1 引言

　　降噪耳機(jī)是降噪技術(shù)的一個重要應(yīng)用。我國的降噪技術(shù)研究始于 80 年代初期,，采用的手段主要有三種,，其中的動態(tài)降噪技術(shù)(DNR)又可以分為模擬動態(tài)降噪技術(shù)和數(shù)字動態(tài)降噪技術(shù)。目前國內(nèi)外解決噪聲問題最普遍的方法是采用模擬動態(tài)降噪技術(shù),，數(shù)字降噪技術(shù)的研究尚處于初期階段,。數(shù)字降噪技術(shù)比模擬降噪技術(shù)具有更大的優(yōu)點(diǎn)。模擬降噪技術(shù)全采用硬件實(shí)施，修改和調(diào)試十分困難,，對元器件參數(shù)的變化也很敏感,，技術(shù)指標(biāo)受元器件的誤差影響較大，降噪效果不穩(wěn)定,，不利于產(chǎn)品的批量生產(chǎn),。而數(shù)字降噪技術(shù)由于采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波，通過修改軟件算法就可以達(dá)到不同的降噪效果,，不用更改硬件結(jié)構(gòu),，調(diào)試和維修都非常方便；數(shù)字降噪技術(shù)采用自適應(yīng)濾波技術(shù),，可以實(shí)時跟蹤噪聲的變化進(jìn)一步進(jìn)行處理,，因此降噪效果較好。另外,，數(shù)字降噪技術(shù)抗干擾能力強(qiáng),，本身具有自恢復(fù)能力，并且在整個音頻帶內(nèi)降噪比較均衡,，而模擬降噪技術(shù)偏重于低頻段,，高頻段效果較差。因此降噪技術(shù)未來的發(fā)展方向是數(shù)字降噪技術(shù),，以數(shù)字信號處理(DSP)及其相關(guān)算法為技術(shù)支撐的數(shù)字降噪技術(shù)代表著當(dāng)今降噪技術(shù)的發(fā)展,。

　　目前市場上的降噪耳機(jī)產(chǎn)品主要是模擬降噪耳機(jī)，數(shù)字降噪耳機(jī)只有日本 SONY 公司開發(fā)的一款產(chǎn)品,，因此數(shù)字降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)在國內(nèi)屬于領(lǐng)先技術(shù),。數(shù)字降噪耳機(jī)的系統(tǒng)原理是通過數(shù)字降噪耳機(jī)中的麥克風(fēng)裝置直接檢測出噪聲信號和音頻信號的混合信號，然后將混合信號通過DSP 數(shù)字降噪模塊進(jìn)行噪聲分離并產(chǎn)生降噪信號來抵消噪聲,，因此人耳就可以只聽到較純凈的音頻信號而不受環(huán)境噪聲的干擾,。本文采用最小均方誤差(LMS)算法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字降噪DSP 中消除噪聲的模塊自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì),，介紹了其在MATLAB 中Simulink建模及仿真輸出,，并通過程序?qū)崿F(xiàn)了設(shè)計(jì)。

　　2 自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字降噪耳機(jī)中 DSP 數(shù)字降噪模塊是通過自適應(yīng)濾波器來實(shí)現(xiàn)的,，自適應(yīng)濾波器具有跟蹤信號和噪聲變化的能力,，濾波器的特性也隨信號和噪聲的變化而變化，以達(dá)到最優(yōu)濾波效果,。自適應(yīng)濾波器可以利用前一時刻獲得的濾波器系數(shù),，自動地調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號和噪聲位置的統(tǒng)計(jì)特性,，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波,。自適應(yīng)濾波器的研究始于20 世紀(jì)50 年代末，是關(guān)于信號處理方法和技術(shù)的濾波器。自適應(yīng)濾波器能夠得到比較好的濾波性能,，當(dāng)輸入信號的統(tǒng)計(jì)特性變化時,，自適應(yīng)濾波器能夠自動的迭代調(diào)節(jié)自身的濾波器參數(shù)，以滿足某種準(zhǔn)則的要求,，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波,。自適應(yīng)濾波器的特性變化是由自適應(yīng)算法通過調(diào)整濾波器的系數(shù)實(shí)現(xiàn)的。所以,，自適應(yīng)濾波器一般都由兩部分組成：一是參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu),，它是為完成期望的處理功能而設(shè)計(jì)；二是自適應(yīng)算法,，它調(diào)節(jié)濾波器系數(shù)以改進(jìn)性能,。自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1：自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖一般形式

　　圖 1 中,，噪聲信號通過參數(shù)可調(diào)的濾波器后產(chǎn)生輸出信號y(n),，d (n)表示期望信號，由音頻信號和噪聲混合組成,，y(n)與期望信號d (n)進(jìn)行比較,，得到誤差信號e(n)。e(n) 和噪聲通過自適應(yīng)算法對濾波器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,，使自適應(yīng)濾波器輸出效果達(dá)到最好,。重復(fù)上面過程，濾波器逐漸了解到關(guān)于輸入信號和噪聲的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,，并以此為根據(jù)自動調(diào)整自己的參數(shù),，從而達(dá)到最佳的濾波效果。一旦輸入信號的統(tǒng)計(jì)規(guī)律發(fā)生了變化,，濾波器能夠自動跟蹤輸入信號的變化，自動調(diào)整濾波器的參數(shù),，最終達(dá)到濾波效果,，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)過程。當(dāng)噪聲信號和混有噪聲的音頻信號通過自適應(yīng)濾波器之后,，可以將環(huán)境中的噪聲分離出來,，并且自適應(yīng)跟蹤環(huán)境噪聲變化，進(jìn)而產(chǎn)生降噪信號從而實(shí)現(xiàn)噪聲消除,。

　　3 自適應(yīng)算法

　　自適應(yīng)濾波器除包括按照某種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器外,，還有一套自適應(yīng)的算法。自適應(yīng)算法是根據(jù)某種判斷來設(shè)計(jì)濾波器的,，其目標(biāo)是使某一特定的函數(shù)最小化,。自適應(yīng)算法的種類很多，根據(jù)其優(yōu)化準(zhǔn)則的不同可分為兩類最基本的算法：最小均方誤差(LMS)算法和遞推最小二乘(RLS)算法。本文采用最常用的著名的最小均方誤差算法,，即LMS 算法,，這是由Widrow 和Hoff 提出的，是一種易于實(shí)現(xiàn),、性能穩(wěn)健,、應(yīng)用廣泛的算法，其目標(biāo)是通過調(diào)整系數(shù),，使輸出誤差序列的均方值最小化,，并且根據(jù)這個判據(jù)來修改權(quán)系數(shù)。LMS 濾波算法寫成矩陣的形式為：

　　式中,，W(n)為n 時刻自適應(yīng)濾波器的權(quán)矢量,；，N 為自適應(yīng)濾波器的階數(shù),； X(n)為n 時刻自適應(yīng)濾波器的參考輸入矢量,，由最近N 個信號采樣值構(gòu)成，,。d (n)是期望的輸出值,；e(n)為自適應(yīng)濾波器的輸出誤差調(diào)節(jié)信號(簡稱失調(diào)信號)；μ 是控制自適應(yīng)速度與穩(wěn)定性的增益常數(shù),，又叫收斂因子或步長因子,。

　　　4 MATLAB 建模及仿真分析

　　數(shù)字降噪耳機(jī)可以在很多場合將音頻信號中包含的外界環(huán)境噪聲進(jìn)行噪聲消除。一個標(biāo)準(zhǔn)音頻信號往往包含著許多外界環(huán)境中的噪音,，而由于噪音的隨機(jī)性和不可預(yù)測性,，使得所期望得到的信號不再是周期性的標(biāo)準(zhǔn)信號。使用LMS 算法的自適應(yīng)濾波器能夠自適應(yīng)的進(jìn)行信號分離,，分離出信號中的噪聲成分,，然后對其反相產(chǎn)生抵消噪聲的降噪信號與噪聲信號對消，以達(dá)到去掉噪聲的目的,。下面用MATLAB 中的Simulink 工具對數(shù)字降噪耳機(jī)中DSP 降噪模塊自適應(yīng)濾波器進(jìn)行建模并仿真,。在建模過程中為了確保噪聲的相關(guān)性，首先讓噪聲通過了一個低通FIR 濾波器,，然后再將其與標(biāo)準(zhǔn)音頻信號混合輸入到LMS 自適應(yīng)濾波器中,，MATLAB/Simulink 仿真模型中標(biāo)準(zhǔn)音頻信號采用頻率0.05Hz 的正弦波，噪聲信號為隨機(jī)信號,。MATLAB/Simulink 仿真模型如圖2 所示,。將噪聲信號及音頻信號輸入到數(shù)字降噪自適應(yīng)濾波器之后將產(chǎn)生輸出信號和降噪信號，輸出信號為自適應(yīng)的跟蹤音頻信號,，而降噪信號就可以把環(huán)境中的噪聲信號抵消掉,，人的耳朵接收到的信號則變成較純凈的音頻信號,。

圖 2 Simulink 中自適應(yīng)濾波器仿真

　　讓Simulink 仿真模型運(yùn)行后，顯示結(jié)果如圖3 所示,，通過仿真結(jié)果可知自適應(yīng)濾波器在數(shù)字降噪技術(shù)應(yīng)用中對噪聲的消除效果非常好,，通過自適應(yīng)的調(diào)整濾波器參數(shù)，慢慢使降噪誤差逐漸減小,。表明了數(shù)字降噪技術(shù)比模擬降噪技術(shù)具有很大的優(yōu)勢,，降噪效果更加明顯。

3(a)輸入信號與輸出信號波形

圖3(b)噪聲信號與降噪信號波形

　　5 數(shù)字降噪自適應(yīng)濾波器的程序?qū)崿F(xiàn)

　　在數(shù)字降噪技術(shù)研究中,，一般用到數(shù)字信號處理器(DSP)進(jìn)行開發(fā)研究,，而在設(shè)計(jì)過程中將模型應(yīng)用到DSP 之前，先將模型應(yīng)用MATLAB 語言編寫m 文件,，然后再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成DSP 所需要的C 語言或匯編語言程序,。本文分別給出了LMS 算法迭代運(yùn)算部分的MATLAB語言m 文件程序及DSP 開發(fā)工具件visualdsp++中的LMS 算法C 序。MATLAB 語言m 文件LMS 算法部分程序：

　　6 結(jié)論

　　本文論述了數(shù)字降噪技術(shù)比模擬降噪技術(shù)的優(yōu)勢以及數(shù)字降噪技術(shù)的典型應(yīng)用數(shù)字降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì),。文中簡單介紹了數(shù)字降噪耳機(jī)降噪模塊自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)的原理,，自適應(yīng)LMS 算法。并且利用MATLAB 中Simulink 工具建立了LMS 自適應(yīng)噪聲消除的模型,，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字降噪耳機(jī)DSP 降噪模塊實(shí)現(xiàn)噪聲消除功能的自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì),，對其進(jìn)行了MATLAB 語言程序的編寫以及C 預(yù)言程序的編寫。仿真結(jié)果表明,，此設(shè)計(jì)達(dá)到了很好的效果,，后期可以實(shí)現(xiàn)了數(shù)字降噪耳機(jī)的功能設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了模擬降噪耳機(jī)設(shè)計(jì)中的不足,，使降噪技術(shù)的發(fā)展又上了一個新的臺階,。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字降噪耳機(jī)用到的DSP 芯片將采用中科院微電子研究所研發(fā)的“同心DSP 芯片”，該芯片為國家科技部“863”超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)重大專項(xiàng)《32 位高性能嵌入式數(shù)字信號處理器（DSP）芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》重點(diǎn)科研項(xiàng)目（“同心1 號”嵌入式DSP 芯片）,。利用本設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之后預(yù)期年產(chǎn)值達(dá)到1億元,，年利潤達(dá)到1000 萬元，并且逐年遞增,。