基于DSP的有源降噪系统的分析

中心议题：
    *  有源降噪的原理
    *  有源降噪系统的硬件设计
    *  有源降噪系统的实验研究
解决方案：
    *  数字信号处理器选用AD公司的16位定点的ADSP-2111芯片
    *  采用AD1848音频接口芯片

在分析噪声危害的基础上，针对履带车辆舱室内各频率噪声大约为100 dB~120 dB的低频特点，阐述了有源噪声控制的原理、意义及发展现状。针对有源噪声控制中信号处理的实时性要求，将高速实时信号处理器DSP应用于有源降噪系统中，在此基础上完成了有源噪声控制的单极子两源系统的硬件设计。实验结果表明，降噪效果在100 Hz~400 Hz频段上平均降噪量达到10 dB。

在科技迅猛发展的今天，人们在享受现代科技给人类带来的种种便利之时，也面临着日益严重的污染问题，在这些污染中，噪声是直接危害人们身心健康的污染源之一。在工业生产、公共交通、宇航、通讯等人类生活的各方面均存在噪声污染，在某些场合则十分恶劣。调研发现履带车辆舱室内各频率噪声大约为100 dB~120 dB,对乘员的听力、健康、通话、操作极为不利。因此，降低车辆舱室内的噪声,将会明显改善操作人员的健康状况和提高战斗力。本文针对坦克舱室内的噪声进行了有源降噪系统的研究。

1 有源降噪的原理

任何一个声学系统包括声源、传播途径和受者3个环节，控制噪声应从这三方面进行。传统的无源噪声控制在中高频取得了较好的降噪效果,但对于低频噪声，因无源材料的声衰减特性随频率的降低而变差，要取得良好的降噪效果，就要增加材料的体积和重量，会使工程实施趋于庞大化，甚至难于实现。随着高速数字信号处理技术的发展，体积小、便于设计和控制的有源噪声控制方法，能在低频段实现较好的降噪效果[1]。

有源噪声控制是根据2个声波相消性干涉或声波辐射抑制的原理，通过人为地制造1个控制声源（次级声源），使其发出的声音与原来的噪声源（初级声源）辐射噪声大小相等、相位相反，使两者作用结果互相抵消，从而达到降噪的目的[2]。依据此降噪原理，提出了由1个初级声源和1个次级声源所组成单极子两源系统的降噪模型。其示意图如图1所示。



图中，P为初级声源,MIC1为噪声传感器,用于采集对象P的信息。S为输出控制的扬声器及次级声源,MIC2为误差传感器,采集误差信息。设P产生的源声场为：

 

2 有源降噪系统的硬件设计

为实现此系统，其硬件设计框图如图2所示。

图1中的传声器MIC1、MIC2拾取的噪声信号和误差信号，经过三极管放大后，进行防折叠滤波处理以及模-数转换，将数字信号直接送入DSP和主机中，对实验数据进行分析，将得到的控制信号进行数-模转换，经平滑滤波、放大后驱动图1中的扬声器S,使控制信号和噪声信号相叠加，完成有源降噪的过程。

2．1 ADSP-2111信号处理器

系统中数字信号处理器选用AD公司的16位定点的ADSP-2111芯片，其核心结构如图3所示,特点如下：


(1)ADSP-2111芯片采用哈佛结构，片内有6条总线(1条程序总线、2条数据总线、2条地址总线和1条DMA总线)，这种分离的程序总线和数据总线，可允许同时获取指令字(来自程序存储器)和操作数(来自数据存储器)，而互不干扰。这样可以在1个周期内同时准备好指令和数据，对于数字信号处理中的许多运算，要比一般的单片机速度快得多，这对于实时性要求非常高的噪声控制来说，是非常必要的。

(2）ADSP-2111采用流水线操作，以减少指令的执行时间。执行一条指令要通过取指令、译码、取操作数和执行几个阶段，流水线操作使4条不同的指令处于激活状态，这极大地提高了运算速度，体现了DSP的优越性能。同时，其内部含有硬件乘法/累加器，从硬件上实现了乘法器和累加器的并行工作，可在单指令周期内完成1次乘法并将运行乘积求和的运算。

(3)ADSP-2111是带有主机接口HIP(HoST Interface Port)的芯片,能较方便地与PC机接口。HIP为并行I/O口，允许ADSP-2111做主机存储器映像的外设，其操作速度与ADSP-2111的总线速度相似，主机对DSP程序的加载及与DSP之间的数据通信均通过HIP接口来完成。

2．2 ADSP-2111芯片的外围电路

(1)滤波器的设计

由于存在声反馈，检测传声器采用电容式的单指向性传声器MIC1和MIC2来拾取噪声信号和误差信号，信号经过三极管放大后，进行滤波处理。在A/D 变换前，需要设置1个模拟滤波器(即图2中的防折叠滤波器)进行预滤波以限制信号带宽，去掉高于1/2抽样频率以上的高频分量，防止频谱混叠现象的发生。本系统中的噪声为低频噪声，所以防折叠滤波器为低通滤波器；在D/A变换后，常接1个模拟低通滤波器(即图2中的平滑滤波器)来抑制高频分量，使阶梯状波形变成平滑的模拟信号输出。本系统中的防折叠滤波器和平滑滤波器均选用开关电容滤波器ICMF-10，内藏2个二阶滤波器，通过外部提供的时钟脉冲及外接电阻，即可实现高通、低通、带通、带阻和全通等滤波器的功能，通用性较强，本系统应用其低通特性。

(2)数-模转换的设计

采用AD1848音频接口芯片。它具有双路高性能的ADC和DAC,均由ADSP-2111直接控制，采样频率分布于5.5 kHz~48 kHz之间,可以满足有源降噪系统的要求。功率放大器采用低频功率放大器TA7240AP，产生的控制信号驱动扬声器，完成有源降噪的过程。
 

3 有源降噪系统的实验研究

3．1 LMS 算法简介

在有源降噪系统中，要求控制系统具有快速跟踪能力，即控制速度应能跟上噪声的变化，且有满足应用要求的降噪量，所以控制算法要求具有自适应的特点，要求其收敛速度快、稳定性好；同时计算量小，便于实现。本系统采用LMS(Least Mean Square)自适应算法，以满足系统要求。LMS算法的迭代公式为：



3．2 有源降噪系统的实验研究

利用ADSP-2111高速实时信号处理器，采用自适应的LMS算法，对频率为100 Hz~490 Hz的噪声进行降噪实验,初级传感器位于噪声源正前方0.05 m处,误差传声器位于次级声源正前方0.50 m处，取得的降噪效果如图5所示，最大降噪量达到20 dB，这对于无源降噪来说是不可能达到的。

本文提出的由1个初级声源和1个次级声源组成的单极子两源系统是基本的降噪模型,对于多极子系统可以认为是由一系列单极子两源子系统组成的,因此,对于单极子两源系统的研究有重要意义。将高速实时信号处理器DSP应用于有源降噪系统中，使降噪系统的实时性得到了进一步的提升；将有源降噪引入车辆舱室内的噪声控制，取得了无源降噪无法实现的降噪效果。