DE69128221T2

DE69128221T2 - Akustische adaptive Vorrichtung zur Löschung von Geräuschsignalen.

Info

Publication number: DE69128221T2
Application number: DE69128221T
Authority: DE
Inventors: Paul L Feintuch
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1990-08-16
Filing date: 1991-08-07
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2011-08-08
Also published as: EP0471290B1; CA2047524C; CA2047524A1; EP0471290A2; DE69128221D1; EP0471290A3; US5117401A; JPH04254894A; JP2618121B2

Description

HINTERGRUND

Die vorliegende Erfindung betrifft adaptive Geräuschunterdrückungsvorrichtungen im allgemeinen und im besonderen aktive adaptive Geräuschunterdrücker, die keinen Übungsbetrieb benötigen.
Derzeitige aktive adaptive Geräuschunterdrückungssysteme verwenden den sogenannten "Gefiltert-X-LMS"-Algorithmus und verlangen, daß ein potentiell sehr unangenehmer Übungsbetrieb angewandt wird, um die übertragungsfunktion eines in dem System verwendeten Lautsprechers und Mikrophons zu erlernen.
Alle früher bekannten aktiven Geräuschunterdrückungssysteme benutzen den Übungsbetrieb, um die Übertragungsfunktionen der in ihren Systemen verwendeten Lautsprecher und Mikrophone zu erlernen. Sowie sich der physikalische Zustand ändert, muß erneut geübt werden. Bei einer Fahrzeuganwendung muß z.B. der Übungsbetrieb jedesmal neu eingeleitet werden, wenn ein Fenster geöffnet wird, ein weiterer Fahrgast das Auto besteigt oder wenn sich das Fahrzeug während des Tages erwärmt.
Zur Einleitung, das Ziel bei der aktiven Geräuschunterdrückung ist, eine Wellenform zu erzeugen, die eine lästige Geräuschquelle umkehrt und sie an irgendeiner Stelle im Raum unterdrückt. Dies wird als aktive Geräuschunterdrückung bezeichnet, weil dem physikalischen Zustand Energie hinzugefügt wird. Bei herkömmlichen Geräuschunterdrückungsanwendungen wie Echölöschüng, Nebenkeulenlöschung und Kanalausgleichung wird eine gemessene Referenz transformiert, um von einer Primärwellenform herauszusubtrahieren. Bei der aktiven Geräuschunterdrückung wird eine Wellenform zur Subtraktion erzeugt, und die Subtraktion wird akustisch und nicht elektrisch durchgeführt.
Bei dem elementarsten aktiven Geräuschunterdrückungssystem wird eine Geräuschquelle mit einem lokalen Sensor, z.B. einem Beschleunigungsmesser oder Mikrophon, gemessen. Das Geräusch breitet sich sowohl akustisch als auch strukturell zu einem Punkt im Raum aus, z.B. der Stelle des Mikrophons, wo es das Ziel ist, die auf die Geräuschquelle zurückführbaren Komponenten zu entfernen.
Die gemessene Geräuschwellenform ist an ihrer Quelle die Eingabe in ein adaptives Filter, dessen Ausgang den Lautsprecher treibt. Das Mikrophon mißt die Summe der tatsächlichen Ausgänge der Geräuschquelle und des Lautsprechers, die sich zu der Stelle ausgebreitet haben, wo das Mikrophon sich befindet. Diese dient als die Fehlerwellenform zum Aktualisieren des adaptiven Filters Das adaptive Filter ändert seine Gewichte, sowie es zeitlich iteriert, um einen Lautsprecherausgang zu erzeugen, der am Mikrophon so weit als möglich (im Sinn des kleinsten mittleren quadratischen Fehlers) wie die Umkehrung des Geräuschs an dieser Stelle im Raum aussieht. Indem die Fehlerwellenform auf minimale Leistung getrieben wird, entfernt das adaptive Filter folglich das Geräusch durch Treiben des Lautsprechers, um es umzukehren. Daher der Begriff aktive Löschung.
Bei herkömmlichen Anwendungen der adaptiven Löschung wird die Eingabe in das adaptive Filter als die Referenzwellenform bezeichnet. Der Filterausgang wird von dem gewünschten Wellenformkanal (Primärwellenform genannt) elektrisch subtrahiert, der durch das zu entfernende Geräusch verdorben wird. Die Differenz (Fehler genannt) ist direkt wahrnehmbar und wird zum Aktualisieren des adaptiven Filters unter Verwendung eines Produkts des Fehlers und der Daten in das adaptive Filter in einem LMS-Gewicht-Aktualisierungsalgorithmus zurückgeführt.
Obwohl in einem aktiven Unterdrückungssystem die Fehlersummierung in dem Medium akustisch durchgeführt wird, ist es möglich, dieses System durch ein gleichwertiges elektrisches Modell darzustellen. Der Ausgang des adaptiven Filters wird durch die Lautsprecher-Übertragungsfunktion geführt und dann von dem Kanalausgang subtrahiert, um den Fehler zu bilden, der nur durch die Mikrophon-Übertragungsfunktion wahrnehmbar ist. Der wahrnehmbare Fehler basiert daher nicht direkt auf dem Ausgang des adaptiven Filters, sondern auf dem durch die Lautsprecher-Übertragungsfunktion geführten Ausgang des adaptiven Filters. Außerdem ist die Fehlerdifferenz nicht direkt wahrnehmbar, sondern ist nur durch die Mikrophon-Übertragungsfunktion wahrnehmbar. Es gibt folglich zwei hauptsächliche strukturelle Unterschiede zwischen dem aktiven Geräuschunterdrückungsproblem und herkömmlicher adaptiver Unterdrückung. Die direkte Anwendung des LMS-Algorithmusses innerhalb dieser Konfiguration hat Filterunstabilität zur Folge, die natürlich unannehmbar ist. Aus diesem Grund benutzen alle aktiven Geräuschunterdrückungsanwendungen stattdessen den "Gefiltert-X"-LMS-Algorithmus, der einen Übungsbetrieb erfordert.
Im Übungsbetrieb wird die Übertragungsfunktion der Lautsprecher/Mikrophon-Kombination geschätzt. Eine Breitband-Geräuschquelle (abweichend von den oben beschriebenen Geräuschquellen) wird sowohl in den Lautsprecher als auch in ein getrenntes adaptives Filter, das sich von dem zur adaptiven Unterdrückung verwendeten unterscheidet, eingegeben (dieses Filter treibt nicht das Filter und sein Ausgang wird überhaupt nicht benutzt). Der Mikrophonausgang wird dann vom Ausgang des adaptiven Filters subtrahiert, um die Fehlerwellenform zu bilden, die das Filter aktualisiert. Das adaptive Filter versucht, seinen Ausgang wie den Lautsprecher/Mikrophon-Ausgang aussehen zu lassen, um so die kaskadierten Übertragungsfunktionen zu schätzen. Das adaptive Filter wird mit dem geraden LMS-Algorithmus insofern aktualisiert, als, indem der Ausgang des adaptiven Filters direkt von der Wellenform subtrahiert wird, es versucht, (den Ausgang des Lautsprechers/Mikrophons) zu schätzen, und der Fehler zum Aktualisieren des LMS-Algorithmusses ist ebenfalls direkt wahrnehmbar. Das konvergierte adaptive Filter hat im Ruhezustand eine mit G(SM) bezeichnete Übertragungsfunktion, die im Übungsbetrieb erlernt worden sein wird. Die Filter-G(SM) wird dann in der Gefiltert-X-Konfiguration benutzt, um Lautsprecher- und Mikrophoneffekte zu kompensieren.
Ein adaptives Filter, das den Gefiltert-X-Algorithmus verwendet, benutzt zwei adaptive Filter, von denen eines dem anderen untergeordnet ist. Das erste adaptive Filter wird nur benutzt, um die Gewichte zu bilden, die in dem untergeordneten Filter verwendet werden. Der Ausgang des ersten adaptiven Filters wird nicht benutzt. Der Eingang des ersten adaptiven Filters wird durch die geschätzte Lautsprecher/Mikrophon-Übertragungsfunktion G(SM) gefiltert, die während des Übungsbetriebs erlernt wurde. Die Aktualisierung des untergeordneten adaptiven Filters basiert daher auf den gefilterten Daten und nicht auf den Daten selbst sowie dem Fehler, der nicht die direkte Subtraktion des Filterausgangs vom Ausgang des Wellenformkanals ist. Da der Filtereingang (Referenzwellenform) in der Literatur adaptiver Filter oft der X-Kanal genannt wird, wird diese Konfiguration der "Gefiltert-X- LMS"-Algorithmus genannt. Dieser Algorithmus wird in dem Buch mit dem Titel "Adaptive Signal Processing", von B. Widrow et al., Prentice Hall, 1985, erörtert.
Außerdem wird, wenn das Mikrophon sowohl in den Wellenformkanal- als auch den Lautsprecherteilen der Schaltung vor der Fehlersubtraktion erscheint, wenn der Lautsprecher oder das Mikrophon Nullen enthält (was sehr wahrscheinlich ist) oder wenn der Wellenformkanal oder das Mikrophon Pole enthält (was auch sehr wahrscheinlich ist), das adaptive Filter Pole erzeugen müssen, um entweder die Lautsprecher/Mikrophon-Nullen nickgängig zu machen oder das Geräusch zu transformieren, um die Wellenformkanal/Mikrophon-Pole zu modellieren. Die Begrenzung liegt hier in der grundlegendenden Endliche-Impulsantwort- (FIR) Struktur des adaptiven LMS-Filters, die nur Nullen erzeugt. Das adaptive LMS-Filter kann einen Pol annähern, indem es eine große Zahl von Gewichten aufweist, aber dies hat langsame Konvergenz zur Folge (eine schwere Einschränkung bei praktischen Anwendungen) und ist teuer. Es besteht daher die Notwendigkeit, die LMS-Algorithmus-Konfiguration zu modifizieren, um ihre Gewichte auf der Basis von etwas anderem als dem Fehler-Datenprodukt zu justieren, da dieses nicht verfügbar ist, und Pole zu erzeugen oder die Notwendigkeit, Pole zu erzeugen, zu beseitigen.
Wenn in dem Gefiltert-X-LMS-Algorithmus G(SM) Teil der Geräuschquellenmessung gamacht wird, wird G(SM)&supmin;¹ am Eingang des untergeordneten adaptiven Filters benötigt, um den Zustand von dem des gerade beschriebenen Filters nicht zu verändern. Die Lautsprecher/Mikrophon- Übertragungsfunktion, die im Übungsbetrieb als G(SM) geschätzt wurde, wird durch das Äquivalent von G(SM)&supmin;¹ vor dem untergeordneten adaptiven Filter aufgehoben. Die Nullen des Lautsprechers/Mikrophons werden durch die Pole von G(SM)&supmin;¹ exakt ausgelischt werden. Dies beseitigt einen der Grunde, daß das adaptive Filter Pole erzeugen muß. Es tut nichts in bezug auf die Pole in entweder dem Wellenformkanal oder dem Mikrophon. Wichtiger noch, es liefert den adaptiven Algorithmus mit den korrelierten Eingängen, die er zu konvergieren hat. Das adaptive Filter auf den tatsächlichen Eingangsdaten wird dann untergeordnet, um die unter Verwendung des gefilterten X gebildeten Gewichte zu haben.
Eine logische Frage in diesem Stadium ist, ob ein adaptives Filter, das Pole ohne weiteres in seiner Struktur erzeugen kann, für dieses Problem geeigneter wäre. Ein rekursives adaptives Filter, das einen adaptiven Vorwärts- und Rückwärtskopplungsabschnitt besitzt, erzeugt sowohl Pole als auch Nullen. Es kann anstelle des oben erörterten ersten adaptiven Filters verwendet werden. Das Problem ist, daß das rekursive Filter durch den Fehler aktualisiert werden muß, der die direkte Differenz zwischen dem Ausgang des adaptiven Filters und dem Ausgang des Wellenformkanals ist. Dies ist bei dem aktiven Unterdrükker nicht der Fall, wo der Fehler nur durch das Lautsprecher-Mikrophon wahrnehmbar ist. Außerdem wird der Ausgang des Wellenformkanals durch die Umkehrung der Lautsprecher-Übertragungsfunktion modifiziert. Daher wird G(SM)&supmin;¹ benötigt, um den rekursiven LMS-Algorithmus mit der Fehlerwellenform zu versehen, die er benötigt, um die Vorwärtskopplungs- und Rückwärtskopplungsgewichte geeignet zu aktualisieren. In Simulationen ist herausgefunden worden, daß, wenn G(SM)&supmin;¹ nicht eingefügt wird, das rekursive LMS-Filter ebenfalls unstabil ist. Obwohl der rekursive LMS-Algorithmus dem adaptiven Filter erlaubt, die erforderlichen Pole zu erzeugen, benötigt er daher noch immer einen Übungsbetrieb, um den Algorithmus voll zu implementieren.
Journal of the Acoustical Society of America, Band 83, Nr. 4, April 1988, Seiten 1306-1310, "active noise cancellation of noise in liquidfilled pipe using an adaptive filter", W.G. Culbreth et al., beschreibt in Verbindung mit Fig. 2 ein System zur aktiven Unterdrückung von Geräusch in einem flüssigkeitsgefüllten Rohr. Gemäß Fig. 2 wird Geräusch, das an einem Ende des Rohres erzeugt wird, in der Mitte des Rohres, d.h. in der Mitte des "Kanals", über ein Detektor-Hydrophon gemessen. Der Ausgang des Detektor-Hydrophons wird einem adaptiven Filter zugeführt, das als weiteren Eingang ein Detektionssignal von einem am Ende des Rohres gelegenen Fehler-Hydrophon empfängt. Auf der Basis der zwei Eingänge steuert das adaptive Filter eine Unterdrükkungsquelle, die das durch die Geräuschquelle in dem Rohr erzeugte Geräusch auslöscht.
Es ist folglich die Hauptaufgabe der Erfindung, die Notwendigkeit des Übungsbetriebs in aktiven adaptiven Unterdrückungssystemen sowohl bei solchen, die Pole erzeugen können, als auch solchen, die keine Pole erzeugen können, zu beseitigen. Es ist auch eine Aufgabe, eine Alternative zum Schätzen der Lautsprecher/Mikrophon-Übertragungsfunktion und der Notwendigkeit, sie in einem adaptiven Unterdrücker zu invertieren, zu entwickeln. Neben der Komplexität des Systems gibt es verschiedene praktische Beweggründe dafür. Der Übungsbetrieb ist in vielen Situationen sehr unangenehm. Zum Beispiel werden bei einem Fahrzeug-Geräuschdämmungsproblem die Automsassen ein irritierendes, lautes weißes Geräusch im Interesse der Dämmung von künfigem Geräusch nicht schätzen. Des weiteren müßte der Übungsbetrieb jedesmal neu einleitet werden, wenn sich die Situation im Fahrzeug in einer Weise ändert, die die Lautsprecher/Mikrophon-Übertragungsfunktion verändern könnte, z.B. Öffnen eines Fensters, Zusteigen eines weiteres Passagiers, Erwärmung des Fahrzeugs in der Sonne usw. Was benötigt wird, ist eine Alternative zu dem Übungsbetrieb, die das System mit den Korrelationen versorgt, die für den LMS- oder den rekursiven adaptiven Filter-Algorithmus benötigt werden, um zu konvergieren, während über einem weiteren Bereich von Veränderungen in den mit dieser Alternative verbundenen Parametern gearbeitet wird. Es besteht folglich ein Bedarf an einem neuen, aktiven adaptiven Unterdrückersystem, das keine Übung benötigt und daher viel mehr praktischen Nutzen besitzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 2 erfüllt.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung sieht der vorliegende aktive adaptive Geräuschunterdrücker die Verwendung von entweder LMS- oder rekursiven adaptiven Filtern in "herkömmlichen" adaptiven Filterkonfigurationen vor. Es besteht keine Notwendigkeit für Übungsbetriebsarten, um Lautsprecher/Mikrophon-Übertragungsfunktionen zu schätzen, oder für die Verwendung zusätzlicher Filter als untergeordnete Filter, die in der "Gefiltert-X"-LMS-Konfiguration benötigt und benutzt werden, das adaptive Filter stabil zu halten. Stattdessen wird das Filter durch das Einfügen eines Verzögerungswertes in die Logik stabil gemacht, die die Berechnung für die Aktualisierung der Gewichte des adaptiven Filters durchführt. Der Verzögerungswert approximiert die Verzögerung in der kombinierten Lautsprecher/Mikrophon-Übertragungsfunktion, ohne das Schätzen der ganzen Lautsprecher/Mikrophon- Übertragungsfunktion zu verlangen. Es ist herausgefunden worden, daß es einen großen Bereich an Flexibilität hinsichtlich der Wahl des Verzögerungswertes gibt, von denen alle die Stabilität des adaptiven Unterdrückers bewahren. Diese Unempfindlichkeit erlaubt es, die Verzögerungen im voraus zu bestimmen, um den vollen Bereich von erwarteten Veränderungen in fast jeder Anwendung abzudecken, ohne sie an verschiedene Situationen anpassen zu müssen, sowie sie sich ändern. Als Folge benötigt der vorliegende Geräuschunterdrücker den Übungsbetrieb nicht mehr, der in vielen Anwendungen für menschlichen Komfort so unangenehm sein kann wie die Geräuschquellen, die zu unterdrücken das System installiert ist. Außerdem vermindert die vorliegende Erfindung dramatisch die Menge benötigter Hardware, um die aktive adaptive Geräuschunterdrückung durchzuführen, indem die "Gefiltert-X"-Konfiguration mit ihren zusätzlichen untergordneten adaptiven Filtern, um Filterstabilität sicherzustellen, nicht mehr benötigt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können leichter mit Verweis auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Strukturelemente bezeichnen.
Inhalt der Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt eine elementare adaptive Geräuschunterdrückerkonfiguration des Standes der Technik;
Fig. 2 zeigt einen verallgemeinerten, aktiven adaptiven Geräuschunterdrücker gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, der keinen Übungsbet rieb verlangt.
Fig. 3 zeigt den "enthüllten" Phasengang des Systems von Fig. 2 ohne Verzögerung und mit einer 13-Proben Verzögerung.
Fig. 4 zeigt einen rekursiven, aktiven adaptiven Geräuschunterdrücker gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, der keinen Übungsbetrieb verlangt und Verzögerungen in der Gewichtsaktualisierungslogik verwendet.
Fig. 5 - 9 zeigen Ergebnisse von Simulationen, die auf dem Unterdrükker der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt ein aktives Geräuschunterdrückungssystem 10 des Standes der Technik. In diesem elementaren aktiven Geräuschunterdrückungssystem 10 wird eine Geräuschquelle 11 mit einem lokalen Sensor 17, z.B. einem Beschleunigungsmesser oder Mikrophon, gemessen. Das Geräusch breitet sich sowohl akustisch als auch strukturell durch das, was als ein Kanal 15 bezeichnet wird, zu einem Punkt im Raum aus, z.B. der Stelle des Mikrophons 12, wo es das Ziel ist, die auf die Geräuschquelle 11 zurückzuführenden Komponenten zu entfernen.
Die gemessene Geräuschwellenform ist an ihrer Quelle die Eingabe in ein adaptives Filter 13, dessen Ausgang einen Lautsprecher 14 treibt. Das Mikrophon 12 mißt die Ausgänge, die sich zu dem Punkt ausbreiten, wo das Mikrophon 12 sich befindet. Dies dient als die Fehlerwellenform zum Aktualisieren des adaptiven Filters 13. Das adaptive Filter 13 ändert seine Gewichte, sowie es zeitlich iteriert, um am Mikrophon 12 einen Lautsprecherausgang zu erzeugen, der so weit wie möglich (im Sinne des kleinsten mittleren quadratischen Fehlers) wie die Umkehrung des Geräuschs an diesem Punkt im Raum aussieht. Indem die Fehlerwellenform auf minimale Leistung getrieben wird, entfernt daher das System 10 das Geräusch am Mikrophon 12 durch Treiben des Lautsprechers 14, um es zu invertieren.
Um die Beschränkungen herkömmlicher Geräuschunterdrückungssysteme, z.B. solcher, die die zuletzt erwähnten Prizipien verwenden, zu überwinden, zeigt Fig. 2 einen verallgemeinerten, aktiven adaptiven Geräuschunterdrücker 20 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, der keinen Übungsbetrieb benötigt. Der aktive adaptive Geräuschunterdrücker 20 umfaßt einen Sensor, z.B. ein Mikrophon 12, der die Ausgänge des Lautsprechers 14 und des Kanals 15 abfühlt. Ausgangssignale des Mikrophons 12 werden in eine Gewichtsaktualisierungslogik 22 gekoppelt, die ein Teil des adaptiven Filters 13 ist. Geräusch von der Geräuschquelle 11 wird durch den Sensor 17 abgefühlt und als eine Eingabe in das adaptive Filter 13 und in eine Verzögerungseinrichtung 21 gekoppelt, deren Ausgang mit der Gewichtsaktualisierungslogik 22 verbunden ist. Der Ausgang der Gewichtsaktualisierungslogik 22 ist adaptiv, um das adaptive Filter 13 zu treiben, dessen Ausgang mit dem Lautsprecher 14 verbunden ist. Der Ausgang des Lautsprechers 14 und des Kanals 15 werden in einem Addierer 23 summiert, wie in der elektrischen Ersatzschaltung von Fig. 2 gezeigt, werden aber im wirklichen Betrieb des Unterdrückers 20 tatsächlich durch das Mikrophon 12 akustisch kombiniert. Die Verwendung der Verzögerungseinrichtung 21 macht das System 20 von Fig. 2 stabil. Simulationen, die unten erörtert werden, zeigen, daß ein breiter Bereich von Verzögerungswerten in der Verzögerungseinrichtung 21 verwendet werden kann, während der Unterdrücker 20 stabil gehalten wird.
Das in der vorliegenden Erfindung ausgenutzte Prinzip ist, daß die Instabiltät des herkömmlichen adaptiven Unterdrückers für Anwendungen der aktiven Geräuschunterdrückung auf seine Unfähigkeit zurückzuführen ist, die Phasenverschiebungen infolge der Übertragungsfunktionen des Lautsprechers 14 und des Mikrophons 12 zu kompensieren. Der Unterdrücker 20 ist stabil, wenn die Gewichtsaktualisierungslogik 22 für das adaptive Filter 13 die Verzögerungseinrichtung 21 auf dem Datenteil der Gewichtsaktualisierungsberechnung umfaßt. Ein großer Wertebereich dieser Verzögerung, der den in der Praxis für jede einzelne Anwendung erwarteten vollen Bereich umfaßt, liefert einen stabilen Unterdrücker 20, so daß er nicht trainiert werden muß wie der Gefiltert-X-Unterdrücker. Diese Eigenschaft gilt für entweder ein Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR), wie in adaptiven LMS-Unterdrückern verwendet, oder für die Unterdrücker mit unendlicher Impulsantwort (IIR) oder rekursivem adaptivem Filter, wie unten ausführlicher erörtert wird.
Ergebnisse von Simulationen werden hierin präsentiert, die das Verhalten des Unterdrückers 20 der vorliegenden Erfindung demonstrieren. Die Simulationen zeigen, daß adaptive Filter ohne die Verzögerungen unstabil sind und mit dem Einschließen der Verzögerungseinrichtung 21 in das adaptive Filter 13 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung stabil sind. Außerdem zeigen die Simulationen, daß man den genauen Verz:gerungswert nicht kennen muß, um Stabilität sicherzustellen, sondern daß ein großer Bereich von Werten genügt. Diese robuste Eigenart in bezug auf das kritische Element der vorliegenden Erfindung ist das, was das Entfernen des Übungsbetriebs ermöglicht.
Die Stabiltätsbedingung verlangt, daß die Phase des Produkts der Lautsprecher/Mikrophon-Übertragungsfunktion in die Bereiche zwischen 2nπ - π/2 und 2nπ + π/2 für n = 0, ±1, ±2 usw. fällt. Die Simulationen zeigen, daß das Einfügen der Verzögerung 21 auf dem Datenteil der Gewichtsaktualisierung die Teile des Spektrums erweitert, über denen diese Stabiltätsbedingung erfüllt wird. Wenn der Eingang auf den Teil des Bandes, über dem die Unterdrückung gewünscht wird, bandpaßgefiltert wird, dann erlaubt das Hinzufügen der Verzögerung 21 Stabilität über diesem Band, indem der Stabilitätsbereich bedeutend erweitert wird. Ohne die Verzögerung 21 ist der Unterdrücker 20 nicht stabil. Die Simulationen zeigen dieses Verhalten sowohl für Endliche-Impulsantwort- (FIR) LMS-Konfigurationen des Unterdrückers 20 als auch für Unendliche-Impulsantwort- (IIR) oder rekursive Implementierungen des Unterdrückers 20.
Es ist wichtig, zur Kenntnis zu nehmen, daß, wenn das adaptive Filter 13 Pole erzeugen muß, der LMS-Algorithmus den Pol nur approximieren kann, wenn eine große Zahl von Filterabgriffen vorhanden ist. Das rekursive Filter kann in seiner Antwort tatsächlich Pole erzeugen und kann daher eine bessere Ruhezustandslösung, d.h. mehr Unterdrückung mit weniger Abgriffen, bereitstellen. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht, ob Pole in der endgültigen Übertragungsfunktion des adaptiven Filters 13 benötigt werden, sondern, daß das Filter 13 stabil sein muß, um zu seiner Ruhezustandslösung zu konvergieren, ob es Pole benötigt oder nicht. Die vorliegende Erfindung erlaubt die Verwendung von adaptiven FIR- oder IIR-Filtern 13 in einfachen Unterdrückerkonfigurationen, indem sie über das Einfügen der Verzögerungen in die Gewichtsaktualisierungen stabil gemacht werden.
Fig. 3 ist eine Graphik, die den Stabilitätsbereich des Unterdrückers 20 von Fig. 2 mit der Phase in Pi rad längs der Ordinate und der Frequenz in Hz längs der Abszisse zeigt. Fig. 3 zeigt den "enthüllten" Phasengang des Unterdrückers 20 von Fig. 2 ohne Verzögerung und mit einer 13-Proben Verzögerung. Fig. 3 zeigt auch die Eigenschaften verschiedener Filterkonfigurationen, in denen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung angewandt werden können. Diese werden unten ausführlicher erörtert werden.
Ein Computermodell wurde entwickelt, um das in Fig. 2 gezeigte aktive Geräuschunterdrückungssystem zu untersuchen. Der Zweck des Modells war, die Stabilität des- Unterdrückers zu demonstrieren. Zur Einfachheit wurden die Signalverarbeitungsberechnungen des Modells in der digitalen zeitdiskreten Domäne implementiert. Da die Übertragungsfunktionen des Lautsprechers 14 und des Mikrophons 12 beim Bestimmen der Stabilität kritisch sind, wurde besondere Sorgfalt angewandt, um die Frequenzgangeigenschaften dieser Analogfunktionen beim Umsetzen in ihre zeitdiskreten Äquivalenzen zu bewahren.
Eine Lautsprecher-Übertragungsfunktion wurde ausgewählt. Die Amplituden- und Phasengangfunktionen des Lautsprechers sind so, daß der Frequenzgang des Lautsprechers auf das ungefähre Band von 50 bis 3000 Hz begrenzt ist. Dies ist ein annehmbares Modell eines typischen, billigen kleinen Lautsprechers. In einer ähnlichen Weise wurde ein einfaches Butterworth-Bandpaßfilter sechster Ordnung verwendet, um das Mikrophon 12 zu modellieren.
Der nächste Schritt war, die Werte der zur Stabilität einzufügenden Verzögerung zu bestimmen. Die kombinierten Phasen des Lautsprechers 14 und des Mikrophons 12 (mit vielen 2π-Unstetigkeiten) müssen "enthüllt" werden, um eine kontinuierliche Funktion der Frequenz zu ergeben. Die feste Linie in Fig. 3 zeigt die Auswirkung der Enthüllung auf das Phasenverhalten der Lautsprecher/Mikrophon-Kombination ohne Verzögerung. Die Stabilitätsbedingung verlangt, daß die enthüllte Phase der Lautsprecher/Mikrophon-Übertragungsfunktion in den Bereich (2nπ - π/2, 2nπ + π/2), n = 0, ±1, ±2,... fällt, die die punktierten Bereiche in Fig. 3 sind. Die gestrichelte Kurve in Fig. 3 ist die enthüllte Phase mit einem Verzögerungerungswert von 13 Proben. Die feste Kurve in Fig. 3 zeigt Stabilitätsbereiche von etwa DC bis 4.25 Hz, von 25 Hz bis 45 Hz und von 100 Hz bis 170 Hz.
Eine Volumenverzögerung besitzt einen Phasengang, der eine gerade Linie mit einer der Verzögerung proportionalen Steigung ist. Folglich gibt es einen begrenzten Bereich von Frequenzen, für die die Volumenverzögerung den zusammengesetzten Phasengang des Unterdrückers 20 stabilisieren kann. Es gibt daher Phaseneigenschaften, wo die Stabilitätsbedingung nur mit Einfügen der Volumenverzögerung niemals erreicht werden kann. Für das in Fig. 3 gezeigte Beispiel ergibt kein Verzögerungswert Stabilität des Algorithmusses im Band von 40 bis 70 Hz. Andererseits wird mit Verzögerungen die Stabilität bis zum Frequenzbereich weit über 170 Hz erweitert.
Es wurde außerdem untersucht, ob der Bereich von Verzögerungswerten, für den der rekursive adaptive LMS-Geräuschunterdrücker 20 wirksam ist, groß genug ist, um die physikalischen Änderungen einzuschließen, die man in einer typischen Anwendung erwarten würde. Wenn der Bereich ausreichend groß ist, kann ein Verzögerungswert in der Mitte dieses Bereichs gewählt werden, und die Notwendigkeit für den Übungsbetrieb wird beseitigt. Die folgenden Simulationsergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Flexibilität in der Wahl des Verzögerungswertes. Es wurde herausgefunden, daß für ein Eingangssignal, das sowohl einen Ton als auch Breitbandgeräusch enthält, mit einem Ton bei -3 dB, weil er die Hälfte der Eingangsleistung enthält, das Ansprechen des Unterdrückers in weniger als 0.1 Sekunden auf -25 dB abfällt.
Das signifikante Merkmal des Unterdrückers 20 und der hierin präsentierten Simulationsbeispiele ist, daß in keinem Fall ein Übungsbetrieb verwendet wurde. Die Verzögerungseinrichtung 21 wurde verwendet, um die Gewichte des adaptiven Filters 13 zu aktualisieren. Außerdem kann der Verzögerungswert über bis zu vier Zeitproben verändert werden, ohne die Grundleistung des Systems 20 zu verändern, was gute stabile Unterdrückung liefert.
Es kann geschlossen werden, daß die vorliegende Erfindung unter Verwendung rekursiver adaptiver Filter, die Pole und Nullen erzeugen, benutzt werden kann, um schnelle, stabile und signifikante Unterdrückung ohne einen Übungsbetrieb bereitzustellen, wenn die Verzögerungseinrichtung 21 in die Datenkanäle eingefügt wird, die benutzt werden, um die Gewichtsaktualisierungen für das adaptive Filter 13 zu bilden.
Fig. 4 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Geräuschunterdrückungssystems 30, das einen rekursiven adaptiven LMS-Unterdrücker 40 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung einschließt. Das System 30 umfaßt den Kanal 15 (typischerweise Luft), der der Übertragungsweg für Geräusch ist, und den Lautsprecher 14. Das Lautsprecherausgangssignal wird mit dem über den Kanal 15 übertragenen Geräusch kombiniert, dargestellt durch einen Addierer 16. Das kombinierte Signal (gezeigt als der Ausgang des Addierers 16) wird durch das Mikrophon 12 abgefühlt. Der Ausgang des Mikrophons 12 liefert Eingänge für den rekursiven adaptiven LMS-Unterdrücker 40 der vorliegenden Erfindung.
Der Unterdrücker 40 umfaßt ein erstes und zweites adaptives LMS-Filter 41, 42, deren jeweilige Ausgänge mit Eingängen eines Addierers 43 verbunden sind, dessen Ausgang mit dem Eingang des Lautsprechers 14 verbunden ist und der den Ausgang des Unterdrückers 40 umfaßt. Die durch das Mikrophon 12 bereitgestellten Fehlerrückkopplungseingänge in den Unterdrücker 40 sind mit einer ersten und zweiten Gewichtsaktualisierungslogikschaltung 44, 45 verbunden, und die Ausgänge der ersten und zweiten Gewichtsaktualisierungslogikschaltung 44, 45 liefern Gewichtswerte für das erste bzw. zweite adaptive Filter 41, 42. Der Eingang in den Lautsprecher 14 ist auch als ein Eingang mit dem ersten adaptiven Filter 41 verbunden und ist über eine erste Verzögerung 46 mit der ersten Gewichtsaktualisierungslogikschaltung 44 verbunden. Das primäre Eingangssignal von der Geräuschquelle 11 in das System 30 ist über den Kanal 15 mit dem Addierer 16 verbunden, ist direkt als ein Eingang mit dem zweiten adaptiven Filter 42 verbunden und ist über eine zweite Verzögerung 47 mit der zweiten Gewichtsaktualisierungslogikschaltung 45 verbunden.
Der rekursive adaptive LMS-Geräuschunterdrücker 40 der vorliegenden Erfindung fügt die Verzögerungen 46, 47 dem Datenweg eines herkömmlichen rekursiven LMS-Filters hinzu. Die Verzögerungen 46, 47 liefern Eingänge für die Gewichtsaktualisierungslogikschaltungen 44, 45, die die adaptiven Filtergewichte berechnen. Die Verzögerungswerte, die gewählt werden, kompensieren ungefähr die Verzögerung, die die Lautsprecher/Mikrophon-Übertragungsfunktion auf den Fehlerweg legt. Die von der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Innovation ist die Verwendung der Verzögerungen 46, 47, um die Eingänge zu den Gewichtsaktualisierungslogikschaltungen 45, 46 zu verzögern. In dem rekursiven adaptiven Unterdrücker 40 in Fig. 3 verwenden die Aktualisierungen der Vorwärtskopplungs- und Rückwärtskopplungsgewichte verzögerte Datensequenzen anstelle unverzögerter Werte. Die Verwendung unverzögerter Werte als Aktualisierungen für die Vorwärtskopplungs- und Rückwärtskopplungsgewichte wird in dem Artikel betitelt "An Adaptive Recursive LMS Filter", von P.L. Feintuch, IEEE Proceedings, Band 64, Nr. 11, November 1976, beschrieben. Ohne die Verwendung der Verzögerungen 46, 47 ist das aktive Unterdrückungssystem 30 unstabil. Mit Verzögerungen, die nahe an den Werten der durch den Lautsprecher 14 und das Mikrophon 12 verursachten Verzögerungen liegen, ist das System 30 stabil. Der rekursive adaptive LMS-Geräuschunterdrücker 40 korrigiert dann spektrale Transformationen, die benötigt werden.
Hinsichtlich der vorerwähnten Simulationen werden unten Ergebnisse von Simulationen für spezifische Unterdrückerarten präsentiert, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung beinhalten. Diese Unterdrückerarten umfassen rekursive adaptive Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR) und die adaptiven LMS-Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR).
Bei Verwendung der in Fig. 2 gezeigten adaptiven LMS-Filterstruktur ist das Filter mit einem Verzögerungswert von null unstabil, ist aber für 6 Verzögerungseinheiten in sowohl der Vorwärtskopplungs- als auch der Rückwärtskopplungsgewichtsaktualisierung stabil. Fig. 5 zeigt eine Graphik Leistung-über-Frequenz für den Fall jeder Eingabe in den Unterdrücker 20, die aus Breitbandgeräusch und einem -3 dB Ton bei 100 Hz besteht. Die obere Kurve ist das Leistungsspektrum der Kanaleingabe. In diesem Fall gibt es kein zusätzliches additives Geräusch, so daß die mittlere Kurve der Kanalausgang ist und die untere Kurve der Unterdrückerausgang ist. Man beachte, daß der Unterdrücker stabil ist und mehr als 40 dB Unterdrückung erreicht.
Zum Beispiel angenommen, es ist erwünscht, den Unterdrücker 20 in dem Band von 170 bis 400 Hz zu betreiben. Ohne Verzögerung ist der LMS- Unterdrücker unstabil. Von Fig. 3 existiert jedoch ein Bereich von Verzögerungen, der das Phasenverhalten für In-Band-Stabilität angemessen ausgleicht. Es ist leicht, zu zeigen, daß Stabilität mit Verzögerungswerten im Bereich von 0.6 bis 1.7 ms erreicht wird. Dieser Bereich von Werten erreicht Stabilität mit einem breiten Bereich von Verzögerungen. Für eine Abtastfrequenz von 10 kHz (in dem Computermodell verwendet) entsprechen die Verzögerungen Verzögerungen von 6 bis 17 Proben. Das Einfügen der 13-Proben Verzögerung hat ausreichende Krümmung und Pegelung des Phasengangs der Lautsprecher/Mikrophon- Übertragungsfunktion bereitgestellt, um den Stabilitätsbereich auf das Band 170 Hz bis 600 Hz auszudehnen.
Simulationen des Filters mit Zufallseingaben werden ebenfalls präsentiert, um diese analytischen Leistungsvorhersagen zu stützen. In den Simulationen stellte ein 6-Abgriff-Tiefpaß-FIR-Filter den akustischen Kanal dar, den das Signal durchlief, um einfache Mehrwegausbreitung zu modellieren. Weißes Gaußsches Rauschen wurde dem Ausgang dieses Filters hinzugefügt, um. den Umgebungshintergrund darzustellen. Viele Simulationsfälle sind mit diesem Modell durchgeführt worden, um sowohl Gesamtheiten der Geräuschprozesse als auch den vollen Bereich hinzugefügter Verzögerungswerte einzuschließen. Einige typische Musterfälle werden unten mit Verweis auf Fig. 6 - 10 vorgelegt. Die Signale wurden als ein Einzelfrequenzträger modelliert, moduliert mit Schmalband-Zufallsprozessen verschiedener Bandbreiten und Modulationen. Die Umgebungsgeräuschpegel wurden auf -30 dB unter den Signalpegeln eingestellt. Die festen Linien in diesen Figuren stellen die Kanalausgangsleistung dar, während die gestrichelten Linien die ausgelöschte Ausgangsleistung darstellen.
Die Bandbreite des eingebenen Schmalbandprozesses und die Mittenfrequenz wurden in dem in Fig. 6 gezeigten ersten Probelauf auf 5 Hz bzw. 200 Hz gesetzt. Eine 64-Abgriff-FIR-Filterkonfiguration wird mit einer Adaptionskonstanten von 10&supmin;³ verwendet. Schnelle Konvergenz der Fehlerwellenform zu dem Geräuschboden wurde in weniger als 0.1 s erreicht. Die Parameter des in Fig. 7 gezeigten zweiten Probelaufs waren idenstisch mit dem ersten Lauf außer, daß die Mittenfrequenz des Schmalbandprozesses zeitlinear mit einer Rate von 50 Hz/s moduliert wurde. Im zweiten Lauf wurden nahezu identische Konvergenzeigenschaften erreicht.
Die Parameter der Eingangssignalwellenform in dem in Fig. 8 gezeigten nächsten Fall waren wie in den ersten zwei Fällen außer, daß der Schmalbandprozeß auf 20 Hz erhöht wurde. Die Adaptionskonstante und die Filterabgriffgröße wurden zur besseren Unterdrückungsleistung auf 4x10&supmin;&sup4; bzw. 128 geändert. Dies demonstriert ebenfalls ein erfolgreiches adaptives Entfernen der ungewünschten Signale bis hinab zum Pegel des Hintergrundgeräuschs. Wegen der breiteren Bandbreiten der zu unterdrückenden Signale konvergierte das adaptive Filter jedoch langsamer als in den ersten zwei Läufen. Trotzdem wurde signifikante Unterdrückung (20 dB oder mehr) in weniger als einer Sekunde für beide Fälle erreicht.
Schließlich sind in dem in Fig. 9 gezeigten letzten Probelauf die Signalparameter dieselben wie im ersten Lauf außer, daß das Filter mit nur 5 Verzögerungseinheiten aktualisiert wird. Anstatt wie in den vorangehenden Fällen auf den -30 dB Geräuschboden abzufallen, wächst die Ausgangsleistung des Unterdrückers schnell ohne Grenze, was anzeigt, daß der LMS-Algorithmus mit einer Verzögerung von 5 Proben unstabil wird, wie die Theorie vorhersagt. Die Adaptionskonstanten und die adaptiven Filterabgriffgrößen wurden für diesen Verzögerungswert verändert. Alle Veränderungen haben Unstabilität des Algorithmusses zur Folge gehabt. Die Simulationen haben folglich die analytische Vorhersage gestützt, daß der Unterdrücker für Verzögerungen von weniger als 5 Proben unstabil ist und daß es einen großen Bereich von Verzögerungen (von 6 bis 17) gibt, für die der Algorithmus stabil ist.

Claims

1. Akustische adaptive Löschvorrichtung (20) zur Verwendung bei der Unterdrückung von einer Geräuschquelle (11) stammender Geräuschsignale, wobei die aktive adaptive Löschvorrichtung (20) umfaßt:

einen Geräuschsensor (17);

einen akustischen Sensor (12);

ein akustisches Ausgabegerät (14);

eine Verzögerungseinrichtung (21), die mit dem Geräuschsensor verbunden ist und die durch den Geräuschsensor erzeugten Geräuschsignale um eine erste vorbestimmte Zeitverzögerung verzögert, und

eine adaptive Filtereinrichtung (13), die zwischen den Geräuschsensor (17) und das akustische Ausgabegerät (14) geschaltet ist, wobei die adaptive Filtereinrichtung (13) eine Mehrzahl justierbarer Filtergewichtseingänge umfaßt und weiter eine Gewichtsaktualisierungslogikschaltung (22) umfaßt, die zwischen die Mehrzahl justierbarer Filtergewichtseingänge, die Verzögerungseinrichtung (21) und den akustischen Sensor (12) geschaltet ist, zum Empfangen von Ausgangssignalen des akustischen Sensors (12) und der Verzögerungseinrichtung (21) und zum Justieren der an die justierbaren Filtergewichtseingänge angelegten Filtergewichte, um dadurch die Zeitverzögerung in die Logik einzufügen, die die Berechnung zur Aktualisierung der adaptiven Filtergewichte durchfuhrt.

2. Aktive adaptive Löschvorrichtung (20) zur Verwendung bei der Unterdrückung von einer Geräuschquelle (11) stammender Geräuschsignale, wobei die aktive adaptive Löschvorrichtung (20) umfaßt:

einen Geräuschsensor (17);

einen akustischen Sensor (12);

ein akustisches Ausgabegerät (14);

eine erste Verzögerungseinrichtung (47), die mit dem Geräuschsensor verbunden ist und die durch den Geräuschsensor erzeugten Geräuschsignale um eine erste vorbestimmte Zeitverzögerung verzögert;

eine erste adaptive Filtereinrichtung (42), die zwischen den Geräuschsensor (17) und das akustische Ausgabegerät (14) geschaltet ist;

eine Addierereinrichtung (43), die zwischen die erste adaptive Filtereinrichtung (42) und das akustische Ausgabegerät (14) geschaltet ist;

eine zweite adaptive Filtereinrichtung (41), die zwischen den Ausgang der Addierereinrichtung (43) und einen Eingang der Addierereinrichtung (43) geschaltet ist;

eine zweite Verzögerungseinrichtung (46), die mit dem Ausgang der Addierereinrichtung (43) verbunden ist und den Ausgang der Addierereinrichtung (43) um eine zweite vorbestimmte Zeitverzögerung verzögert,

wobei die erste adaptive Filtereinrichtung (42) eine Mehrzahl justierbarer Filtergewichtseingänge umfaßt und weiter eine Gewichtsaktualisierungslogikschaltung (45) umfaßt, die zwischen die Mehrzahl justierbarer Filtergewichtseingänge, die erste Verzögerungseinrichtung (47) und den akustischen Sensor (12) geschaltet ist, zum Empfangen von Ausgangssignalen des akustischen Sensors (12) und der ersten Verzögerungseinrichtung (47) und zum Justieren der an die justierbaren Filtergewichtseingänge der ersten adaptiven Filtereinrichtung (42) angelegten Filtergewichte und

wobei die zweite adaptive Filtereinrichtung (41) eine Mehrzahl justierbarer Filtergewichtseingänge umfaßt und weiter eine Gewichtsaktualisierungslogikschaltung (44) umfaßt, die zwischen die Mehrzahl justierbarer Filtergewichtseingänge der zweiten adaptiven Filtereinrichtung, die zweite Verzögerungseinrichtung (46) und den akustischen Sensor (12) geschaltet ist, zum Empfangen von Ausgangssignalen des akustischen Sensors (12) und der zweiten Verzögerungseinrichtung (46) und zum Justieren der an die justierbaren Filtergewichtseingänge der zweiten adaptiven Filtereinrichtung (41) angelegten Filtergewichte, um dadurch die erste und zweite Zeitverzögerung in die Logik einzufügen, die die Berechnung zur Aktualisierung der adaptiven Filtergewichte durchführt.

3. Aktive adaptive Löschvorrichtung nach Anspruch 2, worin die erste und zweite vorbestimmte Verzögerung im wesentlichen gleich sind.