利用自适应滤波器泄漏调节的主动降噪的制作方法

专利名称：利用自适应滤波器泄漏调节的主动降噪的制作方法
技术领域：
本说明书描述了使用自适应滤波器的主动降噪系统。在S丄Elliot 和P.A.Nelson 1993年10月在IEEE Signal Processing Magazine上的 文章"Active Noise Control (主动噪声控制)"中一般地讨论了主动
噪声控制。

发明内容
在本发明的一个方面中，用于操作主动降噪系统的方法包括响 应于噪声信号提供自适应滤波器的滤波器系数；确定与滤波器系数 相关联的泄漏因子；平滑所述泄漏因子以提供平滑的泄漏因子；对 所述滤波器系数应用所述平滑的泄漏因子，以提供修改的滤波器系 数，以及响应于所述修改的滤波器系数，提供由幅度表征的主动降 噪信号。所述确定可以响应于触发条件。所述触发条件可以包括将 所述主动降噪信号在第 一 频带中的幅度与第 一 阈值比较的结果。所 述触发条件可以包括将所述主动降噪信号在第二频带中的幅度与第 二阈值比较的结果。所述第二阚值可以与所述第 一 阈值具有预定关 系。所述第一阈值可以与使得设备非线性操作有关。所述触发条件 可以包括监控所述主动降噪系统以确定是否已经发生预定义的事件 的结果。所述预定义的事件可以是娱乐信号幅度处于使得设备非 线性操作的幅度预定范围内。所述预定义的事件可以发生在音频娱 乐系统中。所述音频娱乐系统可以与交通工具相关联。所述预定义
的事件可以是所述主动降噪系统的去激活。所述预定义的事件可以 是噪声信号超过与输入换能器的非线性操作相关联的阔值。
所述平滑可以包括低通滤波。在所述平滑之前，所述确定可以 包括选择用于泄漏因子的离散数目的预定值之一。所述离散数目可以是2。所述离散数目可以大于2。所述方法可以进一步包括将所述
主动降噪信号与音频娱乐信号合并。音频娱乐信号可以与封闭空间 中的音频系统相关联。所述封闭空间可以是交通工具舱室。
所述降噪系统可以配置为安装在交通工具上。
所述确定可以响应于多个触发条件。所述泄漏因子确定可以包
括确定多个触发条件中的哪个存在；响应于确定第一触发条件存在， 选择第一泄漏因子值；以及响应于确定第二触发条件存在，选择第 二泄漏因子值。
在本发明的另一个方面中， 一种主动降噪系统，包括自适应滤 波器，用于提供主动降噪信号；系数计算器，用于提供所述自适应 滤波器的滤波器系数；以及泄漏调节器，包括数据平滑器，以提供 平滑的泄漏因子从而应用于所述滤波器系数。所述装置可以包括用 于将所述主动降噪信号幅度与阈值进行比较的电路。所述装置可以 进 一 步包括监控电路，用于监控所述主动降噪系统以确定预定义的 事件是否已经发生。所述泄漏调节器可以响应于所述监控电路。所 述装置可以进一步包括音频娱乐系统。所述监控电路可以包括用于 监控所述音频娱乐系统以确定娱乐音频信号幅度是否位于预定的使 得设备非线性操作的幅度范围内的电路。所述监控电路可以进一步 包括用于确定所述主动降噪系统是否已经解激活的电路。所述主动 降噪系统可以进一 步包括输入换能器，用于将周期性的振动能量转 换为噪声信号，以及所述监控电路可以包括用于确定所述噪声信号 的幅度是否超过与所述输入换能器的非线性操作相关联的阈值的电 路。
所述数据平滑器可以包括低通滤波器。所述泄漏调节器可以构 造并且配置为选择离散数目的预定的用于泄漏因子的值中的一个。
所述装置可以进一步包括音频娱乐系统，用于提供音频娱乐音 频信号；以及合并器，用于合并降噪信号。
在本发明的另一方面中， 一种用于操作降噪系统的方法，包括 提供泄漏因子值的流；以及平滑所述泄漏因子值的流以提供平滑的
9泄漏因子值的流。所述泄漏值的流中的每个的值可以选自离散数目 的预定义值。所述泄漏值的流中的每个的提供可以响应于所述主动 降噪系统的可检测条件。所述可检测条件可以是所述主动降噪系统 已经解激活。所述可检测条件可以是所述主动降噪系统已经生成了 其振幅大于大于阈值幅度的音频信号。所述可检测条件可以是所述 噪声信号的幅度超过与输入换能器的非线性操作相关联的阈值。所 述泄漏值的流中的每个的所述提供可以包括从多个预定的泄漏因子 值中选择泄漏因子值。所述方法可以进一 步包括将所述平滑的泄漏 因子值的流应用于主动降噪系统的自适应滤波器的系数。
在本发明的另一方面中， 一种用于操作主动降噪系统的自适应 滤波器的方法，其中所述自适应滤波器由系数来表征，所述方法包 括平滑所述泄漏因子值的流以提供平滑的泄漏因子值以及将所述平 滑的泄漏因子值应用于所述系数以提供修改的系数值。所述泄漏因 子值的流可以包括选自离散数目的预定的泄漏因子值的值。。所述 离散数目可以是二。所述泄漏因子的流的提供可以包括计算泄漏因 子值。
在本发明的另 一 方面中， 一 种用于操作主动降噪系统的方法包 括提供对应于针对第 一频率的第 一噪声振幅限制的降噪信号的第一
阈值振幅；提供对应于针对第二频率的第二噪声振幅限制的降噪信 号的第二阈值振幅，其中所述第二噪声振幅限制与所述第 一噪声振 幅限制具有预定的关系；计算与自适应滤波器相关联的滤波器系数 以提供由幅度表征的降噪信号，所述自适应滤波器与所述降噪系统 相关联；以及响应于所述降噪信号的幅度与所迷第一频率处的第一 阈值振幅和与所述第二频率的第二阈值振幅的比较，确定用于修改 所述滤波器系数的泄漏因子。所述第二频率可以是所述第 一 频率的 预定倍数。所述第二噪声振幅限制可以是非零值。所述主动降噪系 统可以与正弦噪声源(诸如引擎)相关联，噪声源可以与交通工具 相关联。所述第一频率可以与所述正弦噪声源的频率相关，诸如与 所述正弦噪声源相关联的引擎。在本发明的另 一 方面中， 一 种用于操作主动降噪系统的方法， 包括确定由第 一频率表征的第 一 降噪信号的振幅以及提供针对第二 频率的非零降噪振幅限制，其中所述第二频率与所述第一频率具有
预定的关系并且其中所述降噪振幅限制与所述第 一振幅具有预定的 关系。所述方法可以进一步包括，响应于由所述第二频率和幅度表 征的噪声信号，提供自适应滤波器的滤波器系数以降低所述噪声信
号振幅；如果所述噪声信号幅度大于所述降噪振幅限制，则将第一 泄漏因子应用于所述滤波器系数；以及如果所述噪声信号振幅等于 或大于所述降噪振幅限制，则将第二泄漏因子应用于所述滤波器系数。
所述主动降噪系统可以与正弦噪声源相关联并且所述第 一 频率 可以与交通工具相关。所述正弦噪声源可以是引擎，所述引擎可以 与交通工具相关联。所述方法可以进一步包括对所述第一降噪信号调零。
在本发明的另 一 方面中， 一 种用于操作主动降噪系统的方法， 包括响应于噪声信号，提供自适应滤波器的滤波器系数并且确定 与所述滤波器系数相关联的泄漏因子。所述确定包括响应于第 一触 发条件，提供第一泄漏因子；响应于第二触发条件，提供第二泄漏 因子，其不同于所述第一泄漏因子；以及在不出现所述第一触发条 件和所述第二触发条件时，提供默认的泄漏因子。
在本发明的另一方面中，用于操作主动降噪系统的方法包括接 收表示引擎速度的高延迟信号；提供参考频率处的降噪音频信号， 所述参考频率与所述引擎速度相关；以及生成对应于所述参考频率 的预定倍数的频率处的降噪音频信号。
所述方法可以进一步包括转换封闭空间中的声学能量以提供表 示所述封闭空间中的噪声的噪声信号，以及响应于所述噪声信号， 确定所述降噪信号的相位和幅度。确定所述降噪信号的相位和幅度 可通过包括自适应滤波器的电路执行。所述封闭空间可以是交通工 具舱室。
ii在本发明的另 一方面中，用于操作主动降噪系统的方法包括从 与音频娱乐系统相关联的总线接收表示引擎速度的信号，并且响应 于所述表示引擎速度的信号，生成具有与所述引擎速度相关的频率 的降噪音频信号。所述方法可以进一 步包括从所述总线接收娱乐音 频信号。接收表示引擎速度的信号可以包括接收高延迟信号。所述 方法可以进一步包括处理所述娱乐音频信号以提供经处理的娱乐音 频信号并且将所述经处理的娱乐音频信号与所述降噪音频信号合 并。所述方法可以进 一 步包括从所述总线接收娱乐系统控制信号。 所述方法可以进 一 步包括从所述总线接收娱乐音频信号。所述方法 还可以进一步包括处理所述娱乐音频信号以提供经处理的娱乐音频 信号并且将所述经处理的娱乐音频信号与所述降噪音频信号合并。
在本发明的另一方面中， 一种音频系统包括输入元件，其用于 接收表示引擎速度的信号，以及娱乐音频控制信号电路，其用于生 成与表示引擎速度的信号相关的频率的降噪信号。
所述音频系统可以进 一 步包括音频信号处理电路，用于处理所
述娱乐音频信号以提供经处理的娱乐音频信号；以及声学驱动器，
用于辐射对应于所述消噪信号并且还对应于所述经处理的娱乐音频 信号的声学能量。
当参考以下附图阅读时，其他特征、目的和优势将从以下详细
描述中变得明显，附图中


图1A是主动降噪系统的框图1B是包括实现为交通工具中的主动声学降噪系统的图1A的 主动降噪系统的元件的框图2A是参考频率的传递系统以及图1B的娱乐音频信号的传递 系统的实现的框图2B是参考频率的传递系统以及图1B的娱乐音频信号的传递 系统的另一实现的框图；图3A是示出了图1A和图IB的泄漏调节器的操作的逻辑流程 的框图3B是示出了泄漏调节器的另一实现的操作的逻辑流程的框 图，该泄漏调节器允许更复杂的泄漏调节机制；以及 图4是示出了特定频谱轮廓的示例的频率响应曲线。
具体实施例方式
尽管附图中多个视图的元件可以在框图中示出并且描述为离散 元件并且可以称作"电路"，但是除非明示，否则这些元件可以实 现为模拟电路、数字电路或 一 个或多个执行软件指令的微处理器中 的一种或其组合。软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。除 非明示，否则信号线可以实现为离散的模拟或数字信号线。多个信 号线可以实现为一个具有合适的用以处理不同的音频信号流的信号 处理的离散数字信号线，或实现为无线通信系统中的单元。可以用 系数的计算和应用来表示某些处理操作。计算和应用系数的等同可 以由其他的模拟或DSP技术执行，并且包括在本发明申请的范围内。 除非明示，否则音频信号可以编码为数字或模拟形式；传统的数模 和模数转换器可能没示出在电路图中。本说明书描述了主动降噪系 统。主动降噪系统通常旨在消除不希望的噪声(即，目标是零噪声)。 然而，在实际降噪系统中，不希望的噪声被衰减，但是不能获得完 全的降噪。在本说明书中，"趋于零"意味着主动降噪系统的目标 是零噪声，尽管应该认识到实际结果是显著衰减，而不是完全消除。
参考图1A，示出了主动降噪系统的框图。通信路径38耦合至降 噪参考信号生成器19,用于向降噪参考信号生成器提供参考频率。 降噪参考信号生成器耦合至滤波器22以及自适应滤波器16。滤波器 22耦合至系数计算器20。输入换能器24耦合至控制块37以及系数 计算器20，系数计算器20继而双向地耦合至泄漏调节器18和自适 应滤波器16。自适应滤波器16通过功率放大器26耦合至输出换能 器28。控制块37耦合至泄漏调节器18。可选地，可以存在耦合至
13系数计算器20的附加输入换能器24，，并且可选地，自适应滤波器 16可以耦合至泄漏调节器18。如果存在附加的输入换能器24，，通 常将存在对应的滤波器23、 25。
在操作中，向降噪参考信号生成器19提供参考频率或可以导出 参考频率的信息。降噪参考信号生成器生成降噪信号给滤波器22和 自适应滤波器16，该降噪信号可以是周期性信号的形式，诸如具有 涉及引擎速度的频率分量的正弦。输入换能器24检测具有涉及参考 频率的频率分量的周期性振动能量，并且将该振动能量转换为噪声 信号，将该噪声信号提供给系数计算器20。系数计算器20确定用于 自适应滤波器16的系数。自适应滤波器16使用来自于系数计算器 20的系数以修改来自于降噪参考信号生成器19的消噪参考信号的 振幅和/或相位并且向功率放大器26提供修改后的消噪信号。降噪信 号由功率放大器26放大并且由输出换能器28转换为振动能量。控 制块37控制主动降噪元件的操作，例如，通过激活或解激活主动降 噪系统或通过调节噪声衰减量来控制。
自适应滤波器16、泄漏调节器18和系数计算器20重复地并且 递归地操作以提供滤波器系数流，该滤波器系数流使得自适应滤波 器16修改信号，该信号在转换为周期性振动能量时，衰减输入换能 器24检测到的振动能量。可以由传递函数H(s)表征的滤波器22补 偿主动降噪系统(包括功率放大器2 6和输出换能器2 8 )以及系统所 操作在的环境的组件对于输入换能器24转换的能量的影响。
输入换能器24、 24，可以是将振动能量转换为电子或数字编码信 号的很多设备类型中的一种，诸如加速计、麦克风、压电设备等。 如果存在多于一个的输入换能器24、 24，，则来自于换能器的经滤波 的输入可以以某些方式进行合并，诸如通过平均，或者可以使来自 一个输入换能器的输入的加权权重大于其他输入。滤波器22、系数 计算器20、泄漏调节器18控制块37可以实现为由诸如DSP设备的 微处理器执行的指令。输出换能器28可以是很多提供周期性振动能 量的机电或声电设备中的一种，诸如电机或声学驱动器。参考图1B，示出了包括图1A的主动降噪系统的元件的框图。 图IB的主动降噪系统实现为封闭空间中的主动声学降噪系统。图 IB被描述为配置用于舱室，但是还配置用于在诸如房间或控制站的 其他封闭空间中使用。图IB的系统还包括音频娱乐或通信系统的元 件，这些音频娱乐或通信系统可以与封闭空间相关联。例如，如果 封闭空间是交通工具中的舱室，交通工具诸如客车、货车、卡车、 运动型多用途车、建筑或农场车、军用车或飞机，音频娱乐或通信 系统可以与交通工具相关联。娱乐音频信号处理器IO通信地耦合至 信号线40以接收娱乐音频信号和/或娱乐系统控制信号，并且耦合至 合并器14并且可以耦合至泄漏调节器18。降噪参考信号生成器19 通信地耦合至信号线38并且耦合至自适应滤波器16以及舱内滤波 器22',其对应于图1A的滤波器22。自适应滤波器16耦合至合并 器14、系数计算器20并且可选地可以直接耦合至泄漏调节器18。 系数计算器20耦合至舱内滤波器22，、泄漏调节器18以及麦克风 24"，其对应于图1A的输入换能器24、 24，。合并器14耦合至功率 放大器26,该功率放大器26耦合至声学驱动器28，，其对应于图1A 的输出换能器28。控制块37通信地耦合至泄漏调节器18和麦克风 24"。在很多交通工具中，娱乐音频信号处理器IO耦合至多个合并 器14，每个合并器14耦合至功率放大器26和声学驱动器28'。
多个合并器14、功率放大器26和声学驱动器28，中的每个可以 通过诸如放大器和合并器之类的元件耦合至多个自适应滤波器16中 的一个，每个自适应滤波器16具有与其相关联的泄漏调节器18、系 数计算器20和舱内滤波器22。单个自适应滤波器16、关联的泄漏 调节器18和系数计算器20可以修改提供给多于一个的声学驱动器 的消噪信号。为了简便，仅示出了一个合并器14、 一个功率放大器 26和一个声学驱动器28，。每个麦克风24，，可以耦合至多于一个的系 数计算器20。
娱乐音频信号处理器IO、降噪参考信号生成器19、自适应滤波 器16、舱内滤波器22，、系数计算器20、泄漏调节器18、控制块37和合并器14中的全部或某些可以实现为由一个或多个微处理器 或DSP芯片执行的软件指令。功率放大器26和微处理器或DSP芯 片可以是放大器30的部件。
在操作中，图1B的某些元件操作用于向交通工具的占有者提供 音频娱乐以及可在听觉上呈现的信息(诸如导航指令、可听的警告 指示器、蜂窝电话传输、操作信息[例如，燃油过低指示]等)。来自 于信号线40的娱乐音频信号由娱乐音频信号处理器IO处理。将经 处理的音频信号在合并器14处与主动降噪信号(将要在后面描述) 进行合并。合并的信号由功率放大器26放大并由声学驱动器28，转 换为声学能量。
图1B的某些元件操作用于在交通工具的隔间中主动地降低交通 工具引擎和其他噪声源引起的噪声。引擎速度通常表示为指示引擎 转速的脉冲，也称作每分钟转数或RPM,将该引擎速度提供给降噪 参考信号生成器19,该降噪参考信号生成器19根据
f(Hz)=引擎—速度(rpm)
确定参考频率。将参考频率提供给舱内滤波器22'。降噪参考信号生 成器19生成消噪信号，该信号可以是周期性信号的形式，诸如具有 涉及引擎速度的频率分量的正弦。将消噪信号提供给自适应滤波器 16并且继而提供给舱内滤波器22，。麦克风24"将交通工具舱室中的 声学能量(可以包括对应于娱乐音频信号的声学能量)转换为噪声 音频信号，该噪声音频信号被提供给系数计算器20。系数计算器20 修改自适应滤波器16的系数。自适应滤波器16使用该系数修改来 自于降噪参考信号生成器19的消噪信号的幅度和/或相位并且将该 经修改的降噪信号提供给信号合并器14。某些电声元件(例如，声 学驱动器28'、功率放大器26、麦克风24"和降噪系统所操作在的环 境中的电声元件)的合并效果可以通过传递函数/f^表征。舱内滤 波器22，模拟并补偿传递函数//^ 。下面将描述泄漏调节器18和控 制块37的操作。
自适应滤波器16、泄漏调节器18和系数计算器20重复以及递归地操作以提供滤波器系数流，该滤波器系数流使得自适应滤波器
16修改音频信号，该音频信号在被声学驱动器28，辐射时，将麦克风 24"检测到的信号的特定频谱分量的幅度驱动到某个希望的值。特定 频谱分量通常对应于从引擎速度导出的多个固定的频率。特定频谱 分量的幅度所趋于的特定的希望值可以是零，但是也可以是下面将 描述的某个其他值。
图1A和图1B的元件还可以重复并且用于针对不止一个频率生 成以及修改降噪信号。以与上述方式相同的方式生成并修改针对其 他频率的降噪信号。
来自于娱乐音频信号源的音频信号内容包括传统音频娱乐，诸 如音乐、讨论广播、新闻和体育广播、与多媒体娱乐相关联的音频 等，以及如上面提到的，可以包括诸如导航指令、来自于蜂窝电话 网络的音频传输、与交通工具操作相关联的警告信号以及关于交通 工具的操作信息的可听信息形式。娱乐音频信号处理器可以包括立 体声和/或多通道音频处理电路。自适应滤波器16和系数计算器20 一起可以实现为多个滤波器类型中的 一种，诸如n抽头延迟线、 Leguerre滤波器、有限冲击响应(FIR)滤波器等。自适应滤波器可 以使用多种类型自适应方案中的一种，诸如最小均方(LMS)自适 应方案、归一化LMS方案、块LMS方案或块离散傅立叶变换方案 等。合并器14不一定是物理元件，而是可以实现为信号的和。
尽管示出为单个元件，但是自适应滤波器16可以包括不止一个
滤波器元件。在图1B的系统的某些实施方式中，自适应滤波器16
包括两个FIR滤波器元件，分别针对正弦函数和余弦函数，这两者
都具有同频的正弦输入，每个FIR滤波器使用具有单抽头的LMS自
适应机制以及可以与音频频率采样率r相关的采样率(例如，丄)。
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供系数计算器20使用的合适的自适应算法可以在Simon Haykin的 ".ve扁^77^or》第四版，ISBN 0130901261中找到。下面将
描述泄漏调节器18。
图2A是示出了向降噪参考信号生成器19提供引擎速度并且向
17音频信号处理器IO提供音频娱乐信号的设备的框图。音频信号传递
元件可以包括通过信号线40耦合至图1B的音频信号处理器10并且 还通过信号线38耦合至降噪参考信号生成器19的娱乐总线32。娱 乐总线可以是数字总线，其在交通工具音频娱乐系统元件中传输数 字编码的音频信号。诸如CD播放器、MP3播放器、DVD播放器或 类似设备或无线电接收器(未示出其中的任何一个)的设备可以耦 合至娱乐总线32以提供娱乐音频信号。耦合至娱乐总线32的还可 以是表示诸如导航指令、来自于蜂窝电话网络的音频传输、与交通 工具的操作相关联的警告信号以及其他音频信号的信息的音频信号 源。引擎速度信号传递元件可以包括交通工具数据总线34和将交通 工具数据总线34与娱乐总线32耦合起来的桥36。已经参考具有娱 乐系统的交通工具描述了示例，然而，图2A的系统可以以与例如变 压器的其他类型的正弦噪声源关联的降噪系统实现。该系统还可以 通过总线、信号线和其他信号传输元件的组合实现在不包括娱乐系 统的降噪系统中，这导致了类似于图2A系统的延迟特征。
在操作中，娱乐总线32传输娱乐系统的元件的音频信号和/或控 制和/或状态信息。交通工具数据总线34可以传送关于交通工具状态 的信息，诸如引擎速度。桥36可以接收引擎速度信息并且可以向娱 乐总线传输？ 1擎速度信息，该娱乐总线可以继而向降噪参考信号生 成器19传输高延迟引擎速度信号。如将在下面更全面描述的，在图 2A和图2B中，术语"高延迟"和"低延迟"应用于事件的发生(诸 如，引擎频率的改变)与指明引擎速度改变的信息信号到达主动降 噪系统之间的间隔。总线可能能够以低延迟传输信号，但是引擎速 度信号的传输可能具有高延迟，例如，因为桥36中的延迟。
图2B示出了图1B的引擎速度信号的信号传递元件和娱乐音频 系统的信号传递元件的另 一 实现。娱乐音频信号传递元件包括通过 信号线40A耦合至图1B的音频信号处理器IO的娱乐音频信号总线 49。娱乐控制总线44通过信号线40B耦合至图1B的音频娱乐处理 器10。引擎速度传递元件包括通过桥36耦合至娱乐控制总线44的
18交通工具数据总线34。娱乐控制总线44通过信号线38耦合至降噪 参考信号生成器19。
图2B的实施方式以类似于图2A的实施方式进行操作，除了引 擎速度信号从桥36传输到娱乐控制总线44并且然后传输到降噪参 考信号生成器19具有高延迟。通过信号线40A从娱乐音频信号总线 49向娱乐音频信号处理器IO传输音频信号。通过信号线40B从娱 乐控制总线44向图1的娱乐音频信号处理器IO传输娱乐控制信号。 取决于交通工具的配置，可以使用交通工具数据总线、娱乐总线、 娱乐控制总线、娱乐音频信号总线和其它类型的总线和信号线的其 他组合来向参考信号生成器19提供引擎速度信号以及向娱乐信号处 理器20提供音频娱乐信号。
传统的引擎速度信号源包括传感器，其感应或测量某些引擎速 度指示符，诸如曲轴角度、进气总管压力、点火脉冲或某些其他条 件或事件。传感器电路通常是低延迟电路，但是需要在可能不方便 访问或可能具有不希望的操作条件(例如，高温)的位置布置机械 的、电的、光的或磁的传感器并且还需要通信电路(通常是传感器 和降噪参考信号生成器19和/或自适应滤波器16和/或舱内滤波器 22，之间的专用物理连接)。交通工具数据总线通常是高速的、低延 迟总线，其包括用于控制交通工具的引擎或其他重要部件的信息。 与交通工具数据总线的接口连接增加了系统的复杂性，并且对接口 连接到交通工具数据总线的设备施加了额外的限制，以使得接口连 接设备不会干扰控制交通工具操作的重要部件的操作。根据图2A和 图2B的引擎速度信号传递系统相对于其他引擎速度信号源和引擎 速度信号传递系统而言是有优势的，因为它们支持主动降噪能力而 无需任何诸如专用信号线之类的部件。根据图2A和图2B的装置具 有其他优势，因为交通工具数据总线34、桥36和图2A的娱乐总线 32或图2B的娱乐控制总线44之一或两者出现在很多交通工具中， 因此不需要附加的用于引擎速度的信号线来执行主动降噪。根据图 2A或图2B的装置还可以使用娱乐总线32或娱乐控制总线44与放大器30之间的现有物理连接并且不需要任何附加的物理连接，诸如
用于增加主动降噪能力的插针或端子。因为娱乐总线3 2或娱乐控制 总线44可以实现为数字总线，图2A的信号线38和40以及图2B 的信号线38、 40A和40B可以实现为具有用于将信号路由到适当部 件的合适电路的单个物理元件，例如插针或终端。
根据图2A和图2B的引擎速度信号传递系统可以是归因于娱乐 总线带宽、桥36的延迟或两者的高延迟传递系统。"高延迟"在本 说明书的上下文中意味着事件发生之间的10ms或更多的延迟，所述 事件诸如点火事件或引擎速度的改变，以及在降噪参考信号生成器 19处指示事件发生的信号的到达。
可以使用高延迟信号操作的主动降噪系统是有优势的，因为向 主动降噪系统提供低延迟信号通常比使用已经可获得的高延迟信号 更复杂、更困难并且更昂贵。
现在将更详细地描述泄漏调节器18。图3A是示出了泄漏调节器 18的操作的逻辑流程的框图。泄漏调节器选择将由系数计算器20 应用的渗漏因子。泄漏因子是在自适应滤波器中在现有系数值更新 某个更新量时，应用于现有系数值的因子a;例如 (新_值)=a (旧j直)+ (更新—量)
关于泄漏因子的信息可以在Simon Haykin的j^3/ "ve "/化r 77^0^， 第四版，ISBN 0130901261的13.2节中找到。逻辑块52确定预定义 的触发事件是否已经发生，或预定义的触发条件是否存在，所述预 定义的触发事件或预定义的触发条件可以使得希望使用备选的泄漏 因子。下面将描述事件或条件的特定示例。如果逻辑块52的值是假 (FALSE),则在泄漏因子确定逻辑块48处应用默认泄漏因子。如 果逻辑块52的值是真(TURE)，则在泄漏因子确定逻辑块48处应 用某个备选的、通常较低的泄漏因子。可以根据算法计算泄漏因子 或可以通过基于预定标准从离散数目的预定的泄漏因子值中选择泄 漏因子值来#:作。可选地，可以例如通过低通滤波平滑(块50)泄 漏因子流以防止具有不希望结果的泄漏因子的突变。低通滤波使得
20自适应滤波器16应用的泄漏因子以默认的泄漏因子和备选的泄漏因 子为界限。其他的平滑他形式可以包括扭转限制或随时间平均。
图3B是示出了允许不止一个(例如，n个)备选的泄漏因子并 且允许根据预定优先级应用n个备选的泄漏因子的泄漏调节器18的 操作的逻辑流程的框图。在逻辑块53-l，确定是否已经存在最高优 先级触发条件或发生事件。如果逻辑块53-1的值是真，则在逻辑块 55-1选择与逻辑块53-l的触发条件和事件相关联的泄漏因子并且通 过数据平滑器50 (如果有的话)提供给系数计算器20。如果逻辑块 53-1的值是假，则在逻辑块53-2确定是否存在第二高优先级触发条 件或发生事件。如果逻辑块53-2的值是真，则在逻辑块55-2选择与 逻辑块53-2的触发条件和事件相关联的泄漏因子并且通过数据平滑 器50 (如果有的话)提供给系数计算器20。如果逻辑块53-2的值是 假，则确定是否存在下一高优先级触发条件或发生事件。处理进行 到逻辑块53-n，确定是否存在最低(或第n高)优先级触发条件或 发生事件。如果逻辑块53-n的值是真，则在逻辑块55-n选择与最低 优先级的触发条件和事件相关联的泄漏因子并且通过数据平滑器50 (如果有的话)提供给系数计算器20。如果逻辑块53-n的值是假， 则在逻辑块57处，选择默认的泄漏因子并且通过数据平滑器50 (如 果有的话)提供给系数计算器20。
在图3B的一个实现中，存在两组触发条件和事件以及两个关联 的泄漏因子(n=2)。最高优先级触发条件或事件包括系统被解激活， 降噪信号的频率在声学驱动器频谱范围之外或输入换能器(诸如麦 克风)检测到的噪声具有将引入非线性操作(例如，截断)的幅度。 与最高优先级触发条件相关联的泄漏因子是0.1。第二高优先级触发 条件或事件包括来自于自适应滤波器16的消除信号幅度超过阈值幅 度，娱乐音频信号的幅度接近(例如进入预定义的范围之内，诸如6 dB)这样的信号幅度，即图1B的多个电声元件之一 (诸如功率放大 器26或声学驱动器28，)在该幅度可以非线性操作，或者可以导致 可听缺陷(诸如嘀嗒声或砰砰声或失真)的某些其他事件发生。可以引起可听缺陷(诸如嘀嗒声或砰砰声或失真)的事件可以包括调
节输出电平或降噪信号具有已知能引起声学驱动器2 8或娱乐音频系 统的某个其他组件的嗡嗡声或嘎嘎响的振幅或频率。与第二高优先 级触发条件和事件相关联的泄漏因子是0.5。默认泄漏因子是 0.999999。
逻辑块53-1至53-n从图1A或图1B中的合适元件接收关于触 发事件已经或将要发生或触发条件存在的指示，如箭头59-1至59-n 所指示。合适的元件可以是图1B的控制块37;然而，该指示可以 来自于其他元件。例如，如果预定义的事件是娱乐音频信号的幅度 接近图1B的元件之一的非线性操作范围，则该指示可以源自娱乐音 频信号处理器10 (在该视图中未示出)。
图3A和图3B的处理通常由DSP处理器上的数字信号处理指令 实现。默认泄漏因子和备选的泄漏因子的特定值可以凭经验确定。 某些系统在默认情况中可以不应用泄漏因子。由于泄漏因子是乘数， 不应用泄漏因子等同于应用泄漏因子1。数据平滑器50例如可以实 现为一阶低通滤波器，其具有可以例如设置在20Hz的可调节截止 频率。
使用图1A、 1B、 3A和3B的设备和方法的主动降噪系统是有优 势的，因为其显著减少了可听嘀嗒声或砰砰声发生的次数，并且因 为其显著减少了失真和非线性发生的次数。
为了避免声学驱动器过载或出于其他原因，主动降噪系统可以 控制降噪音频信号的幅度。那些其他原因之一可以是将封闭空间中 出现的噪声限制到预定的非零目标值，或换言之，允许封闭空间中 的预定数量的噪声。在某些实例中，可能希望使得封闭空间中的噪 声具有特定频谱轮廓以提供出众的声音或获得某些效果。
图4示出了特定频谱轮廓的示例。为了简单，房间的影响和声 学驱动器28的特性将在解释中忽略。房间的影响由图1A的滤波器 22或图1B的舱内滤波器22，模拟。均衡器补偿声学驱动器的声学特 性。此外，为了便于用比例描述该轮廓，图4的纵坐标是线性的，
22例如来自于麦克风2 4 ，，的噪声信号的电压。线性标尺可以通过标准
数学技术转换为非线性标尺，诸如dB。
在图4中，频率f可以与引擎速度相关，例如 f(Hz一引擎-速度(rpm)。曲线62表示在没有主动消噪元件操作的情况
60
下的噪声信号。曲线64表示在主动消噪元件操作的情况下的噪声信 号。数字n,、 112和113可以是固定数字，从而n,f、 n2f和n3f是f的 固定倍数。因子n,、 112和n;可以是整数，从而可以传统地将频率n,f、 11^和11^描述为"谐波"，但是因子n,、 112和113不一定是整数。频 率n,f、 n,f和ri3f处的幅度a,、 a,和a;可以具有希望的特征关系， 例如，a,0.6a,或^^0.6以及33=0.5&,或，=0.5。这些关系可以根
据频率改变。
在频率f处可以几乎不存在声学能量。主要噪声通常涉及汽缸点 火，对于四沖程、六汽缸引擎，每次引擎旋转会发生三次汽缸点火， 因此主要噪声可以在引擎速度的第三谐波处，因此，在该示例中， n,=3。可能希望尽可能地减小频率3f (n,二3)处的振幅，因为频率 3f处的噪声是令人讨厌的。为了获得某些声学效果，可能希望减小 频率4.5f处的振幅(因此，在该示例中，n2=4.5)，但是不是尽可 能地减小，例如减小到振幅0.5 a2。类似地，可能希望例如将频率 6f(因此，在该示例中，n3=6)处的振幅减小到0.4a3。在该示例中，
参考图IB,降噪参考信号生成器19从引擎速度信号传递系统接收 引擎速度并且生成频率3f处的降噪参考信号。系数计算器16确定合 适的滤波器系数以提供降噪音频信号来使频率3 f处的振幅趋向于 零，从而确定振幅a,。在频率3f处的噪声不令人讨厌，但是希望获 得声学效果的实例中，自适应滤波器可以使频率3f处的信号数值上 为零并且内部化于降噪系统中。这允许在不影响频率3f处的噪声的 情况下确定振幅a,。降噪参考信号生成器19还生成频率4.5f的降噪 信号并且系数计算器20确定合适的滤波器系数以提供降噪信号来使 振幅a,趋向于零。然而，在该示例中，希望频率4.5f处的振幅减小到不小于0.5a,。因为已知a2=0.6 a,,由泄漏调节器18在频率4.5f 处的噪声接近(0.5)(0.6)a,或0.3 a,时应用备选的泄漏因子。类似地， 由泄漏调节器18在频率6f处的噪声接近(0.4)(0.5)a,或0.2a,时应用
备选的泄漏因子。因此，主动降噪系统可以根据振幅a，获得希望的
频谱轮廓。
在不脱离本发明概念的情况下，可以做出这里公开的特定装置 和技术的多种使用和修改。因此，本发明应该理解为包括这里公开 的每个新颖特征和特征的新颖组合，并且本发明仅由所附权利要求
书的精神和范围限制。
权利要求
1. 一种用于操作主动降噪系统的方法，包括响应于噪声信号，提供用于自适应滤波器的系数；确定泄漏因子；平滑所述泄漏因子以提供平滑的泄漏因子；以及对所述滤波器系数应用所述平滑的泄漏因子，以提供经修改的滤波器系数。
2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括响应于所述经修改的滤波器系数，提供由幅度表征的主动降噪信号。
3. 根据权利要求2所述的方法，进一步包括将所述主动降噪信 号与音频娱乐信号合并。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述音频娱乐信号与交通 工具音频系统相关联。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述确定响应于触发条件。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述触发条件包括将所述 主动降噪信号在第 一 频带中的的幅度与第 一 阈值进行比较的结果。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述触发条件包括将所述 主动降噪信号在第二频带中的的幅度与第二阈值比较的结果。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述第二阈值与所述第一 阈值具有预定关系。
9. 根据权利要求6所述的方法，其中所述第一阈值与使得设备 非线性操作有关。
10. 根据权利要求5所述的方法，其中所述触发条件包括监控所 述主动降噪系统以确定是否已经发生预定义的事件的结果。
11. 根据权利要求IO所述的方法，其中所述预定义的事件是娱 乐信号幅度处于使得设备非线性操作的幅度的预定范围内。
12. 根据权利要求IO所述的方法，其中所述预定义的事件发生在音频娱乐系统中。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述音频娱乐系统与交 通工具相关联。
14. 根据权利要求IO所述的方法，其中所述预定义的事件是所述主动降噪系统的解激活。
15. 根据权利要求IO所述的方法，其中所述预定义的事件是噪 声信号超过与输入换能器的非线性操作相关联的阈值。
16. 根据权利要求1所述的方法，其中所述平滑包括低通滤波。
17. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述平滑之前，所述确 定包括选择用于渗漏因子的离散数目的预定值之一。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述离散数目是2。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中所述离散数目大于2。
20. 根据权利要求1所述的方法，其中所述降噪系统配置为安装 在交通工具上。
21. 根据权利要求1所述的方法，其中所述确定响应于多个触发条件。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述泄漏因子确定包括 确定多个触发条件中的哪个存在；响应于确定第一触发条件存在，选择第一泄漏因子值；以及 响应于确定第二触发条件存在，选择第二泄漏因子值。
23. —种主动降噪系统，包括 自适应滤波器，用于提供主动降噪信号；系数计算器，用于提供所述自适应滤波器的滤波器系数；以及 泄漏调节器，包括数据平滑器，以提供平滑的泄漏因子从而应用 于所述滤波器系数。
24. 根据权利要求23所述的装置，进一步包括用于将所述主动降噪信号幅度与阈值进行比较的电路。
25. 根据权利要求24所述的装置，进一步包括监控电路，用于监控所述主动降噪系统以确定预定义的事件是否已经发生，其中所述泄漏调节器响应于所述监控电路。
26. 根据权利要求25所述的装置，进一步包括音频娱乐系统， 其中所述监控电路包括用于监控所述音频娱乐系统以确定娱乐音频 信号幅度是否位于预定的使得设备非线'性操作的幅度范围内的电路。
27. 根据权利要求25所述的装置，其中所述监控电路包括用于 确定所述主动降噪系统是否已经解激活的电路。
28. 根据权利要求25所述的装置，进一步包括输入换能器，用 于将周期性的振动能量转换为噪声信号，其中所述监控电路包括用 于确定所述噪声信号的幅度是否超过与所述输入换能器的非线性操 作相关联的阈值的电路。
29. 根据权利要求23所述的装置，其中所述数据平滑器包括低 通滤波器。
30. 根据权利要求23所述的装置，其中所述泄漏调节器构造并 且配置为选择用于渗漏因子的离散数目的预定值之一 。
31. 根据权利要求23所述的装置，进一步包括， 音频娱乐系统，用于提供音频娱乐音频信号；以及 合并器，用于合并降噪信号。
32. —种用于操作降噪系统的方法，包括 提供泄漏因子值的流；以及平滑所述泄漏因子值的流以提供平滑的泄漏因子值的流。
33. 根据权利要求32所述的方法，其中所述泄漏值的流中的每 个流的值选自离散数目的预定义值。
34. 根据权利要求32所述的方法，其中所述泄漏值的流中的每 个的提供响应于所述主动降噪系统的可检测条件。
35. 根据权利要求34所述的方法，其中所述可检测条件是所述 主动降噪系统已经解激活。
36. 根据权利要求34所述的方法，其中所述可检测条件是所述 主动降噪系统已经生成了其幅度大于阈值幅度的音频信号。
37. 根据权利要求34所述的方法，其中所述可检测条件是所述 噪声信号的幅度超过与输入换能器的非线性操作相关联的阈值。
38. 根据权利要求32所述的方法，其中所述泄漏值的流中的每 个的所述提供包括从多个预定的泄漏因子值中选择泄漏因子值。
39. 根据权利要求32所述的方法，进一步包括将所述平滑的泄漏因子值的流应用于主动降噪系统的自适应滤 波器的系数。
40. —种用于操作主动降噪系统的自适应滤波器的方法，所述自 适应滤波器由系数来表征，所述方法包括平滑所述泄漏因子值的流以提供平滑的泄漏因子值；以及 将所述平滑的泄漏因子值应用于所述系数以提供修改的系数值。
41. 根据权利要求40所述的方法，其中所述泄漏因子值的流包 括选自离散数目的预定泄漏因子值的值。
42. 根据权利要求41所述的方法，其中所述离散数目是2。
43. 根据权利要求40所述的方法，其中所述泄漏因子的流的所 述提供包括计算泄漏因子值。
44. 一种用于操作主动降噪系统的方法，包括提供对应于针对第 一频率的第 一噪声振幅限制的降噪信号的第 一阈值4展幅；提供对应于针对第二频率的第二噪声振幅限制的降噪信号的第 二阈值幅度，其中所述第二噪声振幅限制与所述第一噪声振幅限制 具有预定的关系；计算与自适应滤波器相关联的滤波器系数以提供由幅度表征的 降噪信号，所述自适应滤波器与所述降噪系统相关联；以及响应于所述降噪信号的幅度与所述第一频率处的第一阈值振幅 和与所述第二频率的第二阈值振幅的比较，确定用于修改所述滤波 器系数的泄漏因子。
45. 根据权利要求44所述的方法，其中所述第二频率是所述第 一频率的预定倍数。
46. 根据权利要求45所述的方法，其中所述第二噪声幅度限制 是非零值。
47. 根据权利要求45所述的方法，其中所述主动降噪系统与正 弦噪声源相关联并且其中所述第一频率与所述正弦噪声源的频率相关。
48. 根据权利要求47所述的方法，其中所述正弦噪声源是引擎。
49. 根据权利要求48所述的方法，其中所述引擎与交通工具相关联。
50. 根据权利要求44所述的方法，其中所述主动降噪系统与正 弦噪声源相关联并且其中所述第 一频率与所述正弦噪声源的频率相关。
51. —种用于操作主动降噪系统的方法，包括 确定由第一频率表征的第一降噪信号的振幅；以及 提供针对第二频率的非零降噪振幅限制，其中所述第二频率与所述第一频率具有预定的关系并且其中所述降噪振幅限制与所述第一 振幅具有预定的关系。
52. 根据权利要求51所述的方法，进一步包括响应于由所述第二频率和振幅表征的噪声信号，提供自适应滤波 器的滤波器系数以降低所述噪声信号振幅；如果所述噪声信号振幅大于所述降噪振幅限制，则将第 一 泄漏因 子应用于所述滤波器系数；以及如果所述噪声信号振幅等于或大于所述降噪振幅限制，则将第二 泄漏因子应用于所述滤波器系数。
53. 根据权利要求51所述的方法，其中所述主动降噪系统与正 弦噪声源相关联并且其中所述第一频率与所述正弦噪声源的频率相 关。
54. 根据权利要求54所述的方法，其中所述正弦噪声源是引擎。
55. 根据权利要求55所述的方法，其中所述引擎与交通工具相关联。
56. 根据权利要求51所述的方法，进一步包括对所述第一降噪信号调零。
57. —种用于操作主动降噪系统的方法，包括 响应于噪声信号，提供自适应滤波器的滤波器系数；确定与所述滤波器系数相关联的泄漏因子，其中所述确定包括 响应于第一触发条件，提供第一泄漏因子； 响应于第二触发条件，提供第二泄漏因子，其不同于所述第一泄 漏因子；以及在不出现所述第一触发条件和所述第二触发条件时，提供默认的 泄漏因子。
全文摘要
一种使用自适应滤波器的主动降噪系统。一种操作主动降噪系统的方法包括平滑泄漏因子流。降噪信号的频率可能涉及与主动降噪系统所运行在的系统相关联的引擎的引擎速度。引擎速度信号可以是高延迟信号并且可被主动降噪系统通过音频娱乐电路获得。
文档编号G10K11/178GK101473370SQ200780022439
公开日2009年7月1日 申请日期2007年6月25日 优先权日2006年6月26日
发明者C·J·切恩格, D·潘, E·T·萨尔瓦多尔 申请人:伯斯有限公司