[发明专利]基于M‑估计的冲击类噪声有源控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于M-估计的冲击类噪声有源控制方法，具体涉及一种针对冲击类噪声的自适应主动控制算法，尤其是对冲击类噪声的前馈自适应控制系统。

背景技术

主动噪声控制技术(ANC，Active Noise Control)逐渐成为抑制低频噪声问题的主要手段，尤其是数字信号处理器(DSP)的发展极大地促进了ANC技术的商业化。ANC的基本原理是由控制系统放出与噪声波形幅度相等、相位相反的次级声波进行相互干涉抵消。经典的ANC主动控制系统一般用自适应滤波器来作为控制器，通过滤波最小均方算法(FXLMS，Filtered-x Least Mean Square)来不断调节滤波器参数。然而，FXLMS算法的提出是基于噪声信号的二阶统计矩(均方误差，E[e²(n)])，一般假设信号是确定性的或者统计上服从高斯分布。因此，FXLMS算法对于很多带有冲击性的噪声收敛性能将会很差，控制系统极易失稳。

为了解决这一难题，很多学者提出了相应的改进算法：一类是采用稳健的误差统计矩。1995年，Leahy等人提出了最小均方p范数(FXLMP，Filtered-x Least Meanp-norm)算法(R.Leahy,Z.Zhou,and Y.-C.Hsu,"Adaptive filtering of stable processes for active attenuation of impulsive noise,"in Acoustics,Speech,and Signal Processing,1995.ICASSP-95.,1995International Conference on,1995,pp.2983-2986vol.5.)，该算法是基于误差信号的分数阶矩E[|e(n)|^p](而不是二阶矩)，对于冲击类噪声具有很好的稳定性。但是，不足之处是需要对噪声信号进行预先的统计估计(非高斯α稳态分布)以较精确地确定p值以及由范数计算引起的DSP大量计算量。因此，2011年南京大学声学所的吴等人用误差信号的对数变换的均方值作为罚函数(L.Wu,H.He,and X.Qiu,"An Active Impulsive Noise Control Algorithm With Logarithmic Transformation,"Audio,Speech,and Language Processing,IEEE Transactions on,vol.19,pp.1041-1044,2011.)，提出了基于对数变化的脉冲类噪声自适应控制算法，并且在2014年获得专利授权，公告号为CN101789771B。该算法无需要预先估计脉冲信号的统计特征，便于实际应用。但是，对数变换的误差值计算也会带来巨大的计算成本，不过吴等人提出可以预先存储对数变化的值通过查表的方式避免在实时计算中的运算量。2007年,Thanigai等人提出了最小均方M-估计算法(FXLMM，the filtered-x least mean M-estimate)，该算法使用误差信号的稳健M-估计罚函数E[ρ{e(n)}]来代替传统的最小均方(P.Thanigai,S.M.Kuo,and R.Yenduri,"Nonlinear active noise control for infant incubators in neo-natal intensive care units,"2007Ieee International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing,Vol I,Pts1-3,Proceedings,pp.109-112,2007.)，典型的HampleM-估计通过非线性分段函数来去除冲击信号对收敛过程的扰动。但是，当参考信号通道的脉冲信号与误差信号通道具有延时情况出现时，算法的鲁棒性会大大下降。另一类改进算法是通过引入冲击信号的阈值对经典的FXLMS算法进行简单的修改。2006年，Sun等人提出了改进的FXLMS算法用于冲击类噪声控制(X.Sun,S.M.Kuo,and G.Meng,"Adaptive algorithm for active control of impulsive noise,"Journal of Sound and Vibration,vol.291,pp.516-522,2006.)，主要是在误差信号通道上引入了统计阈值来约束过大样本值对算法收敛性的干扰。同样，Akhtar等人扩展了Sun的方法(M.T.Akhtar and W.Mitsuhashi,"Improving performance of FxLMS algorithm for active noise control of impulsive noise,"Journal of Sound and Vibration,vol.327,pp.647-656,2009.)，在参考信号和误差信号通道都引入了统计阀值，该阀值的功能不仅是舍弃大幅值的信号量，而是用统计信号的上下限值来替代冲击数据，因此可以更大程度地提高算法的稳定性和稳态性能。