固定系数与自适应结合的主动降噪耳机设计实验

一、实验目的

完成前馈固定系数与自适应算法相结合的主动降噪耳机的设计，并分析该系统的性能；探究在固定系数算法工作前提下，自适应算法对耳机降噪性能的提升能力。

二、实验原理

图 1 主动降噪耳机系统原理框图

如图1所示为该主动降噪耳机的系统原理框图，其中x为输入噪声，d为外界到达误差传声器的噪声信号，e为误差传声器接收信号，C为固定系数主动降噪耳机控制器，W为自适应滤波器系数，S为次级通道传递函数，S’为次级通道模型。

按原理图搭建系统，可以同时用固定系数滤波器和自适应滤波器两种工作模式进行主动噪声控制。

三、实验步骤

（1）按照图1搭建主动降噪耳机系统；

（2）用音响模拟噪声环境，分别播放白噪声、粉噪声和单频噪声，测试三种噪声环境下的系统性能；

（3）分别在以上三种噪声环境下，测试固定系数滤波器单独工作和两种滤波器同时工作情况下的主动降噪性能，以及加入自适应滤波器前后的噪声抑制性能对比。

四、实验结果分析

粉噪声环境下的实验结果如图2所示。

图2 粉噪声环境下无ANC工作、固定系数滤波器工作和两种滤波器同时工作三种模式下的噪声功率谱

白噪声环境下的实验结果如图3所示。

图3白噪声环境下无ANC工作、固定系数滤波器工作和两种滤波器同时工作三种模式下的噪声功率谱

120Hz单频噪声环境下的实验结果如图4所示。

图4 120Hz单频噪声环境下无ANC工作、固定系数滤波器工作和两种滤波器同时工作三种模式下的噪声功率谱

三种噪声环境中，不同工作模式下的降噪量对比如表1所示。

表 1 三种噪声环境不同工作模式下的降噪量

噪声环境	粉噪声	白噪声	120Hz单频噪声
固定系数	10.9dB	2.9dB	15.1dB
固定和自适应	12.6dB	4.5dB	36.9dB

从图2-图4和表1中可以看出，在固定系数滤波器和自适应滤波器同时工作时获得的降噪效果优于固定系数滤波器单独工作时的效果，且自适应滤波器的加入对单频噪声的抑制能力提升较强，对白噪声的抑制能力提升相对较弱。产生这种现象的原因是，本实验采用的自适应降噪基于LMS算法，其输出为在均方误差标准下的最小值，因此，噪声功率谱分布越集中，自适应算法对噪声的抑制效果越显著。

五、实验结论

本次实验实现了固定系数与自适应滤波器结合的前馈主动降噪耳机系统的设计，在不同噪声环境下均取得了不同程度的降噪效果。自适应滤波器的加入使得主动降噪耳机系统对单频噪声的抑制能力显著提升，对粉噪声的抑制能力提升较为明显，对白噪声的抑制能力提升相对较弱。