ANC耳机中的数字反馈稳定性控制(Active Noise Cancellation in Headphones by Digital Robust Feedback Control)

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主要工作

使用混合灵敏度H分析(mixed-sensitivith H∞ synthesis)设计ANC中的反馈滤波器,考虑次级通路建模的不确定性和闭环系统的稳定性。这种方法在拉普拉斯域和z变换域进行分析,对频域中的现象有更直观的解释。

背景

对于ANC反馈系统中的啸叫问题有理论参考性。

理论

 图中W1、W2和W3是加权方程,是频散的,可以根据设计目的对W1/W2/W3进行调控。

先定义灵敏度

 灵敏度是误差信号与输入信号之比,量化了系统对误差扰动和参数变化的敏感度。在ANC中反映降噪能力。

定义互补灵敏度

 描述了对测量误差n的相应,在图中没有给出。

反馈系统的总误差为:

 理论上,S(s)和T(s)两个灵敏度都应该比较小,系统才稳定。但是由于两者之和为1,所以需要在两个灵敏度之间平衡。

设计目标函数,求使目标函数最小时的反馈滤波器K

 上式中都是SISO(单输入单输出)的在Lapace域的传函。

上式代表最大奇异值的最大绝对值。 

其中

设计反馈滤波器

W1/W2/W3可以影响最后求得的滤波器K,一般W1是与扰动信号带宽相近的低通滤波器,W2一般设置成0,W3交叉频率在期望闭环系统带宽的高通滤波器。

 然而,并不能对灵敏度做任意形状的改变,Bode灵敏度积分就对其有所限制,大概意思是对某频带灵敏度的下压,就必然导致其他频带的抬高。

 尽管有这样的限制,我们还是可以利用混合灵敏度优化来设计鲁棒性稳定的滤波器。

次级通路影响

 用扫频信号实测次级通路,得到离散的次级通路G(z)。用线性插值得到Laplace域的连续G(s),使用16阶。

 

 在ANC中,耳机的塞紧程度、耳道的容积和耳机的材料都会对次级通道产生影响。

对有扰动的G(s)建模:

 WM是G(s)变化的上限。

如果要保证系统在所有实际情况下都稳定,需要满足以下要求:

 对不同佩戴方式,从完全松到完全紧,进行测量,计算WM

加权函数W3可以任意选择,但是不应低于WM

如下图所示,由于观察到的小型驻极体麦克风的典型测量误差,我们增加了W3内对于30 Hz以下的低频和10 kHz以上的频率的不确定性,W3有20阶。

 此外,由于我们希望滤波器在高频范围内具有广泛的增益,因此分两步提高了700 Hz和10 kHz之间的不确定性。(不太明白这个设计)

 具体设计

 假设目标函数中γ=1,则滤波器系数应满足:

 

 

 S(s)和1/W1的图可能画反了。

  

结果

最后设计出的降噪曲线。

评价

可以通过S(s)来判断反馈系统是否有啸叫,对反馈滤波器K(s)进行相应改进。

不过这个降噪效果感觉有待加强。

原文地址:https://www.cnblogs.com/keepthinking-go/p/14154829.html