主動式降噪耳機(Headset)利用主動噪音控制(Active Noise Control, ANC)的技術，產生的人為噪音來消除環境噪音；配戴此種ANC耳機不僅可以提升聆聽音樂時的品質，同時並可避免環境噪音對身心造成的傷害。然而，目前市面上的ANC耳機幾乎都是架構在昂貴的數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)平台上。DSP強大的資料處理能力和高運行速度使ANC耳機的實現變得容易，但伴隨而來的則是不斐的價格，這也是ANC耳機並不普及的原因。因此，本論文的目標希望以單晶片微控制器(Micro-controller Unit, MCU)來取代DSP，實現一低價位ANC耳機。期望藉由低價位的吸引力，來增加消費者的接受度。同時，本論文提出輸出限制(Output-Limit)演算法，這種方法可防止太大的噪音造成MCU運算時的失控，且不會影響系統迭代修正的正確性，故可有效地提高系統穩定性，使MCU設計的ANC耳機有更好的噪音消除能力。由實驗結果可知，本論文所設計的ANC耳機不僅可大幅降低系統造價成本，同時，在消音能力上可消除低頻噪音達90%以上，與市面上高價位的ANC耳機已達相似之功能。

The active noise control (ANC) headphone can cancel noise actively in the noisy environment. However, ANC headphones are usually very expensive due to the cores of the ANC headphones are built on a digital signal processor (DSP) platform. This paper tries to use the micro-controller unit (MCU), instead of a DSP, to design a low-cost ANC headphone.
In order to realize the ANC on a MCU, this paper also proposes the Output-Limit feedback filtered-X least mean square (Output-Limit FFXLMS) algorithm. This method can suppress that loud noise which may lead the conventional FFXLMS algorithm to unstable situation. In addition, the stability and convergence rate of Output-Limit FFXLMS algorithm are also discussed and compared with FFXLMS algorithm and feedback filtered-X normalize least mean square (FFXNLMS) algorithm. In the experiments, the proposed MCU based headphone show the superior performance when compared with a commercial leading ANC headphon. The headphone could cancel the undesired low-frequency noise over 90% when the noise range is under 800Hz. The results prove that using a low-cost MCU instead of the DSP still can achieve a successful ANC headphone.

目錄
摘要I
誌謝III
目錄IV
圖目錄VIII
表目錄XI
第一章 緒論1
1.1 背景與研究動機1
1.2 文獻回顧2
1.3 研究方法3
1.4 本文章節提要4
第二章 主動噪音控制基本原理與理論探討6
2.1 噪音控制基本原理6
2.2 主動式噪音控制架構7
2.3 演算法8
2.3.1 LMS演算法9
2.3.2 Filter-X LMS演算法10
2.3.3 Feedback FXLMS演算法12
2.3.4 FFXNLMS演算法13
第三章 系統設計與實現15
3.1 Output-Limit FFXLMS演算法15
3.2 硬體電路建立17
3.2.1 核心處理器18
3.2.2 直流電源升壓電路19
3.2.3 音樂輸入電路21
3.2.4 麥克風輸入電路22
3.2.5 音樂與次級噪音輸出電路23
3.3 主動式降噪耳機硬體架構26
3.3.1 離線第二路徑鑑別27
3.3.2 Output-Limit FFXLMS實現於ANC耳機架構27
3.4 ANC耳機實現於單晶片之難度與克服29
第四章 主動式噪音控制的模擬與分析43
4.1 噪音產生器43
4.2 ANC模擬系統44
4.2.1 模擬系統架構44
4.2.2 模擬結果之表示方法46
4.3 三種ANC架構之比較與分析46
4.3.1 收斂速度比較與分析46
4.3.2 穩定度比較與分析48
第五章 實驗結果之比較與討論52
5.1 FFXLMS，FFXNLMS，Output-Limit FFXLMS實際結果比較53
5.1.1 收斂速度比較53
5.1.2 穩定度比較54
5.2 模擬與實際結果比較56
5.2.1 單頻噪音消除57
5.2.2 複頻噪音消除59
5.2.3 寬頻噪音消除61
5.3 硬體實現同時撥放音樂與噪音消除63
5.3.1 單頻噪音消除63
5.3.2 寬頻噪音消除64
5.4 實驗耳機與松下RP-HC5000降噪耳機比較65
5.4.1 單頻噪音消除67
5.4.2 寬頻噪音消除69
5.5 單晶片主動降噪耳機之成本估計73
第六章 結論與未來展望75
6.1 結論75
6.2 未來展望76
參考文獻77
附錄80
附錄A 實驗與量測設備介紹80
A.1 Microchip Technology 的Explorer 16 開發板80
A.2 MPLAB ICD2 模擬器82
A.3 Tektronix DPO4054高階數位訊號量測示波器83
A.4 HP35670A 動態信號分析儀85

圖目錄
圖2.1 噪音與抑制波結合造成能量相消7
圖2.2 主動式噪音控制前饋式結構7
圖2.3 主動式噪音控制回饋式結構8
圖2.4 LMS適應性演算法9
圖2.5 建立第二路徑估計函數11
圖2.6 Filter-X LMS演算法11
圖2.7 Feedback FXLMS演算法12
圖3.1 Output-Limit FFXLMS演算法16
圖3.2 主動式降噪耳機硬體架構18
圖3.3 直流電壓升壓電路20
圖3.4 音樂輸入電路21
圖3.5 麥克風放大電路22
圖3.6 R2R型8位元D/A轉換電路(1)23
圖3.7 R2R型8位元D/A轉換電路(2)24
圖3.8 音樂與次級噪音輸出電路26
圖3.9 離線第二路徑鑑別27
圖3.10 應用Output-Limit FFXLMS架構於ANC耳機28
圖4.1 Matlab實現之噪音產生器43
圖4.2 Matlab實現之Output-Limit FFXLMS人機介面44
圖4.3 Matlab實現之FFXLMS人機介面45
圖4.4 Matlab實現之FFXNLMS人機介面45
圖4.5 模擬結果之表示方法46
圖4.6 收斂速度比較的參數設定47
圖4.7 三種架構收斂速度比較48
圖4.8 穩定度比較的參數設定49
圖4.9 三種架構穩定度比較50
圖5.1 硬體實際量測照片(一)52
圖5.2 硬體實際量測照片(二)52
圖5.3 三種架構之收斂速度實際結果比較54
圖5.4 三種架構之穩定度實際結果比較55
圖5.5 噪音傳送至單晶片進行抑制流程56
圖5.6 300Hz單頻噪音消除 (a)模擬結果 (b)實際量測結果57
圖5.7 800Hz單頻噪音消除 (a)模擬結果 (b)實際量測結果58
圖5.8 250Hz&350Hz複頻噪音消除 (a)模擬結果 (b)實際量測結果59
圖5.9 400Hz&500Hz複頻噪音消除 (a)模擬結果 (b)實際量測結果60
圖5.10 250Hz-300Hz寬頻噪音消除 (a)模擬結果 (b)實際量測結果61
圖5.11 300Hz-500Hz寬頻噪音消除 (a)模擬結果 (b)實際量測結果62
圖5.12 同時撥放音樂與消除外界400Hz單頻噪音 實際量測結果64
圖5.13 同時撥放音樂與消除外界350-400Hz寬頻噪音 實際量測結果64
圖5.14 外接麥克風模擬人耳66
圖5.15 (左)松下RP-HC5000降噪耳機 與 (右)實驗耳機66
圖5.16 300Hz噪音消除 (a)松下RP-HC5000降噪耳機 (b)實驗耳機68
圖5.17 800Hz噪音消除 (a)松下RP-HC5000降噪耳機 (b)實驗耳機69
圖5.18 250-300Hz噪音消除 (a)松下RP-HC5000降噪耳機 (b)實驗耳機70
圖5.19 750-800Hz噪音消除 (a)松下RP-HC5000降噪耳機 (b)實驗耳機71
圖5.20 單晶片ANC耳機成本估計圖73
圖A.1 Explorer 16開發板80
圖A.2 MPLAB ICD2 線上模擬器82
圖A.3 Tektronix DPO4054數位訊號量測示波器84
圖A.4 HP 35670A動態信號分析儀85

表目錄
表3.1 音源輸入信號 A/D 對照表22
表3.2 麥克風輸入信號 A/D 對照表23
表3.3 PIC24H浮點數運算執行週期數30
表3.4 PIC24H 16bit運算執行週期數31
表3.5 PIC24H定點整數運算執行週期數35
表3.6 Output-Limit FFXLMS演算法運算量41
表4.1 三種架構優劣比較表51
表5.1 模擬結果與實際量測結果 降噪能力比較表63
表5.2 實驗耳機與松下RP-HC5000降噪耳機降噪能力比較72

參考文獻
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