多通道有源噪声控制系统设计

　　有源噪声控制(active noise control——ANC)是通过人为产生的同频、等幅、反相的次级声场与初级声场相互干涉来实现噪声的抵消。实际应用中,为了在控制区域获得良好的抵消效果,次级声场的设计应与初级声场满足时间和空间的匹配。应用多通道自适应控制系统能够较好地满足两声场的这种匹配要求。

　　有源噪声控制系统由传声器,控制器和扬声器等组成。置于初级声场的传声器阵列将感受到的噪声信号输入具有实时特性的控制器,经过滤波后输出到扬声器阵列,产生抵消声场。控制器实质上是一个实时数字信号处理系统,它实现噪声抵消的多通道滤波,以及自适应滤波器权系数刷新等任务。

　　有源噪声控制的概念提出已有60多年的历史,但只有到了80年代末90年代初,由于电子技术的飞速发展,才使得这一技术有可能被应用于工业实际[1]。目前多通道有源噪声控制系统的设计仍然是一个挑战。本文基于实时数字信号处理系统理论[2],讨论应用于有源噪声控制的多通道系统设计方法。

　　1　多通道数字信号处理系统

　　在有源噪声控制的应用中,控制器为一多路信号同时刻输入输出的实时数字信号处理系统,系统采样由外接参考信号触发,要求在一个采样间隔内完成信号的采集、传输、处理、和输出。图1为典型的信号时序图。

　　图中,T为由参考信号确定的外部采样时间间隔。t1为信号的采样和传输时间,t2为处理算法所需的时间,t3为处理后的控制信号转换为模拟信号并传输到输出的时间。为了满足实时的需要,应有

　　通常还要求t3必须在下一个脉冲到来前完成。基于这种时序关系,对系统各部分的设计考虑讨论如下。

　　1.1　信号输入通道

　　在信号采样和传输时间t1间隔内,首先要对多通道的信号同步保持,并进行A/D变换和码制转换并传输到DSP中。t1的长短与输入通道的结构有较大关系。

　　为了保证多路信号的同时采集,通常有两类多通道输入结构可选。一种不采用多路转换,每一个通道都需要一个A/D以及相应的可编程增益放大器(PGA)。

　　另一种是采用多路转换的输入结构。输入信号首先由多个采样/保持器保持,再经多路开关分别选择,最后由多个输入通道共享的PGA和A/D放大和转换。显然在完成相同功能的前提下,多路转换结构所用的元件较少,系统结构简单,在输入通道较多时这是十分重要的。但所用的A/D和PGA控制指令比较多,对于有N个输入通道的系统,t1差不多是非多路转换结构的N倍。

　　1.2　信号处理单元

　　在时间t2内系统要完成对信号的接收、处理和数据传输等任务。在此的信号处理任务就是滤波器滤波和系数刷新。多通道自适应算法FXLMS的运算量与输入输出通道数以及所控噪声的模态数有关。若输入通道为N,输出通道为L,完成一次处理需要2LN+4L次乘法和2LN+3L次加法运算,若控制的噪声模态为K个时,其运算量需要增加K倍,并加上信号合成时所需的加法运算KL,即K×(4LN+7L)+KL。显然随着通道数和所控模态的增加,t2内要完成的运算量会急剧增加。