一种基于维纳滤波与能量加权群延迟的次级通路降阶建模方法

本发明涉及车辆降噪，具体涉及一种基于维纳滤波与能量加权群延迟的次级通路降阶建模方法。

背景技术：

1、由车内动力系统与轮胎引发的中低频噪声是驾乘人员感知率最高的nvh（noise、vibration、harshness，噪声、振动与声振粗糙度）问题之一，也是车辆领域的重点关注问题。现有降噪技术可分为被动降噪与主动降噪，其中被动降噪依赖结构优化或吸声、隔声材料应用来抑制高频噪声，其对低频噪声的降噪效果往往不佳。主动噪声控制（active noisecontrol，anc）基于声波干涉原理，通过控制器发出电信号，经过次级通路生成在目标位置与原噪声信号幅值相等、相位相反的次级声波形成干涉抵消，从而有效降低噪声水平。

2、针对车内宽窄带混合噪声环境，窄带anc系统降噪频带有限，难以抑制宽频噪声，而宽带anc系统则无法独立调控多频谐波成分，且对宽带噪声的降噪性能显著下降。因此，需要采用宽窄带结合的系统对混合噪声进行控制。

3、宽窄带混合anc系统广泛采用经典滤波-x最小均方算法(filtered-x least meansquare，fxlms)和陷波fxlms算法，为了保证系统的收敛性能，必须建立精确的次级通路模型。次级通路建模方法可分为在线建模与离线建模两类。在线建模能够实时追踪时变、非线性的次级通路变化，从而显著提升模型的准确性与适应性，但会在实时系统中引入较高的计算复杂度。离线建模基于线性时不变系统假设，其通过预先辨识次级通路特性，避免了实时运算负担，有利于降低硬件成本与系统实现难度。然而，在车内声场环境中，为了有效扩大降噪空间范围，通常需采用多输入多输出的多通道anc系统，而多路参考信号需与多个离线次级通路模型分别进行卷积运算以生成滤波参考信号，这一过程会引入大量实时计算，进而对车载数字信号处理器提出了极高的实时算力要求。因此，选取合适的次级通路建模方法，以在模型精度与计算复杂度之间取得合理平衡，是一个需要重点考虑的问题。

4、为降低次级通路引起的计算复杂度问题，现有技术给出了许多种方法，但是针对道路噪声、宽窄带噪声，次级通路所引入的计算量同样严重，现有技术给出的次级通路降阶优化方法并不适用。

技术实现思路

1、本发明创造的目的是提供一种基于维纳滤波与能量加权群延迟的次级通路降阶建模方法，包括以下步骤：

2、1）基于噪声信号驱动实车环境中的扬声器，并采集扬声器发出的信号作为参考信号。

3、2）基于参考信号，采用基于最小均方误差准则的时域最优fir滤波器建立全阶次级通路模型。

4、3）基于能量加权群延迟定位方法对全阶次级通路模型进行重构，得到降阶次级通路模型。

5、4）基于降阶次级通路模型，构建基于降阶次级通路的宽窄带混合anc系统，进而对实车环境中的宽窄带混合噪声进行控制。

6、进一步，所述噪声信号包括高斯白噪声。

7、进一步，所述采用基于最小均方误差准则的时域最优fir滤波器建立全阶次级通路模型的步骤如下：

8、2-1）构建估计次级通路模型，并将扫频噪声信号输入估计次级通路模型，得到估计次级通路模型的输出信号，如下所示：

9、（1）

10、式中，表示采样点索引。表示估计次级通路模型的输出信号。表示采样点索引。表示次级通路长度。表示估计次级通路模型的时域脉冲响应的第个单位脉冲响应系数。表示第个采样点的扫频噪声信号。表示次级通路估计模型的时域脉冲响应的转置。表示扫频噪声信号。

11、2-2）基于估计次级通路模型的输出信号和参考信号，计算估计次级通路模型的误差，如下所示：

12、（2）

13、式中，表示估计次级通路模型的误差。表示参考信号。

14、2-3）以误差的均方误差最小为设计准则，构建最优性能函数，如下所示：

15、（3）

16、（4）

17、（5）

18、（6）

19、式中，表示最优性能函数。表示估计次级通路模型的时域脉冲响应。表示期望。表示最优性能函数的自相关矩阵。表示最优性能函数的互相关向量。表示最优性能函数的常数项。

20、2-4）通过最小化最优性能函数，得到时域最优fir滤波器，进而建立全阶次级通路模型。

21、所述全阶次级通路模型的时域脉冲响应如下所示：

22、（7）

23、式中，表示全阶次级通路模型的时域脉冲响应，也是时域最优fir滤波器。

24、进一步，所述基于能量加权群延迟定位方法对全阶次级通路模型进行重构，得到降阶次级通路模型的步骤如下：

25、3-1）计算全阶次级通路模型的能量加权群延迟。

26、3-2）采用长度为的窗函数对全阶次级通路模型进行截断，重构得到降阶次级通路模型。

27、进一步，所述能量加权群延迟如下所示：

28、（8）

29、式中，表示能量加权群延迟。表示虚数单位。表示频率。表示相频响应对频率的负导数。表示频域响应。表示采样点索引。表示次级通路长度。表示全阶次级通路模型的时域脉冲响应。

30、进一步，所述基于降阶次级通路的宽窄带混合anc系统包括正弦噪声消除子系统、宽带主动噪声控制子系统、窄带主动噪声控制子系统。

31、所述正弦噪声消除子系统通过输出正弦噪声消除信号，抵消原始混合参考信号中的窄带分量，得到宽带参考信号。

32、所述原始混合参考信号包括实车环境中采集的发动机转速信号、加速度信号。

33、所述宽带主动噪声控制子系统基于降阶次级通路模型，对宽带参考信号进行抑制，生成宽带消噪信号。

34、所述窄带主动噪声控制子系统基于降阶次级通路模型，对原始混合参考信号的窄带噪声成分进行抑制，生成窄带消噪信号。

35、进一步，所述正弦噪声消除信号如下所示：

36、（9）

37、（10）

38、式中，表示采样点索引。表示原始混合参考信号数量索引。表示正弦噪声消除信号。表示频率分量索引。表示目标频率个数。和均表示第个频率分量对第路原始混合参考信号的离散傅里叶系数。表示原始混合参考信号的余弦分量。表示原始混合参考信号的正弦分量。表示第个频率分量的频率。

39、进一步，所述离散傅里叶系数和采用最小均方算法进行更新。

40、进一步，所述宽带消噪信号如下所示：

41、（11）

42、式中，表示采样点索引。表示原始混合参考信号索引。表示原始混合参考信号总数。表示次级扬声器索引。表示第个次级扬声器输出的宽带消噪信号。表示第k路原始混合参考信号对应的第个次级扬声器在第个采样点的时域权系数向量。表示宽带参考信号。

43、其中，对于时域权系数向量采用fxlms算法进行更新，如下所示：

44、（12）

45、（13）

46、式中，表示第k路原始混合参考信号对应的第个次级扬声器在第个采样点的时域权系数向量。表示收敛因子。表示误差麦克风索引。表示误差麦克风总数。表示第路原始混合参考信号经过第个次级扬声器至第m个误差麦克风的次级通路后得到的滤波参考信号的延迟序列。表示第路原始混合参考信号经过第个次级扬声器至第m个误差麦克风的次级通路后得到的滤波参考信号。表示宽带参考信号的延迟序列。表示第个次级扬声器至第m个误差麦克风的降阶次级通路模型的脉冲响应。表示第m个误差麦克风在第个采样点处所采集的噪声信号。

47、进一步，所述窄带消噪信号如下所示：

48、（14）

49、式中，表示采样点索引。表示频率分量索引。表示目标频率个数。表示次级扬声器索引。表示第个次级扬声器输出的窄带消噪信号。和均表示第个频率分量对第个次级扬声器在第个采样点的自适应陷波滤波器的权系数。表示原始混合参考信号的余弦分量。表示原始混合参考信号的正弦分量。

50、其中，第个频率分量对第个次级扬声器的自适应陷波滤波器的权系数和采用陷波fxlms算法进行更新，如下所示：

51、（15）

52、（16）

53、（17）

54、（18）

55、式中，表示误差麦克风索引。表示误差麦克风总数。和均表示第个频率分量对第个次级扬声器在第个采样点的自适应陷波滤波器的权系数。表示收敛因子。、分别表示经过降阶次级通路模型得到的滤波余弦分量、滤波正弦分量。表示第个次级扬声器至第m个误差麦克风的降阶次级通路模型的脉冲响应。表示第m个误差麦克风在第个采样点处所采集的噪声信号。

56、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明所提方法获取的降阶次级通路不仅完整地保留了全阶次级通路中的主要信息，还在较大程度上减少了无效的卷积运算，从而减轻了宽窄带混合anc系统的计算复杂度。在真实物理环境中本发明所提方法能保持良好的降噪性能。

57、针对传统宽窄带混合anc系统计算复杂度高的问题，本发明提出了一种基于降阶次级通路的rsp-hanc系统。通过维纳滤波器建模得到全阶次级通路，随后以2倍能量加权群延迟对全阶模型进行重构，在保留次级通路主能量区间和整体相位延迟特性的基础上，确定了降阶次级通路，有效降低了宽窄带混合anc系统的计算复杂度。

58、在匀速和加速工况下本发明所提出的降阶次级通路方法都能以更低的阶次来描述次级通路的主要特征，使得系统在保持与传统宽窄带混合anc系统几乎一致的降噪效果的同时，能以更低的计算成本实现对车内噪声的有效控制，降低实车运行成本。

59、本发明所提出的基于近似次级通路建模方法能有效降低宽窄带混合控制系统的计算量，且能维持与传统宽窄带混合anc系统相当的降噪效果与动态性能，具有较高的工程应用价值。