[논문]능동소음제어를 위한 Adjoint-LMS 알고리즘의 강인성 개선

문학룡; 손진근

doi:10.5370/kieep.2016.65.3.171

능동소음제어를 위한 Adjoint-LMS 알고리즘의 강인성 개선
A Robustness Improvement of Adjoint-LMS Algorithms for Active Noise Control 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.65 no.3, 2016년, pp.171 - 177

문학룡 (Korea Institute of Construction Technology, SoC Research Institute) , 손진근 (Dept. of Electrial Engineering, Gachon University)

Abstract ▼ AI-Helper

Noise problem that occurs in living environment is a big trouble in the economic, social and environmental aspects. In this paper, the filtered-X LMS algorithms, the adjoint LMS algorithms, and the robust adjoint LMS algorithms will be introduced for applications in active noise control(ANC). The filtered-X LMS algorithms is currently the most popular method for adapting a filter when the filter exits a transfer function in the error path. The adjoint LMS algorithms, that prefilter the error signals instead of divided reference signals in frequency band, is also used for adaptive filter algorithms to reduce the computational burden of multi-channel ANC systems such as the 3D space. To improve performance of the adjoint LMS ANC system, an off-line measured transfer function is connected parallel to the LMS filter. This parallel-fixed filter acts as a noise controller only when the LMS filter is abnormal condition. The superior performance of the proposed system was compared through simulation with the adjoint LMS ANC system when the adaptive filter is in normal and abnormal condition.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나 Adjoint-LMS 알고리즘의 적용은 적응필터가 정상적인 동작을 하지 않을 경우에는 소음이 그대로 전달되는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 본 논문에서는 강인성이 고려된 Adjoint-LMS 알고리즘을 제안하였다. 이는 적응필터가 정상적인 동작을 하지 않을 경우에는 고정필터를 미리 배치하여 최소한의 성능을 보장하도록 하는 것으로 시스템의 높은 안정성을 갖도록 하였다.
그러나 Adjoint-LMS 알고리즘의 적용은 적응필터가 정상적인 동작을 하지 않을 경우에는 소음이 그대로 전달되는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 본 논문에서는 강인성이 고려된 Adjoint-LMS 알고리즘을 제안하였다. 이는 적응필터가 정상적인 동작을 하지 않을 경우에는 고정필터를 미리 배치하여 최소한의 성능을 보장하도록 하는 것으로 시스템의 높은 안정성을 갖도록 하였다.
또한 필터가 고장인 경우에는 수리가 완료될 때까지 ANC 시스템이 동작되지 않으므로 큰 소음이 그대로 전달되어 오히려 역효과가 나는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 본 논문에서는 그림 3과 같은 강인성이 고려된 Adjoint-LMS 알고리즘을 새롭게 제안한다.

가설 설정

이는 300[Hz]의 정현파에 백색잡음을 첨가하고 음향궤환을 고려하여 입력신호로 사용하였다. 이때의 입력소음은 전파되는 과정에서 온도와 송풍유속이 일정하다고 가정하였다. 그림 7(b)는 300[Hz]와 400[Hz] 복합 주파수에 백색잡음을 첨가하고 음향궤환을 고려하여 입력신호로 사용한 것이다.

제안 방법

1절에서 구한 전달함수를 이용하여 그림 3에서 제시한 시스템을 구성하여 Matlab tools을 이용하여 모의실험을 수행하였다. 단일 주파수 및 복합 주파수 신호 입력의 두 가지 경우에 대하여 기존의 Adjoint-LMS ANC와 새롭게 제안한 Robust Adjoint-LMS ANC에 대하여 성능을 분석하였다. 이는 적응필터가 정상적으로 동작할 경우와 정상적으로 동작하지 않을 경우에 대해서 성능을 비교하였다.
덕트 소음을 제어대상으로 하여 2차 소음경로에 대하여 오프라인 방식으로 전달함수 측정에 의한 고정필터를 적응필터와 병렬로 접속하는 방식을 적용하여 강인성을 개선하였다. 컴퓨터 시뮬레이션으로 제안된 알고리즘을 수행한 결과 적응필터의 고장 시에도 소음제거의 효과에 대한 강인성이 개선됨을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

그림 5(a)는 입력스피커에 인가한 입력신호와 그림 5(b)는 제어스피커의 위치에서 측정한 출력신호이다. 이때 입력과 출력신호는 50[μsec]로 샘플링 하였고, 계수추정을 위해 300개의 샘플링 데이터를 사용하였다. 측정한 신호를 근거로 ARX(Auto Regressive External)모형화[8, 9]에 의해 전달함수 #를 구하였다.
본 논문에서 제안한 강인성이 고려된 Adjoint-LMS 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 그림 4와 같은 시스템을 구성하였다. 이의 구성 시스템은 제안된 ANC시스템에 사용하기 위한 전달함수 측정의 구성도이며, 이때의 제어대상은 전체의 길이가 3,000(mm)이고, 직경이 200(mm)인 아크릴원통을 사용하한 구조의 덕트를 선택하였다.

데이터처리

4.1절에서 구한 전달함수를 이용하여 그림 3에서 제시한 시스템을 구성하여 Matlab tools을 이용하여 모의실험을 수행하였다. 단일 주파수 및 복합 주파수 신호 입력의 두 가지 경우에 대하여 기존의 Adjoint-LMS ANC와 새롭게 제안한 Robust Adjoint-LMS ANC에 대하여 성능을 분석하였다.

이론/모형

능동소음 제어기법은 주로 500[Hz]이하의 저주파 영역에서 소음 감소의 좋은 효과과 있는 것으로 보고 되고 있다. 이러한 ANC기법은 적응필터로서 주로 Filtered-X LMS 알고리즘을 사용한다. 그러나 이의 알고리즘은 3차원과 같은 다중 채널의 구조에서는 오차센서 및 입력필터의 증가로 인하여 알고리즘 수행을 위한 많은 계산량이 요구된다.

성능/효과

는 오차 신호벡터, N은 2차 경로 모델차수인데, Adjoint 모델은 지연요소는 앞선 요소가 되는 비인과적 계통이므로 실시간 적응식에 적용하기 위해 2차경로 모델차수 N만큼 지연을 시킨다. Adjoint-LMS 알고리즘은 단일 채널인 경우 각각의 계산량은 동일하지만 다중 채널일 경우 계산량을 줄일 수 있으며 기존 Filtered-X LMS 알고리즘과 동등한 수렴성 및 excess mse(mean square error)를 갖는다.
능동소음제어에서 다중채널일 경우 일반적인 Filtered-X LMS 알고리즘을 적용하면 기준 입력신호의 필터링시 입력신호의 개수인 J에 비례하는 연산을 필요로 하게 된다. 그러나 Adjoint-LMS 알고리즘을 사용하면 오차신호를 필터링하므로 기준입력신호의 개수와 상관이 없어지며, 적응필터 계산 시에도 기준 입력신호가 변경되지 않았으므로 오차센서의 수 M에 비례하는 수만큼 연산량이 줄어들게 된다. 그러므로 다중채널일 경우 상당한 양의 계산량을 줄일 수 있다.
그러나 그림 11(b)와 같이 적응필터가 고장시에는 기존의 Adjoint-LMS인 경우에는 300Hz 및 400Hz 대역에서 입력신호가 제어되지 않고 그대로 ANC시스템에 전달된다. 그러나 제안된 Adjoint-LMS인 경우에는 300Hz 및 400Hz 대역에서 약 –50[dB]의 소음 제거의 효과를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
그러나 그림 10(b)와 같이 적응필터가 고장시에는 기존의 Adjoint-LMS인 경우에는 300Hz대역에서 입력신호가 제어되지 않고 그대로 ANC 시스템에 전달된다. 그러나 제안된 Adjoint-LMS인 경우에는 300Hz대역에서 약 –60[dB]의 소음 제거의 효과를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
두 결과 파형 모두 적응필터가 고장 없이 없는 500번째 샘플링 이전에는 정상적인 제어특성을 보이고 있으나, 500번째 샘플링의 이후에는 적응필터가 고장이 나서 정상적으로 동작하지 않을 경우에는 제어의 기능 없이 입력소음이 그대로 전달되고 있다는 것을 볼 수 있다.
이는 덕트 내의 소음을 제어대상으로 하여 이에 대한 오프라인 방식으로 전달함수를 측정에 의하여, 이의 고정필터를 적응필터와 병렬로 접속하는 방법을 사용한 것이다. 모의실험을 수행하여 필터의 고장시에도 제어기의 안정도가 파괴되지 않고 성능의 저하 없이 소음제거의 기능을 잘 수행하고 있음을 확인하였다.
이로써 적응필터가 어떤 요인으로든 제 기능을 다하지 못하는 경우에는 기존의 Adjoint-LMS ANC시스템에서는 소음제어 기능을 상실하지만 제안한 Robust Adjoint-LMS ANC 시스템은 제 기능을 상당히 유지하여 시스템의 강인성이 많이 개선됨을 볼 수 있다.
덕트 소음을 제어대상으로 하여 2차 소음경로에 대하여 오프라인 방식으로 전달함수 측정에 의한 고정필터를 적응필터와 병렬로 접속하는 방식을 적용하여 강인성을 개선하였다. 컴퓨터 시뮬레이션으로 제안된 알고리즘을 수행한 결과 적응필터의 고장 시에도 소음제거의 효과에 대한 강인성이 개선됨을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	능동소음제어 기법이란 무엇인가?	능동소음제어(Active Noise Control;ANC) 기법은 소음원의 근처에서 측정된 신호를 제어기를 이용하여 그 음과 크기가 같고 180° 위상차의 상쇄파를 발생하여 소음을 저감시키는 것이다[1]. 이는 부가 음원의 제어스피커와 에러 마이크를 이용하여 실시간으로 변화하는 소음을 제거하는 방법으로 이들 장비의 부피와 무게가 적기 때문에 방음벽과 같은 수동 방식보다 설치 용이의 장점이 있다.
	기존 Filtered-X LMS 알고리즘의 단점은 무엇인가?	기존 Filtered-X LMS 알고리즘은 오차신호가 오차경로를 거친 다음 마이크로폰에 의해 탐지될 때 오차경로의 영향을 상쇄시키기 위해 입력신호를 오차경로의 전달함수에 해당하는 필터로 필터링한 후 LMS 알고리즘의 입력으로 사용하는 방식이다. 이의 방법은 광대역 및 협대역의 소음 저감에 효과적이지만 2차 음원에서 발생되는 제어음파에 의한 음향궤환에 의하여 제어기의 성능 저하를 초래한다.
	기존 Filtered-X LMS 알고리즘은 어떤 방식으로 사용되었는가?	기존 Filtered-X LMS 알고리즘은 오차신호가 오차경로를 거친 다음 마이크로폰에 의해 탐지될 때 오차경로의 영향을 상쇄시키기 위해 입력신호를 오차경로의 전달함수에 해당하는 필터로 필터링한 후 LMS 알고리즘의 입력으로 사용하는 방식이다. 이의 방법은 광대역 및 협대역의 소음 저감에 효과적이지만 2차 음원에서 발생되는 제어음파에 의한 음향궤환에 의하여 제어기의 성능 저하를 초래한다.

참고문헌 (9)

S. J. Elliott and P. A. Nelson, "Active Noise Control", IEEE Signal Processing Magazine, pp.12-35, Oct, 1993.
S. D. Snyder and C. H. Hansen, "Effect of transfer function estimation errors on the filtered-X LMS Algorithm," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 42, pp. 950-953, 1994.

상세보기
Sen M. Kuo and Dennis R. Morgan, "Active Noise Control System Algorithms and DSP Implementations", John Wiley & Sons, New York, 1996.
B. Widrow and S.D. Stearns, 'Adaptive Signal Processing', Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1985.
E. A. Wan, "Adjoint LMS: an efficient alternative to the filtered-X LMS and multiple error LMS algorithms," presented at the IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, ICASSP, pp.1842-1845, USA, 1996.
S. J. Elliott, C. C. Boucher and P.A Nelson, "The Behavior of a Multiple Channel Active Control System", IEEE Trans. on Signal Processing, Vol. 40, pp. 1041-1051, 1992.

상세보기
S. M. Kuo and D. Vijayan, "A Secondary Path Modeling Technique for Active Noise Control System", IEEE, Vol. 42, pp. 1335-1351, 1994.
Touhami O., Ibtiouen R., Guechtouli A., Iung C., "Identification of SIMO system : application to an induction machine", Industry Applications Conference, 2000. Conference Record of the 2000 IEEE Vol. 2, pp. 1148-1152, 2000.
Zuraida Muhammad, Zakiah Mohd Yusoff," Modeling of Steam Distillation Pot with ARX Model", 2012 IEEE 8th International Colloquium on Signal Processing and its Applications, pp. 194-198, March 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증