基于dsp的自適應(yīng)有源降噪耳朵系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于dsp的自適應(yīng)有源降噪耳朵系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1自適應(yīng)同源噪聲控制1933年，德國哲學(xué)家布魯克阿蘭提出了噪聲源控制（academyofactivenoicontrol）。其工作機(jī)制是通過增加人為來源來消除噪聲，并通過增加噪聲源來降低噪聲噪聲。隨著電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展,有源噪聲控制已經(jīng)成為噪聲控制領(lǐng)域的一個研究熱點。1989年,美國Boss公司生產(chǎn)出第一款為飛行員設(shè)計的模擬式有源降噪耳機(jī)。由于噪聲特性時變和模擬電路無法實現(xiàn)多通道傳遞函數(shù),因此,發(fā)展自適應(yīng)功能的有源耳罩成為近年來的研究熱點。文獻(xiàn)在自適應(yīng)有源噪聲控制算法上進(jìn)行研究,提出了改進(jìn)的變步長LMS,NLMS,改進(jìn)的NLMS,VSS-NLMS,VFXRLS,VFXLMS和IVSSLMS等算法,并進(jìn)行了計算機(jī)仿真。DSP(DigitaSignalProcessor)的出現(xiàn),使得自適應(yīng)有源噪聲控制算法的具體實現(xiàn)成為可能。基于此,筆者研究基于DSP開發(fā)板的自適應(yīng)有源降噪耳機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。2次級通道濾波器的估計圖1為耳機(jī)噪聲抵消系統(tǒng)原理方框圖,其中S(Z)為次級通道濾波器,S′(Z)為次級通道濾波器的估計值,W(Z)為自適應(yīng)濾波器,a(n)為語音信號,d(n)模擬外界的噪聲,e(n)為語音信號與噪聲信號的和值,若次級通道的估計值精確,e′(n)為上次噪聲信號的誤差值,y(n)為噪聲信號的逼近值,u(n)為經(jīng)揚(yáng)聲器放出到外界的語音信號a(n)和噪聲信號的逼近值y(n)的和值。從圖中可以看出將式(2)代入式(1),得到由于將式(4)代入式(3),有在對次級通道濾波器S(Z)的精確估計下,S(Z)和S′(Z)近似相等。則有式中,Y(Z)S(Z)代表反噪聲,E′(Z)代表系統(tǒng)的殘留噪聲。將式(6)代入式(7),可得然后可得到由此可以看出,信號x(n)近似等于d(n),x(n)作為自適應(yīng)濾波器W(Z)的參考信號,經(jīng)過S′(Z),W(Z)和NLMS組成的自適應(yīng)控制模塊以及S(Z)后得到反噪聲,與d(n)在空間內(nèi)干涉抵消,于是噪聲信號得到消除。3系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)3.1系統(tǒng)的fpgacbspSEED-DEC6416包括高性能的32位定點DSP,主頻可達(dá)1GHz,處理性能高達(dá)8000MI/s,并外擴(kuò)有高速、大容量存儲器,片上包括多通道緩沖型串行接口(MultichannelBufferedSerialPort,McBSP)、外部存儲器接口(ExternalMemoryInterface,EMIF)、通用IO口(GeneralPurposeIOports,GPIO)、增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取(EnhancedDirectMemoryAccess,EDMA)和外設(shè)部件互連接口(PeripheralComponentInterface,PCI)等外設(shè)。McBSP具有很強(qiáng)的可編程能力,可以配置為多種同步串口標(biāo)準(zhǔn),直接與各種器件高速接口。TMS320C6416片上集成有3個多通道緩沖型同步串口McBSP,分別為McBSP0,McBSP1和McBSP2。SEED-DEC6416開發(fā)板上利用McBSP2用于接口板上Codec的數(shù)據(jù)口,實現(xiàn)音頻的輸入/輸出。SEED-DEC6416采用TLV320AIC23B芯片(以下簡稱AIC23B)實現(xiàn)音頻輸入與輸出。音頻輸入包括:傳聲器輸入(提供傳聲器偏置輸出和前置放大器)和立體聲輸入(提供可編程放大器);音頻輸出包括:立體聲輸出(提供耳機(jī)功率放大器)。AIC23B芯片內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)部件,采用了先進(jìn)的Sigma-delta過采樣技術(shù),可以在8~96kHz采樣率范圍內(nèi)提供16,20,24,32bit采樣。3.2教師的模式分析采用SEED-DEC6416開發(fā)板,并利用AIC23B音頻編解碼芯片上高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、過采樣技術(shù)(Oversampling)和基于McBSP可編程音頻輸入輸出模塊實現(xiàn)系統(tǒng)?；贒SP的降噪耳機(jī)方框圖如圖2所示,XDS560PLUS負(fù)責(zé)PC機(jī)和EVM板間的實時通信。AIC23B的A/D模塊和D/A模塊分別完成傳聲器采集信號的輸入和反噪聲信號的輸出,并通過McBSP將數(shù)據(jù)傳入和傳出到CPU,利用CPU及其處理程序進(jìn)行計算。SEED-DEC6416的處理程序為整個系統(tǒng)的核心,完成了噪聲信號的獲取和反噪聲的生成,并通過外接傳聲器和揚(yáng)聲器模塊實現(xiàn)了語音噪聲抵消。3.3dsp程序的設(shè)計整個系統(tǒng)軟件流程如圖3所示,程序僅在降噪系統(tǒng)開啟時運(yùn)行。整個程序包括3個部分:程序初始化、噪聲獲取模塊和自適應(yīng)控制模塊。其中,噪聲獲取模塊和自適應(yīng)控制模塊是程序的重要部分。程序初始化包括配置DSP相關(guān)寄存器和設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù);噪聲獲取模塊完成誤差信號e′(n)和信號x(n)的獲取,此模塊為自適應(yīng)模塊提供參考輸入信號;自適應(yīng)控制模塊則根據(jù)噪聲獲取模塊提供的參考信號不斷地調(diào)整自適應(yīng)濾波器來生成反噪聲。3.3.1aic23b與處理器接口設(shè)計語音數(shù)據(jù)信號的輸入和輸出是通過AIC23B編解碼芯片來實現(xiàn)的,為對輸入和輸出數(shù)據(jù)格式、位數(shù)和采樣率等進(jìn)行控制,需要對AIC23B的控制寄存器進(jìn)行配置。AIC23B與微處理器的接口有兩個:一個是控制口,用于設(shè)置AIC23B的工作參數(shù),另一個是數(shù)據(jù)口,用于傳輸AIC23B的A/D,D/A數(shù)據(jù)。AIC23B通過配置成IIC模式的TMS320C6416的GPIO接口對AIC23B的各寄存器進(jìn)行設(shè)置。AIC23B通過配置成DSP模式的McBSP2接口進(jìn)行CPU與AIC23B的A/D,D/A交換數(shù)據(jù)。通過GPIO接口對AIC23B控制寄存器做如下配置:3.3.2歸一化lms算法從圖3可以看出,自適應(yīng)控制模塊是整個程序的核心,其中自適應(yīng)控制模塊算法的好壞決定程序執(zhí)行效率和效果。普通LMS算法具有計算簡單和易于實現(xiàn)的特點,從而成為應(yīng)用最普遍的算法之一,但其受梯度噪聲影響大,收斂速度慢。為加快系統(tǒng)收斂速度和滿足實時性要求,本文采用歸一化LMS方法,其步長是個時變的值,是根據(jù)誤差的大小來決定的,如果誤差較大,那么步長就較大;誤差較小,那么步長就較小。具體來說,其權(quán)值調(diào)整遵循以下式子式中,α的取值在0~2之間,而γ是一個較小的數(shù),用來保證當(dāng)X(n)TX(n)的值很小時,權(quán)值的變化量不會太大。3.3.3c4000其他模塊的使用為滿足系統(tǒng)的實時性,需要對程序進(jìn)行一些必要的優(yōu)化措施,使系統(tǒng)使用資源最小化。在完成程序的編程并經(jīng)過DSP軟件開發(fā)環(huán)境CCS的編譯并在開發(fā)板上實際運(yùn)行驗證程序的正確性后,利用以下措施對程序進(jìn)行優(yōu)化:(1)采用short類型,因為該數(shù)據(jù)類型提供了C600016位乘法器最有效使用。(2)采用單指令多操作,一條指令訪問存儲器的多個數(shù)據(jù),可以提高C6000的數(shù)據(jù)處理率。當(dāng)程序需要對一連串的短型數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時,可以使用字一次性訪問兩個短型數(shù)據(jù),然后使用C6000的相應(yīng)指令,如同時進(jìn)行2個16位加法指令,用_add2()對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,以減少對內(nèi)存的訪問。(3)消除指令相關(guān)性,通過restrict關(guān)鍵字來定義變量來消除指令的相關(guān)性,C6000編譯器將盡可能把指令安排成并行,這樣代碼可以達(dá)到最大的效率。(4)采用軟件流水,展開for循環(huán),使得循環(huán)的多次迭代能夠并行執(zhí)行,提高執(zhí)行效率。除了在編程中展開循環(huán),還需要在編譯程序時使用-o2和-o3選項,編譯器就能從程序中收集信息,嘗試對程序循環(huán)實現(xiàn)軟件流水。(5)使用內(nèi)聯(lián)函數(shù),C6000編譯器提供許多內(nèi)聯(lián)函數(shù),可以快速優(yōu)化C代碼。4噪聲u參數(shù)設(shè)計結(jié)果按照上述設(shè)計,基于SEED-DEC6416開發(fā)板和一些附屬外設(shè)實現(xiàn)了耳機(jī)噪聲抵消系統(tǒng)。試驗中,DSP工作在定點模式,次級通道S(Z)和自適應(yīng)濾波器為64階,α為0.005,γ為0.01,AIC23B的采樣頻率設(shè)為8000Hz,所用噪聲為實際飛機(jī)發(fā)動機(jī)噪聲經(jīng)過濾波器濾波得到。實驗分為次級通道中加入語音和不加入語音2種情況進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)次級通道不加入語音,將噪聲抵消系統(tǒng)置于該噪聲環(huán)境中運(yùn)行,得到如圖4~5所示的結(jié)果。圖4為噪聲抵消系統(tǒng)開啟和關(guān)閉時噪聲的幅度值,橫坐標(biāo)大小為20萬(音頻時長25s),縱坐標(biāo)為采樣幅值(AIC23B的采樣值采用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示,故幅值范圍為-32768~32767)。從圖中可以看出,在噪聲抵消系統(tǒng)開啟后噪聲的幅度值明顯降低,為了定量表示降噪效果,用系統(tǒng)降噪比表示,其計算公式為由式(13)對圖4中噪聲結(jié)果進(jìn)行計算可以得到系統(tǒng)的降噪比為26.3755dB。由圖4可以看出,經(jīng)過系統(tǒng)降噪后噪聲的幅度值仍然在-100~100,這主要是由于在DSP開發(fā)板實現(xiàn)噪聲抵消系統(tǒng)時,語音信號采集過程中混入了電路中的隨機(jī)噪聲和AIC23B的量化噪聲,筆者主要通過提高AIC23B的過采樣率進(jìn)行降低。在實際系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)時,這種噪聲需要在設(shè)計電路的時候予以考慮和解決。圖5為噪聲抵消系統(tǒng)開啟和關(guān)閉時,噪聲抵消結(jié)果在頻域的變化情況。從圖中可以看出在整個圖示頻段內(nèi),降噪量與上面計算得到的結(jié)果相一致。在其他條件不變,次級通道加入語音,語音信號在系統(tǒng)開啟和關(guān)閉時的結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,在噪聲的影響下,語音信號受損嚴(yán)重,當(dāng)噪聲抵消系統(tǒng)開啟,語音信號經(jīng)過系統(tǒng)后,語音信號的清晰度和完整性得以恢復(fù)。同時,聽覺上無明顯時延。通過以上實驗可以得出,程序