基于DSP的主動降噪系統設計與實現*

計煒梁，凌 強，朱學俊，李博倫，徐 駿，虞安波（.中國科學技術大學 自動化系，安徽 合肥 3007；.會聽聲學科技（北京）有限公司，北京 0086）

基于DSP的主動降噪系統設計與實現*

計煒梁1，凌 強1，朱學俊1，李博倫1，徐 駿1，虞安波2
（1.中國科學技術大學 自動化系，安徽 合肥 230027；2.會聽聲學科技（北京）有限公司，北京 10086）

針對發動機等工作時產生的周期噪聲，進行主動降噪系統設計與實現。主要工作為降噪程序的設計和基于DSP的硬件實現。其中降噪程序采用自適應算法中的反饋濾波-X-最小均方算法，對此算法進行了簡要講解，并設計了降噪程序的算法流程；DSP采用德州儀器公司的DSP TMS320VC5509A，使用TLV320AIC23B作為音頻處理芯片，搭建硬件平臺并進行實現，取得明顯降噪效果。

主動降噪；自適應；濾波-X-最小均方算法

0 引言

在現代社會的日益飛速的發展中，人類生存環境中的噪聲污染越來越嚴重。噪聲引起人心情煩躁，精力不集中，反應遲鈍，工作效率降低，同時會造成聽力損傷，影響正常交談［1］。因而采取各種方式來降低噪聲是相當重要的。傳統的噪聲控制方法，比如吸聲、隔聲、隔振或阻尼減振以及利用消聲器等，其本質是利用聲波與材料的機械作用，使聲能變為其他形式的能量以減少噪聲，即“被動降噪”。

通過利用人為的聲源（又稱為次級聲源），使其產生的聲場與原噪聲源（又稱為初級聲源）產生的聲場發生相干性疊加，就能產生“靜區”而實現降噪。因為它引入了人為產生的次級聲源，所以是一種“主動式”的降噪方法。當前，噪聲主動控制（Active Noise Control，ANC）已成為噪聲控制的一種重要技術手段。本文即采用主動降噪思想，使用反饋濾波-X-最小均方（Filtered–X-LMS，FXLMS）算法［2-4］，對發動機等工作時產生的周期噪聲進行降噪系統的設計與實現。

本文主要分為4個部分：軟件設計，包括反饋FXLMS算法的模型和降噪程序的流程；硬件實現，包括硬件平臺的搭建和TLV320AIC23B芯片的講解；實驗結果，包括MATLAB上仿真的降噪效果和硬件實現的降噪效果；最后，對本文所做的工作進行了總結并對下一步工作提出設想。

1 軟件設計

反饋 FXLMS［3-4］是基本的最小均方（Least Mean Square，LMS）算法［5］在 ANC耳機系統上的一個改進算法，算法目標是利用反饋系統使次級聲源產生的反噪聲與外界噪聲盡量抵消，從而達到消除噪聲的目的。

1.1反饋FXLMS算法模型

所謂的FXLMS算法，其相對于基本的LMS算法的改進考慮了耳機系統中次級通道的影響。將次級通道設為H（z），在物理上其包含了D/A轉換器、重構濾波器、功放、消聲揚聲器以及消聲揚聲器到誤差傳聲器之間的物理通道、誤差傳聲器、前置放大、抗混疊濾波器和 A/D轉換器。加入 C（z）對 H（z）進行補償，通過次級通道訓練使得 C（z）盡量等于 H（z）。本文選擇了反饋 FXLMS算法來防止前饋系統存在的聲反饋問題［6-7］，同時反饋FXLMS算法對周期信號有很好的降噪效果。圖1為反饋FXLMS算法模型框圖。

圖1 反饋FXLMS算法模型框圖

輸入參考信號即外界噪聲 x（n），其中，d（n）是期望信號又稱為主通道信號，P（z）為未知的主通道，H（z）是次級通道，C（z）為次級通道補償。W（z）為自適應濾波器，在每次更新中會根據算法自適應地改變其值。y（n）是自適應數字濾波器的輸出信號，e（n）是誤差信號。在每次迭代中，系統采用LMS準則，利用計算得到的x′（n）和e（n）更新 W（z）的抽頭系數，使得次級通道的輸出y′（n）幅值不斷接近 d（n），同時 y′（n）與 d（n）相位相反，從而使得e（n）均方值不斷減小。

完整的FXLMS算法主要分為兩步：第一步使用白噪聲利用LMS算法訓練出次級通道；第二步帶入第一步得到的C（z），進行與LMS類似的迭代運算。

次級通道訓練算法如圖2所示，也使用LMS準則進行迭代更新。

圖2 次級通道訓練示意圖

使用次級通道訓練得到的C（z）用反饋FXLMS算法進行降噪，其過程具體步驟為：

（1）從微型麥克風采集誤差信號e（n）。

（2）計算參考輸入信號 x（n）：

其中，wi（n）為自適應濾波器 W（z）在 n時刻的系數，N 為W（z）的階數。

（4）從耳機輸出反噪聲y（n）。

（5）計算濾波后版本的x′（n）：

（6）使用FXLMS算法更新W（z）的系數：

wi（n+1）=wi（n）-μe（n）x′（n-i），i=0，1，…，N-1

（7）進行下一次迭代。

1.2 降噪程序流程

根據反饋FXLMS算法的特點，本文程序主要可分為兩個部分，第一部分為次級通道訓練，第二部分為降噪過程。其中次級通道訓練在實際中可以離線進行，因而程序中主體為用反饋FXLMS算法進行降噪。

根據反饋FXLMS算法的特點，得到降噪過程的程序流程圖如圖3所示。

圖3 降噪部分程序流程圖

2 硬件實現

2.1 硬件平臺

實驗硬件平臺主要由 DSP開發板、DSP仿真器、耳機與麥克風以及音響組成，在電腦上的開發軟件為TI公司的Code Composer Studio（CCS）v4.2.4。

降噪系統實物圖和示意圖如圖4、圖5所示。

圖5 降噪系統硬件平臺示意圖

由音響發出音頻來模擬外界噪聲，耳機中揚聲器作為次級聲源發出反噪聲，麥克風為一個微型麥克風，放在耳機罩中，用于采集誤差噪聲，其盡量靠近耳機揚聲器以降低外界干擾和誤差。DSP控制系統板微處理器為TI的TMS320VC5509A DSP。音頻CODEC芯片采用是TI的一款高性能的立體聲芯片TLV320AIC23B（簡稱為AIC23B）。

2.2 AIC23B芯片

AIC23B音頻處理芯片為ANC的DSP實現中最重要的芯片。選擇其波特率即采樣率為44.1 kHz，以提供降噪所需要的實時性；選擇數據格式為16 bit，這是為了與DSP 5509A的數據格式相匹配，DSP C5509A為 16 bit DSP；選擇輸入方式為麥克風輸入，對應的麥克風插入麥克風輸入插孔；耳機插入立體聲輸出插孔，即耳機輸出插孔。麥克風輸入和線性輸入的主要差別在于麥克風輸入提供一個固定的前置放大，而線性輸入則是可變增益的放大器；立體聲輸出相對于線性輸出，則是立體聲輸出在線性輸出上增加了一個可變增益的放大器以及一個耳機驅動模塊。其內部結構如圖6所示。

圖6 AIC23B內部結構圖

C5509A通過 I2C總線來對 AIC23B寄存器進行設置，兩者的數據傳輸通過多通道緩沖串行口（MCBSP）實現。兩者的硬件連接如圖7所示。

3 實驗結果

3.1 MATLAB仿真

輸入500 Hz幅值為1的正弦信號，迭代步長為0.1，由圖8、圖9可以看到在迭代大約為300次時的誤差噪聲就收斂到0，說明程序有很好的降噪效果。

圖7 C5509A與AIC23B連接圖

圖8 MATLAB仿真噪聲信號

圖9 MATLAB仿真殘余噪聲信號

3.2 DSP實現

利用音響發出500 Hz音頻作為外界噪聲，利用CCS軟件的Graph功能對得到的數據進行作圖并截圖。由圖10、圖11可以看出，降噪前噪聲幅值為9 000，降噪后最大值為1 900，換算為降噪比為：20lg（9 000/1 900）=13.5 dB。降噪效果比較明顯。

圖10 降噪前外界噪聲信號

圖11 降噪后殘余噪聲信號

4 結論

本文針對發動機等工作時產生的周期噪聲，利用反饋FXLMS算法進行ANC程序設計，在MATLAB中仿真對周期信號進行實驗，獲得很好的降噪效果。基于德州儀器公司的DSP C5509A，搭建硬件平臺并進行實現，對周期信號取得明顯降噪效果。為了增加系統性能，在今后工作中可以考慮在程序中增加變步長算法，使收斂速度與穩態誤差達到一個較好的平衡［8-9］。

［1］龐志兵，何健，李永峰，等.自行高炮艙內噪聲對人操作可靠性的影響及對策［C］.人-機-環境系統工程研究進展，2005（7）：35-40.

［2］劉劍.基于FXLMS算法的窄帶主動噪聲控制系統性能分析研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

［3］ROY T K，MORSHED M.Active noise control using filtered-xLMS and feedback ANC filter algorithms［C］.2013 International Conference on Advances in Electrical Engineering（ICAEE），IEEE，2013：7-12.

［4］KUO S M，PANAHI I，CHUNG K M，et al.Design of active noise control systems with the TMS320 family［R］.Texas Instruments，1996.

［5］張賢達.現代信號處理［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［6］岳莎莎.基于TMS320VC5509A的管道有源噪聲控制系統研究［D］.濟南：山東科技大學，2010.

［7］李寧.LMS自適應濾波算法的收斂性能研究與應用［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

［8］李存武，林春生.關于幾種變步長 LMS算法的討論［J］.艦船電子工程，2008，28（5）：175-177.

Active noise control system design and im p lementation based on DSP

Ji Weiliang1，Ling Qiang1，Zhu Xuejun1，Li Bolun1，Xu Jun1，Yu Anbo2
（1.Department of Automation，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China；2.Huiting Acoustic Technology Inc.（Beijing），Beijing 10086，China）

This paper designs an algorithm to actively cancel periodic noise created by engines.Moreover，it implements the algorithm based on DSP.The algorithm is built upon the feedback filtered-X-least mean square（FXLMS）algorithm.After introducing the motivation and background of the concerned algorithm，the paper gives a flowchart of the algorithm.Then it builds a hardware platform to implement the algorithm.That platform takes TMS320VC5509A produced by Texas Instruments as the main processor，and uses TLV320AIC23B to process audio.The experimental results demonstrate the effectiveness of the algorithm.

active noise control；adaptive；FXLMS

TP311

A

1674-7720（2015）24-0032-03

計煒梁，凌強，朱學俊，等.基于DSP的主動降噪系統設計與實現［J］.微型機與應用，2015，34（24）：32-34，37.

2015-09-24）

計煒梁（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統。

凌強（1975-），通信作者，男，博士，副教授，博士生導師，主要研究方向：網絡化控制、嵌入式系統。E-mail：qling@ustc.edu.cn。

朱學俊（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統。

國家自然科學基金（61273112）