[發(fā)明專利]一種基于四元數(shù)自適應(yīng)濾波器的濾波-X最小均方有源噪聲控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011214198.5
• 申請(qǐng)日: 2020-11-04
• 公開（公告）號(hào): CN112233644A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳曉梅;張冰妍;鐘波;肖徐東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué);中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G10K11/178
• 分類號(hào): G10K11/178
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

本發(fā)明公開了基于四元數(shù)自適應(yīng)濾波器的濾波?X最小均方有源噪聲控制方法，首先，通過產(chǎn)生白噪聲對(duì)次級(jí)通道進(jìn)行辨識(shí)，得到次級(jí)通道系數(shù)，然后，通過利用揚(yáng)聲器產(chǎn)生反噪聲來(lái)抵消外界噪聲，達(dá)到降噪效果。本發(fā)明針以四元數(shù)為媒介，融合數(shù)據(jù)信號(hào)和濾波處理，采用FXQLMS算法來(lái)更新控制濾波器的權(quán)值，從而使得算法降噪收斂得更快更平穩(wěn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及有源噪聲控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于四元數(shù)自適應(yīng)濾波器的濾波-X最小均方有源噪聲控制方法。

背景技術(shù)

噪聲污染是一個(gè)全世界都十分關(guān)注的環(huán)境問題，隨著現(xiàn)代工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展、噪聲污染日益嚴(yán)重，如何有效地減少或控制噪聲是迫切需要解決的問題。傳統(tǒng)的噪聲控制采用無(wú)源控制方式，對(duì)中、高頻噪聲具有較好的控制效果，但無(wú)法有效消除低頻噪聲，或需要付出較重的重量代價(jià)。針對(duì)傳統(tǒng)噪聲控制方法的不足，有源噪聲控制提供了一種對(duì)低頻噪聲行之有效的控制方法。

ANC系統(tǒng)的性能取決于收斂時(shí)間、穩(wěn)態(tài)性能。隨著數(shù)字信號(hào)處理理論和技術(shù)的逐步成熟，基于自適應(yīng)濾波理論的有源噪聲控制技術(shù)開始發(fā)展，濾波-X最小均方算法(FXLMS)被提出并被廣泛應(yīng)用，然而該算法的瞬態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性都有改進(jìn)的空間。FXLMS算法使用的是LMS算法來(lái)更新控制濾波器的權(quán)值，由于輸入信號(hào)的自相關(guān)矩陣的特征值分散的問題會(huì)導(dǎo)致LMS算法慢的收斂模式。并且考慮到現(xiàn)代環(huán)境聲音的多維度傳播，因此，將LMS算法引入到復(fù)數(shù)域，其中具有代表性的是四元數(shù)自適應(yīng)濾波器(QLMS)。四元數(shù)最小均方(QLMS)算法通過直接在數(shù)據(jù)所在的多維域中進(jìn)行處理并采用這些維之間的關(guān)聯(lián)和耦合來(lái)提供密集的建模。在ANC系統(tǒng)模型中需要預(yù)先知道次級(jí)通道的傳遞函數(shù)，但通常情況下它是未知的，次級(jí)通道(從噪聲控制濾波器的輸出到誤差傳感器測(cè)量殘余噪聲的路徑)的存在也會(huì)導(dǎo)致濾波器的不穩(wěn)定性，因此為了確保ANC系統(tǒng)的收斂，需要對(duì)次級(jí)通道路徑進(jìn)行建模，以跟蹤次級(jí)路徑的變化，從而提高ANC系統(tǒng)降噪性能的穩(wěn)定性。常用的建模方法包括離線建模和在線建模，本文將采取離線建模中的附加隨機(jī)噪聲法對(duì)次級(jí)通道進(jìn)行建模。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的在于應(yīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于四元數(shù)自適應(yīng)濾波器的濾波-X最小均方有源噪聲控制方法，具體為基于四元數(shù)的自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)，對(duì)控制濾波器采用四元數(shù)LMS算法對(duì)控制濾波器的權(quán)值進(jìn)行更新，采用超平面的四元數(shù)，實(shí)現(xiàn)多維濾波，從而能夠充分保持多維信號(hào)所具有的內(nèi)部關(guān)系，從而使得處理精度具有優(yōu)越性，提高了算法的收斂性能，改善了降噪性能。在此基礎(chǔ)上，將一維的LMS算法擴(kuò)展到具有多維的QLMS算法當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)四維空間的誤差優(yōu)化，突破了一維信號(hào)的限制，使其性能更加優(yōu)越和穩(wěn)定。本發(fā)明在可以保證良好降噪性能的基礎(chǔ)上，減少整個(gè)ANC系統(tǒng)的收斂時(shí)間，從而提高收斂速度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種基于四元數(shù)自適應(yīng)濾波器的濾波-X最小均方有源噪聲控制方法，通過設(shè)計(jì)一個(gè)有源噪聲控制ANC系統(tǒng)進(jìn)行降噪，包括以下步驟：

步驟一、產(chǎn)生白噪聲并將其用揚(yáng)聲器輸出，再通過拾音器采集，然后利用最小均方準(zhǔn)則，通過建立次級(jí)通道的模型，進(jìn)行多次迭代后得到次級(jí)通道系數(shù)；

步驟二、通過利用揚(yáng)聲器產(chǎn)生反噪聲來(lái)抵消外界噪聲，具體為通過拾音器采集外界噪聲信號(hào)，利用步驟一中得到的次級(jí)通道系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，即，根據(jù)FXQLMS算法計(jì)算反噪聲，并通過揚(yáng)聲器發(fā)出從而抵消外界噪聲，該過程進(jìn)行多次迭代從而實(shí)現(xiàn)降噪；

所述建立次級(jí)通道的模型采用附加隨機(jī)噪聲的方法，假定次級(jí)通道為時(shí)不變系統(tǒng)，采用白噪聲發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)噪聲并輸入建模濾波器和次級(jí)通道作為參考信號(hào)，將誤差傳感器測(cè)得的信號(hào)當(dāng)作建模濾波器的目標(biāo)信號(hào)，其中，所述白噪聲發(fā)生器產(chǎn)生高斯白噪聲，并注入次級(jí)通道模型的次級(jí)路徑；

所述ANC系統(tǒng)包括主通道路徑函數(shù)P(z)、次級(jí)通道路徑傳遞函數(shù)S(z)、次級(jí)通道路徑估計(jì)函數(shù)濾波器W_q(z)，其中，輸入噪聲信號(hào)x(n)分別輸入至主通道路徑函數(shù)P(z)、控制濾波器W_q(z)和次級(jí)通道路徑估計(jì)函數(shù)