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)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)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。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)，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)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基本的算法：均方誤差(LMS)算法和遞推二乘(RLS)算法。本文采用常用的的均方誤差算法，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。