基于TMS320VC5509 DSP的有源噪声控制系统设计与实现

摘要：介绍了有源噪声控制技术的理论基础和算法，以自适应有源噪声前馈控制系统为研究核心，选用TMS320VC5509 DSP作为控制器，给出了系统的硬件解决方案，并用C语言编程在硬件系统上实现了基于FX-LMS算法的有源噪声实时控制。对800 Hz单频噪声的实验结果表明系统可降低噪声幅度9 dB。
关键词：有源噪声控制；自适应滤波；FX-LMS算法；前馈控制系统

0 引言
噪声污染给人们的生产和生活带来诸多不便，噪声控制的迫切性日益突出。传统控制噪声污染的方法主要采用无源控制技术(Passive Noise Control)，即采用吸声、隔声等声学方法降噪。然而由于吸声、隔声材料的声衰性能随频率的降低而变差，无源降噪机制对中、高频段噪声较为有效，而对低频噪声效果不大。
有源噪声控制(Active Noise Control，ANC)是噪声控制领域近年发展起来的新技术，它弥补了传统无源方法在控制低频噪声上的不足，特别适合低频噪声的控制。其降噪机理为次级声源产生一个与初级声源噪声频率相同、幅度相等、相位相反的反噪声，二者叠加后相互抵消，从而达到降噪目的。由于实际环境中的噪声源(初级声源)特性以及声空间的物理参数(如温度、气流速度等)经常随时间发生变化，若要实现较好的降噪效果，有源噪声控制器的传递函数必须是时变的，也就是要求控制器是自适应的。DSP的快速发展使得这一要求成为可能。
在研究中以美国TI公司的TMS320VC5509(以下简称VC5509)DSP芯片为核心，采用FX-LMS(Filtered-X LMS)算法，设计并实现了单通道前馈结构有源噪声控制系统。实验结果表明该系统对低频噪声有良好的降噪效果。

1 系统模型和算法
1．1 系统模型
前馈结构有源噪声控制系统以初级传感器采集的噪声参考信号和误差传感器采集的误差信号作为控制器的输入，通过自适应控制器自我调整参数，控制次级声源发出的反噪声的幅度与相位，去抵消初级噪声，其系统模型如图1所示。

如果不考虑次级声源向初级传感器的声反馈，则图1系统模型图可等效为图2所示的系统原理框图。

图2中，hr(n)为参考通道的传递函数，hs(n)为次级通路的传递函数，hp(n)为初级通道的传递函数，p(n)为拟抵消的噪声源，d(n)为误差传感器接收到的噪声信号，W(z)为自适应滤波器，x(n)为输入滤波器的参考噪声信号，y(n)为滤波器的输出反信号，s(n)为次级传感器接收到的反噪声信号，e(n)为噪声抵消后所得到的残余误差信号。自适应算法根据参考信号x(n)和误差信号e(n)自动调节滤波器的权系数，从而调整次级声源输出信号强度，以满足某种目标准则。
1．2 有源消噪算法
综合考虑系统的稳定性、运算量和收敛速度，研究中采用FX-LMS算法。由图2所示原理框图可推出该算法的运算全过程如下：

式中：L为自适应滤波器的阶数；uw为自适应滤波器的步长因子。