基于dsp的自適應(yīng)有源降噪耳朵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于dsp的自適應(yīng)有源降噪耳朵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1自適應(yīng)同源噪聲控制1933年，德國(guó)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(gè)研究熱點(diǎn)。1989年,美國(guó)Boss公司生產(chǎn)出第一款為飛行員設(shè)計(jì)的模擬式有源降噪耳機(jī)。由于噪聲特性時(shí)變和模擬電路無法實(shí)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(diǎn)。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(zhǎng)LMS,NLMS,改進(jìn)的NLMS,VSS-NLMS,VFXRLS,VFXLMS和IVSSLMS等算法,并進(jìn)行了計(jì)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(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)。2次級(jí)通道濾波器的估計(jì)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(jí)通道濾波器,S′(Z)為次級(jí)通道濾波器的估計(jì)值,W(Z)為自適應(yīng)濾波器,a(n)為語(yǔ)音信號(hào),d(n)模擬外界的噪聲,e(n)為語(yǔ)音信號(hào)與噪聲信號(hào)的和值,若次級(jí)通道的估計(jì)值精確,e′(n)為上次噪聲信號(hào)的誤差值,y(n)為噪聲信號(hào)的逼近值,u(n)為經(jīng)揚(yáng)聲器放出到外界的語(yǔ)音信號(hào)a(n)和噪聲信號(hào)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(duì)次級(jí)通道濾波器S(Z)的精確估計(jì)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(hào)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(hào),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(hào)得到消除。3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)的fpgacbspSEED-DEC6416包括高性能的32位定點(diǎn)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(chǔ)器,片上包括多通道緩沖型串行接口(MultichannelBufferedSerialPort,McBSP)、外部存儲(chǔ)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(gè)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(shí)現(xiàn)音頻的輸入/輸出。SEED-DEC6416采用TLV320AIC23B芯片(以下簡(jiǎn)稱AIC23B)實(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。基于DSP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(shí)時(shí)通信。AIC23B的A/D模塊和D/A模塊分別完成傳聲器采集信號(hào)的輸入和反噪聲信號(hào)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(jì)算。SEED-DEC6416的處理程序?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的核心,完成了噪聲信號(hào)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(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音噪聲抵消。3.3dsp程序的設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)軟件流程如圖3所示,程序僅在降噪系統(tǒng)開啟時(shí)運(yùn)行。整個(gè)程序包括3個(gè)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(hào)e′(n)和信號(hào)x(n)的獲取,此模塊為自適應(yīng)模塊提供參考輸入信號(hào);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(hào)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(jì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)信號(hào)的輸入和輸出是通過AIC23B編解碼芯片來實(shí)現(xiàn)的,為對(duì)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(duì)AIC23B的控制寄存器進(jìn)行配置。AIC23B與微處理器的接口有兩個(gè):一個(gè)是控制口,用于設(shè)置AIC23B的工作參數(shù),另一個(gè)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(duì)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(duì)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(gè)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(jì)算簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),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(shí)時(shí)性要求,本文采用歸一化LMS方法,其步長(zhǎng)是個(gè)時(shí)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(zhǎng)就較大;誤差較小,那么步長(zhǎng)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(gè)較小的數(shù),用來保證當(dāng)X(n)TX(n)的值很小時(shí),權(quán)值的變化量不會(huì)太大。3.3.3c4000其他模塊的使用為滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,需要對(duì)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(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證程序的正確性后,利用以下措施對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化:(1)采用short類型,因?yàn)樵摂?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(chǔ)器的多個(gè)數(shù)據(jù),可以提高C6000的數(shù)據(jù)處理率。當(dāng)程序需要對(duì)一連串的短型數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí),可以使用字一次性訪問兩個(gè)短型數(shù)據(jù),然后使用C6000的相應(yīng)指令,如同時(shí)進(jìn)行2個(gè)16位加法指令,用_add2()對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,以減少對(duì)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(shí)使用-o2和-o3選項(xiàng),編譯器就能從程序中收集信息,嘗試對(duì)程序循環(huán)實(shí)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(jì)結(jié)果按照上述設(shè)計(jì),基于SEED-DEC6416開發(fā)板和一些附屬外設(shè)實(shí)現(xiàn)了耳機(jī)噪聲抵消系統(tǒng)。試驗(yàn)中,DSP工作在定點(diǎn)模式,次級(jí)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(shí)際飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲經(jīng)過濾波器濾波得到。實(shí)驗(yàn)分為次級(jí)通道中加入語(yǔ)音和不加入語(yǔ)音2種情況進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)次級(jí)通道不加入語(yǔ)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(shí)噪聲的幅度值,橫坐標(biāo)大小為20萬(音頻時(shí)長(zhǎng)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(jì)算公式為由式(13)對(duì)圖4中噪聲結(jié)果進(jìn)行計(jì)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(shí)現(xiàn)噪聲抵消系統(tǒng)時(shí),語(yǔ)音信號(hào)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(shí)際系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)時(shí),這種噪聲需要在設(shè)計(jì)電路的時(shí)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(shí),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(gè)圖示頻段內(nèi),降噪量與上面計(jì)算得到的結(jié)果相一致。在其他條件不變,次級(jí)通道加入語(yǔ)音,語(yǔ)音信號(hào)在系統(tǒng)開啟和關(guān)閉時(shí)的結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,在噪聲的影響下,語(yǔ)音信號(hào)受損嚴(yán)重,當(dāng)噪聲抵消系統(tǒng)開啟,語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)后,語(yǔ)音信號(hào)的清晰度和完整性得以恢復(fù)。同時(shí),聽覺上無明顯時(shí)延。通過以上實(shí)驗(yàn)可以得出,程序