一種基于dsp的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法分，其為三個(gè)部分，第一部分為通過產(chǎn)生白噪聲對次級通道進(jìn)行辨識；第二部分為對浮點(diǎn)算法進(jìn)行定點(diǎn)化處理；第三部分為通過利用揚(yáng)聲器產(chǎn)生反噪聲來抵消外界噪聲。本發(fā)明針對單頻噪聲和窄帶噪聲進(jìn)行降噪處理，能夠在C55x系列DSP平臺上達(dá)到實(shí)時(shí)性；而且通過對浮點(diǎn)算法進(jìn)行定點(diǎn)化處理，大大提高了在DSP平臺上的運(yùn)算速度；通過提高采樣率，并能夠?qū)ψ罡?khz的高頻噪聲進(jìn)行降噪，能夠適應(yīng)噪聲可能存在的變化，魯棒性強(qiáng)。
【專利說明】
一種基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法，用于信號處理、音頻處理、噪聲 控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 在科技迅猛發(fā)展的今天，人民在享受著現(xiàn)代科技給人類帶來的種種便利之時(shí)，也 面臨著嚴(yán)重的污染問題，在這些污染中，噪聲污染是直接危害人們身心健康的污染源之一。 各種場合，如工業(yè)生產(chǎn)過程、日常生活工作環(huán)境、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境等，均存在聲音噪聲，在某些場 合甚至十分嚴(yán)重。這些噪聲對長期近距離接觸設(shè)備的工作人員不利，對其生理和心理健康 帶來嚴(yán)重危害，聽力下降，易于疲勞，注意力下降，生產(chǎn)效率降低。因此，在噪聲越來越嚴(yán)重 而人們越來越追求身體健康與生活質(zhì)量的情況下，對噪聲的降低，在理論研究和工程實(shí)踐 中都將具有廣泛的研究價(jià)值和廣闊的市場前景。
[0003] 嵌入式平臺以其便攜性、功能的特定性在商業(yè)產(chǎn)品領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢。常用的嵌 入式平臺有ARM、DSP、FPGA等，每一種平臺都有其獨(dú)特的優(yōu)勢。DSP針對數(shù)字信號處理和圖像 處理很有優(yōu)勢，其內(nèi)部集成一些硬件的運(yùn)算器，并且可以進(jìn)行流水線的指令處理，實(shí)現(xiàn)一定 程度的并行計(jì)算，而且DSP成本較低，開發(fā)方便。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，DSP在音頻 處理上收到了廣泛的應(yīng)用。體積小、便于設(shè)計(jì)和控制的主動(dòng)噪聲控制已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的 降噪效果。當(dāng)前的降噪算法，許多都存在功能性和實(shí)時(shí)性之間的矛盾，如何緩和這種矛盾， 在滿足功能性的前提下能夠在嵌入式平臺上達(dá)到實(shí)時(shí)降噪已成為當(dāng)前迫切需要解決的問 題。
[0004] 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)從這三個(gè)方面 進(jìn)行。目前降噪的方法主要可以被動(dòng)降噪方法和主動(dòng)降噪方法。
[0005] 被動(dòng)降噪可以分為減震噪聲、吸音噪聲和隔音噪聲這三種處理方法。它是利用物 理特性將外部噪聲與耳朵隔絕開，主要通過隔聲材料阻擋噪聲，對高頻率聲音非常有效，一 般可使噪聲降低大約為15_20dB。這種方法原理簡單，降噪成本低，但效果比較遜色，且由于 使用了高密度的隔聲材料，耳機(jī)較重佩戴不舒服。但卻沒有辦法來中和噪聲達(dá)到安靜的聆 聽效果。被動(dòng)降噪對于高頻信號的隔絕效果好，比如公路旁邊的隔音板。但是，對于小空間 的低頻噪聲來說，像空調(diào)工作噪聲、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等噪音則效果大打折扣。因而現(xiàn)在對于 噪聲控制的研究主要集中在主動(dòng)降噪方面。
[0006] 對于主動(dòng)降噪，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(次級聲源），使其發(fā)出的聲音與原來的噪聲源(初級聲源)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。
[0007] 現(xiàn)有的文獻(xiàn):【1】李欣，馮燕，馮勇.基于FPGA自適應(yīng)有源降噪耳機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電聲技術(shù)，2008,32(4):72-75.中，研究了？?64可以實(shí)現(xiàn)快速并行計(jì)算，作者提到可以針對 400-600HZ的低頻窄帶噪聲進(jìn)行有效降噪，滿足實(shí)時(shí)要求。但是作者是在FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)該 算法，其硬件成本高，開發(fā)周期長，這也是不得不考慮的問題。【2】Roy T K，M〇rShed M.Active noise control using filtered-xLMS and feedback ANC filter algorithms [C]//Advances in Electrical Engineering(ICAEE),2013International Conference 〇11.1￡￡￡，2013:7-12.中，使用反饋濾波1-最小均方算法$乂11^)(?雖然可以使設(shè)備簡單，但 由于反饋結(jié)構(gòu)需要誤差噪聲來驅(qū)動(dòng)，所以降噪后的殘余噪聲不能完全消除【3】Tan L，Jiang J.Active noise control using the filtered-x rls algorithm with sequential updates[J].Engineering Technology Opens the Door to a World of Opportunity, 2009:29.中，使用濾波-x-最小二乘算法(FXRLS)，將最小二乘準(zhǔn)則，加入次級通道補(bǔ)償，同 時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)降噪。該算法查找全局最優(yōu)解，有很好的降噪效果，但計(jì)算量較大，無法滿足 實(shí)時(shí)降噪要求?！?】Amir N.Active acoustic noise reduction system:US，US 7317801 B1.2008.中，采用前饋濾波-X-最小均方算法(FXLMS)，并采用基于DSP的雙麥克平臺，對低 頻噪聲有較好的降噪效果，但是由于最高采樣率只有4k，因此無法對高頻噪聲進(jìn)行降噪。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降 噪方法，能夠在DSP平臺上達(dá)到實(shí)時(shí)性，大大提高了在DSP平臺上的運(yùn)算速度;而且通過對浮 點(diǎn)算法進(jìn)行定點(diǎn)化處理，提高了采樣率，并能夠?qū)ψ罡?khz的高頻噪聲進(jìn)行降噪，能夠適應(yīng) 噪聲可能存在的變化，魯棒性強(qiáng)。
[0009] 本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0010] 步驟1中，采用自適應(yīng)方法，使用基于最小均方算法(LMS)的浮點(diǎn)算法，通過DSP平 臺產(chǎn)生白噪聲，并通過抵消揚(yáng)聲器輸出，對次級通道進(jìn)行辨識，得到次級通道浮點(diǎn)型系數(shù)； 所述次級通道指產(chǎn)生聲音信號并通過抵消揚(yáng)聲器輸出，到通過誤差麥克風(fēng)采集并獲得聲音 信號的物理通道；
[0011 ]步驟2，選擇適當(dāng)?shù)腝n格式定標(biāo)方法對浮點(diǎn)算法定點(diǎn)化。首先選用Q15格式定標(biāo)方 法，將步驟1浮點(diǎn)算法中的浮點(diǎn)數(shù)乘以215轉(zhuǎn)換成整型數(shù)，然后對浮點(diǎn)算法中的加減乘除運(yùn)算 進(jìn)行定點(diǎn)化改造得到定點(diǎn)算法，用得到的定點(diǎn)算法通過DSP平臺產(chǎn)生白噪聲，并通過噪聲抵 消揚(yáng)聲器輸出，對次級通道再次進(jìn)行辨識，得到次級通道的整型系數(shù);再將該整型系數(shù)與步 驟1中的浮點(diǎn)型系數(shù)進(jìn)行比較，以判斷采用Q15格式的定點(diǎn)算法數(shù)據(jù)精度是否滿足要求，如 果該定點(diǎn)算法的數(shù)據(jù)精度滿足要求則定點(diǎn)化完成，否則采用Q16-Q31定標(biāo)方法，最后確定適 當(dāng)?shù)腝n格式定標(biāo)方法；
[0012] 步驟3,利用步驟2得到的次級通道的整型系數(shù)對實(shí)際的次級通道進(jìn)行補(bǔ)償，再利 用基于LMS算法的定點(diǎn)化算法進(jìn)行降噪處理。
[0013] 所述步驟1通過DSP平臺產(chǎn)生白噪聲，并通過抵消揚(yáng)聲器輸出，對次級通道進(jìn)行辨 識實(shí)現(xiàn)如下：
[0014] (1)通過DSP平臺產(chǎn)生白噪聲u(n)并由音頻編解碼芯片讀取，然后通過噪聲抵消揚(yáng) 聲器發(fā)出白噪聲；
[0015] (2)通過誤差檢測麥克風(fēng)采集(1)中音響發(fā)出的聲音信號，采集到的信號為v(n);
[0016] (3)利用（1)中的產(chǎn)生的白噪聲信號計(jì)算自適應(yīng)濾波器的輸出信號r(n): M-i
[0017] r{n) ~ ^ sI{n)u{n - f) i = 0
[0018] 式中u(n)表示步驟（1)中的白噪聲信號，Sl(n)表示自適應(yīng)濾波器系數(shù)，n為當(dāng)前時(shí) 刻，M為濾波器階數(shù)，i為濾波器的階數(shù)序號；
[0019] (4)計(jì)算誤差信號e'（n):
[0020] e' (n) =v(n)-r(n)
[0021] 式中v(n)為(2)中誤差檢測麥克風(fēng)采集到的聲音信號；
[0022] (5)利用最小均方準(zhǔn)則更新自適應(yīng)濾波器的系數(shù)81(11+1):
[0023] si(n+l) = si(n)+iie' (n)u(n-i ),i = l,...,M-l [0024] 其中：y為迭代步長；
[0025] (6)判斷迭代次數(shù)是否大于設(shè)定的T次，當(dāng)?shù)螖?shù)大于T時(shí)，停止迭代，完成對次 級通道的辨識，此時(shí)就得到了次級的系數(shù)。
[0026]所述步驟1中得到次級通道浮點(diǎn)型系數(shù)為30階。
[0027] 所述步驟 1 中 T取 5000-10000。
[0028] 所述步驟2中選擇適當(dāng)?shù)腝n格式定標(biāo)方法對浮點(diǎn)算法定點(diǎn)化的具體過程如下： [0029] (1)首先選擇Q15格式定標(biāo)方法；
[0030] (2)將已知的浮點(diǎn)數(shù)用整型數(shù)表示，用15位表示浮點(diǎn)數(shù)的小數(shù)部分。換算公式為X15 = (int)X*215,其中X為浮點(diǎn)數(shù)，X15是采用Q15格式的整型數(shù)，如果采用其它格式的Qn格式定 標(biāo)方法，則用n位表示浮點(diǎn)數(shù)的小數(shù)部分，換算公式為X n=(int)X*2n，其中X為浮點(diǎn)數(shù)，Xn*X 對應(yīng)的Qn格式的整型數(shù)；
[0031 ] (3)對浮點(diǎn)算法中的加減乘除運(yùn)算進(jìn)行定點(diǎn)化改造
[0032] xl，x2均為已知的浮點(diǎn)數(shù)，x3為未知的浮點(diǎn)數(shù)，xl，x2的Q15格式定點(diǎn)數(shù)分別為ql， q2，q3，則由（2)得到ql，q2的值分別為:ql = xl*215，q2 = x2*215;
[0033] 對于下列計(jì)算式：
[0035]進(jìn)行定點(diǎn)化改造之后，對應(yīng)的計(jì)算式為：
[0037] 對浮點(diǎn)算法定點(diǎn)化時(shí)，加減法的運(yùn)算規(guī)則不變，乘法運(yùn)算時(shí)要將乘積除以215,而除 法運(yùn)算時(shí)要將被除數(shù)乘以2 15,由于對215進(jìn)行乘除運(yùn)算均可以用移位運(yùn)算替代，因此可以大 大加快運(yùn)算速度；
[0038] (4)用定點(diǎn)化的算法對次級通道再次進(jìn)行辨識，得到次級通道的整型系數(shù)；
[0039] (5)判斷數(shù)據(jù)精度是否滿足要求
[0040]采用Qn格式定標(biāo)方法時(shí)，如果次級通道的整型系數(shù)除以2"后與浮點(diǎn)系數(shù)的誤差范 圍為-0.003-0.003，則數(shù)據(jù)精度滿足要求，定點(diǎn)化完成;否則使用Q16-Q31格式定標(biāo)方法，然 后返回步驟(2)。
[0041 ]所述步驟4進(jìn)行降噪處理的具體實(shí)現(xiàn)方法為：
[0042] (1)由音響輸出噪聲并通過噪聲檢測麥克風(fēng)采集噪聲信號，采集到的值為x(n);
[0043] (2)利用采集的噪聲信號計(jì)算需要的反噪聲信號并利用抵消揚(yáng)聲器發(fā)出，計(jì)算公 式為： -1
[0044] yijr) = ^w^xin - i) i=Q
[0045] 式中x(n)為（1)中采集的噪聲信號，Wl(n)為自適應(yīng)降噪濾波器在n時(shí)刻的系數(shù)，N 為自適應(yīng)降噪濾波器的階數(shù)；
[0046] (3)由誤差麥克風(fēng)采集聲音抵消后的誤差信號e(n);
[0047] (4)計(jì)算利用（1)中采集到的噪聲信號經(jīng)過次級通道進(jìn)行補(bǔ)償后的值，計(jì)算公式 為： M-1
[0048] X'（/?) =. ^ q - .0 i=0
[0049] 式中Cl(n)為次級通道的整型系數(shù)；
[0050] (5)利用最小均方準(zhǔn)則更新自適應(yīng)降噪濾波器的系數(shù)，公式如下：
[0051 ] wi(n+l) =wi(n)_ii*e(n)*x'（n_i )，i = 0，...，N_l
[0052]式中e(n)為(3)中采集得到的聲音抵消后的誤差信號，y為迭代步長，x'（n)為(4) 中噪聲信號經(jīng)過次級通道進(jìn)行補(bǔ)償后的值，通過不斷調(diào)節(jié)自適應(yīng)濾波器的系數(shù)，對外界噪 聲進(jìn)行實(shí)時(shí)降噪處理。
[0053]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0054] (1)使用定點(diǎn)化方法，滿足實(shí)時(shí)性
[0055] 現(xiàn)有的DSP處理器中，無論從運(yùn)算速度或是設(shè)備成本看，定點(diǎn)處理器較浮點(diǎn)處理器 都有一定的優(yōu)勢，因此本發(fā)明采用了C55x系列的16bit定點(diǎn)DSP C5509。但是由于定點(diǎn)DSP處 理浮點(diǎn)數(shù)據(jù)比較慢的特點(diǎn)，因此本發(fā)明對浮點(diǎn)算法進(jìn)行了定點(diǎn)化處理。定點(diǎn)化可以直接著 手進(jìn)行，也可以在完成浮點(diǎn)算法的基礎(chǔ)上對降噪程序進(jìn)行改造，本發(fā)明采用后者。
[0056]本發(fā)明把浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)運(yùn)算，極大地提高了運(yùn)算速度，滿足在C55x系列DSP 上運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。定點(diǎn)化之后，由于DSP平臺運(yùn)算速度較快，因此可以通過提高采樣率對高 頻噪聲降噪。
[0057] (2)基于LMS算法改進(jìn)
[0058] FXLMS算法是利用最小均方準(zhǔn)則針對降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的算法，其中加入了次級通道 的補(bǔ)償。本發(fā)明基于DSP平臺并采用兩套拾音裝置分別對外界噪聲和降噪后的誤差進(jìn)行采 集，可以使噪聲降到最小甚至完全消除。
[0059] (3)使用自適應(yīng)數(shù)字濾波器
[0060]本發(fā)明采用自適應(yīng)降噪算法，根據(jù)噪聲存在的變化自適應(yīng)地調(diào)節(jié)降噪濾波器的參 數(shù)，對于噪聲可能存在的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0061 ]圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0062] 圖2為本發(fā)明中次級通道辨識流程圖；
[0063] 圖3為本發(fā)明中針對浮點(diǎn)程序的定點(diǎn)化處理流程；
[0064] 圖4為本發(fā)明采用浮點(diǎn)算法與定點(diǎn)算法測得的次級通道對比圖；
[0065] 圖5為本發(fā)明中降噪的執(zhí)行流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0066]如圖1所示，首先用浮點(diǎn)算法對次級通道進(jìn)行辨識，然后對浮點(diǎn)算法進(jìn)行定點(diǎn)化， 再用定點(diǎn)算法對次級通道繼續(xù)辨識，通過對比次級通道的數(shù)據(jù)判斷定點(diǎn)化的精度是否符合 要求;最后，利用LMS算法對音響發(fā)出的噪聲進(jìn)行降噪處理。
[0067] (1)次級通道辨識
[0068]次級通道指產(chǎn)生聲音信號并通過揚(yáng)聲器輸出，到通過拾音裝置采集并獲得聲音信 號的物理通道，具體指揚(yáng)聲器中的D/A轉(zhuǎn)換器、重構(gòu)濾波器、功放，揚(yáng)聲器到拾音裝置聲器之 間的通道，拾音裝置中的誤差傳聲器、前置放大、抗混疊濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明中設(shè) 定次級通道為30階，為了更準(zhǔn)確地辨識次級通道，本發(fā)明根據(jù)最小均方算法進(jìn)行運(yùn)算。
[0069] 如圖2所示，本發(fā)明中次級通道辨識如下
[0070] 第一步，通過DSP平臺產(chǎn)生白噪聲y(n)并由音頻編解碼芯片aic23讀取，然后通過 抵消揚(yáng)聲器發(fā)出白噪聲u(n);
[0071] 第二步，通過噪聲檢測麥克風(fēng)采集第一步中音響發(fā)出的聲音信號v(n);
[0072]第三步，利用第一步中的白噪聲信號計(jì)算自適應(yīng)濾波器的輸出信號r(n):
[0073] r(n) = (n)u(n ~ i) ./ = 0
[0074] 式中u(n)表示步驟（1)中的白噪聲信號，Sl(n)表示自適應(yīng)濾波器系數(shù)，n為當(dāng)前時(shí) 刻，M為濾波器階數(shù)，i為濾波器的階數(shù)序號；
[0075]第四步，計(jì)算誤差信號e'（n):
[0076] e' (n) =v(n)-r(n)
[0077] 式中v(n)為第二步中誤差檢測麥克風(fēng)采集到的聲音信號；
[0078] 第五步，利用最小均方準(zhǔn)則更新自適應(yīng)濾波器的系數(shù)Sl(n+1):
[0079] si(n+l) = Si(n)+lie '（n)u(n-i )，i = l，...，M_l
[0080] 其中：迭代步長y取值0.05,濾波器階數(shù)M取30階；
[0081 ]第六步，判斷迭代次數(shù)是否大于T(T取10000)次，當(dāng)?shù)螖?shù)大于T時(shí)，停止迭代， 完成對次級通道的辨識，此時(shí)就得到了次級通道的系數(shù)。
[0082] (2)選擇適當(dāng)?shù)亩?biāo)方法對浮點(diǎn)算法定點(diǎn)化處理
[0083]采用定點(diǎn)數(shù)表示實(shí)際的浮點(diǎn)數(shù)，浮點(diǎn)數(shù)和定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換公式如下：
[0084]浮點(diǎn)數(shù)(x)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù):Xn=(int)X*2n [0085]定點(diǎn)數(shù)(Xn)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù):X=(float)Xn*2-n
[0086] 不同的n格式所表示的數(shù)的范圍不同，精度也不同。n越大，數(shù)值范圍越小，但精度 越高。例如，Q0(n = 0)的數(shù)值范圍是-32768到+32767,其精度是1，而Q15的數(shù)值范圍為-1到 0.9999695，精度為1/32768 = 0.00003051，因此數(shù)據(jù)范圍和精度是一對矛盾。
[0087] 如圖3所示，本發(fā)明中針對浮點(diǎn)程序的定點(diǎn)化處理流程如下：
[0088]第一步，定標(biāo)方式選取為Q15;
[0089]第二步，利用公式X15=(int)X*215將已知的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)據(jù)。所謂已知 的數(shù)據(jù)是指能直接采集到的輸入信號（如采集麥克風(fēng)采集到的噪聲信號，誤差麥克風(fēng)采集 到的誤差信號），以及一些需要設(shè)定的參數(shù)(如迭代步長y)。
[0090] 第三步，將需要計(jì)算才能得到的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)求取公式進(jìn)行定點(diǎn)化改造
[0091] 例如浮點(diǎn)算法中e'（n)的求解公式為:e'（n) = v(n)-r(n)，定點(diǎn)化后e'（n)的求解 公式為e'（11)15 = ￥(11)15-1'(11)15，￥(11)15為誤差檢測麥克風(fēng)采集的聲音信號￥(11)的定點(diǎn)化形 式，可由第二步求得，即為反噪聲信號r(n)的定點(diǎn)化形式。
[0092] 第四步，用定點(diǎn)化算法對次級通道進(jìn)行再次辨識并測得次級通道的整型系數(shù)
[0093] 通過DSP平臺產(chǎn)生白噪聲，并通過噪聲抵消揚(yáng)聲器輸出，對次級通道進(jìn)行辨識，得 到次級通道整型系數(shù)
[0094] 第五步，判斷數(shù)據(jù)精度是否滿足要求
[0095] 將第四步中所測的次級通道的系數(shù)與浮點(diǎn)算法得到的系數(shù)進(jìn)行比較。如果次級通 道的整型系數(shù)除以215后與浮點(diǎn)系數(shù)的誤差在-0.003到0.003之間，則數(shù)據(jù)精度符合要求，定 點(diǎn)化結(jié)束。如果不滿足這個(gè)條件就需要改變定標(biāo)格式對定點(diǎn)化進(jìn)一步改進(jìn)，用Q16-Q31格式 定標(biāo)方法，然后返回步驟(2)。
[0096] 如圖4所示，圖中實(shí)線表示浮點(diǎn)算法得到的次級通道的系數(shù)。由于定點(diǎn)算法中次級 通道采用的是Q15格式，因此虛線是定點(diǎn)算法學(xué)習(xí)到的系數(shù)除以2 15之后的數(shù)值，次級通道設(shè) 定為30階，米樣率為1kHz?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩條曲線幾乎重合，它們的最大誤差是0.0019,在-0.003到0.003之間。因此采用Q15定標(biāo)方法的定點(diǎn)算法后，精度滿足要求。
[0097] (3)利用揚(yáng)聲器產(chǎn)生反噪聲來抵消外界噪聲
[0098] 定點(diǎn)算法的精度滿足要求時(shí)，即開始進(jìn)行降噪的階段。對于外界單頻與窄帶噪聲， 通過抵消揚(yáng)聲器發(fā)出反噪聲，可以達(dá)到良好的降噪效果。
[0099] 如圖5,第一步，由音響輸出噪聲并通過噪聲檢測麥克風(fēng)采集該噪聲信號。
[0100] 第二步，利用第一步采集的噪聲信號計(jì)算需要的反噪聲信號y(n)，并利用抵消揚(yáng) 聲器發(fā)出，其求取公式為： A -1
[0101 ] v(n) - ^ w^xin - i) .!:=.0
[0102]式中x(n)為在n時(shí)刻采集到的外界噪聲，Wl(n)為自適應(yīng)降噪濾波器在n時(shí)刻的系 數(shù)，N為自適應(yīng)降噪濾波器的階數(shù)。
[0103]第二步，由誤差麥檢測克風(fēng)米集誤差噪聲彳目號e(n);
[0104] 第四步，計(jì)算利用第一步中采集到的噪聲信號經(jīng)過次級通道進(jìn)行補(bǔ)償后的值，其 求取公式為： M -1
[0105] 尤' (/?) :=. I q (/?)尤(/? - /). i = 0,
[0106] 式中Cl(n)為（2)得到的次級通道的系數(shù)，x(n)為在n時(shí)刻采集到的外界噪聲，11為 該自適應(yīng)濾波器系數(shù)。
[0107] 第五步，利用最小均方準(zhǔn)則更新自適應(yīng)降噪濾波器的系數(shù)^(1!)，其求取公式如 下：
[0108] wi(n+l) =wi(n)_ii*e(n)*x，（n_i )，i = 0，...，N_l
[0109] 式中e(n)為第三步中采集得到的誤差噪聲信號，i為濾波器階數(shù)序號，y為迭代步 長，x'（n)為第四步中得到的噪聲信號的補(bǔ)償值。通過不斷調(diào)節(jié)自適應(yīng)濾波器系數(shù)濾就可以 對外界噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)降噪處理。
[0110]提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本 發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修 改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下： 步驟1，采用自適應(yīng)方法，使用基于最小均方算法(LMS)的浮點(diǎn)算法，通過DSP平臺產(chǎn)生 白噪聲，并通過抵消揚(yáng)聲器輸出，對次級通道進(jìn)行辨識，得到次級通道浮點(diǎn)型系數(shù);所述次 級通道指產(chǎn)生聲音信號并通過抵消揚(yáng)聲器輸出，到通過誤差麥克風(fēng)采集并獲得聲音信號的 物理通道； 步驟2,選擇適當(dāng)?shù)幕袷蕉?biāo)方法對浮點(diǎn)算法定點(diǎn)化，首先選用Q15格式定標(biāo)方法，將 步驟1浮點(diǎn)算法中的浮點(diǎn)數(shù)乘W21S轉(zhuǎn)換成整型數(shù)，然后對浮點(diǎn)算法中的加減乘除運(yùn)算進(jìn)行 定點(diǎn)化改造得到定點(diǎn)算法，用得到的定點(diǎn)算法通過DSP平臺產(chǎn)生白噪聲，并通過噪聲抵消揚(yáng) 聲器輸出，對次級通道再次進(jìn)行辨識，得到次級通道的整型系數(shù);再將該整型系數(shù)與步驟1 中的浮點(diǎn)型系數(shù)進(jìn)行比較，W判斷采用Q15格式的定點(diǎn)算法數(shù)據(jù)精度是否滿足要求，如果該 定點(diǎn)算法的數(shù)據(jù)精度滿足要求則定點(diǎn)化完成，否則采用Q16-Q31定標(biāo)方法，最后確定合適的 化格式定標(biāo)方法； 步驟3,利用步驟2得到的次級通道的整型系數(shù)對實(shí)際的次級通道進(jìn)行補(bǔ)償，再利用基 于LMS算法的定點(diǎn)化算法進(jìn)行降噪處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法，其特征在于:所述步驟1通過 DSP平臺產(chǎn)生白噪聲，并通過抵消揚(yáng)聲器輸出，對次級通道進(jìn)行辨識實(shí)現(xiàn)如下： (1) 通過DSP平臺產(chǎn)生白噪聲u(n)并由音頻編解碼忍片讀取，然后通過噪聲抵消揚(yáng)聲器 發(fā)出白噪聲； (2) 通過誤差檢測麥克風(fēng)采集(1)中音響發(fā)出的聲音信號，采集到的信號為v(n); (3) 利用步驟(1)中的產(chǎn)生的白噪聲信號計(jì)算自適應(yīng)濾波器的輸出信號r(n):式中u(n)表示步驟（1)中的白噪聲信號，si(n)表示自適應(yīng)濾波器系數(shù)，n為當(dāng)前時(shí)刻，M 為濾波器階數(shù)，i為濾波器的階數(shù)序號； (4) 計(jì)算誤差信號e'（n): e '（n) =v(n)-r(n) 式中v(n)為步驟(2)中誤差檢測麥克風(fēng)采集到的聲音信號； (5) 利用最小均方準(zhǔn)則更新自適應(yīng)濾波器的系數(shù)si(n+l): si(n+l) = si(n)+]ie '（n)u(n-i), i = 1,. . . ,M-I 其中:y為迭代步長； (6) 判斷迭代次數(shù)是否大于設(shè)定的T次，當(dāng)?shù)螖?shù)大于T時(shí)，停止迭代，完成對次級通 道的辨識，此時(shí)就得到了次級的系數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法，其特征在于:所述步驟1中得 到次級通道浮點(diǎn)型系數(shù)為30階。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法，其特征在于:所述步驟(6)中 T取5000-10000。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法，其特征在于:所述步驟2中選 擇適當(dāng)?shù)幕袷蕉?biāo)方法對浮點(diǎn)算法定點(diǎn)化的具體過程如下： (1)首先選擇Q15格式定標(biāo)方法； (2) 將已知的浮點(diǎn)數(shù)用整型數(shù)表示，用15位表示浮點(diǎn)數(shù)的小數(shù)部分。換算公式為Xis = (int)X巧1S，其中X為浮點(diǎn)數(shù)，Xis是采用Q15格式的整型數(shù)，如果采用其它格式的化格式定標(biāo) 方法，則用n位表示浮點(diǎn)數(shù)的小數(shù)部分，換算公式為Xn=Qnt)料2%其中X為浮點(diǎn)數(shù)，品為X對 應(yīng)的化格式的整型數(shù)； (3) 對浮點(diǎn)算法中的加減乘除運(yùn)算進(jìn)行定點(diǎn)化改造 Xl，x2均為已知的浮點(diǎn)數(shù)，x3為未知的浮點(diǎn)數(shù)，Xl，x2的Qis格式定點(diǎn)數(shù)分別為ql，q2，q3， 則由（2)得到ql，q2的值分別為:ql=xl巧I5，q2 = x2*2i5， 對于下列計(jì)算式： 進(jìn)行.(4) 用定點(diǎn)化的算法對次級通道再次進(jìn)行辨識，得到次級通道的整型系數(shù)； (5) 判斷數(shù)據(jù)精度是否滿足要求 采用化格式定標(biāo)方法時(shí)，如果次級通道的整型系數(shù)除W2D后與浮點(diǎn)系數(shù)的誤差范圍為- 0.003-0.003,則數(shù)據(jù)精度滿足要求，定點(diǎn)化完成;否則使用Q16-Q31格式定標(biāo)方法，然后返 回步驟(2)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的定點(diǎn)化實(shí)時(shí)降噪方法，其特征在于:所述步驟4進(jìn)行 降噪處理的具體實(shí)現(xiàn)方法為： (1) 由音響輸出噪聲并通過噪聲檢測麥克風(fēng)采集噪聲信號，采集到的值為x(n); (2) 利用采集的噪聲信號計(jì)算需要的反噪聲信號并利用抵消揚(yáng)聲器發(fā)出，計(jì)算公式為：式中x(n)為（1)中采集的噪戶信巧，Wi (n j刃目抵應(yīng)降噪濾波器在n時(shí)刻的系數(shù)，N為自適 應(yīng)降噪濾波器的階數(shù)； (3) 由誤差麥克風(fēng)采集聲音抵消后的誤差信號e(n); (4) 計(jì)算利用（1)中采集到的噪聲信號經(jīng)過次級通道進(jìn)行補(bǔ)償后的值，計(jì)算公式為：式中ci(n)為次級通道的整型系數(shù)； (5) 利用最小均方準(zhǔn)則更新自適應(yīng)降噪濾波器的系數(shù)，公式如下： wi(n+l) =wi(n)-]i*e(n)*x'（n_i), i = 0,. . . ,N-I 式中e(n)為(3)中采集得到的聲音抵消后的誤差信號，ii為迭代步長，x'（n)為(4)中噪 聲信號經(jīng)過次級通道進(jìn)行補(bǔ)償后的值，通過不斷調(diào)節(jié)自適應(yīng)濾波器的系數(shù)，對外界噪聲進(jìn) 行實(shí)時(shí)降噪處理。
【文檔編號】G10K11/178GK105913836SQ201610214190
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】虞安波, 凌強(qiáng)
【申請人】虞安波