制降噪技术领域，该方法包括以下步骤：首先利用四元数自适应滤波器内部的正交特性可以较清楚地建立各实虚部的信号矢量间的联系,并能保持各实虚部量自身的结构特性。进一步地利用变步长算法设置参考信号与收敛因子之间的某种函数关系来替代原始固定步长的值，最后通过仿真验证算法的可行性以及通过算法对比验证其优化了收敛性能和降噪能力。本发明专利技术具有结构简单，易于工程化实现，采用基于前馈的ANC系统结构的优点，由仿真结果显示，降噪性能和收敛速度得到了优化，而且，将信号的处理维度从一维拓展到了多维，为衰减多维的复杂噪声信号提供一些参考。一些参考。一些参考。

【技术实现步骤摘要】
有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法、系统


[0001]本专利技术涉及主动控制降噪
，特别是涉及一种有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法、系统。

技术介绍

[0002]随着交通和工业化的发展，噪声问题日益突出，对人类的健康存在着很大的威胁。噪声消除在声学应用领域引起很大的关注。传统的降噪方法主要是吸声、隔声、消声器等被动噪声控制技术，然而被动降噪技术只对中高频噪声产生削弱的作用，对低频噪声达不到良好的降噪效果。主动噪声控制技术利用相消干涉原理产生一个与初始声信号振动幅值相同、相位相反的声信号与此抵消，主动控制噪声技术对低频噪声可以实现较好的衰减效果，其控制体积小，成本低，可以适应当前变化环境下的降噪需求。
[0003]传统的FxLMS算法由于其结构简单，便于实现，是主动控制降噪系统中最常用、最经典的算法，然而其对冲激噪声信号降噪的效果并不是很明显。基于此，许多学者提出了各种形式的优化方案，其中有些方法在一定程度上达到了提高收敛速度的效果，但是同时算法结构也变得比较复杂。

技术实现思路

[0004]鉴于此本申请实施例提供一种有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法、系统，采用前馈的主动控制噪声系统结构，核心控制器是QLMS算法中横向结构的FIR滤波器，利用四元数自适应滤波器内部的正交特性可以较清楚地建立各实虚部的信号矢量间的联系,并能保持各实虚部量自身的结构特性。并利用变步长算法设置参考信号与收敛因子之间的某种函数关系来替代原始固定步长的值，最后通过仿真验证算法的可行性以及通过算法对比验证其优化了收敛性能和降噪能力。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0006]第一方面，本申请实施例提供了一种有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法，包括：
[0007]利用四元数自适应滤波器内部的正交特性建立各实虚部的信号矢量间的关联关系，并保持各实虚部量自身的结构特性；
[0008]通过变步长设置参考信号与收敛因子之间的函数关系来替代原始固定步长的值；
[0009]通过仿真验证算法进行对比验证。
[0010]作为本专利技术的进一步方案，基于变步长滤波
‑
x四元数最小均方算法优化冲激主动控制降噪系统，其中，以变步长四元数自适应滤波为核心控制器的降噪算法针对随机脉冲信号提出，包括参考输入信号x(n)和误差信号e(n)；降噪算法的处理方法，包括以下步骤：
[0011]通过参考及误差传声器分别采集参考输入信号x(n)和误差信号e(n)；
[0012]计算滤波器的输出信号y(n)和滤波
‑
x信号x
f
(n)，并更新滤波器的权重系数；
[0013]重复上述步骤直至误差信号e(n)达到预设的阈值为止。
[0014]作为本专利技术的进一步方案，基于变步长滤波
‑
x四元数最小均方算法优化冲激主动控制降噪系统，还包括搭建基于前馈的主动控制噪声系统，所述主动控制噪声系统中：
[0015]P(z)表示主通道的传递函数；
[0016]S(z)表示次级通路的传递函数；
[0017]d(n)表示期望信号；
[0018]e(n)表示误差信号；
[0019]x(n)表示输入参考信号；
[0020]W(z)表示具有有限脉冲的横向结构响应滤波器实现的控制器，滤波器长度为L，滤波器的输出信号y(n)表示为：y(n)＝w
T
(n)x(n)；
[0021]其中，参考信号矢量x(n)＝[x(n),x(n
‑
1),
…
,x(n
‑
L+1)]T
，滤波器权重矢量w(n)＝[w0(n),w1(n),
…
,w
L
‑1(n)]T
。
[0022]作为本专利技术的进一步方案，所述主动控制噪声系统中，和次级通路的传递函数相同。
[0023]作为本专利技术的进一步方案，所述有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法中，四元数为超复数，复数是由实数加上虚数单位i组成，其中i2＝
‑
1，四元数是由实数加上三个虚数单位i、j和k组成，其中，i2＝j2＝k2＝
‑
1，每个四元数都是1、i、j和k的线性组合，即：四元数表示为a+bi+cj+dk,其中，a、b、c、d是实数。
[0024]作为本专利技术的进一步方案，变步长滤波
‑
x四元数最小均方算法的代价函数为：
[0025][0026]其中，表示取实部。
[0027]作为本专利技术的进一步方案，变步长滤波
‑
x四元数最小均方算法的权重更新表达式为：
[0028][0029]其中，
[0030]其中，n表示迭代次数，ε表示迭代次数更新到达某一点的边界值，λ＝1；||x
f
(n)||,||x(n)||分别表示滤波
‑
x信号x
f
(n)和输入信号x(n)的欧式范数，参数ε和λ根据算法性
能设置。
[0031]作为本专利技术的进一步方案，主通道传递函数P(z)和次通道传递函数S(z)设定为抽头长度分别为256和100的FIR滤波器，自适应滤波器的长度设置为L＝32，性能评估的方法建立的公式为：
[0032][0033]A
e
(n)＝γA
e
(n
‑
1)+(1
‑
γ)|e(n)|
[0034]A
d
(n)＝γA
d
(n
‑
1)+(1
‑
γ)|d(n)|
[0035]其中，ANR用来评估ANC系统降噪性能的好坏，遗忘因子γ＝0.999。
[0036]作为本专利技术的进一步方案，所述有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法，包括以下步骤：
[0037]步骤S11、输入信号x(n)为实际应用中的随机脉冲噪声，采用标准SαS分布建模，其特征函数为
[0038]步骤S12、计算滤波器的输出信号y(n)
[0039]y(n)＝w
T
(n)x(n)
[0040]步骤S13、计算滤波
‑
x信号x
f
(n)
[0041][0042]步骤S14、计算次级扬声器处的输出信号
[0043]y'(n)＝y(n)s(n)
[0044]步骤S15、采用变步长滤波
‑
x四元数最小均方算法更新自适应滤波器w(n)
[0045]w(n+1)＝w(n)+μ(n)(2e(n)x
f*
(n)
‑
x
f*
(n)e
*
(n))
[0046]步骤S16、重复上述步骤S11
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法，其特征在于，包括：利用四元数自适应滤波器内部的正交特性建立各实虚部的信号矢量间的关联关系，并保持各实虚部量自身的结构特性；通过变步长设置参考信号与收敛因子之间的函数关系来替代原始固定步长的值；通过仿真验证算法进行对比验证。2.根据权利要求1所述的有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法，其特征在于，基于变步长滤波
‑
x四元数最小均方算法优化冲激主动控制降噪系统，其中，以变步长四元数自适应滤波为核心控制器的降噪算法针对随机脉冲信号提出，包括参考输入信号x(n)和误差信号e(n)；降噪算法的处理方法，包括以下步骤：通过参考及误差传声器分别采集参考输入信号x(n)和误差信号e(n)；计算滤波器的输出信号y(n)和滤波
‑
x信号x
f
(n)，并更新滤波器的权重系数；重复上述步骤直至误差信号e(n)达到预设的阈值为止。3.根据权利要求2所述的有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法，其特征在于，基于变步长滤波
‑
x四元数最小均方算法优化冲激主动控制降噪系统，还包括搭建基于前馈的主动控制噪声系统，所述主动控制噪声系统中：P(z)表示主通道的传递函数；S(z)表示次级通路的传递函数；d(n)表示期望信号；e(n)表示误差信号；x(n)表示输入参考信号；W(z)表示具有有限脉冲的横向结构响应滤波器实现的控制器，滤波器长度为L，滤波器的输出信号y(n)表示为：y(n)＝w
T
(n)x(n)；其中，参考信号矢量x(n)＝[x(n),x(n
‑
1),
…
,x(n
‑
L+1)]
T
，滤波器权重矢量w(n)＝[w0(n),w1(n),
…
,w
L
‑1(n)]
T
。4.根据权利要求3所述的有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法，其特征在于，所述主动控制噪声系统中，和次级通路的传递函数相同。5.根据权利要求1所述的有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法，其特征在于，所述有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法中，四元数为超复数，复数是由实数加上虚数单位i组成，其中i2＝
‑
1，四元数是由实数加上三个虚数单位i、j和k组成，其中，i2＝j2＝k2＝
‑
1，每个四元数都是1、i、j和k的线性组合，即：四元数表示为a+bi+cj+dk,其中，a、b、c、d是实数。6.根据权利要求1或5所述的有源脉冲噪声控制的变步长四元数自适应降噪方法，其特征在于，变步长滤波
‑
x四元数最小均方算法的代价函数为：
其中，表示取实部。7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜成涛，张冰妍，刘向远，方杰，樊敏，汪安民，徐峻峰，
申请(专利权)人：皖西学院，
类型：发明
国别省市：