基于TMS320VC5509 DSP的有源噪聲控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了有源噪聲控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)和算法，以自適應(yīng)有源噪聲前饋控制系統(tǒng)為研究核心，選用TMS320VC5509 DSP作為控制器，給出了系統(tǒng)的硬件解決方案，并用C語言編程在硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了基于FX-LMS算法的有源噪聲實(shí)時(shí)控制。對800 Hz單頻噪聲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可降低噪聲幅度9 dB。
關(guān)鍵詞：有源噪聲控制；自適應(yīng)濾波；FX-LMS算法；前饋控制系統(tǒng)

0 引言
噪聲污染給人們的生產(chǎn)和生活帶來諸多不便，噪聲控制的迫切性日益突出。傳統(tǒng)控制噪聲污染的方法主要采用無源控制技術(shù)(Passive Noise Control)，即采用吸聲、隔聲等聲學(xué)方法降噪。然而由于吸聲、隔聲材料的聲衰性能隨頻率的降低而變差，無源降噪機(jī)制對中、高頻段噪聲較為有效，而對低頻噪聲效果不大。
有源噪聲控制(Active Noise Control，ANC)是噪聲控制領(lǐng)域近年發(fā)展起來的新技術(shù)，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無源方法在控制低頻噪聲上的不足，特別適合低頻噪聲的控制。其降噪機(jī)理為次級聲源產(chǎn)生一個(gè)與初級聲源噪聲頻率相同、幅度相等、相位相反的反噪聲，二者疊加后相互抵消，從而達(dá)到降噪目的。由于實(shí)際環(huán)境中的噪聲源(初級聲源)特性以及聲空間的物理參數(shù)(如溫度、氣流速度等)經(jīng)常隨時(shí)間發(fā)生變化，若要實(shí)現(xiàn)較好的降噪效果，有源噪聲控制器的傳遞函數(shù)必須是時(shí)變的，也就是要求控制器是自適應(yīng)的。DSP的快速發(fā)展使得這一要求成為可能。
在研究中以美國TI公司的TMS320VC5509(以下簡稱VC5509)DSP芯片為核心，采用FX-LMS(Filtered-X LMS)算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了單通道前饋結(jié)構(gòu)有源噪聲控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)對低頻噪聲有良好的降噪效果。

1 系統(tǒng)模型和算法
1．1 系統(tǒng)模型
前饋結(jié)構(gòu)有源噪聲控制系統(tǒng)以初級傳感器采集的噪聲參考信號和誤差傳感器采集的誤差信號作為控制器的輸入，通過自適應(yīng)控制器自我調(diào)整參數(shù)，控制次級聲源發(fā)出的反噪聲的幅度與相位，去抵消初級噪聲，其系統(tǒng)模型如圖1所示。

如果不考慮次級聲源向初級傳感器的聲反饋，則圖1系統(tǒng)模型圖可等效為圖2所示的系統(tǒng)原理框圖。

圖2中，hr(n)為參考通道的傳遞函數(shù)，hs(n)為次級通路的傳遞函數(shù)，hp(n)為初級通道的傳遞函數(shù)，p(n)為擬抵消的噪聲源，d(n)為誤差傳感器接收到的噪聲信號，W(z)為自適應(yīng)濾波器，x(n)為輸入濾波器的參考噪聲信號，y(n)為濾波器的輸出反信號，s(n)為次級傳感器接收到的反噪聲信號，e(n)為噪聲抵消后所得到的殘余誤差信號。自適應(yīng)算法根據(jù)參考信號x(n)和誤差信號e(n)自動調(diào)節(jié)濾波器的權(quán)系數(shù)，從而調(diào)整次級聲源輸出信號強(qiáng)度，以滿足某種目標(biāo)準(zhǔn)則。
1．2 有源消噪算法
綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)算量和收斂速度，研究中采用FX-LMS算法。由圖2所示原理框圖可推出該算法的運(yùn)算全過程如下：

式中：L為自適應(yīng)濾波器的階數(shù)；uw為自適應(yīng)濾波器的步長因子。