专利名称：调节有源降噪滤波器的泄漏因子的制作方法
背景技术：
本说明书描述了使用自适应滤波器的有源降噪系统，并且更具体地描述了窄带前向馈送有源降噪系统。使用自适应滤波器和窄带前向馈送有源降噪系统的有源噪声控制在 S. J. Elliot 和 P. A. Nelson 的“Active Noise Control (有源噪声控制)”IEEE 信号处理杂志，1993年10月中进行了总体论述。
发明内容
在一个方面中，用于操作有源降噪系统的方法包括响应于噪声信号为自适应滤波器提供滤波器系数；确定泄漏因子；平滑该泄漏因子用于提供经平滑的泄漏因子；将经平滑的泄漏因子应用到滤波器系数以提供经修改的滤波器系数；以及将该滤波器系数应用到音频信号。所述确定包括确定泄漏因子作为输入参考信号的频率的函数。所述应用可以包括将旧滤波器系数值和滤波器系数更新量乘以经平滑的泄漏因子。
在另一方面中，有源降噪系统包括自适应滤波器，用于提供有源降噪信号；系数计算器，用于为自适应滤波器提供滤波器系数；泄漏调节器，包括数据平滑器，其用于提供经平滑的泄漏因子来应用到滤波器系数，并且还包括用于确定泄漏因子作为输入参考信号的频率的函数并且向数据平滑器提供该泄漏因子的电路；以及用于将该系数应用到音频信号的电路。
在另一方面中，用于操作有源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；以及确定与该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，提供不同于该第一泄漏因子的第二泄漏因子；并且在不存在第一触发条件和第二触发条件时，提供默认泄漏因子；以及将该滤波器系数应用到音频信号。提供第一泄漏因子，提供第二泄漏因子，以及提供第三泄漏因子中的至少一个包括确定泄漏因子值作为参考输入信号的频率的函数。
在又一方面，方法包括确定用于降噪系统的自适应滤波器的泄漏因子作为输入参考信号的频率的函数；将泄漏因子应用到自适应滤波器的系数；以及将该系数应用到音频信号。该方法可以进一步包括将泄漏因子应用到滤波器系数更新量。该方法可以被并入有源降噪系统的操作中。该方法可以被并入交通工具中有源降噪系统的操作中。应用泄漏因子可以包括在应用该泄漏因子之前将自适应滤波器系数值与系数值更新量进行组合。应用泄漏值可以包括将该泄漏因子应用到自适应滤波器系数值来提供经修改的自适应滤波器系数值；将该泄漏因子应用到系数值更新量来提供经修改的系数值更新量；以及将经修改的自适应滤波器系数值与经修改的系数值更新量进行组合。
当结合附图阅读时，其他特征、目的和优势将通过以下详细描述变得易于理解。
图IA是有源降噪系统的框图； 图IB是包括实现为交通工具中有源声学降噪系统的图IA的有源降噪系统的元件的框图； 图2A是图IB的娱乐音频信号的递送系统的实现方式和参考频率的递送系统的框图； 图2B是图IB的娱乐音频信号的递送系统和参考频率的递送系统的另一实现方式的框图； 图3A是示出了图IA和图IB的泄漏调节器操作的逻辑流的框图； 图;3B和图3C是示出了将泄漏因子应用到更新量和旧系数值的逻辑流的框图； 图3D和图3E是示出了允许更复杂泄漏调节机制的泄漏调节器另一实现方式的操作的逻辑流的框图； 图4A是示出了系数计算器和控制块的某些细节的框图； 图4B是示出了误差信号监测器和不稳定控制块的逻辑流的框图； 图5A和图5B是示出了自适应速率确定器操作的逻辑流的框图；以及 图6是示出了特定频谱轮廓示例的频率响应曲线。
具体实施例方式虽然附图的若干视图中的元件可以被显示和描述为框图中的分立元件并且可以被称为“电路”，但是除非明确指出，否则元件可以被实现为模拟电路、数字电路或执行软件指令的一个或多个微处理器中的一个或其组合。软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。除非明确指出，否则信号线可以被实现为分立的模拟或数字信号线。多个信号线可以被实现为具有用于处理单独音频信号流的适当信号处理的一个分立数字信号线，或者被实现为无线通信系统的元件。一些处理操作可以由系数的计算和应用来表达。与计算和应用系数的等同的操作可以由其他模拟或DSP技术执行，并且包括在本专利申请的范围内。除非明确指出，否则音频信号可以编码为数字或模拟形式；电路图中可能未显示常规数模转换器和模数转换器。本说明书描述了有源降噪系统。有源降噪系统通常旨在消除不期望的噪声(即，目标为零噪声)。然而在实际降噪系统中，虽然衰减了不期望的噪声，但没有取得完全降噪。在本说明书中，“趋向零”意味着有源降噪系统的目标是零噪声，虽然应当认识到实际结果是噪声显著衰减，而没有完全消除。
参考图1A，示出了有源降噪系统的框图。通信路径38耦合到降噪参考信号生成器 19，用于向该降噪参考信号生成器呈现参考频率F。该降噪参考信号生成器耦合到滤波器 22和自适应滤波器16。滤波器22耦合到系数计算器20。输入转换器M耦合到控制块37 并且耦合到系数计算器20，该系数计算器20进而双向耦合到泄漏调节器18和自适应滤波器16。自适应滤波器16通过功率放大器沈耦合到输出转换器观。控制块37耦合到泄漏调节器18。可选地，可以存在耦合到系数计算器20的附加输入转换器，并且可选地， 自适应滤波器16可以耦合到泄漏调节器18。如果存在附加输入转换器，则通常存在对应的滤波器23、25。在下文中将解释由虚线指示的参考信号生成器19与系数计算器20 之间以及参考信号生成器19与泄漏调节器18之间的可选逻辑耦合。
在操作中，向降噪参考信号生成器19提供参考频率或者从中能够导出参考频率的信息。降噪参考信号生成器生成到滤波器22和自适应滤波器16的降噪信号，该降噪信号可以是周期信号的形式，诸如具有与引擎速度相关的频率分量的正弦曲线。输入转换器
524检测具有与参考频率相关的频率分量的周期振动能量，并且将该振动能量转换成噪声信号，而该噪声信号被提供到系数计算器20。系数计算器20确定针对自适应滤波器16的系数。自适应滤波器16使用来自系数计算器20的系数来修改来自降噪参考信号生成器19 的噪声消除参考信号的振幅和/或相位，并且向功率放大器沈提供该经修改的噪声消除信号。该降噪信号由功率放大器26放大，并且由输出转换器观转换成振动能量。控制块37 控制有源降噪元件的操作，举例来说通过激活或去激活该有源降噪系统或通过调节噪声衰减的量。
自适应滤波器16、泄漏调节器18和系数计算器20重复并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修改当被转换成周期振动能量时用于衰减由输入转换器M检测到的振动能量的信号。可以由传递函数H(S)表征的滤波器22补偿有源降噪系统的组件(包括功率放大器26和输出转换器28)和该系统所操作的环境对输入转换器M所转换的能量的影响。
输入转换器M、24'可以是将振动能量转换成电子或数字编码的信号的许多类型设备中的一个，例如加速度计、麦克风、压电设备等。如果存在不止一个输入转换器24、 24‘，则来自这些转换器的经滤波输入可以通过某些方式进行组合，例如通过求平均，或者来自一个转换器的输入的加权可以比来自其他转换器的输入的加权更大。滤波器22、系数计算器20、泄漏调节器18和控制块37可以被实现为由微处理器(例如，DSP设备)执行的指令。输出转换器观可以是提供周期振动能量的许多机电或电声设备中的一个，例如电机或声学驱动器。
参考图1B，示出了包括图IA的有源降噪系统的元件的框图。图IB的有源降噪系统被实现为封闭空间中的有源声学降噪系统。图IB被描述为针对车厢进行配置，但是还可以被配置为在其他封闭空间(例如，房间或控制室)中使用。图IB的系统还包括音频娱乐或通信系统的元件，该元件可以与封闭空间相关联。例如，如果封闭空间是交通工具(例如，小客车、厢式货车、卡车、运动型多用途车、工程车或农用车、军用车或飞机)中的舱，则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10通信地耦合到信号线40用于接收娱乐音频信号和/或娱乐系统控制信号C，并且耦合到组合器14以及可以耦合到泄漏调节器18。降噪参考信号生成器19通信地耦合到信号线38并且通信耦合到自适应滤波器16和对应于图IA的滤波器22的舱滤波器22'。自适应滤波器16耦合到组合器 14，耦合到系数计算器20，以及可选地可以直接耦合到泄漏调节器18。系数计算器20耦合到舱滤波器22'，耦合到泄漏调节器18，以及耦合到对应于图IA的输入转换器M、24'的麦克风。组合器14耦合到功率放大器沈，该功率放大器沈耦合到对应于图IA的输出转换器观的声学驱动器观‘。控制块37通信地耦合到泄漏调节器18并且通信地耦合到麦克风。在许多交通工具中，娱乐音频信号处理器10耦合到多个组合器14，其中每个组合器耦合到功率放大器26和声学驱动器观‘。
多个组合器14、功率放大器沈和声学驱动器28'的每一个都可以通过诸如放大器和组合器之类的元件耦合到多个自适应滤波器16中的一个自适应滤波器，每个自适应滤波器都具有与其相关联的泄漏调节器18、系数计算器20和舱滤波器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可以修改向不止一个声学驱动器呈现的噪声消除信号。为了简化起见，只示出了一个组合器14、一个功率放大器沈和一个声学驱动器观‘。每个麦克风M〃可以耦合到不止一个系数计算器20。
所有或某些娱乐音频信号处理器10、降噪参考信号生成器19、自适应滤波器16、 舱滤波器22 ‘、系数计算器20、泄漏调节器18、控制块37和组合器14可以被实现为由一个或多个微处理器或DSP芯片执行的软件指令。功率放大器沈和微处理器或DSP芯片可以是放大器30的组件。
在操作中，图IB中的某些元件操作用于向交通工具的乘员提供音频娱乐和听觉呈现的信息(例如，导航指令、听觉警告指示器、蜂窝电话传输、可操作信息[例如，低燃料指示]等)。来自信号线40的娱乐音频信号由娱乐音频信号处理器10进行处理。经处理的音频信号在组合器14处与有源降噪信号组合(稍后进行描述)。经组合的信号由功率放大器沈放大并且由声学驱动器观‘转换成声能。
图IB的设备中的某些元件操作用于主动地降低车厢中由交通工具引擎和其他噪声源产生的噪声。向降噪参考信号生成器19提供引擎速度，其通常呈现为指示引擎转速的脉冲，所述引擎速度还被称作每分钟转速或RPM，该降噪参考信号生成器19根据以下公式确定参考频率 f{Hz) = ^ne-speed{rpm) (f(Rz)=引擎速度(rpm)/60)向舱滤波器 22'提供该参考频率。降噪参考信号生成器19生成噪声消除信号，该噪声消除信号可以通过周期信号的形式出现，例如具有与引擎速度相关的频率分量的正弦曲线。向自适应滤波器16提供噪声消除信号，并且并行地提供到舱滤波器22'。麦克风将车厢中的声能转换成向系数计算器20提供的噪声音频信号，该声能可以包括对应于娱乐音频信号的声能。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降噪参考信号生成器19的噪声消除信号的振幅和/或相位，并且向信号组合器14提供经修改的噪声消除信号。某些电声元件(例如，声学驱动器观‘、功率放大器26、麦克风和降噪系统操作的环境)的组合效果可以由转换函数H(S)表征。舱滤波器22'对转换函数H(S)进行建模和补偿。下文将描述泄漏调节器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重复并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修改当被声学驱动器观‘辐射时将由麦克风检测到的信号的特定频谱分量的振幅驱动到某个期望值的音频信号。特定频谱分量通常对应于从引擎速度导出的频率的固定倍数。特定频谱分量将被驱动到的特定期望值可以是零，还可以是如下文描述的某些其他值。
图IA和图IB的元件还可以被复制并且用于生成和修改针对不止一个频率的降噪信号。通过与上文描述的相同方式生成和修改针对其他频率的降噪信号。
来自娱乐音频信号源的音频信号的内容包括常规音频娱乐，例如，音乐、谈话类无线电、新闻和体育广播、与多媒体娱乐相关联的音频等，以及如上文所列举的可以包括诸如导航指令、来自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和关于交通工具的操作信息的听觉信息的形式。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—起可以实现为多个滤波器类型(例如， η抽头延迟线；Laguerre滤波器；有限冲击响应(FIR)滤波器等)中的一个。自适应滤波器可以使用多个类型的自适应机制(例如，最小均方(LMS)自适应机制；归一化LMS机制；块LMS机制；或块离散傅里叶变换机制等)中的一个。组合器14并不必须是物理元件，而是可以被实现为信号的总和。
虽然显示为单个元件，但是自适应滤波器16可以包括不止一个滤波器元件。在图IB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，其中HR滤波器元件各自针对正弦函数和余弦函数并且，其具有以相同频率的正弦曲线输入，每个FIR
滤波器使用具有单个抽头的LMS自适应机制，以及可以与音频频率采样率r(例如，g)相关的采样率。由系数计算器20使用的适当自适应算法可以在Simon Haykin的Adaptive Filter Theory，第四版，ISBNO130901261中找到。下文将描述泄漏调节器18。
图2A是示出了向降噪参考信号生成器19提供引擎速度以及向音频信号处理器10 提供音频娱乐信号的设备的框图。音频信号递送元件可以包括娱乐总线32，该娱乐总线32 由信号线40耦合到图IB的音频信号处理器10并且还由信号线38耦合到降噪参考信号生成器19。娱乐总线可以是在交通工具音频娱乐系统的元件之间传输数字编码的音频信号的数字总线。诸如CD播放器、MP3播放器、DVD播放器或类似设备或者无线接收器(其中都没有显示)之类的设备可以耦合到娱乐总线32，用于提供娱乐音频信号。同样耦合到娱乐总线32的可以是表示诸如导航指令、来自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和其他音频信号之类信息的音频信号源。引擎速度信号递送元件可以包括交通工具数据总线34，以及将该交通工具数据总线34与娱乐总线32耦合的桥36。已经参考具有娱乐系统的交通工具对该示例进行了描述；然而，图2A的系统可以利用与其他类型的正弦曲线噪声源(例如，功率转换器)相关联的降噪系统来实现。该系统还可以通过提供总线、信号线和其他信号传输元件的组合(其产生于图2A的系统类似的延迟特征)而在不包括娱乐系统的降噪系统中实现。
在操作中，娱乐总线32传输针对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可以传达关于交通工具的状态(例如引擎速度)的信息。 桥36可以接收引擎速度信息，并且可以向娱乐总线传输该引擎速度信息，该娱乐总线进而可以向降噪参考信号生成器19传输高延迟引擎速度信号。如下文在图2A和图2B中更加完整的描述，术语“高延迟”和“低延迟”适用于事件发生之间的间隔，例如引擎速度的变化与指示引擎速度变化的信息信号的到达所述有源降噪系统。总线能够以低延迟传输信号， 但是例如由于桥36中的延迟，引擎速度信号可能被高延迟递送。
图2B示出了图IB的娱乐音频信号的信号递送元件和引擎速度信号的信号递送元件的另一实现方式。娱乐音频信号递送元件包括由信号线40A耦合到图IB的音频信号处理器10的娱乐音频信号总线49。娱乐控制总线44由信号线40B耦合到图IB的音频娱乐处理器10。引擎速度信号递送元件包括由桥36耦合到娱乐控制总线44的交通工具数据总线34。娱乐控制总线44由信号线38耦合到降噪参考信号生成器19。
图2B的实施方式类似于图2A的实施方式进行操作，除了高延迟引擎速度信号从桥36传输到娱乐控制总线44继而传输到降噪参考信号生成器19。音频信号通过信号线 40A从娱乐音频信号总线49传输到娱乐音频信号处理器10。娱乐控制信号由信号线40B 从娱乐控制总线44传输到图1的娱乐音频信号处理器10。交通工具数据总线、娱乐总线、 娱乐控制总线、娱乐音频信号总线以及依赖于交通工具配置的其他类型的总线和信号线可
8以用于向降噪参考信号生成器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。
常规引擎速度信号源包括传感器，其用于感测或测量某些引擎速度指示符(例如，曲轴角、进气歧管压力、点火脉冲或者某些其他条件或事件)。传感器电路通常是低延迟电路，但是需要将机械传感器、电传感器、光传感器或磁传感器放置在可能不便于接近或者可能具有不期望操作条件(例如，高温)的位置，并且还需要传感器与降噪参考信号生成器19和/或自适应滤波器16和/或舱滤波器22 ‘之间的通信电路，通常是专用物理连接。 交通工具数据总线通常是包括用于控制引擎或交通工具的其他重要组件的信息的高速、低延迟总线。与交通工具数据总线对接增加系统的复杂度，并且另外向与该交通工具数据总线对接的设备加以约束，使得对接设备不干扰控制交通工具操作的重要组件的操作。根据图2A和图2B的引擎速度信号递送系统与其他引擎速度信号源和引擎速度信号递送系统相比具有优势，因为根据图2A和图2B的引擎速度信号递送系统允许有源降噪能力而不需要任何专用组件(例如，专用信号线)。根据图2A和图2B的布置也占有优势，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的一个或两者出现在许多交通工具中，所以不需要针对引擎速度的附加信号线来执行有源降噪。根据图2A和图 2B的布置还可以使用娱乐总线32或娱乐控制总线44与放大器30之间的已有物理连接，并且不需要诸如用于添加有源降噪能力的管脚或端子的附加物理连接。由于娱乐总线32或娱乐控制总线44可以被实现为数字总线，因此图2A的信号线38和信号线40以及图2B的信号线38、信号线40A和信号线40B可以被实现为具有用于将信号路由到适当组件的合适电路的单个物理元件(例如，管脚或端子)。
由于娱乐总线的带宽、桥36的延迟或这两者，根据图2A和图2B的引擎速度信号递送系统可以是高延迟递送系统。在本说明书的上下文中，“高延迟”意味着事件的(例如点火事件或引擎速度的变化)发生与指示该事件发生的信号到达降噪参考信号生成器19 之间的延迟，为IOms或更多。
可以使用高延迟信号操作的有源降噪系统是有利的，因为向有源降噪系统提供低延迟信号通常比使用已经可用的高延迟信号更加复杂、困难和昂贵。
现在更加详细地描述泄漏调节器18。图3A是示出了泄漏调节器18操作的逻辑流的框图。泄漏调节器选择将由系数计算器20应用的泄漏因子。泄漏因子是当已有系数值由更新量更新时自适应滤波器中应用到已有系数值的因子α ；例如 (new_value) = α (old_value) + (update_amount)((新值)=α (旧值)+ (更新量)) 关于泄漏因子的信息可以在Simon Haykin的Adaptive Filter Theory的13. 2 节，第四版，ISBN 0130901261中找到。逻辑块52确定是否发生预定触发事件，或者是否存在可以引起期望使用备选泄漏因子的预定触发条件。下文将在图3E的论述中描述事件或条件的特定示例。如果逻辑块52的值为假，则在泄漏因子确定逻辑块48应用默认泄漏因子D。如果逻辑块52的值为真，则可以在泄漏因子确定逻辑块48应用备选(通常更低的) 泄漏因子A。备选泄漏因子可以根据算法进行计算，或者可以通过基于预定标准从一些离散的预定泄漏因子值选择泄漏因子值进行操作。泄漏因子流可选地可以例如通过低通滤波进行平滑(块50)，用于防止具有不期望结果的泄漏因子中的突变的发生。低通滤波使得由自适应滤波器16应用的泄漏因子被默认泄漏因子与备选泄漏因子界定。其他形式的平滑可以包括随时间取平均或摆幅限制(slew limiting)。
如上所述，可以根据以下公式将泄漏因子α应用到系数更新过程
权利要求
1.一种用于操作有源降噪系统的方法，包括 响应于噪声信号，为自适应滤波器提供滤波器系数； 确定泄漏因子；平滑所述泄漏因子来提供经平滑的泄漏因子；将所述经平滑的泄漏因子应用到所述滤波器系数来提供经修改的滤波器系数；以及将所述滤波器系数应用到音频信号，其中所述确定包括确定泄漏因子作为输入参考信号频率的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述应用包括将旧的滤波器系数值和滤波器系数更新量乘以所述经平滑的泄漏因子。
3.一种有源降噪系统，包括自适应滤波器，用于提供有源降噪信号；系数计算器，用于为所述自适应滤波器提供滤波器系数；泄漏调节器，包括数据平滑器来提供经平滑的泄漏因子以应用到所述滤波器系数，并且还包括用于确定泄漏因子作为输入参考信号频率的函数且向所述数据平滑器提供所述泄漏因子的电路；以及用于将所述系数应用到音频信号的电路。
4.一种用于操作有源降噪系统的方法，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，所述第二泄漏因子不同于所述第一泄漏因子；以及在缺少所述第一触发条件和所述第二触发条件时，提供默认泄漏因子；以及将所述滤波器系数应用到音频信号；其中提供所述第一泄漏因子、提供所述第二泄漏因子和提供所述第三泄漏因子中的至少一个确定所述泄漏因子值作为参考输入信号频率的函数。
5.一种方法，包括确定用于降噪系统的自适应滤波器的斜率因子作为输入参考信号频率的函数； 将所述泄漏因子应用到所述自适应滤波器的系数；以及将所述系数应用到音频信号。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括将所述泄漏因子应用到滤波器系数更新量。
7.根据权利要求5所述的方法，其中在有源降噪系统的所述操作中并入了所述方法。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在交通工具中的有源降噪系统的所述操作中并入了所述方法。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述应用所述泄漏因子包括在所述应用所述泄漏因子之前，将所述自适应滤波器系数值与所述系数值更新量进行组合。
10.根据权利要求5所述的方法，其中所述应用所述泄漏因子包括将所述泄漏因子应用到所述自适应滤波器系数值来提供经修改的自适应滤波器系数值；将所述泄漏因子应用到所述系数值更新量来提供经修改的系数值更新量；以及将所述经修改的自适应滤波器系数值与所述经修改的系数值更新量进行组合。
全文摘要
一种用于确定针对有源降噪系统中自适应滤波器的泄漏因子或自适应率或者这两者的方法。泄漏因子或自适应率或者这两者可以依赖于输入参考信号的参数而改变。该参数可以包括参考信号输入频率、参考输入信号频率的变化率、是否存在预定触发条件或者是否发生了预定事件中的一个或多个。
文档编号G10K11/178GK102187387SQ200980140809
公开日2011年9月14日 申请日期2009年9月22日 优先权日2008年10月20日
发明者D·Y·潘, E·T·萨尔瓦多 申请人:伯斯有限公司