[论文解读] A survey on active noise control techniques -- Part I: Linear systems

Lu Lu, Kaili Yin+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Advanced Adaptive Filtering Techniques被引用 4

一句话总结

本文综述了过去十年中线性主动噪声控制（ANC）技术的发展，重点聚焦于基于FxLMS的算法、采用递增与扩散策略的分布式ANC系统，以及稀疏自适应滤波技术。文章全面回顾了理论基础、算法进展与实际应用，突出展示了多通道与网络化ANC系统在收敛性、鲁棒性与可扩展性方面的提升。

ABSTRACT

Active noise control (ANC) is an effective way for reducing the noise level in electroacoustic or electromechanical systems. Since its first introduction in 1936, this approach has been greatly developed. This paper focuses on discussing the development of ANC techniques over the past decade. Linear ANC algorithms, including the celebrated filtered-x least-mean-square (FxLMS)-based algorithms and distributed ANC algorithms, are investigated and evaluated. Nonlinear ANC (NLANC) techniques, such as functional link artificial neural network (FLANN)-based algorithms, are pursued in Part II. Furthermore, some novel methods and applications of ANC emerging in the past decade are summarized. Finally, future research challenges regarding the ANC technique are discussed.

研究动机与目标

• 回顾过去十年中线性主动噪声控制（ANC）技术的演变与当前状态。
• 分析基于FxLMS的算法性能与局限性，包括次级路径估计与收敛性问题。
• 研究基于递增与扩散策略的分布式ANC系统，以实现在无线麦克风传感器网络（WASNs）中可扩展、低复杂度的噪声抑制。
• 评估稀疏自适应滤波技术在欠定ANC场景下的性能改进。
• 为第二部分提供基础，第二部分将涵盖非线性ANC与基于启发式的方法。

提出的方法

• 综述前馈、反馈与混合ANC系统模型，分析其结构优势与局限性。
• 分析FxLMS算法及其变体（如FeLMS、FuLMS），强调次级路径建模与滤波x方法的作用。
• 提出用于分布式ANC的递增FxLMS（IFxLMS）算法，通过K个节点的循环更新规则实现本地权重自适应。
• 提出扩散FxNLMS（DFxNLMS）算法，每个节点基于本地误差与邻居的加权估计值，通过凸组合方式更新其权重。
• 应用FxAP与FxRLS算法作为非LMS替代方案，强调其在动态环境中更快的收敛速度与更优的跟踪性能。
• 评估子带与频域处理技术，以降低多通道系统中的计算复杂度并提升收敛速度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在次级路径失配情况下，基于FxLMS的算法表现如何？有哪些方法可改善其收敛性与稳定性？
• RQ2 在分布式ANC系统中，递增策略与扩散策略相比有何优势与局限性？
• RQ3 稀疏自适应滤波技术如何提升在欠定或低秩信号环境下的ANC性能？
• RQ4 结合前馈与反馈结构的混合ANC系统中，关键的设计权衡是什么？
• RQ5 频域与子带处理方法如何在保持噪声抑制性能的同时降低计算复杂度？

主要发现

• FxLMS算法仍是线性ANC的核心，但其性能对次级路径建模误差高度敏感，可能导致系统不稳定。
• 次级路径估计技术显著提升了建模精度，尤其在使用在线估计方法时，可减小特征值扩展并加快收敛速度。
• 采用扩散FxNLMS算法的分布式ANC系统在任意网络拓扑下均能实现稳定、鲁棒的性能，并对链路故障具有较强容错能力。
• 在大规模具有动态连接性的WASNs中，扩散策略在收敛速度与鲁棒性方面均优于递增方法。
• 稀疏自适应滤波技术可降低计算负载，并在主噪声信号为低秩或稀疏的场景中提升收敛性能。
• 频域与子带处理方法可在多通道ANC系统中将计算复杂度降低30–50%，同时保持相近的噪声抑制水平。