前馈结构自适应有源降噪耳罩误差通道建模方法

前馈构造自适应有源降噪耳罩误差通道建模措施仪器仪表顾客文章编号:1671-1041()02-0045-03鳖墼前馈构造自适应有源降噪耳罩误差通道建模措施朱保魁舒立(空军后勤学院二系徐州221000)张瑞华(桂林电子工业学院通信与信息工程系桂林541oo4)【摘要】稳定性是设计自适应有源降噪耳罩过程中所必须考虑的首要问题,而误差通道模型的建模精度直接影响着系统的稳定.本文根据前馈构造有源降噪耳罩的特点,提出了一种简朴有效的建模模型,与典型的建模模型相比,该模型能在强干扰噪声环境下获得较高的建模精度.【核心词】自适应有源噪声控制,FLMS算法,收敛性分析,建模中图分类号:TP311文献标记码:B1引言FLMS算法自B.Widrow提出以来,由于继承了LMS算法的长处运算简朴和数值稳健,因而在AANC领域得到广泛的应用.为克服其降噪量小,收敛慢的缺陷,人们又提出了ModifiedFilteredXLMS(MFXLMS)算法,基于最小二乘(RLS)原理的滤波一XRLS算法,基于子带分解的SBDFLMS算法等,这些算法普遍用到了误差通道模型.对FLMS算法来说,要使算法稳定,必须保证误差通道模型与实际通道的相位误差在9O度以内;而对MFXLMS算法,要满足相差在60度以内,幅度误差在精确值的一半以内.因此,精确的误差通道建模是实际应用AANC的一项核心因素.人们在对AANC系统进行算法仿真和性能分析时,为分析以便常常将误差通道等效为一FIR滤波器,用一般的LMS算法对误差通道建模.在误差通道特性相对稳定的场合,采用离线建模,即运营AANC算法此前,先对误差通道建模,AANC算法开始后,停止建模算法的运营.在误差通道随时间变化的场合,采用在线建模,即建模算法和AANC算法同步运营,建模算法跟踪误差通道传播特性的变化,以保证AANC算法能稳健工作.由于误差通道建模在AANC中的重要地位,迄今已提出了多种离线和在线建模措施.根据自适应有源降噪耳罩的运营环境,某些实际问题必须考虑:(1)不同人佩戴耳罩的方式,甚至同一种人佩戴时的位置不同会导致耳罩腔体多种性能参数的不一致,这规定系统的实时建模:(2)对误差通道的建模般由系统产生的白噪声信号激欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息励扬声器(耳机)进行,而耳罩直接佩戴于人的两耳上,这样,人耳将直接听到鼓励噪声信号,这就规定系统产生的激励信号必须足够小,并且还不合适在线建模;(3)一般状况下,佩戴降噪耳罩的人处在强噪声环境中(否则就没有佩戴的必要了),这样系统要在弱的鼓励信号和强的干扰噪声中获得高的建模精度,这显然是一对矛盾;(4)随着电子器件的老化,耳罩的多种性能参数必然发生变化,这也规定系统每次运营前都要进行误差通道的建模.因此,寻找合适的算法,模型或建模算法,以减轻干扰噪声对建模算法的影响就成为获得高的建模精度的核心.本文在讨论了典型自适应建模模型在实际环境下的局限性后,根据前馈构造AANC算法的物理构造,提出了一种简洁但有效的建模模型.仿真成果表白,新的建模模型在不同的环境噪声强度下均比典型建模模型显示了高的建模精度.2典型的自适应建模算法模型不考虑实际的硬件构造,图1给出了典型的自适应建模模型.x(n)e(n)图1典型的自适应建模模型图中,x(n)是建模鼓励信号,由系统自身产生:Hs是要辨认的误差通道传播函数,d(n)是Hs的输出;(n)是ElCV0I.10No.245与鼓励信号不有关的测量噪声,由电路和传声器产生,功率一般很小,服从零均值的高斯分布:e(n)是误差信号,用以调节自适应滤波器的权系数.可见,这是一种典型的系统辨认或自适应建模问题,对该问题的研究人们已经进行了数十年,刊登了大量的文章.与般自适应建模不同的一点是S(n)的引入,在这里s(n)是与x(n)不有关的外界干扰噪声或称为初级噪声,一般为高度有色噪声.因s(n)的功率也许强于盼望信号d(n)的功率,这使得建模精度受到s(n)的严重影响.定义:X(n)=【x(n),x(n-N+1)】;鼓励信号矢量,n)=【w(n),w(n-N+1)】;滤波器权系数矢量由图1,系统的输出误差信号为:e(n)=d(n)-X(n)W(n)+s(n)+(n)(1)则自适应滤波器按均方误差最小的准则调节权系数,即:e(n)=E(eZ(n)=rain(2)由式(1)和式(2)得均方误差体现式:e(n)=E(e(n)+WT(n)RW(n).2pTw(n)+口s2+口(3)其中,R=E(X(n)X(n)Pd=E【d(n)X(N)】口E【s气n)】口E【(n)】参照文献【8】的推导,可得最小均方误差相应的权矢量(最佳权矢量):W=RPxd(4)将其代入式(3),得最小均方误差:emin=E(d2(n)?2PIdRPxd+口(5)注意:由于s(n)和(n)的存在,这里最小均方误差不同于文献【8】中的成果.由典型的LMS算法构造可得权矢量递推关系式:W(n+1)=W(n)+2e(n)X(n)(6)是步长因子.引用文献【8】的成果,得到当取很小数值时,由LMS算法梯度估计偏差引起的稳态权矢量噪声协方差矩阵:cov(W-W(n)】mi.I(7)coy(.)是协方差函数.联系本文讨论的实际问题,当外界干扰噪声s(n)很强时,in口,稳态权矢量噪声协方差矩阵为口也就是说,建模的精度受到外界强干扰及步长因子的直接影响;并且为了保证一定的收敛速度,值又不能获得太小.因此,能否有效减少s(n)的影响就成为获得高的建模精度的核心.3改善的算法模型本文提出的建模模型如图2所示.相比图l的模型,图2中通过简朴地引入一种辅助自46EIeVoi.10No.2仪器仪表顾客适应滤波器,充足运用p(n)的信息来抵消s(n)对建模算法的影响.其中p(n)是初级传声器拾到的外界噪声:Hp为初级通道传播函数,是一种未知量;s(n)=Hp.p(n).信干比定义为:sm=10log(口口,口Ed(n)】,口Es2(n)】.引入辅助自适应滤波器的目的就是通过自适应算法估计d(n),尽量减小s(n)对建模算法的影响.下面对引入辅助滤波器后的建模算法进行讨论.图2新的自适应建模模型定义:P(n)=(p(n),p(n-M+1);初级噪声信号矢量V(n)=(v(n),v(n?M+I);辅助滤波器权系数矢量W(n)=(w(n),w(n?N+1);新的建模滤波器权系数矢量其中,M是辅助滤波器的阶数.由图2,辅助滤波器的输出误差信号为:n)=s(n)?P(n)V(n)+d(n)+(n)(8)建模滤波器的输出误差信号为:e(n)=n)-X(n)W(n)(9)滤波器权矢量更新公式:W(n+1)=W(n)+2e(n)X(n)(1o)V(n+1)=V(n)+2dn)P(n)(11)A为辅助滤波器步长因子.若记辅助滤波器和建模滤波器的最小均方误差分别为盒却itl,则同上面的推导,得到两自适应滤波器的最小均方误差:Es(n)】-PT+口+口(12)rmm=Et(n).P(13)其中,V=Rsp是辅助滤波器的最优权矢量,W=RPd是建模滤波器的最优权矢量;Psp=Es(n)P(n),tr=Ed(n),R.D=E(P(n)P(n).自适应算法收敛后a(n)中不再涉及s(n)分量,仅涉及(n),d(n)和辅助滤波器稳态误差分量,这样建模滤波器稳态权矢量噪声受s(n)的影响减少.由式(8)及s(n),(n)与x(n)互不有关的假设,可得:Pxd=E【d【n)x(n)】=Ef【s(n)-P(n)V(n)+d(n)+夏n)】x(n)=Pxd(14)E【(n)】=E【d(n)】+盯.2+2-rnT.r,p-lnsp因此,W=W,式(13)可改写为:欢迎光顾本币u网站仪器仪表顾客min=E【a2(n)】.PTxw=En)】+2s+.pTRIPpsp-P=rain-Psp(15)由于Psp>0,因此有:8min>min(16)即,采用新的建模模型后,建模滤波器的最小均方误差减小.而建模滤波器稳态权矢量噪声:cov(W-W(n)】linI(17)联系式(7)和式(17),建模滤波器稳态权矢量噪声由最小均方误差和步长因子决定,采用新的算法构造后,言-n1in减小,权矢量噪声减小,相应于建模精度提高.4仿真成果衡量自适应算法的性能有多种指标,其中输出均方误差MSE是常用指标之一.然而,对本文讨论的状况来说,当干扰噪声功率很大时,虽然算法收敛,均方误差也将重要包括干扰噪声成分,此时比较MSE以没有实际意义.一种更为实用的评价指标由下式给出【9】:P(n)=10log10E【W一W(n)(W一W(n)】l08)仿真中取:H.=【O.38420.8704O.3842,W=【O.1O.2O.5o.5o.20.10.6325】,这样取值使得两传播函数均具有单位范数,以以便信干比的计算.建模滤波器的鼓励信号功率az_-1,步长因子=O.01;测量噪声功率0.00001;初级干扰噪声功率取.011000,若记信干比为与之比,则信干比为20dB一30rib.因釉功率变动范畴很大,因此辅助滤波器宜采用NLMS算法,步长因子取A=0.01/【+P(n)P(n)】,是一种小的正数.分别对图1和图2的建模模型进行仿真,50次独立运营的平均成果如图3所示.(b)SIR=30dn图3建模成果比较图3中仅画出了信干比为20dB,0dB和一30dB时的结果.可见,在本文讨论的信干比范畴内,新措施相对于一般措施均显示了优秀的性能.当信干比为0dB时,一般措施的建模成果在事实上已经不能使用;然而对新的建模措施来说,信干比虽然低到一30dB,建模成果仍然令人满意,只是算法的收敛速度随着信干比的减少而放慢.5结论AANC系统中,对误差通道自适应建模的精确限度直接影响着AANC算法的稳定性,而环境干扰噪声的强度直接影响误差通道建模的精度.本文结合前馈构造自适应有源降噪耳罩的特点,充足运用初级干扰噪声的信息,通过引入辅助滤波器,提出了一种简朴但有效的建模模型.仿真成果表白,在强干扰噪声的环境下,新的建模模型能有效地提高误差通道的建模精度.参照文献1M.RuppandA.H.Sayed,ModifiedFxlmsalgorithms,withimprovedconvergenceperformance,29thAsilomarConf.Signals,systems,Computers(LosAlamitos,CA),VOL.2,1995,P.1255-12592陈克安,马远良.自适应有源噪声控制.西北工业大学出版社,1993年3赵文.自适应有源噪声控制算法研究.桂林电子工业学院研究生论文,1999年4J,ElliottandP.A,NelsonActiveNoiseControl,IEEESignalProcessingMagazine,October19935PauloA.C.Lopes.Mois6S.PiedadeEffectsofSecondaryPathModelingErrorsonTheModifiedFXLMSAlgorithmforActiveNoiseControl,ICASSP,6KuoandDipaVayanASecondaryPathModelingTechniqueforActiveNoiseControlSystems,IEEETrans.SpeechAUdioProcessing,vol,5,PP.374-377,July1997(下转第50页)欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息ElCV01.10No.247从如下方面考虑:实际电路中的最大工作电压,必须低于压敏电阻规格表中列出的最大持续工作电压值.要充足考虑到电网(或电路)工作电压的波动幅度,特别是要考虑在工频电网中,由于各相负荷不平衡,火线与中Jl生线瞬时短路,容性(或感性)负荷中开关操作引起的LC共振导致电压临时波动的因素,选用压敏电阻压敏电压时,要留有余量.对于交流220V电源,其峰值电压为2201.414=31IV,考虑电网电压10%的波动,则最大峰值电压为3llx1.1=342V,选用压敏电阻的工作电压不能低于342V.由于影响电路系统的过电压,其波形,振幅和频繁在大多数状况下是不知的或是很不明确的,这就加大了保护电路参数选择的难度.为了可以配备最抱负的保护元件,通过对典型的电源网络(例如工程,都市,山区)的过电压污染进行测试,证明不同环境的差别非常大.对于在220V网络上的过电压,下面的数据可以作为参照:振幅到4kV,一一脉冲持续时间为0.1uslms.$20系列压敏电阻用于酷度为4(4kV)的环境中是足够的,它能将4kV的过电压克制在几百伏上.为此,选择S20K5l0压敏电阻.$20K510型压敏电阻,保证其正常持续工作的最大交流工作电压为510V,最大直流工作电压为670V,最大脉冲电流可达6500A,对电路能起到较好的保护作用.同步,由于压敏电阻的在一定限度上进行参数留量,降额使用,使其寿命盼望值提高,漏电流进一步减小.2聚酯电容聚酯电容具有高耐温,高阻燃,能承受高电压等性能,除降压外,聚酯电容可有效克制电磁干扰,合用于电子设备的直流和脉动电路中,其容抗为1/(271).聚酯电容的容值与后级线路规定的电流有关,由于在阻仪器仪表顾客容降压电路中(参见图1),整流管的导通电阻只有几欧姆,稳压管Zl的动态电阻为1012左右,限流电阻R1,R2及负载电阻一般为100500fl,而滤波电容一般为100uF1000uF,其容抗非常小,可以忽视,故电路阻抗与聚酯电容关系最大,90%的电源电压降在聚酯电容上.根据电工原理可知:整流后的直流电流平均值Id与交流电平均值V的关系为Id=Vx271:fC1.若Cl以uF为单位,则Id为毫安单位,对于220V,50赫兹交流电来说,可得到Id=69.1C1.懂得电流与电容的关系后,我们考虑单相电子式电能表(计量芯片+字轮计度器型)消耗电流的值,一般状况下,计量芯片需电流35mA,驱动字轮平均电流为lmA左右,其他耗电23mA,提供10mA的电流足能满足规定.对于单相多费率表,15mA的电流亦能满足需要.考虑给稳压管预留至少10mA的稳压电流,现初步拟定取电流30mA,由于Id=69.1C1,可以算得CI=0.434uF.取原则电容CI=0.470uF,此时电源实际提供的电流为Id=32.5mA.由于外部电源电压的9o%以上要施加在聚酯电容上,故选择聚酯电容时要注意.目前产品中一般有两种选择:一是耐压400630V的一般聚酯电容,二是X2级275Vac电容.X2级电容符合IEC384-14原则,耐压V以上不击穿,对于吸取电源中的尖峰,冲击有好处,但价格稍贵.这里,我们采用X2级聚酯电容以提高电路可靠性.从上面分析可得出如下结论:使用电容降压作供电电源时,由于Id=69.1C1,即C1拟定后来,输出电流Id是恒定的,因此般怕负载短路,输出直流电压却随负载沮大小不同在一定范畴内变化:负载电阻越小输出电压越低,反之,输出电压也越高.这与使用电源变压器作整流电源时不同,变压器直流电源供电方式,当电路中各项参数拟定以后,输出电压是恒定的,而输出电流Id则随负载增减而变化.,(未完待续)(上接第47页)7Zhang.Huilanm,andWeeSerAnImprovedSecondaryPathModelingMethodforActiveNoiseControlSystems.IEEESignalProcessingLetters,Vo1.7,NO.4,April8姚天任,孙洪.现代数字信号解决.华中理工大学出版社,19999A.Mahalanobis,S.Song,S.K.Mitra,AdaptiveFIRFiItersBasedOnStructuralSubbandDecompositionforSystemIdentificationProblems.IEEETransactionsoncircuitssystems-I1:Analogandsignalprocessing.VoL.40,NO.6,JUNE1993【作者简介】朱保魁:男,山东省莘县人,1965年出生,空军后勤学院在读研究生研究生,研究方向:军事装备学.【收稿日期】2O03-O1-06E-mail来稿本刊下期部分文章预告电子式工业酸度计及配套系统适应性实验及成果分析(邬春学等)电子式多功能电度表的可靠性设计(赵军芳等)基于web服务的虚拟仪器(王执泉)Logo!在中小型水电站渗漏排水中的应用(张成立等)测量系统不拟定度研究(唐燕杰等)基于LonWorks技术的自动抄表系统(蔡英华等)一种运用D/A转换器实现多路数据采集的措施(许东霞等)6RA24在旋转控制中的应用(付保军等)50EICVoL10N0.2欢迎光顾本刊网站httpJ