基于FX-LMS算法的室内低频降噪系统实现
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图 2 自适应控制系统原理图 控制系统原理如下： （1） hr(n)为初级传声器参考通道传递函数，接收低频 噪音声源信号 p(n),输出低频噪音信号 x(n)；
System Construction 系统建设 1
20Байду номын сангаас3 年第 期
计算机系统应用
（2） W(n)为滤波器传递函数，接收低频噪音信号 x(n)
鉴于此，本文针对现有居家环境中产生的低频噪音，尝 试设计一种基于“以音消音”的低频降噪系统，实现屋内环 境的集中式降噪处理，较好的降低屋内电子及电器系统发出 的低频噪音。
2 降噪系统建模
2.1 降噪实现原理 根据两列相干声波的混合会产生干涉的物理现象，人为
叠加一列与原有声波幅值相等而相位相反的声波，利用声波 的相消性干涉来达到消除和降低噪音的目的。其实现原理是 在封闭的家居空间中利用电子设备采集原有噪音声场的声 压值，利用设备中的频率调节装置产生一个与原有声压大小 相等、相位相反的声波，使其在封闭的空间范围内与原有噪 音声场相抵消[7]，系统原理如图 1：
为滤波器权系数矢量。
降噪处理后的残差信号 e(n)见下式：
e(n) d (n) hs (n) * y(n)
（2）
由于降噪处理后的残差信号 e(n)与次级声源低频噪音 信号输出有关 d(n)，因此 e(n)是一个随机变量。按最小均方 误差准则，滤波器最佳权系数为：
W ( n 1) W ( n ) 2 w e ( n ) R ( n ) （3）
通过相干叠加输出降噪处理后的残差信号 e(n)。
为使控制系统具备自适应降噪处理，W(n)为滤波器传递
函数具有自适应调整。
本控制系统输出反相降噪信号 y(n)见下式：
L 1
y(n) W T (n) X (n) w i (n) x(n i) i0
（1）
其中，L 为滤波器的长度，X(n)为参考信号矢量，W(n)
这类专业降噪系统一部分面向对象是航空航天，汽车制 造，大型仪器等工业环境，系统安装复杂，体积庞大且造价 高昂，一般用户没有能力购置和部署；另一部分产品只针对 诸如空调、油烟机或电冰箱等电器系统进行内部降噪处理， 且仅属于独立电器系统的附加功能，降噪功能较差，同时无 法实现屋内环境的集中式降噪处理，更不可能降低室内其余 电子及电器系统发出的低频噪音。
图 1 低频降噪系统原理图 初级传声器从低频噪音声源采集音频信号，通过频率调 节装置输出至反相声源，形成降噪音频信号。次级传声器采 集声场中的实时降噪处理的音频误差信号，并反馈至频率调 节装置，形成对原有低频噪音声源的补偿声源，使密闭居家 空间环境内低频噪音值低于最大可容忍的值。 2.2 控制系统建模 面向智能家庭环境的自适应低频降噪系统，基于 FX-LMS 算法[8]建立自适应控制系统，系统自适应控制原理 如图 2。
以及降噪处理后的残差信号 e(n)，输出反相降噪信号 y(n)；
（3） hs(n)为反相声源传递函数，接收反相降噪信号 y(n)，输出相干降噪信号 s(n)；
（4） hp(n)为次级传声器参考通道传递函数，其接收相 干消噪信号，输出次级声源低频噪音信号 d(n)；
（5） 相干降噪信号 s(n)与次级声源低频噪音信号 d(n)
用于 低频 噪音 控制的 “ 有源” 控制 （Active Noise Control：ANC）概念[2]于 30 年代由德国物理学家 P.Lueg 提 出，其根据两列相干声波的混合会产生干涉的物理现象，人 为叠加一列与原有声波幅值相等而相位相反的声波，利用声 波的相消性干涉来达到消除和降低噪音的目的，即通过声源 产生次级声场进行噪音降噪控制。
其中，μw 为滤波器的步长因子；R(n)为-X(n)信号矢量， 其值等于 R(n) =X(n)*hs(n)。
3 降噪系统实现
3.1 系统结构设计 如图 3 所示，系统为单通道前馈结构，以 32 位微控制
单位（MCU：Micro Control Unit）为核心，通过音频线缆分 别 与 两 片 16 位 模 / 数 转 换 器 （ ADC ： Analog to Digital Converter）连接，2 片 16 位高精度转换器实现 2 路模拟信 号的同步采集，通过 16 针并口总线复杂可编程逻辑器件 （CPLD：Complex Programmable Logic Device）器件的 I/O 读写并口连接，CPLD 器件实现锁存功能，信号经过相反运 算后，通过高速串行数/模转换器（DAC：Digital to Analog Converter）器件实现反噪声信号的输出，此外，在 MCU 片 外直连一片静态随机存储器（SRAM：Static RAM）作为数 据存储空间。
噪处理软件，试验验证降噪系统能有效降低密闭空间低频噪音强度。
关键词： 低频噪音 FX-LMS MCU CPLD ADC DAC
1 引言
低频噪音污染已成为城市环境的一大公害。科学研究表 明[1]低频噪音会损害健康，人长时间工作、生活在低频噪音 环境中，对中枢神经系统的刺激大，严重者会导致中枢神经 系统功能紊乱。
随着电子信息技术的快速发展，有源控制技术逐步已经 进入电器产品领域，从工业厂房噪音控制到中央式空调系统 的降噪处理都部分引入了 ANC 技术，以空调为例，其噪音源 主要是通过全封闭压缩机的机壳向外敷设，日本东芝公司 Saruta[3]等人利用有源法和阻性消声相结合对家用电冰箱 的噪音进行实验研究，取得降噪 7dB 效果；美国 Americold 公司 D S Smith[4]利用类似的方法，用加速传感器检测压缩 机壳体震动，用传声器检测残余噪音，驱动输出反噪音，在 小型半混响室内的测试结果获得 5dB 的降噪效果。近年来， 在国内市场也出现基于 ANC 的降噪系统，例如南京零分贝声 学科技有限公司的 NANTY 系列噪音控制器[5]、北京科奥克声 学技术有限公司代理的 S-cube 系列降噪控制器[6]等。
计算机系统应用
2013 年第 期
基于 FX-LMS 算法的室内低频降噪系统实现
Based FXLMS algorithm to achieve indoor low-frequency noise reduction system
摘要： 为解决室内低频噪音对人体的危害，利用有源控制理论设计针对密闭空间的低频降噪装备，基于 FX-LMS 算法实现 自适应噪音的消除处理，采用声音传感器、复杂可编程逻辑器件、数模转换器和微控制单位芯片搭建核心电路，集成开发消
System Construction 系统建设 1
20Байду номын сангаас3 年第 期
计算机系统应用
（2） W(n)为滤波器传递函数，接收低频噪音信号 x(n)
鉴于此，本文针对现有居家环境中产生的低频噪音，尝 试设计一种基于“以音消音”的低频降噪系统，实现屋内环 境的集中式降噪处理，较好的降低屋内电子及电器系统发出 的低频噪音。
2 降噪系统建模
2.1 降噪实现原理 根据两列相干声波的混合会产生干涉的物理现象，人为
叠加一列与原有声波幅值相等而相位相反的声波，利用声波 的相消性干涉来达到消除和降低噪音的目的。其实现原理是 在封闭的家居空间中利用电子设备采集原有噪音声场的声 压值，利用设备中的频率调节装置产生一个与原有声压大小 相等、相位相反的声波，使其在封闭的空间范围内与原有噪 音声场相抵消[7]，系统原理如图 1：
为滤波器权系数矢量。
降噪处理后的残差信号 e(n)见下式：
e(n) d (n) hs (n) * y(n)
（2）
由于降噪处理后的残差信号 e(n)与次级声源低频噪音 信号输出有关 d(n)，因此 e(n)是一个随机变量。按最小均方 误差准则，滤波器最佳权系数为：
W ( n 1) W ( n ) 2 w e ( n ) R ( n ) （3）
通过相干叠加输出降噪处理后的残差信号 e(n)。
为使控制系统具备自适应降噪处理，W(n)为滤波器传递
函数具有自适应调整。
本控制系统输出反相降噪信号 y(n)见下式：
L 1
y(n) W T (n) X (n) w i (n) x(n i) i0
（1）
其中，L 为滤波器的长度，X(n)为参考信号矢量，W(n)
这类专业降噪系统一部分面向对象是航空航天，汽车制 造，大型仪器等工业环境，系统安装复杂，体积庞大且造价 高昂，一般用户没有能力购置和部署；另一部分产品只针对 诸如空调、油烟机或电冰箱等电器系统进行内部降噪处理， 且仅属于独立电器系统的附加功能，降噪功能较差，同时无 法实现屋内环境的集中式降噪处理，更不可能降低室内其余 电子及电器系统发出的低频噪音。
图 1 低频降噪系统原理图 初级传声器从低频噪音声源采集音频信号，通过频率调 节装置输出至反相声源，形成降噪音频信号。次级传声器采 集声场中的实时降噪处理的音频误差信号，并反馈至频率调 节装置，形成对原有低频噪音声源的补偿声源，使密闭居家 空间环境内低频噪音值低于最大可容忍的值。 2.2 控制系统建模 面向智能家庭环境的自适应低频降噪系统，基于 FX-LMS 算法[8]建立自适应控制系统，系统自适应控制原理 如图 2。
以及降噪处理后的残差信号 e(n)，输出反相降噪信号 y(n)；
（3） hs(n)为反相声源传递函数，接收反相降噪信号 y(n)，输出相干降噪信号 s(n)；
（4） hp(n)为次级传声器参考通道传递函数，其接收相 干消噪信号，输出次级声源低频噪音信号 d(n)；
（5） 相干降噪信号 s(n)与次级声源低频噪音信号 d(n)
用于 低频 噪音 控制的 “ 有源” 控制 （Active Noise Control：ANC）概念[2]于 30 年代由德国物理学家 P.Lueg 提 出，其根据两列相干声波的混合会产生干涉的物理现象，人 为叠加一列与原有声波幅值相等而相位相反的声波，利用声 波的相消性干涉来达到消除和降低噪音的目的，即通过声源 产生次级声场进行噪音降噪控制。
其中，μw 为滤波器的步长因子；R(n)为-X(n)信号矢量， 其值等于 R(n) =X(n)*hs(n)。
3 降噪系统实现
3.1 系统结构设计 如图 3 所示，系统为单通道前馈结构，以 32 位微控制
单位（MCU：Micro Control Unit）为核心，通过音频线缆分 别 与 两 片 16 位 模 / 数 转 换 器 （ ADC ： Analog to Digital Converter）连接，2 片 16 位高精度转换器实现 2 路模拟信 号的同步采集，通过 16 针并口总线复杂可编程逻辑器件 （CPLD：Complex Programmable Logic Device）器件的 I/O 读写并口连接，CPLD 器件实现锁存功能，信号经过相反运 算后，通过高速串行数/模转换器（DAC：Digital to Analog Converter）器件实现反噪声信号的输出，此外，在 MCU 片 外直连一片静态随机存储器（SRAM：Static RAM）作为数 据存储空间。
噪处理软件，试验验证降噪系统能有效降低密闭空间低频噪音强度。
关键词： 低频噪音 FX-LMS MCU CPLD ADC DAC
1 引言
低频噪音污染已成为城市环境的一大公害。科学研究表 明[1]低频噪音会损害健康，人长时间工作、生活在低频噪音 环境中，对中枢神经系统的刺激大，严重者会导致中枢神经 系统功能紊乱。
随着电子信息技术的快速发展，有源控制技术逐步已经 进入电器产品领域，从工业厂房噪音控制到中央式空调系统 的降噪处理都部分引入了 ANC 技术，以空调为例，其噪音源 主要是通过全封闭压缩机的机壳向外敷设，日本东芝公司 Saruta[3]等人利用有源法和阻性消声相结合对家用电冰箱 的噪音进行实验研究，取得降噪 7dB 效果；美国 Americold 公司 D S Smith[4]利用类似的方法，用加速传感器检测压缩 机壳体震动，用传声器检测残余噪音，驱动输出反噪音，在 小型半混响室内的测试结果获得 5dB 的降噪效果。近年来， 在国内市场也出现基于 ANC 的降噪系统，例如南京零分贝声 学科技有限公司的 NANTY 系列噪音控制器[5]、北京科奥克声 学技术有限公司代理的 S-cube 系列降噪控制器[6]等。
计算机系统应用
2013 年第 期
基于 FX-LMS 算法的室内低频降噪系统实现
Based FXLMS algorithm to achieve indoor low-frequency noise reduction system
摘要： 为解决室内低频噪音对人体的危害，利用有源控制理论设计针对密闭空间的低频降噪装备，基于 FX-LMS 算法实现 自适应噪音的消除处理，采用声音传感器、复杂可编程逻辑器件、数模转换器和微控制单位芯片搭建核心电路，集成开发消
