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藍牙降噪耳機核心配件濾波器的設計和實現原理

2020-09-17 08:30:34 中國醫藥生物技術協會
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      藍牙降噪耳機核心配件濾波器的設計和實現原理

      藍牙降噪耳機是降噪技術的一個重要應用。我國的降噪技術研究始于 80 年代初期,采用的手段主要有三種,其中的動態降噪技術(DNR)又可以分為模擬動態降噪技術和數字動態降噪技術。目前國內外解決噪聲問題最普遍的方法是采用模擬動態降噪技術,數字降噪技術的研究尚處于初期階段。數字降噪技術比模擬降噪技術具有更大的優點。模擬降噪技術全采用硬件實施,修改和調試十分困難,對元器件參數的變化也很敏感,技術指標受元器件的誤差影響較大,降噪效果不穩定,不利于產品的批量生產。而數字降噪技術由于采用計算機技術實現自適應濾波,通過修改軟件算法就可以達到不同的降噪效果,不用更改硬件結構,調試和維修都非常方便;數字降噪技術采用自適應濾波技術,可以實時跟蹤噪聲的變化進一步進行處理,因此降噪效果較好。另外,數字降噪技術抗干擾能力強,本身具有自恢復能力,并且在整個音頻帶內降噪比較均衡,而模擬降噪技術偏重于低頻段,高頻段效果較差。因此降噪技術未來的發展方向是數字降噪技術,以數字信號處理(DSP)及其相關算法為技術支撐的數字降噪技術代表著當今降噪技術的發展。

     目前市場上的降噪耳機產品主要是模擬降噪耳機,數字降噪耳機只有日本 SONY 公司開發的一款產品,因此數字降噪耳機的設計在國內屬于領先技術。數字降噪耳機的系統原理是通過數字降噪耳機中的麥克風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 數字降噪模塊進行噪聲分離并產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境噪聲的干擾。本文采用最小均方誤差(LMS)算法,實現了數字降噪DSP 中消除噪聲的模塊自適應濾波器的設計,介紹了其在MATLAB 中Simulink建模及仿真輸出,并通過程序實現了設計。

2 自適應濾波器設計原理和結構

   藍牙降噪耳機中 DSP 數字降噪模塊是通過自適應濾波器來實現的,自適應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,以達到最優濾波效果。自適應濾波器可以利用前一時刻獲得的濾波器系數,自動地調節濾波器參數,以適應信號和噪聲位置的統計特性,從而實現最優濾波。自適應濾波器的研究始于20 世紀50 年代末,是關于信號處理方法和技術的濾波器。自適應濾波器能夠得到比較好的濾波性能,當輸入信號的統計特性變化時,自適應濾波器能夠自動的迭代調節自身的濾波器參數,以滿足某種準則的要求,從而實現最優濾波。自適應濾波器的特性變化是由自適應算法通過調整濾波器的系數實現的。所以,自適應濾波器一般都由兩部分組成:一是參數可調的數字濾波器結構,它是為完成期望的處理功能而設計;二是自適應算法,它調節濾波器系數以改進性能。自適應濾波器結構圖如圖1 所示。

      圖 1 中,噪聲信號通過參數可調的濾波器后產生輸出信號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)進行比較,得到誤差信號e(n)。e(n) 和噪聲通過自適應算法對濾波器的參數進行調整,使自適應濾波器輸出效果達到最好。重復上面過程,濾波器逐漸了解到關于輸入信號和噪聲的統計規律,并以此為根據自動調整自己的參數,從而達到最佳的濾波效果。一旦輸入信號的統計規律發生了變化,濾波器能夠自動跟蹤輸入信號的變化,自動調整濾波器的參數,最終達到濾波效果,實現自適應過程。當噪聲信號和混有噪聲的音頻信號通過自適應濾波器之后,可以將環境中的噪聲分離出來,并且自適應跟蹤環境噪聲變化,進而產生降噪信號從而實現噪聲消除。


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