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(duì)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(duì)中、高頻段噪聲較為有效，而對(duì)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(jí)聲源產(chǎn)生一個(gè)與初級(jí)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(jí)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(duì)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(jí)傳感器采集的噪聲參考信號(hào)和誤差傳感器采集的誤差信號(hào)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(jí)聲源發(fā)出的反噪聲的幅度與相位，去抵消初級(jí)噪聲，其系統(tǒng)模型如圖1所示。

    如果不考慮次級(jí)聲源向初級(jí)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(jí)通路的傳遞函數(shù)，hp(n)為初級(jí)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(hào)，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(hào)，y(n)為濾波器的輸出反信號(hào)，s(n)為次級(jí)傳感器接收到的反噪聲信號(hào)，e(n)為噪聲抵消后所得到的殘余誤差信號(hào)。自適應(yīng)算法根據(jù)參考信號(hào)x(n)和誤差信號(hào)e(n)自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波器的權(quán)系數(shù)，從而調(diào)整次級(jí)聲源輸出信號(hào)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。[!--empirenews.page--]
1．3 次級(jí)通路建模
    由上述公式(4)可以看出，參考信號(hào)x(n)需由次級(jí)通路傳遞函數(shù)hs(n)進(jìn)行濾波，所以在有源噪聲控制算法迭代之前，首先必須得到次級(jí)通路的傳遞函數(shù)。
    估計(jì)次級(jí)通路傳遞函數(shù)的方法稱為次級(jí)通路建模，一般有自適應(yīng)離線建模和自適應(yīng)在線建模兩種方法。自適應(yīng)在線建模要求在有源噪聲控制系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，對(duì)次級(jí)通路響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算能力要求較高。如果在有源噪聲控制的整個(gè)過程中，次級(jí)通路的系統(tǒng)特性保持不變或基本不變，就可以采用自適應(yīng)離線建模方法。本系統(tǒng)中即采用自適應(yīng)離線建模，其框圖如圖3所示。

    首先由DSP產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)白噪聲序列，同時(shí)送入次級(jí)聲源和自適應(yīng)建模濾波器C(z)，誤差傳感器接收的信號(hào)e(n)作為建模濾波器的期望信號(hào)，濾波器的輸出信號(hào)z(n)與期望信號(hào)e(n)相減抵消后，輸入建模濾波器，自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波器權(quán)系數(shù)。次級(jí)通路建模采用LMS算法，其迭代運(yùn)算公式如下：
   
    式中：uc為次級(jí)通路建模濾波器的步長因子；N為次級(jí)通路建模濾波器的階數(shù)。
    實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)先關(guān)閉外部噪聲源，采用DSP隨機(jī)產(chǎn)生的白噪聲作為次級(jí)通路激勵(lì)源。DSP先執(zhí)行次級(jí)通路濾波器的迭代，待次級(jí)通路LMS濾波器穩(wěn)定后，將次級(jí)通路濾波器系數(shù)固定不變，代入上述的FXLMS濾波器進(jìn)行有源消噪迭代運(yùn)算。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)為單通道前饋結(jié)構(gòu)，以高速DSP芯片TMS320VC5509為核心，采用兩片16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器件AD976A實(shí)現(xiàn)兩路模擬信號(hào)的同步采集，并選用CPLD器件EPM7192SQC160-10設(shè)計(jì)鎖存器，以串行D／A器件AD50C完成輸出反噪聲信號(hào)的D／A轉(zhuǎn)換，選用16 Mb FLASH閃存芯片作為程序存儲(chǔ)器，并在片外擴(kuò)充一片64 Mb SDRAM作為外部數(shù)據(jù)空間。系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。

    設(shè)計(jì)選用的VC5509DSP芯片最高支持144 MHz的時(shí)鐘頻率，具有高達(dá)288 MIPS(每秒百萬條指令數(shù))的處理能力，是一款具有較高性價(jià)比的低功耗DSP芯片。音頻接口采用的AD976A為一款高精度、高速率的并口A／D轉(zhuǎn)換器件，抽樣速率可從8～200 KSPS，抽樣速率的改變可通過改變輸入時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)，從而可實(shí)現(xiàn)在不改變硬件的情況下通過軟件設(shè)置進(jìn)行擴(kuò)展。CPLD通過編程給A／D器件提供8 kHz采樣頻率，并設(shè)計(jì)采樣保持鎖存器。經(jīng)由DSP的片選引腳CE2和地址引腳A1尋址，兩個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器的鎖存器地址分別設(shè)為0X400000和0X400001。CPLD與DSP連接圖如圖5所示。

    AD50C為TI公司生產(chǎn)的16位可編程串行音頻接口芯片，可通過DSP編程控制收發(fā)增益和采樣頻率。其串口與DSP的同步串口連接如圖6所示。[!--empirenews.page--]
    系統(tǒng)信號(hào)流程如下：AD976A對(duì)噪聲參考信號(hào)x(n)和誤差信號(hào)e(n)進(jìn)行8 000次／s采樣，每次采樣后由AD976A1的“BUSY”引腳觸發(fā)DSP的外部中斷4 INT4，在中斷服務(wù)程序中DSP依據(jù)地址將CPLD鎖存器中的兩個(gè)數(shù)據(jù)分別讀至內(nèi)部存儲(chǔ)器DARAM中，進(jìn)行算法運(yùn)算。算出反噪聲序列y(n)后，在INT4中斷服務(wù)程序中將其送至DSP串口MCBSP0，再通過AD50C數(shù)模變換后，送往揚(yáng)聲器發(fā)出反噪聲。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件主要包括三個(gè)部分：系統(tǒng)底層通信程序、次級(jí)通路建模子程序和有源噪聲控制子程序。底層通信程序包括兩路傳感器信號(hào)同步采集程序和計(jì)算得到的反噪聲信號(hào)輸出程序。系統(tǒng)程序流程如圖7所示。傳感器采集信號(hào)的存儲(chǔ)、反噪聲信號(hào)的發(fā)送以及自適應(yīng)濾波算法運(yùn)算都在INT4中斷服務(wù)程序中進(jìn)行。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)次級(jí)通路建模自適應(yīng)濾波器在迭代30 000次后，即可進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，故設(shè)置前30 000次中斷用于次級(jí)通路建模，待次級(jí)通路LMS濾波器穩(wěn)定后即將其系數(shù)固定不變，之后的中斷服務(wù)程序都進(jìn)入有源噪聲控制子程序，進(jìn)行FX-LMS濾波器系數(shù)的迭代，并產(chǎn)生反噪聲信號(hào)y(n)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)采用800 Hz單頻正弦信號(hào)作為待消除的噪聲信號(hào)。根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)值，次級(jí)通路濾波器階數(shù)取32，步長取0．125；有源消噪濾波器階數(shù)取64，步長取0．005。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由波形圖可以看出，有源消噪系統(tǒng)運(yùn)行后，誤差傳感器接收的信號(hào)幅度明顯降低，系統(tǒng)取得了良好的降噪效果。通過計(jì)算可知該系統(tǒng)對(duì)800 Hz單頻噪聲的幅度可降低9 dB。實(shí)驗(yàn)時(shí)，人耳在誤差傳感器處進(jìn)行監(jiān)聽，能夠明顯感受到噪聲的抑制效果。當(dāng)初級(jí)聲源噪聲特性發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地做出響應(yīng)，并具有良好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有源噪聲控制系統(tǒng)，下一步的研究工作是在該硬件系統(tǒng)中編程實(shí)現(xiàn)各種不同的自適應(yīng)控制算法，通過實(shí)驗(yàn)來比較各種算法的性能，并力爭將有源消噪由低頻擴(kuò)展到高頻，由窄帶擴(kuò)展到寬帶，以推進(jìn)有源噪聲控制的實(shí)際工程應(yīng)用。