基于DSP的有源降噪系統的設計與研究

在科技迅猛發展的今天，人們在享受現代科技給人類帶來的種種便利之時，也面臨著日益嚴重的污染問題，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。在工業生產、公共交通、宇航、通訊等人類生活的各方面均存在噪聲污染，在某些場合則十分惡劣。調研發現履帶車輛艙室內各頻率噪聲大約為100 dB~120 dB,對乘員的聽力、健康、通話、操作極為不利。因此，降低車輛艙室內的噪聲,將會明顯改善操作人員的健康狀況和提高戰斗力。本文針對坦克艙室內的噪聲進行了有源降噪系統的研究。

1 有源降噪的原理

任何一個聲學系統包括聲源、傳播途徑和受者3個環節，控制噪聲應從這三方面進行。傳統的無源噪聲控制在中高頻取得了較好的降噪效果,但對于低頻噪聲，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，會使工程實施趨于龐大化，甚至難于實現。隨著高速數字信號處理技術的發展，體積小、便于設計和控制的有源噪聲控制方法，能在低頻段實現較好的降噪效果[1]。

有源噪聲控制是根據2個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個控制聲源（次級聲源），使其發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，使兩者作用結果互相抵消，從而達到降噪的目的[2]。依據此降噪原理，提出了由1個初級聲源和1個次級聲源所組成單極子兩源系統的降噪模型。其示意圖如圖1所示。

圖中，P為初級聲源,MIC1為噪聲傳感器,用于采集對象P的信息。S為輸出控制的揚聲器及次級聲源,MIC2為誤差傳感器,采集誤差信息。設P產生的源聲場為：


2 有源降噪系統的硬件設計

為實現此系統，其硬件設計框圖如圖2所示。

　　圖1中的傳聲器MIC1、MIC2拾取的噪聲信號和誤差信號，經過三極管放大后，進行防折疊濾波處理以及模-數轉換，將數字信號直接送入DSP和主機中，對實驗數據進行分析，將得到的控制信號進行數-模轉換，經平滑濾波、放大后驅動圖1中的揚聲器S,使控制信號和噪聲信號相疊加，完成有源降噪的過程。

2．1 ADSP-2111信號處理器

系統中數字信號處理器[3]選用AD公司的16位定點的ADSP-2111芯片，其核心結構如圖3所示,特點如下：

　　(1)ADSP-2111芯片采用哈佛結構，片內有6條總線(1條程序總線、2條數據總線、2條地址總線和1條DMA總線)，這種分離的程序總線和數據總線，可允許同時獲取指令字(來自程序存儲器)和操作數(來自數據存儲器)，而互不干擾。這樣可以在1個周期內同時準備好指令和數據，對于數字信號處理中的許多運算，要比一般的單片機速度快得多，這對于實時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，以減少指令的執行時間。執行一條指令要通過取指令、譯碼、取操作數和執行幾個階段，流水線操作使4條不同的指令處于激活狀態，這極大地提高了運算速度，體現了DSP的優越性能。同時，其內部含有硬件乘法/累加器，從硬件上實現了乘法器和累加器的并行工作，可在單指令周期內完成1次乘法并將運行乘積求和的運算。

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

2．2 ADSP-2111芯片的外圍電路[4]

(1)濾波器的設計

由于存在聲反饋，檢測傳聲器采用電容式的單指向性傳聲器MIC1和MIC2來拾取噪聲信號和誤差信號，信號經過三極管放大后，進行濾波處理。在A/D 變換前，需要設置1個模擬濾波器(即圖2中的防折疊濾波器)進行預濾波以限制信號帶寬，去掉高于1/2抽樣頻率以上的高頻分量，防止頻譜混疊現象的發生。本系統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輸出。本系統中的防折疊濾波器和平滑濾波器均選用開關電容濾波器ICMF-10，內藏2個二階濾波器，通過外部提供的時鐘脈沖及外接電阻，即可實現高通、低通、帶通、帶阻和全通等濾波器的功能，通用性較強，本系統應用其低通特性。

(2)數-模轉換的設計

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的要求。功率放大器采用低頻功率放大器TA7240AP，產生的控制信號驅動揚聲器，完成有源降噪的過程。

3 有源降噪系統的實驗研究

3．1 LMS 算法簡介

在有源降噪系統中，要求控制系統具有快速跟蹤能力，即控制速度應能跟上噪聲的變化，且有滿足應用要求的降噪量，所以控制算法要求具有自適應的特點，要求其收斂速度快、穩定性好；同時計算量小，便于實現。本系統采用LMS(Least Mean Square)自適應算法，以滿足系統要求。LMS算法的迭代公式為：

3．2 有源降噪系統的實驗研究

利用ADSP-2111高速實時信號處理器，采用自適應的LMS算法，對頻率為100 Hz~490 Hz的噪聲進行降噪實驗,初級傳感器位于噪聲源正前方0.05 m處,誤差傳聲器位于次級聲源正前方0.50 m處，取得的降噪效果如圖5所示，最大降噪量達到20 dB，這對于無源降噪來說是不可能達到的。

　　本文提出的由1個初級聲源和1個次級聲源組成的單極子兩源系統是基本的降噪模型,對于多極子系統可以認為是由一系列單極子兩源子系統組成的,因此,對于單極子兩源系統的研究有重要意義。將高速實時信號處理器DSP應用于有源降噪系統中，使降噪系統的實時性得到了進一步的提升；將有源降噪引入車輛艙室內的噪聲控制，取得了無源降噪無法實現的降噪效果。