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。

3 自適應(yīng)算法

自適應(yīng)濾波器除包括按照某種結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)字濾波器外，還有一套自適應(yīng)的算法。自適應(yīng)算法是根據(jù)某種判斷來設(shè)計濾波器的，其目標是使某一特定的函數(shù)最小化。自適應(yīng)算法的種類很多，根據(jù)其優(yōu)化準則的不同可分為兩類最基本的算法：最小均方誤差(LMS)算法和遞推最小二乘(RLS)算法。本文采用最常用的著名的最小均方誤差算法，即LMS 算法，這是由Widrow 和Hoff 提出的，是一種易于實現(xiàn)、性能穩(wěn)健、應(yīng)用廣泛的算法，其目標是通過調(diào)整系數(shù)，使輸出誤差序列的均方值最小化，并且根據(jù)這個判據(jù)來修改權(quán)系數(shù)。LMS 濾波算法寫成矩陣的形式為：

式中，W(n)為n 時刻自適應(yīng)濾波器的權(quán)矢量；，N 為自適應(yīng)濾波器的階數(shù)； X(n)為n 時刻自適應(yīng)濾波器的參考輸入矢量，由最近N 個信號采樣值構(gòu)成，。d (n)是期望的輸出值；e(n)為自適應(yīng)濾波器的輸出誤差調(diào)節(jié)信號(簡稱失調(diào)信號)；μ 是控制自適應(yīng)速度與穩(wěn)定性的增益常數(shù)，又叫收斂因子或步長因子。

4 MATLAB 建模及仿真分析

數(shù)字降噪耳機可以在很多場合將音頻信號中包含的外界環(huán)境噪聲進行噪聲消除。一個標準音頻信號往往包含著許多外界環(huán)境中的噪音，而由于噪音的隨機性和不可預(yù)測性，使得所期望得到的信號不再是周期性的標準信號。使用LMS 算法的自適應(yīng)濾波器能夠自適應(yīng)的進行信號分離，分離出信號中的噪聲成分，然后對其反相產(chǎn)生抵消噪聲的降噪信號與噪聲信號對消，以達到去掉噪聲的目的。下面用MATLAB 中的Simulink 工具對數(shù)字降噪耳機中DSP 降噪模塊自適應(yīng)濾波器進行建模并仿真。在建模過程中為了確保噪聲的相關(guān)性，首先讓噪聲通過了一個低通FIR 濾波器，然后再將其與標準音頻信號混合輸入到LMS 自適應(yīng)濾波器中，MATLAB/Simulink 仿真模型中標準音頻信號采用頻率0.05Hz 的正弦波，噪聲信號為隨機信號。MATLAB/Simulink 仿真模型如圖2 所示。將噪聲信號及音頻信號輸入到數(shù)字降噪自適應(yīng)濾波器之后將產(chǎn)生輸出信號和降噪信號，輸出信號為自適應(yīng)的跟蹤音頻信號，而降噪信號就可以把環(huán)境中的噪聲信號抵消掉，人的耳朵接收到的信號則變成較純凈的音頻信號。

圖 2 Simulink 中自適應(yīng)濾波器仿真

讓Simulink 仿真模型運行后，顯示結(jié)果如圖3 所示，通過仿真結(jié)果可知自適應(yīng)濾波器在數(shù)字降噪技術(shù)應(yīng)用中對噪聲的消除效果非常好，通過自適應(yīng)的調(diào)整濾波器參數(shù)，慢慢使降噪誤差逐漸減小。表明了數(shù)字降噪技術(shù)比模擬降噪技術(shù)具有很大的優(yōu)勢，降噪效果更加明顯。

3(a)輸入信號與輸出信號波形

圖3(b)噪聲信號與降噪信號波形

5 數(shù)字降噪自適應(yīng)濾波器的程序?qū)崿F(xiàn)

在數(shù)字降噪技術(shù)研究中，一般用到數(shù)字信號處理器(DSP)進行開發(fā)研究，而在設(shè)計過程中將模型應(yīng)用到DSP 之前，先將模型應(yīng)用MATLAB 語言編寫m 文件，然后再進一步轉(zhuǎn)換成DSP 所需要的C 語言或匯編語言程序。本文分別給出了LMS 算法迭代運算部分的MATLAB語言m 文件程序及DSP 開發(fā)工具件visualdsp++中的LMS 算法C 序。MATLAB 語言m 文件LMS 算法部分程序：

6 結(jié)論

本文論述了數(shù)字降噪技術(shù)比模擬降噪技術(shù)的優(yōu)勢以及數(shù)字降噪技術(shù)的典型應(yīng)用數(shù)字降噪耳機的設(shè)計。文中簡單介紹了數(shù)字降噪耳機降噪模塊自適應(yīng)濾波器設(shè)計的原理，自適應(yīng)LMS 算法。并且利用MATLAB 中Simulink 工具建立了LMS 自適應(yīng)噪聲消除的模型，實現(xiàn)了數(shù)字降噪耳機DSP 降噪模塊實現(xiàn)噪聲消除功能的自適應(yīng)濾波器的設(shè)計，對其進行了MATLAB 語言程序的編寫以及C 預(yù)言程序的編寫。仿真結(jié)果表明，此設(shè)計達到了很好的效果，后期可以實現(xiàn)了數(shù)字降噪耳機的功能設(shè)計，彌補了模擬降噪耳機設(shè)計中的不足，使降噪技術(shù)的發(fā)展又上了一個新的臺階。本文所設(shè)計的數(shù)字降噪耳機用到的DSP 芯片將采用中科院微電子研究所研發(fā)的“同心DSP 芯片”，該芯片為國家科技部“863”超大規(guī)模集成電路設(shè)計重大專項《32 位高性能嵌入式數(shù)字信號處理器（DSP）芯片設(shè)計與實現(xiàn)》重點科研項目（“同心1 號”嵌入式DSP 芯片）。利用本設(shè)計開發(fā)的產(chǎn)品實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之后預(yù)期年產(chǎn)值達到1億元，年利潤達到1000 萬元，并且逐年遞增。