調(diào)節(jié)有源消噪系統(tǒng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種調(diào)節(jié)ANC系統(tǒng)的方法，其中麥克風經(jīng)由次要路徑來聲學地連接至揚聲器，并且揚聲器經(jīng)由ANC濾波器來電連接至麥克風。所述方法包括測量各種操作模式中的次要路徑的相位特性；根據(jù)所測量的相位特性來確定各種操作模式中的相位特性的統(tǒng)計離差；根據(jù)統(tǒng)計離差來確定最小相位裕度；調(diào)節(jié)ANC濾波器以在任何一個操作模式中展現(xiàn)等于或大于最小相位裕度的相位特性；并且，調(diào)節(jié)ANC濾波器以在任何一個操作模式中展現(xiàn)等于或小于最大增益裕度的振幅特性。
【專利說明】調(diào)節(jié)有源消噪系統(tǒng)的方法

【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及一種調(diào)節(jié)ANC系統(tǒng)的方法，并且具體來說，涉及一種調(diào)節(jié)ANC系統(tǒng)以實現(xiàn)最大噪聲衰減的方法。
[0002]在反饋自動噪聲控制(ANC)系統(tǒng)中，麥克風經(jīng)由次要路徑來聲學連接至揚聲器，并且揚聲器經(jīng)由ANC濾波器來電連接至麥克風。反饋ANC系統(tǒng)尤其用于需要將麥克風與揚聲器相對接近地進行布置的配置中，如例如在ANC頭戴式耳機中的情況。不論具體的應(yīng)用為何，反饋ANC系統(tǒng)普遍地根據(jù)(加權(quán))靈敏度函數(shù)來調(diào)節(jié)，所述函數(shù)為產(chǎn)生干擾信號d[n]的噪聲源與接收誤差信號e[η]的麥克風之間的信號路徑的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)是基本上時間不變系統(tǒng)(例如，ANC系統(tǒng)的主要路徑)的輸入(例如，干擾信號d[η])與輸出(例如，誤差信號e[n])之間關(guān)系的就(時間)頻率而言的數(shù)學表示。
[0003]反饋ANC系統(tǒng)常常實施于模擬電路中和/或作為非適應(yīng)性濾波器，S卩，固定濾波器以使得對不同操作模式的后續(xù)適應(yīng)困難或甚至不可能。例如，在頭戴式耳機中，佩戴頭戴式耳機的不同用戶建立不同的次要路徑，并且因而產(chǎn)生不同操作模式。因此，在濾波器設(shè)計時，謹慎調(diào)節(jié)濾波器對于將要以不同操作模式操作的ANC系統(tǒng)的滿意性能來說是極其重要的。滿意性能是指例如在大頻帶中提供具有高噪聲衰減的穩(wěn)定控制環(huán)路。通常，最大限度地減少(加權(quán))靈敏度函數(shù)N(Z)被用來提供較高衰減。然而，以這種方式實現(xiàn)的性能常常被認為是不充分的。
[0004]需要提供一種調(diào)節(jié)ANC系統(tǒng)以實現(xiàn)最大噪聲衰減的改進方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明公開一種調(diào)節(jié)ANC系統(tǒng)的方法，其中麥克風經(jīng)由次要路徑來聲學連接至揚聲器，并且所述揚聲器經(jīng)由ANC濾波器來電連接至所述麥克風。所述方法包括測量各種操作模式中的次要路徑的相位特性；根據(jù)所測量的相位特性來確定各種操作模式中的相位特性的統(tǒng)計離差；根據(jù)統(tǒng)計離差來確定最小相位裕度；調(diào)節(jié)ANC濾波器以在任何一個操作模式中展現(xiàn)等于或大于最小相位裕度的相位特性；并且，調(diào)節(jié)ANC濾波器以在任何一個操作模式中展現(xiàn)等于或小于最大增益裕度的振幅特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]以下基于附圖中展示的示例性實施方案來更詳細地描述各種特定實施方案。除非另有說明，否則相似或相同部件在所有附圖中用相同參考數(shù)字來標記。
[0007]圖1是示出反饋ANC系統(tǒng)中的信號處理原理的方框圖。
[0008]圖2是可應(yīng)用圖1展示的有源降噪系統(tǒng)的耳機的示意圖。
[0009]圖3是示出調(diào)節(jié)ANC系統(tǒng)的改進方法的流程圖。
[0010]圖4是將相位角與不同用戶和不同頻率相聯(lián)系的示例性表格。
[0011]圖5是示出如圖4表格中列舉的測量值的示例性統(tǒng)計離差的圖表。
[0012]圖6是定義穩(wěn)定性裕度的奈奎斯特(Nyquist)圖。
[0013]圖7是定義穩(wěn)定性裕度的伯德(Bode)圖。

【具體實施方式】
[0014]現(xiàn)在參考圖1，其為示出反饋ANC系統(tǒng)中的信號處理原理的方框圖。在圖1的ANC系統(tǒng)中，誤差麥克風I經(jīng)由次要路徑3來聲學連接至揚聲器2，并且揚聲器2經(jīng)由反饋信號路徑4來電連接至麥克風1，所述反饋信號路徑4包括麥克風前置放大器5、具有傳遞函數(shù)W(Z)的后續(xù)ANC濾波器6和放大率A7可調(diào)節(jié)或可控制的后續(xù)揚聲器激勵放大器7。麥克風I和揚聲器2可布置在空間10中，例如，由耳機和用戶頭部封閉的空間。如本文使用的術(shù)語“揚聲器”是指將它接收的電信號轉(zhuǎn)換成它發(fā)射的聲信號的任何類型的換能器。因此，如本文使用的術(shù)語“麥克風”是指將它接收的聲信號轉(zhuǎn)換成它提供的電信號的任何類型的換能器。
[0015]麥克風I接收聲信號，所述聲信號主要由聲輸出信號y(t)和聲干擾信號d(t)組成。輸出信號y(t)是揚聲器2的由次要路徑3的傳遞函數(shù)S(Z)濾波的輸出信號，并且干擾信號d(t)是噪聲源8的由主要路徑9的傳遞函數(shù)P(z)濾波的輸出信號。根據(jù)這個所接收的聲信號I (t) -d (t)，麥克風I生產(chǎn)電誤差信號e (t)，所述電誤差信號e (t)由麥克風前置放大器5放大，然后作為放大誤差信號e‘(t) = A5e(t)供應(yīng)至后續(xù)ANC濾波器6。為了簡單起見，在考慮下述情況時，假定麥克風前置放大器5的放大率A5等于I以使得e ‘(t)=e(t)，但是需要時也可使用任何其它的適當值。
[0016]圖1展示的ANC系統(tǒng)可基于時域中的各種信號、在譜域中通過以下微分方程來描述，其中D(z)、E(z)和Y(Z)是時域中的信號d(t)、e(t)和y(t)的頻譜表示。
[0017]E(z) =D(z)-Y(z),
[0018]Y(z) =E(Z).W (z) *S(z)。
[0019]因此，作為干擾信號與誤差信號比率的靈敏度函數(shù)N(Z)可描述為:
[0020]N(z) =D (z)/E (z) = I/(1+ff (z).S(z)) = I/(1+H0L(Z)),
[0021]其中HQl(Z) =W(z).S(z)是反饋ANC系統(tǒng)的開環(huán)回路(open loop)的傳遞函數(shù)。
[0022]作為干擾信號d(t)與輸出信號y(t)比率的互補靈敏度函數(shù)T (Z)的微分方程相應(yīng)地是:
[0023]T(z) =D (z)/Y (z) = Hol(Z)/ (I+Hol(Z)) ?
[0024]當計算反饋ANC系統(tǒng)的魯棒(robust)穩(wěn)定性時,普遍地使用所謂H00或H2范數(shù)或兩者組合(H0VH2)15在H00范數(shù)中，開環(huán)回路在互補靈敏度函數(shù)T(Z)的絕對值的最大值方面得到優(yōu)化，以使得在考慮到解決次要路徑3起伏的不確定邊界B (Z)時，范數(shù)H00不超過I。
[0025]max (| T (ζ).B(z) |) = | T (z).B(z) | | ?〈1。
[0026]在H2范數(shù)中，遵照以下條件:
[0027]((1/2π}| _.B_2 IX(z)Idw).1.'2 = 1ΙΤ(ζ).Β(ζ)ΙΙ2 |_丨丨2 < I
釋O
[0028]如從以上兩個方程可以看出，H00范數(shù)與H2范數(shù)的可能最差情況有關(guān)，因為與考慮潛在干擾信號的特性并且代表ANC系統(tǒng)的平均放大率的H2范數(shù)相對比，所述H00范數(shù)與潛在干擾信號無關(guān)。
[0029]圖2示出可用于圖1展示的有源降噪系統(tǒng)的示例性耳機。耳機可與另一個相同耳機一起成為頭戴式耳機(未展示)的部分，并且可聲學連接至收聽者的耳朵11。在本發(fā)明實例中，耳朵11經(jīng)由主要路徑9暴露于干擾信號d[n]，例如，環(huán)境噪聲。耳機包括具有孔13的杯狀外殼12，所述孔13可由透聲覆蓋物，例如，格柵、網(wǎng)格或任何其它透聲結(jié)構(gòu)或材料來覆蓋。
[0030]揚聲器2向耳朵11發(fā)射聲音并且布置在外殼12的孔13處，所述揚聲器和所述外殼兩者形成耳機腔體14。腔體14可為不透氣的，或可通過任何手段，例如，借助于出入口、通氣口、開口等來通氣。麥克風I定位在揚聲器2前方。聲路徑15從揚聲器2延伸至耳朵11，并且具有對于噪聲控制目的來說與從揚聲器2延伸至麥克風I的次要路徑3的傳遞特性近似的傳遞特性。在本發(fā)明示例性耳機中，空間10由外殼12、揚聲器2的前側(cè)、頭枕16和用戶的耳朵11 (包括耳道17)來封閉。
[0031]圖3是示出調(diào)節(jié)(反饋)ANC系統(tǒng)(例如，圖1的系統(tǒng))的改進方法的流程圖，其中麥克風(例如，麥克風I)經(jīng)由次要路徑(例如，次要路徑3)來聲學連接至揚聲器(例如，揚聲器2)，并且揚聲器經(jīng)由ANC濾波器(例如，ANC濾波器6)來電連接至麥克風。
[0032]在所述改進方法中，測量在各種操作模式中的次要路徑(3)的相位特性(圖3的步驟A)。例如在頭戴式耳機中，不同操作模式可由佩戴頭戴式耳機的不同用戶以不同方式來確立，從而建立不同次要路徑。在車廂中，不同乘客或許多不同乘客可建立不同次要路徑。對于多種不同操作模式(例如，針對不同用戶)，執(zhí)行至少一次測量并且就相位特性，即相位相比于頻率來進行統(tǒng)計評估。在圖4中，展示示例性表格，所述表格將已針對不同用戶，即用戶1...P測量的相位角與不同頻率f\...fq相聯(lián)系。表格中的值已通過在頻率f\...f,中每一個頻率下測量針對用戶1...P中每一個用戶的次要路徑的相位角來測定。如果對每個用戶和頻率進行一次以上的測量，那么中值平均值或任何其它類型的平均值可用作每個用戶和頻率的單值。
[0033]根據(jù)所測量的相位特性(相位相比于頻率)確定各種操作模式中的相位特性的統(tǒng)計離差(圖3中的步驟B)。統(tǒng)計離差也稱為統(tǒng)計可變性或變化，它是變量或概率分布的可變性或展開范圍(spread)。統(tǒng)計離差的量度的常見實例是方差、標準偏差和四分位數(shù)間距。在本發(fā)明示例中，這種可變性由不同操作模式的測量值(包括測量誤差)所產(chǎn)生。如在圖4的表格中列舉的所測量相位角(Pu…9Pq的示例性統(tǒng)計離差展示于圖5中，其中對于頻率f\...fq中每一個頻率，提供每個相位角的多個用戶的離差。
[0034]根據(jù)統(tǒng)計離差來確定最小相位裕度(圖3中的步驟C)。這可通過以下方式來實現(xiàn):對于次要路徑中的每一個(每個操作模式的次要路徑)建立伯德圖，隨后確定最差情況的幅值特性(幅值相比于頻率)和/或相位特性(相位相比于頻率)，例如，通過提供相位特性來確定，所述相位特性包括在多個頻率的每個頻率下最接近0°和360°處的穩(wěn)定性極限的那些相位值。
[0035]根據(jù)360°處較低穩(wěn)定性極限下的離差，例如通過將每個分布展開范圍乘以常數(shù)來確定相位裕度。增益裕度可基于幅值特性在多個頻率的每個頻率下的(頻率依賴性)分布展開范圍來確定。然而，這個值還可用于評估在給定濾波器設(shè)計的情況下增益可減少的程度，以便實現(xiàn)濾波器的較高穩(wěn)定性或魯棒性，并且其中增益裕度盡可能小，例如，等于或小于 IdB 或 0.5dB 或 0.25dB。
[0036]為了提高測量值的精確度，麥克風I可布置于耳道17中，如圖2所示(指示為I’)。此外，振幅裕度或相位裕度或兩者可與頻率無關(guān)。
[0037]如果環(huán)路傳遞函數(shù)變化，那么漸近穩(wěn)定的反饋系統(tǒng)可變?yōu)樵６壬戏€(wěn)定的。增益裕度GM(也稱為振幅裕度)和相位裕度PM(弧度或度φ.)是穩(wěn)定性裕度，這些穩(wěn)定性裕度以其自有方式表示在漸近穩(wěn)定的系統(tǒng)變?yōu)樵６壬戏€(wěn)定之前可容許的參數(shù)變化大小。
[0038]圖6展示在奈奎斯特圖中定義的穩(wěn)定性裕度。GM是在L曲線(奈奎斯特圖)穿過臨界點ω。之前L可在ω.處容許的增益的(乘法，而非加法)增加。因此，
[0039]I L (j ω 180) I.GM = I
[0040]得出
[0041 ] GM = I/ I L (j ω 180) = I/ ReL (j ω 180)
[0042]由此得出后一種表達式，因為在ω.處，虛部ImL(S) = O以使得振幅等于實部ReL(S)的絕對值。
[0043]如果使用分貝作為單位，如在伯德圖中的情況，那么
[0044]GM [dB] = -1 L (j ω 180) | [dB]
[0045]相位裕度PM是在L曲線穿過臨界點之前L曲線在ω。處可容許的相位減少。因此，
[0046]arg L (j ω c)-PM =-180。
[0047]得出
[0048]PM = 180° +arg L(jcoc)。
[0049]因此，反饋(閉合)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的，只要
[0050]GM>0dB = I 并且 ΡΜ>0°。
[0051]這個標準常常指示伯德-奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。因此，閉環(huán)系統(tǒng)是裕度上穩(wěn)定的，只要奈奎斯特曲線(L)穿過臨界點，所述臨界點為奈奎斯特圖中的點(_1，0)。
[0052]在伯德圖中，臨界點具有相位(角)-180°并且振幅I = OdB。因此，臨界點構(gòu)成伯德圖中的兩條線:振幅圖中的OdB線和相位圖中的-180°線。圖7展示漸近穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)的典型L曲線。
[0053]穩(wěn)定性裕度的普遍使用范圍是
[0054]2 ^ 6dB ^ GM ^ 4 ^ 12dB 并且 30° ≤ PM ≤ 60°。
[0055]值越大，穩(wěn)定性越好，但是同時系統(tǒng)動態(tài)地變得更緩慢。如果穩(wěn)定性裕度用作設(shè)計標準，那么以下值普遍地適用:
[0056]GM ^ 2.5 ^ 8dB 并且 PM ≤ 45°
[0057]盡管如此，本發(fā)明的ANC濾波器6被調(diào)節(jié)(設(shè)計)來使得它在任何一個操作模式中展現(xiàn)等于或大于在步驟C (圖3的步驟D)中確定的最小相位裕度PM的相位特性，所述最小相位裕度PM可為40°或30°或甚至低于30°。
[0058]ANC濾波器6還被調(diào)節(jié)(設(shè)計)來在任何一個操作模式中展現(xiàn)等于或小于最大振幅裕度(圖3中的步驟E)的振幅特性。
[0059]根據(jù)定義，穩(wěn)定性裕度表示反饋控制系統(tǒng)抵抗環(huán)路傳遞函數(shù)的某些參數(shù)變化的魯棒性。增益裕度GM是在系統(tǒng)變得不穩(wěn)定之前環(huán)路增益K可增加的程度。相位裕度PM是在環(huán)路變得不穩(wěn)定之前環(huán)路的相位滯后函數(shù)可減少的程度。
[0060]增益裕度GM可以與相位裕度PM類似的方式、根據(jù)統(tǒng)計離差來確定?；蛘?，增益裕度GM可保持盡可能小以使得系統(tǒng)接近裕度穩(wěn)定性或甚至不穩(wěn)定性。另外，可使用(小的)固定最大增益裕度GM，例如，GM≤IdB或0.5dB或甚至0.25dB。然后通過使環(huán)路增益K減少一個值來實現(xiàn)所需魯棒性，所述值是根據(jù)統(tǒng)計離差來確定。
[0061]ANC濾波器的調(diào)節(jié)(設(shè)計)是通過以下方式完成:相應(yīng)地設(shè)計或調(diào)節(jié)ANC濾波器6的傳遞函數(shù)W(Z)以使得滿足以上概述的所有要求。應(yīng)指出的是，步驟順序(A至E)和步驟本身可改變。另外，可根據(jù)具體情況來增加或減少步驟的數(shù)目。
[0062]雖然已經(jīng)公開實現(xiàn)本發(fā)明的各種實例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白可做出的各種變化和修改，這些變化和修改將在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下實現(xiàn)本發(fā)明的一些優(yōu)點。對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，執(zhí)行相同功能的其它步驟和措施可在適當時加以替換。具體地說，步驟順序和步驟本身可加以改變。本發(fā)明概念的這類修改意圖由附加權(quán)利要求書涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種調(diào)節(jié)ANC系統(tǒng)的方法，其中麥克風經(jīng)由次要路徑聲學連接至揚聲器，并且所述揚聲器經(jīng)由ANC濾波器電連接至所述麥克風；所述方法包括: 測量各種操作模式中的所述次要路徑的相位特性； 根據(jù)所測量的相位特性來確定所述各種操作模式中的所述相位特性的統(tǒng)計離差； 根據(jù)所述統(tǒng)計離差來確定最小相位裕度；并且 調(diào)節(jié)所述ANC濾波器以在任何一個所述操作模式中展現(xiàn)等于或大于所述最小相位裕度的相位特性，并且 調(diào)節(jié)所述ANC濾波器以在任何一個所述操作模式中展現(xiàn)等于或小于最大增益裕度的振幅特性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述最大增益裕度根據(jù)所述統(tǒng)計離差來確定。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述最大增益裕度被保持得小到使得所述系統(tǒng)接近于裕度穩(wěn)定性或不穩(wěn)定性。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述最大增益裕度等于或小于IdB或0.5dB或0.25dB0
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述系統(tǒng)具有環(huán)路增益，所述環(huán)路增益減少了根據(jù)所述統(tǒng)計離差所確定的值。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中所述振幅裕度或所述相位裕度或兩者都是與頻率無關(guān)的。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其中所述麥克風可布置在耳道中。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其中根據(jù)所測量的相位特性來確定所述各種操作模式中的所述相位特性的統(tǒng)計離差包括:確定最差情況幅值特性和/或最差情況相位特性。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述相位特性包括在多個頻率的每個頻率下最接近0°和360°處的穩(wěn)定性極限的那些相位值。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其中所述相位裕度是根據(jù)360°處較低穩(wěn)定性極限下的所述離差來確定。
11.如權(quán)利要求6至10中任一項所述的方法，其中所述相位裕度通過將每個分布展開范圍乘以常數(shù)來確定。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項所述的方法，其中所述增益裕度可基于所述幅值特性在多個頻率的每個頻率下的所述分布展開范圍來確定。
【文檔編號】G10K11/178GK104081452SQ201380007541
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月31日
【發(fā)明者】M.克里斯托夫 申請人:哈曼貝克自動系統(tǒng)股份有限公司