一种主动降噪耳机的反馈滤波器设计方法与流程

本发明属于耳机，尤其是耳机主动降噪，具体涉及一种主动降噪耳机的反馈滤波器设计方法。

背景技术：

1、主动降噪耳机作为最受欢迎的个人听力保护设备之一，已经广泛在人民日常生活中应用于各种噪声场景中。主动降噪耳机的控制器通过耳机扬声器播放反向的噪声信号，来削弱耳机鼓膜处的噪声声强。

2、早期的主动降噪基于控制理论进行滤波器设计，其主要通过调整零点和极点的位置来拟合滤波器传递函数，进而保证控制滤波器稳定性并具有一定的降噪性能，但其降噪深度和宽度往往不是最优。

3、根据滤波器是否时变，可以分为固定滤波器和自适应滤波器。根据滤波器结构，可以分为前馈控制滤波器和反馈控制滤波器。基于优化方法和滤波器结构，自适应反馈控制滤波器理论上能得到更好的降噪宽度和深度，但实际情况中，受稳定性的影响，降噪宽度与降噪深度往往有所取舍，难以同时满足。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提供一种主动降噪耳机的反馈滤波器设计方法，通过宽度和深度的两步优化策略在保证降噪宽度的基础上，进一步加深降噪深度。

2、本发明方法具体步骤是：

3、步骤(1)确定次级路径的传递函数p(f)；

4、步骤(2)设定耳机降噪系统的开环传递函数l(f)＝c(f)p(f)，闭环灵敏度函数其中，c(f)是控制滤波器传递函数，由控制滤波器参数序列x确定，控制滤波器参数序列x＝[g h1 q1 g1 … hk qk gk]，为k个双二阶滤波器组成的滤波器组，k＝4～6，g为控制滤波器组的线性增益，(hk qk gk)是第k个双二阶滤波器的相关参数，k＝1,…,k；

5、步骤(3)确定优化控制滤波器参数序列x所需的惩罚项penalty(x)；

6、步骤(4)将k个双二阶滤波器组成的控制滤波器参数序列x划分成前j个宽度控制滤波器组xw和后k-j个深度控制滤波器组xd两个部分，对应后续的两步优化方案，x＝[xwxd]；其中，宽度控制滤波器组xw＝[g h1 q1 g1…hj qj gj]，深度控制滤波器组xw＝[hj+1 qj+1gj+1 … hk qk gk]，j＝3～(k-1)；

7、步骤(5)构造宽度优化目标jw(xw)，利用遗传算法求解宽度控制滤波器组xw，得到宽度控制滤波器参数序列

8、步骤(6)构造深度优化目标jd(x)，通过单纯形(nelder-mead)法对所有滤波器进行优化求解，以为x的前j个滤波器的初始值，即并且固定前j个滤波器搜索范围为得到最终的控制滤波器参数序列δ为搜索范围；

9、步骤(7)以最终的控制滤波器参数序列作为耳机主动降噪的控制滤波器。

10、进一步，步骤(1)具体方法是：

11、耳机扬声器播放白噪声信号s(n)，耳机的误差麦克风采集该信号，得到n时刻采集白噪声y(n)；

12、初始化次级路径估计滤波器系数ci，i＝1,…,i，其中i为次级路径估计滤波器阶数；计算次级路径估计滤波器输出计算误差e(n)＝y(n)-r(n)；基于最小均方(lms)算法更新次级路径估计滤波器系数ci(n+1)＝ci(n)+μe(n)s(n-i)，算法步长ps是白噪声信号s(n)的功率；

13、保存耳机扬声器播放白噪声信号结束时刻的次级路径估计滤波器的系数，对最终次级路径估计滤波器的系数进行m点傅里叶变换，得到次级路径传递函数p(f)，频率序列为fs为麦克风采样率。

14、再进一步，步骤(3)中，惩罚项其中，惩罚函数a表示变量；||·||∞表示计算无穷范数，w1、w2和w3分别为幅度约束中低、中、高三个频率对应的窗函数，w4和w5分别对应相位约束中低频、高频对应的窗函数；γ1、γ2和γ3为幅度约束参数，其范围设置分别为和γ4和γ5为相位约束参数，其范围设置分别为和∠表示求相位操作。

15、更进一步，步骤(5)具体方法是：其中，||·||2表示计算2范数，λ1为宽度优化加权因子，0.01≤λ1≤0.1，ww为设定的宽度优化对应的窗函数；利用遗传算法求解宽度控制滤波器组xw，当遗传算法的迭代次数达到预设最大迭代次数时候，得到宽度控制滤波器参数序列

16、步骤(6)具体方法是：jd(x)＝λ2min{s(f)wd}+penalty(x)；其中，min{·}为求最小值操作，λ2为深度优化加权因子，0.01≤λ2≤0.1，wd为设定的深度优化对应的窗函数；通过单纯形法(nelder-mead)对所有滤波器进行优化求解，以为x的前j个滤波器的初始值，即控制滤波器参数序列的初始序列固定前j个滤波器搜索范围为当单纯形法的迭代次数达到预设最大迭代次数时候，得到最终的控制滤波器参数序列

17、本发明提出了一种主动降噪反馈滤波器设计方法，通过惩罚函数保证控制滤波器稳定性的同时，通过宽度和深度的两步优化策略，均衡了降噪宽度和降噪深度两个指标，在保证降噪宽度的基础上，进一步加深降噪深度。

18、本发明方法有益效果包括：

19、(1)跟“基于控制理论”方法相比，利用了惩罚函数作为约束条件，保证控制滤波器稳定性，不需要通过调整极点和零点的位置来拟合控制滤波器的传递函数，简化了设计步骤，优化了设计结果。

20、(2)跟“单步优化目标”方法相比，通过宽度和深度的两步优化策略，均衡了降噪宽度和降噪深度两个指标，在保证降噪宽度的基础上，进一步加深降噪深度，能够达到更好的耳机降噪体验。

技术特征：

1.一种主动降噪耳机的反馈滤波器设计方法，其特征在于，具体如下：

2.如权利要求1所述的一种主动降噪耳机的反馈滤波器设计方法，其特征在于，步骤(1)具体方法是：

3.如权利要求2所述的一种主动降噪耳机的反馈滤波器设计方法，其特征在于：步骤(3)中，惩罚项其中，惩罚函数a表示变量；||·||∞表示计算无穷范数，w1、w2和w3分别为幅度约束中低、中、高三个频率对应的窗函数，w4和w5分别对应相位约束中低频、高频对应的窗函数；γ1、γ2和γ3为幅度约束参数，其范围设置分别为和γ4和γ5为相位约束参数，其范围设置分别为和∠表示求相位操作。

4.如权利要求3所述的一种主动降噪耳机的反馈滤波器设计方法，其特征在于，步骤(5)具体方法是：其中，||·||2表示计算2范数，λ1为宽度优化加权因子，0.01≤λ1≤0.1，ww为设定的宽度优化对应的窗函数；利用遗传算法求解宽度控制滤波器组xw，当遗传算法的迭代次数达到预设最大迭代次数时候，得到宽度控制滤波器参数序列

5.如权利要求3所述的一种主动降噪耳机的反馈滤波器设计方法，其特征在于，步骤(6)具体方法是：jd(x)＝λ2min{s(f)wd}+penalty(x)；其中，min{·}为求最小值操作，λ2为深度优化加权因子，0.01≤λ2≤0.1，wd为设定的深度优化对应的窗函数；通过单纯形法对所有滤波器进行优化求解，以为x的前j个滤波器的初始值，即控制滤波器参数序列的初始序列固定前j个滤波器搜索范围为当单纯形法的迭代次数达到预设最大迭代次数时候，得到最终的控制滤波器参数序列

技术总结
本发明公开了一种主动降噪耳机的反馈滤波器设计方法。本发明方法首先确定次级路径的传递函数，设定耳机降噪系统的开环传递函数和闭环灵敏度函数；然后确定优化控制滤波器参数序列所需的惩罚项，将控制滤波器参数序列划分成宽度控制滤波器组和深度控制滤波器组；构造宽度优化目标，得到宽度控制滤波器参数序列；构造深度优化目标，得到最终的控制滤波器参数序列，将其作为耳机主动降噪的控制滤波器。本发明方法通过惩罚函数保证控制滤波器稳定性的同时，通过宽度和深度的两步优化策略，均衡了降噪宽度和降噪深度两个指标，在保证降噪宽度的基础上，进一步加深降噪深度。

技术研发人员：卢燕,凌云,姚欢,沈旭东
受保护的技术使用者：杭州国芯科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15