Aktive Geräuschkompensation mit einer FPGA-basierten Signalverarbeitungsplattform

Abstract

In dieser Masterarbeit ist ein System zur aktiven Geräuschkompensation entwickelt worden. Das System identifiziert Störgeräusche und kompensiert diese durch generierte Gegensignale, sodass Geräusche ausgelöscht werden, wie sie durch Gerätelüfter oder durch Vibrationen oder schnelle Fahrt im Inneren eines KFZ entstehen. Um ein Störsignal eindeutig zu identifizieren ist der Aufbau als Adaptive Feedforward System konzipiert worden, welches sich durch ein Referenzmikrofon zur Aufnahme des Störsignals an seiner Quelle auszeichnet. Die Signalwege des gesamten Feedforward Systems sind identifiziert und analysiert worden, um ein realistisches Modell in Simulink zu erstellen. Aus dem Modell ist eine Hardware-Struktur für das adaptive Filter konzipiert worden, die durch eine HW-Modellierungssprache beschrieben und auf einem Spartan-3-FPGA implementiert ist, welches als digitale Signalverarbeitungseinheit auf einer FPGA-Audio-Codec Plattform dient. Diese Struktur besteht aus einem sequentiellen FIR-Filter, dessen Koeffizienten durch den LMS-Algorithmus adaptiert werden. Das Filter ist sequentiell aufgebaut worden, um mit einem geringen HW-Aufwand eine hohe Filterordnung zu realisieren. Die durch diesen Aufbau ermöglichte, maximale Filterordnung beträgt Nmax = 436. Das entwickelte System kompensiert Frequenzen von 200 − 4000 Hz. Die Kompensation findet im Ohr des Empfängers statt, wobei das Kompensationssignal über einen Kopfhörer wiedergegeben wird. In den durchgeführten Funktionstests wurde bei Störsignalen mit einer konstanten Frequenz eine Dämpfung von bis zu −23 dB erreicht. Bei Signalen, die mehrere Frequenzanteile und Rauschen enthielten, lag die Dämpfung bei −8 dB.

With this thesis a system for Active Noise Cancellation has been developed. The system is capable of identifying interfering noises and to compensate this by creating a countercurrent sound. By this means interfering noises can be eliminated, generated by e. g. cooling fans of various devices or vibrations and high speed driving inside a car. The compensation occurs in the ear of the listener, whereas the compensating signal is introduced via headphones. The signal processing unit consists of a FPGAAudio- Codec-platform for creating the compensating signal. The signal paths of the entire feedforward system were identified and analyzed in order to establish a realistic model with Simulink. Based on this model, a hardware structure for an adaptive filter has been conceived, which is described by a HW modelling language and implemented on the FPGA. This structure consists of a sequential FIR-filter, whose coefficients are adapted by the LMS-algorithm. The filter is designed sequential in order to implement a highorder filter with low HW-costs. The filter order is limited by the HW-structure, it´s absolute value is N = 437. The system developed is capable of compensating frequencies in the range of 200 to 4000 Hz. Functional tests have proven an attenuation of up to - 23 dB of the interfering noise with constant frequency. The attenuation of signals with various frequencies and undefined noise was found at - 8 dB.