基于DSP的有源降噪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

在科技迅猛發(fā)展的今天，人們?cè)谙硎墁F(xiàn)代科技給人類帶來的種種便利之時(shí)，也面臨著日益嚴(yán)重的污染問題，在這些污染中，噪聲是直接危害人們身心健康的污染源之一。在工業(yè)生產(chǎn)、公共交通、宇航、通訊等人類生活的各方面均存在噪聲污染，在某些場(chǎng)合則十分惡劣。調(diào)研發(fā)現(xiàn)履帶車輛艙室內(nèi)各頻率噪聲大約為100 dB~120 dB,對(duì)乘員的聽力、健康、通話、操作極為不利。因此，降低車輛艙室內(nèi)的噪聲,將會(huì)明顯改善操作人員的健康狀況和提高戰(zhàn)斗力。本文針對(duì)坦克艙室內(nèi)的噪聲進(jìn)行了有源降噪系統(tǒng)的研究。

1 有源降噪的原理

任何一個(gè)聲學(xué)系統(tǒng)包括聲源、傳播途徑和受者3個(gè)環(huán)節(jié)，控制噪聲應(yīng)從這三方面進(jìn)行。傳統(tǒng)的無源噪聲控制在中高頻取得了較好的降噪效果,但對(duì)于低頻噪聲，因無源材料的聲衰減特性隨頻率的降低而變差，要取得良好的降噪效果，就要增加材料的體積和重量，會(huì)使工程實(shí)施趨于龐大化，甚至難于實(shí)現(xiàn)。隨著高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，體積小、便于設(shè)計(jì)和控制的有源噪聲控制方法，能在低頻段實(shí)現(xiàn)較好的降噪效果[1]。

有源噪聲控制是根據(jù)2個(gè)聲波相消性干涉或聲波輻射抑制的原理，通過人為地制造1個(gè)控制聲源（次級(jí)聲源），使其發(fā)出的聲音與原來的噪聲源（初級(jí)聲源）輻射噪聲大小相等、相位相反，使兩者作用結(jié)果互相抵消，從而達(dá)到降噪的目的[2]。依據(jù)此降噪原理，提出了由1個(gè)初級(jí)聲源和1個(gè)次級(jí)聲源所組成單極子兩源系統(tǒng)的降噪模型。其示意圖如圖1所示。

圖中，P為初級(jí)聲源,MIC1為噪聲傳感器,用于采集對(duì)象P的信息。S為輸出控制的揚(yáng)聲器及次級(jí)聲源,MIC2為誤差傳感器,采集誤差信息。設(shè)P產(chǎn)生的源聲場(chǎng)為：


2 有源降噪系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)，其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

　　圖1中的傳聲器MIC1、MIC2拾取的噪聲信號(hào)和誤差信號(hào)，經(jīng)過三極管放大后，進(jìn)行防折疊濾波處理以及模-數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)直接送入DSP和主機(jī)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將得到的控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)-模轉(zhuǎn)換，經(jīng)平滑濾波、放大后驅(qū)動(dòng)圖1中的揚(yáng)聲器S,使控制信號(hào)和噪聲信號(hào)相疊加，完成有源降噪的過程。

2．1 ADSP-2111信號(hào)處理器

系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)處理器[3]選用AD公司的16位定點(diǎn)的ADSP-2111芯片，其核心結(jié)構(gòu)如圖3所示,特點(diǎn)如下：

　　(1)ADSP-2111芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有6條總線(1條程序總線、2條數(shù)據(jù)總線、2條地址總線和1條DMA總線)，這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可允許同時(shí)獲取指令字(來自程序存儲(chǔ)器)和操作數(shù)(來自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)，而互不干擾。這樣可以在1個(gè)周期內(nèi)同時(shí)準(zhǔn)備好指令和數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理中的許多運(yùn)算，要比一般的單片機(jī)速度快得多，這對(duì)于實(shí)時(shí)性要求非常高的噪聲控制來說，是非常必要的。

(2）ADSP-2111采用流水線操作，以減少指令的執(zhí)行時(shí)間。執(zhí)行一條指令要通過取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行幾個(gè)階段，流水線操作使4條不同的指令處于激活狀態(tài)，這極大地提高了運(yùn)算速度，體現(xiàn)了DSP的優(yōu)越性能。同時(shí)，其內(nèi)部含有硬件乘法/累加器，從硬件上實(shí)現(xiàn)了乘法器和累加器的并行工作，可在單指令周期內(nèi)完成1次乘法并將運(yùn)行乘積求和的運(yùn)算。

(3)ADSP-2111是帶有主機(jī)接口HIP(Host Interface Port)的芯片,能較方便地與PC機(jī)接口。HIP為并行I/O口，允許ADSP-2111做主機(jī)存儲(chǔ)器映像的外設(shè)，其操作速度與ADSP-2111的總線速度相似，主機(jī)對(duì)DSP程序的加載及與DSP之間的數(shù)據(jù)通信均通過HIP接口來完成。

2．2 ADSP-2111芯片的外圍電路[4]

(1)濾波器的設(shè)計(jì)

由于存在聲反饋，檢測(cè)傳聲器采用電容式的單指向性傳聲器MIC1和MIC2來拾取噪聲信號(hào)和誤差信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過三極管放大后，進(jìn)行濾波處理。在A/D 變換前，需要設(shè)置1個(gè)模擬濾波器(即圖2中的防折疊濾波器)進(jìn)行預(yù)濾波以限制信號(hào)帶寬，去掉高于1/2抽樣頻率以上的高頻分量，防止頻譜混疊現(xiàn)象的發(fā)生。本系統(tǒng)中的噪聲為低頻噪聲，所以防折疊濾波器為低通濾波器；在D/A變換后，常接1個(gè)模擬低通濾波器(即圖2中的平滑濾波器)來抑制高頻分量，使階梯狀波形變成平滑的模擬信號(hào)輸出。本系統(tǒng)中的防折疊濾波器和平滑濾波器均選用開關(guān)電容濾波器ICMF-10，內(nèi)藏2個(gè)二階濾波器，通過外部提供的時(shí)鐘脈沖及外接電阻，即可實(shí)現(xiàn)高通、低通、帶通、帶阻和全通等濾波器的功能，通用性較強(qiáng)，本系統(tǒng)應(yīng)用其低通特性。

(2)數(shù)-模轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

采用AD1848音頻接口芯片。它具有雙路高性能的ADC和DAC,均由ADSP-2111直接控制，采樣頻率分布于5.5 kHz~48 kHz之間,可以滿足有源降噪系統(tǒng)的要求。功率放大器采用低頻功率放大器TA7240AP，產(chǎn)生的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，完成有源降噪的過程。

3 有源降噪系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

3．1 LMS 算法簡(jiǎn)介

在有源降噪系統(tǒng)中，要求控制系統(tǒng)具有快速跟蹤能力，即控制速度應(yīng)能跟上噪聲的變化，且有滿足應(yīng)用要求的降噪量，所以控制算法要求具有自適應(yīng)的特點(diǎn)，要求其收斂速度快、穩(wěn)定性好；同時(shí)計(jì)算量小，便于實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用LMS(Least Mean Square)自適應(yīng)算法，以滿足系統(tǒng)要求。LMS算法的迭代公式為：

3．2 有源降噪系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

利用ADSP-2111高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理器，采用自適應(yīng)的LMS算法，對(duì)頻率為100 Hz~490 Hz的噪聲進(jìn)行降噪實(shí)驗(yàn),初級(jí)傳感器位于噪聲源正前方0.05 m處,誤差傳聲器位于次級(jí)聲源正前方0.50 m處，取得的降噪效果如圖5所示，最大降噪量達(dá)到20 dB，這對(duì)于無源降噪來說是不可能達(dá)到的。

　　本文提出的由1個(gè)初級(jí)聲源和1個(gè)次級(jí)聲源組成的單極子兩源系統(tǒng)是基本的降噪模型,對(duì)于多極子系統(tǒng)可以認(rèn)為是由一系列單極子兩源子系統(tǒng)組成的,因此,對(duì)于單極子兩源系統(tǒng)的研究有重要意義。將高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理器DSP應(yīng)用于有源降噪系統(tǒng)中，使降噪系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了進(jìn)一步的提升；將有源降噪引入車輛艙室內(nèi)的噪聲控制，取得了無源降噪無法實(shí)現(xiàn)的降噪效果。