一種模擬反饋有源降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種模擬反饋有源降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)方法，其特征為：基于H∞技術(shù)綜合優(yōu)化的控制器頻率特性；先數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的控制器頻率特性，再擬合數(shù)字濾波器的頻率特性為低階的連續(xù)域傳遞函數(shù)；用廣義二階GIC電路實(shí)現(xiàn)所得的低階連續(xù)域傳遞函數(shù)。其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：(1)基于H∞技術(shù)綜合優(yōu)化的控制器頻率特性，保證了降噪性能的優(yōu)化和系統(tǒng)的魯棒性；(2)先數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的控制器頻率特性，再擬合數(shù)字濾波器的頻率特性為低階的連續(xù)域傳遞函數(shù)，保證了控制器的最小相位特性；(3)應(yīng)用廣義二階GIC電路可實(shí)現(xiàn)任意零極點(diǎn)位置的二階穩(wěn)定系統(tǒng)傳遞函數(shù)，且具有低靈敏度特性，物理可實(shí)現(xiàn)性好。
【專利說明】 一種模擬反饋有源降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)方法
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及反饋有源噪聲控制系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)方法，主要是對有源降噪耳機(jī)提出了一種模擬反饋設(shè)計(jì)方法。
二、【背景技術(shù)】
[0002]有源耳機(jī)作為一種聽力保護(hù)裝置，其結(jié)構(gòu)如附圖1所示，由傳聲器、電路(包括前置放大電路、控制電路和功率放大電路)、次級源(揚(yáng)聲器)組成。其降噪設(shè)計(jì)多基于反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通常是給定設(shè)計(jì)目標(biāo)，應(yīng)用一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到優(yōu)化的控制器頻率特性，采用數(shù)字反饋或模擬反饋實(shí)現(xiàn)。
[0003]數(shù)字反饋具有靈活性高,易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。Rafaely等應(yīng)用H2性能標(biāo)準(zhǔn)和H00約束設(shè)計(jì)了數(shù)字反饋控制器(Rafaely B.and Elliott S.J..E2ZE00 Active Control of Sound ina Headrest:Design and Implementation[J].1EEE Transactions on Control SystemsTechnology, 1999 (7):79-84.), Zhang等應(yīng)用水床展平方法設(shè)計(jì)了數(shù)字反饋控制器(ZhangL., Wu L.and Qiu X.An Intuitive Approach for Feedback Active Noise ControllerDesign, Applied Acoustics, 2013 (74):160-168.)。然而由于數(shù)字反饋的時(shí)延會導(dǎo)致降噪性能下降和穩(wěn)定性問題，且成本較模擬反饋的高，多數(shù)有源耳機(jī)采用模擬反饋實(shí)現(xiàn)。模擬反饋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何用模擬電路實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的控制器頻率特性。
[0004]專利200510033638.6采用二階低通濾波器、放大器和全通移相器實(shí)現(xiàn)耳機(jī)反饋閉環(huán)消噪。專利200710001442.8采用二階低通濾波和放大電路實(shí)現(xiàn)有源耳機(jī)降噪。專利200910238545.5采用一階電阻電容濾波和反饋回路增益單元實(shí)現(xiàn)耳機(jī)的主動消噪。專利200910253182.2采用兩級陷波和放大電路實(shí)現(xiàn)耳機(jī)的反饋消噪。上述專利中均未給出如何得到優(yōu)化的控制器頻率特性和所采用電路中的參數(shù)是如何設(shè)計(jì)的。
[0005]Yu等采用H2范數(shù)最小化平均聲功率設(shè)計(jì)控制器并采用4階模擬濾波電路實(shí)現(xiàn)(Yu S.H.and Hu J.S..Controller Design for Active Noise Cancellation HeadphonesUsing Experimental Raw Data[J].1EEE/Asme Transcations on Mechatronics,2001(6):483-490.)，但并未給出具體的4階模擬反饋電路形式。PaweIczyk采用多參數(shù)優(yōu)化與大量搜索方法設(shè)計(jì)了 4階模擬反饋控制器，并采用一雙二階開關(guān)電容狀態(tài)變量濾波器MFlO 實(shí)現(xiàn)(Pawelczyk M..Analogue Active Noise Control of Acoustic Noise at aVirtual Location[J].1EEE Transactions on Control Systems Technology,2009(17):456-472.)。Bai等基于H技術(shù)與線性變換設(shè)計(jì)了連續(xù)域控制器，將其轉(zhuǎn)換為一階、二階級聯(lián)形式并采用基于單運(yùn)放的一階單元，二階單元串接實(shí)現(xiàn)了前面五階電路(Bai M.and LeeD., Implementation of an Active Headset by Using the H00 Robust Control Theory,Journal ofAcoustical Society of America, 1997 (102):2184-2190.)。以上文獻(xiàn)中未詳細(xì)給出如何把優(yōu)化的控制器頻率特性轉(zhuǎn)換為低階的連續(xù)域傳遞函數(shù)形式，而這一步是模擬電路實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制器的關(guān)鍵。此外，給定的模擬電路單元不能實(shí)現(xiàn)任意零極點(diǎn)位置的二階穩(wěn)定系統(tǒng)傳遞函數(shù)。若二階穩(wěn)定系統(tǒng)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)位置不當(dāng)，會導(dǎo)致指定的單元電路實(shí)際電路參數(shù)為負(fù)值，物理上不可實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)優(yōu)化的控制器得到的模擬反饋控制器的傳遞函數(shù)零極點(diǎn)位置是任意的，這就需要一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)任意零極點(diǎn)位置的模擬電路單元。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]1、發(fā)明目的:提出一種模擬反饋有源降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)方法，這種方法包含了優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)、低階的連續(xù)域傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換和模擬電路實(shí)現(xiàn)三部分內(nèi)容，且給出的廣義二階GIC(通用阻抗變換,General Impedance Converter)電路單元可實(shí)現(xiàn)任意零極點(diǎn)位置的二階穩(wěn)定系統(tǒng)傳遞函數(shù)，并具有低靈敏度特性，因此該方法具有設(shè)計(jì)性能優(yōu)化，魯棒性強(qiáng)和物理可實(shí)現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)。
[0007]2、技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出基于H00技術(shù)、頻率特性擬合和廣義二階GIC電路實(shí)現(xiàn)有源降噪耳機(jī)模擬反饋的設(shè)計(jì)，包括以下步驟:
[0008](I)測試耳機(jī)正常佩戴時(shí)次級路徑的頻率特性，稱為標(biāo)稱次級路徑。
[0009]次級路徑為附圖1所示的B點(diǎn)相對于A點(diǎn)的路徑，包括功率放大電路、揚(yáng)聲器、揚(yáng)聲器至傳聲器的聲學(xué)路徑、傳聲器和前置放大電路。測試次級路徑的方法是將測試設(shè)備的輸出信號接功率放大電路的輸入端，前置放大電路輸出接測試設(shè)備的輸入端。對測試設(shè)備的輸出信號與輸入信號做FFT分析得到次級路徑的頻率特性。
[0010](2)應(yīng)用控制論中的狀態(tài)空間模型擬合標(biāo)稱次級路徑，得到標(biāo)稱次級路徑模型G。
[0011](3)設(shè)定性能指標(biāo)加權(quán)函數(shù)W1, IwiG ω) I > I對應(yīng)噪聲抑制，W1 (j^) | < I對應(yīng)水床放大。
[0012](4)設(shè)定輸入加權(quán)函數(shù)W2，其功能是去除控制輸入中的高頻成分。
[0013](5)設(shè)定模型攝動加權(quán)函數(shù)W3，加權(quán)函數(shù)W3增益越大，穩(wěn)定裕量相應(yīng)地越大。
[0014](6)由標(biāo)稱次級路徑模型和加權(quán)函數(shù)得到增廣對象模型P，表示為
【權(quán)利要求】
1.一種模擬反饋有源降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于它包括以下步驟: (1)測試耳機(jī)正常佩戴時(shí)次級路徑的頻率特性，稱為標(biāo)稱次級路徑； (2)應(yīng)用控制論中的狀態(tài)空間模型擬合標(biāo)稱次級路徑，得到標(biāo)稱次級路徑模型G； (3)設(shè)定性能指標(biāo)加權(quán)函數(shù)巧，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定為帶通濾波器； (4)設(shè)定輸入加權(quán)函數(shù)W2，設(shè)定為le-5； (5)設(shè)定模型攝動加權(quán)函數(shù)W3,加權(quán)函數(shù)W3增益越大，穩(wěn)定裕量相應(yīng)地越大，設(shè)定為一常數(shù)； (6)由標(biāo)稱次級路徑模型和加權(quán)函數(shù)得到增廣對象模型P，表示為

【文檔編號】G06F17/50GK103632009SQ201310674036
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】張麗敏, 鄒海山, 盧晶, 邱小軍 申請人:南京大學(xué)