數(shù)字降噪耳機中自適應(yīng)濾波器的設(shè)計實現(xiàn)

摘要：隨著社會工業(yè)生產(chǎn)的不斷進步，各種噪聲污染越來越嚴重。目前普遍采用的模擬降噪方法已不能滿足要求，未來的研究將朝著以數(shù)字信號處理器及相關(guān)算法為技術(shù)支撐的數(shù)字降噪技術(shù)發(fā)展，其中一個重要應(yīng)用則為數(shù)字降噪耳機的設(shè)計。數(shù)字降噪耳機設(shè)計主要是通過自適應(yīng)濾波器來實現(xiàn)的。文中采用LMS 算法在MATLAB 中實現(xiàn)了自適應(yīng)濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)。在MATLAB 中建立了數(shù)字降噪耳機系統(tǒng)模型，并且針對該模型利用MATLAB 語言進行編程及C 語言編程。模型以及程序仿真結(jié)果表明此設(shè)計實現(xiàn)了對信號中混有的環(huán)境噪聲進行降噪，并且效果遠遠高于模擬降噪技術(shù)。

　　1 引言

　　降噪耳機是降噪技術(shù)的一個重要應(yīng)用。我國的降噪技術(shù)研究始于 80 年代初期，采用的手段主要有三種，其中的動態(tài)降噪技術(shù)(DNR)又可以分為模擬動態(tài)降噪技術(shù)和數(shù)字動態(tài)降噪技術(shù)。目前國內(nèi)外解決噪聲問題最普遍的方法是采用模擬動態(tài)降噪技術(shù)，數(shù)字降噪技術(shù)的研究尚處于初期階段。數(shù)字降噪技術(shù)比模擬降噪技術(shù)具有更大的優(yōu)點。模擬降噪技術(shù)全采用硬件實施，修改和調(diào)試十分困難，對元器件參數(shù)的變化也很敏感，技術(shù)指標受元器件的誤差影響較大，降噪效果不穩(wěn)定，不利于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。而數(shù)字降噪技術(shù)由于采用計算機技術(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)濾波，通過修改軟件算法就可以達到不同的降噪效果，不用更改硬件結(jié)構(gòu)，調(diào)試和維修都非常方便；數(shù)字降噪技術(shù)采用自適應(yīng)濾波技術(shù)，可以實時跟蹤噪聲的變化進一步進行處理，因此降噪效果較好。另外，數(shù)字降噪技術(shù)抗干擾能力強，本身具有自恢復(fù)能力，并且在整個音頻帶內(nèi)降噪比較均衡，而模擬降噪技術(shù)偏重于低頻段，高頻段效果較差。因此降噪技術(shù)未來的發(fā)展方向是數(shù)字降噪技術(shù)，以數(shù)字信號處理(DSP)及其相關(guān)算法為技術(shù)支撐的數(shù)字降噪技術(shù)代表著當(dāng)今降噪技術(shù)的發(fā)展。

　　目前市場上的降噪耳機產(chǎn)品主要是模擬降噪耳機，數(shù)字降噪耳機只有日本 SONY 公司開發(fā)的一款產(chǎn)品，因此數(shù)字降噪耳機的設(shè)計在國內(nèi)屬于領(lǐng)先技術(shù)。數(shù)字降噪耳機的系統(tǒng)原理是通過數(shù)字降噪耳機中的麥克風(fēng)裝置直接檢測出噪聲信號和音頻信號的混合信號，然后將混合信號通過DSP 數(shù)字降噪模塊進行噪聲分離并產(chǎn)生降噪信號來抵消噪聲，因此人耳就可以只聽到較純凈的音頻信號而不受環(huán)境噪聲的干擾。本文采用最小均方誤差(LMS)算法，實現(xiàn)了數(shù)字降噪DSP 中消除噪聲的模塊自適應(yīng)濾波器的設(shè)計，介紹了其在MATLAB 中Simulink建模及仿真輸出，并通過程序?qū)崿F(xiàn)了設(shè)計。

　　2 自適應(yīng)濾波器設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字降噪耳機中 DSP 數(shù)字降噪模塊是通過自適應(yīng)濾波器來實現(xiàn)的，自適應(yīng)濾波器具有跟蹤信號和噪聲變化的能力，濾波器的特性也隨信號和噪聲的變化而變化，以達到最優(yōu)濾波效果。自適應(yīng)濾波器可以利用前一時刻獲得的濾波器系數(shù)，自動地調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲位置的統(tǒng)計特性，從而實現(xiàn)最優(yōu)濾波。自適應(yīng)濾波器的研究始于20 世紀50 年代末，是關(guān)于信號處理方法和技術(shù)的濾波器。自適應(yīng)濾波器能夠得到比較好的濾波性能，當(dāng)輸入信號的統(tǒng)計特性變化時，自適應(yīng)濾波器能夠自動的迭代調(diào)節(jié)自身的濾波器參數(shù)，以滿足某種準則的要求，從而實現(xiàn)最優(yōu)濾波。自適應(yīng)濾波器的特性變化是由自適應(yīng)算法通過調(diào)整濾波器的系數(shù)實現(xiàn)的。所以，自適應(yīng)濾波器一般都由兩部分組成：一是參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)，它是為完成期望的處理功能而設(shè)計；二是自適應(yīng)算法，它調(diào)節(jié)濾波器系數(shù)以改進性能。自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1：自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖一般形式

　　圖 1 中，噪聲信號通過參數(shù)可調(diào)的濾波器后產(chǎn)生輸出信號y(n)，d (n)表示期望信號，由音頻信號和噪聲混合組成，y(n)與期望信號d (n)進行比較，得到誤差信號e(n)。e(n) 和噪聲通過自適應(yīng)算法對濾波器的參數(shù)進行調(diào)整，使自適應(yīng)濾波器輸出效果達到最好。重復(fù)上面過程，濾波器逐漸了解到關(guān)于輸入信號和噪聲的統(tǒng)計規(guī)律，并以此為根據(jù)自動調(diào)整自己的參數(shù)，從而達到最佳的濾波效果。一旦輸入信號的統(tǒng)計規(guī)律發(fā)生了變化，濾波器能夠自動跟蹤輸入信號的變化，自動調(diào)整濾波器的參數(shù)，最終達到濾波效果，實現(xiàn)自適應(yīng)過程。當(dāng)噪聲信號和混有噪聲的音頻信號通過自適應(yīng)濾波器之后，可以將環(huán)境中的噪聲分離出來，并且自適應(yīng)跟蹤環(huán)境噪聲變化，進而產(chǎn)生降噪信號從而實現(xiàn)噪聲消除。