一种模拟反馈有源降噪耳机的设计方法
【专利摘要】本发明公布了一种模拟反馈有源降噪耳机的设计方法，其特征为：基于H∞技术综合优化的控制器频率特性；先数字滤波器实现优化的控制器频率特性，再拟合数字滤波器的频率特性为低阶的连续域传递函数；用广义二阶GIC电路实现所得的低阶连续域传递函数。其显著优点在于：(1)基于H∞技术综合优化的控制器频率特性，保证了降噪性能的优化和系统的鲁棒性；(2)先数字滤波器实现优化的控制器频率特性，再拟合数字滤波器的频率特性为低阶的连续域传递函数，保证了控制器的最小相位特性；(3)应用广义二阶GIC电路可实现任意零极点位置的二阶稳定系统传递函数，且具有低灵敏度特性，物理可实现性好。
【专利说明】 一种模拟反馈有源降噪耳机的设计方法
一、【技术领域】
[0001]本发明涉及反馈有源噪声控制系统的控制设计方法，主要是对有源降噪耳机提出了一种模拟反馈设计方法。
二、【背景技术】
[0002]有源耳机作为一种听力保护装置，其结构如附图1所示，由传声器、电路(包括前置放大电路、控制电路和功率放大电路)、次级源(扬声器)组成。其降噪设计多基于反馈技术实现，通常是给定设计目标，应用一定的优化设计方法得到优化的控制器频率特性，采用数字反馈或模拟反馈实现。
[0003]数字反馈具有灵活性高,易实现的优点。Rafaely等应用H2性能标准和H00约束设计了数字反馈控制器(Rafaely B.and Elliott S.J..E2ZE00 Active Control of Sound ina Headrest:Design and Implementation[J].1EEE Transactions on Control SystemsTechnology, 1999 (7):79-84.), Zhang等应用水床展平方法设计了数字反馈控制器(ZhangL., Wu L.and Qiu X.An Intuitive Approach for Feedback Active Noise ControllerDesign, Applied Acoustics, 2013 (74):160-168.)。然而由于数字反馈的时延会导致降噪性能下降和稳定性问题，且成本较模拟反馈的高，多数有源耳机采用模拟反馈实现。模拟反馈设计的关键是如何用模拟电路实现优化的控制器频率特性。
[0004]专利200510033638.6采用二阶低通滤波器、放大器和全通移相器实现耳机反馈闭环消噪。专利200710001442.8采用二阶低通滤波和放大电路实现有源耳机降噪。专利200910238545.5采用一阶电阻电容滤波和反馈回路增益单元实现耳机的主动消噪。专利200910253182.2采用两级陷波和放大电路实现耳机的反馈消噪。上述专利中均未给出如何得到优化的控制器频率特性和所采用电路中的参数是如何设计的。
[0005]Yu等采用H2范数最小化平均声功率设计控制器并采用4阶模拟滤波电路实现(Yu S.H.and Hu J.S..Controller Design for Active Noise Cancellation HeadphonesUsing Experimental Raw Data[J].1EEE/Asme Transcations on Mechatronics,2001(6):483-490.)，但并未给出具体的4阶模拟反馈电路形式。PaweIczyk采用多参数优化与大量搜索方法设计了 4阶模拟反馈控制器，并采用一双二阶开关电容状态变量滤波器MFlO 实现(Pawelczyk M..Analogue Active Noise Control of Acoustic Noise at aVirtual Location[J].1EEE Transactions on Control Systems Technology,2009(17):456-472.)。Bai等基于H技术与线性变换设计了连续域控制器，将其转换为一阶、二阶级联形式并采用基于单运放的一阶单元，二阶单元串接实现了前面五阶电路(Bai M.and LeeD., Implementation of an Active Headset by Using the H00 Robust Control Theory,Journal ofAcoustical Society of America, 1997 (102):2184-2190.)。以上文献中未详细给出如何把优化的控制器频率特性转换为低阶的连续域传递函数形式，而这一步是模拟电路实现优化控制器的关键。此外，给定的模拟电路单元不能实现任意零极点位置的二阶稳定系统传递函数。若二阶稳定系统传递函数的零极点位置不当，会导致指定的单元电路实际电路参数为负值，物理上不可实现。在实际应用中根据优化的控制器得到的模拟反馈控制器的传递函数零极点位置是任意的，这就需要一个可以实现任意零极点位置的模拟电路单元。
三、
【发明内容】
[0006]1、发明目的:提出一种模拟反馈有源降噪耳机的设计方法，这种方法包含了优化控制器设计、低阶的连续域传递函数转换和模拟电路实现三部分内容，且给出的广义二阶GIC(通用阻抗变换,General Impedance Converter)电路单元可实现任意零极点位置的二阶稳定系统传递函数，并具有低灵敏度特性，因此该方法具有设计性能优化，鲁棒性强和物理可实现性好的优点。
[0007]2、技术方案:为实现上述发明目的，本发明提出基于H00技术、频率特性拟合和广义二阶GIC电路实现有源降噪耳机模拟反馈的设计，包括以下步骤:
[0008](I)测试耳机正常佩戴时次级路径的频率特性，称为标称次级路径。
[0009]次级路径为附图1所示的B点相对于A点的路径，包括功率放大电路、扬声器、扬声器至传声器的声学路径、传声器和前置放大电路。测试次级路径的方法是将测试设备的输出信号接功率放大电路的输入端，前置放大电路输出接测试设备的输入端。对测试设备的输出信号与输入信号做FFT分析得到次级路径的频率特性。
[0010](2)应用控制论中的状态空间模型拟合标称次级路径，得到标称次级路径模型G。
[0011](3)设定性能指标加权函数W1, IwiG ω) I > I对应噪声抑制，W1 (j^) | < I对应水床放大。
[0012](4)设定输入加权函数W2，其功能是去除控制输入中的高频成分。
[0013](5)设定模型摄动加权函数W3，加权函数W3增益越大，稳定裕量相应地越大。
[0014](6)由标称次级路径模型和加权函数得到增广对象模型P，表示为
【权利要求】
1.一种模拟反馈有源降噪耳机的设计方法，其特征在于它包括以下步骤: (1)测试耳机正常佩戴时次级路径的频率特性，称为标称次级路径； (2)应用控制论中的状态空间模型拟合标称次级路径，得到标称次级路径模型G； (3)设定性能指标加权函数巧，根据设计目标设定为带通滤波器； (4)设定输入加权函数W2，设定为le-5； (5)设定模型摄动加权函数W3,加权函数W3增益越大，稳定裕量相应地越大，设定为一常数； (6)由标称次级路径模型和加权函数得到增广对象模型P，表示为
【文档编号】G06F17/50GK103632009SQ201310674036
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】张丽敏, 邹海山, 卢晶, 邱小军 申请人:南京大学