CN102257560B - 有源音频噪声消除 - Google Patents

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Abstract

一种噪声消除系统包括生成捕获信号的麦克风（103）和在音频环境中辐射声音消除音频信号的声音换能器（101）。从麦克风（103）到声音换能器（101）的反馈路径（109）包括非自适应消除滤波器（115）和可变增益（117），接收捕获的信号并且生成用于声音换能器（101）的驱动信号。增益检测器确定反馈环路副路径的至少一部分的副路径增益。副路径可包括麦克风（103）、声音换能器（101）和它们之间的声路，但不包括非自适应消除滤波器（115）或可变增益（117）。增益控制器（121）根据副路径增益来调节可变增益（117）的增益。该系统使用简单的增益估计和控制，以便有效地补偿副路径的变化，从而提供改进的稳定性和噪声消除性能。

Description

有源音频噪声消除
技术领域
本发明涉及音频噪声消除系统，具体地，但不排他地，本发明涉及用于头戴式耳机的有源音频噪声消除系统。
背景技术
在用户感知到不想要的声音的许多音频环境中，有源噪声消除正日益变得普遍。例如，包括有源噪声消除功能性的头戴式耳机已经变得普遍，并且频繁地用于许多音频环境中（如在嘈杂的工厂产品制造区、飞机上），以及由操作嘈杂设备的人使用。
有源噪声消除头戴式耳机以及类似的系统基于对典型地接近于用户耳朵（例如由耳朵周围的耳机所建立的声体积内）的音频环境进行感测的麦克风。然后噪声消除信号辐射到该音频环境，以便减小所得到的声级。具体而言，噪声消除信号用于提供具有到达麦克风的声波的相反相位的信号，从而得到至少部分抵消音频环境中的噪声的破坏性干扰。有源噪声消除系统典型地实现反馈环路，该反馈环路基于在噪声和噪声消除信号两者都存在的情况下由麦克风测量的音频信号而产生声音消除信号。
这些噪声消除环路的性能由实施为反馈环路的一部分的消除滤波器控制。消除滤波器应设计为使得可以实现最优噪声消除效果。各种用于设计消除滤波器的算法和方法是已知的。例如，J. Laroche. “Optimal Constraint-Based Loop-Shaping in the Cepstral Domain”，IEEE Signal process. letters，14(4)：225到227，2007年4月中描述了一种用于基于倒谱域来设计消除滤波器的方法。
然而，由于反馈环路本质上表示无限冲激响应（IIR）滤波器，消除滤波器的设计受到反馈环路稳定的要求的约束。总闭环滤波器的稳定性是通过利用尼奎斯特稳定性定理来保证的，尼奎斯特稳定性定理要求总闭环传递函数不包围z=exp(jθ)的复平面内的点z=-1，其中0≤θ<2π。
然而，尽管消除滤波器往往是固定非自适应滤波器，以便降低复杂度和简化设计过程，但反馈环路的部件的传递函数倾向于明显变化。具体而言，反馈环路包括副路径，其表示除消除滤波器以外的其他环路元件，包括模数转换器和数模转换器、抗混叠滤波器、功率放大器、扬声器、麦克风的响应以及从扬声器到误差麦克风的声路的传递函数。副路径的传递函数作为头戴式耳机的当前配置的函数而明显变化。例如，副路径的传递函数可根据头戴式耳机是否处于正常工作配置（即由用户佩戴）、无用户佩戴、压向用户头部等而明显变化。
由于反馈环路必须在所有场景下稳定，因此消除滤波器受到如下限制：必须针对副路径的所有不同的可能传递函数而确保稳定性。因此，消除滤波器的设计倾向于基于针对副路径传递函数的最差情况的假设。然而，尽管这种方法可以确保系统的稳定性，但倾向于导致性能降低，因为对于特定的当前副路径传递函数，理想的噪声消除功能并不由消除滤波器来实施。
因此，改进的噪声消除系统将是有利的，具体而言，能够实现提高的灵活性、改进的噪声消除、降低的复杂度、改进的稳定性性能和特性以及/或者改进的性能的噪声消除系统将是有利的。
发明内容
因此，本发明设法以单个或任何组合方式更适宜地减少、缓解或消除上述缺点中的一个或更多个缺点。
一种噪声消除系统包括：麦克风，用于生成表示音频环境中的声音的捕获信号；声音换能器，用于在音频环境中辐射声音消除音频信号；从麦克风到声音换能器的反馈装置，反馈装置接收捕获的信号并且生成用于声音换能器的驱动信号，并包括非自适应消除滤波器和可变增益；增益确定装置，用于确定反馈环路副路径的至少一部分的副路径增益，反馈环路包括麦克风、声音换能器和反馈装置，其中副路径不包括非自适应消除滤波器和可变增益；以及增益设置装置，用于响应于副路径增益来调节可变增益的增益。
该方法可为噪声消除系统提供改进的性能。复杂度可以保持为低，而仍然允许灵活的对不同操作配置的适应性。具体而言，发明人认识到：可以有利地通过仅调节反馈装置的增益来补偿副路径的变化，特别是从声音换能器到麦克风的声段的传递函数的变化。具体而言，消除滤波器的传递函数的频率和相位响应可以保持恒定，同时仍然实现改进的噪声消除。此外，发明人认识到：针对副路径的低复杂度增益确定以及随后的对反馈环路的增益的调节可能足以改进针对副路径变化的噪声消除性能。发明人还认识到：通过测量副路径增益以及相应地调节反馈装置的增益，可以降低对消除滤波器的稳定性约束，由此允许更优的消除滤波器的实现。
噪声消除系统设置成调节反馈装置的增益，但并未做出响应于所测的副路径特性而进行的对反馈装置传递函数的其他修改。
副路径的传递函数可对应于除消除滤波器和可变增益以外的所有其他反馈环路元件的传递函数，并且具体可包括从声音换能器到麦克风的声路。
增益确定装置包括：用于在反馈环路中注入测试信号的装置；用于确定副路径的所述至少一部分的输入处的对应于测试信号的第一信号电平的装置；用于确定副路径的所述至少一部分的输出处的对应于测试信号的第二信号电平的装置；以及用于响应于第一信号电平和第二信号电平来确定副路径增益的装置。
这可以提供高效且高性能的噪声消除系统。可以通过对反馈环路信号和测试信号进行求和（或其它组合）来在副路径的所述至少一部分的输入处注入测试信号。可以通过测量副路径的所述至少一部分的输入处的（测试信号和反馈环路信号的）组合信号（例如利用与测试信号特性的相关（例如带通滤波）来组合）来确定第一信号电平。在一些实施例中，第一信号电平可以确定为测试信号的信号电平。例如，如果测试信号的信号电平明显超过反馈环路信号，则可以将副路径的所述至少一部分的输入处（例如在用于注入信号的求和单元/组合器的输出处）的信号电平确定为输入到求和单元/组合器的测试信号的信号电平。
可以通过直接测量（利用与例如带通滤波形式的测试信号特性的相关来组合的）副路径的所述至少一部分的输出处的信号电平来确定第二信号电平，或者可以例如通过测量反馈环路中的另一个信号以及从那里确定副路径的所述至少一部分的输出处的信号电平来确定第二信号电平。
具体而言，副路径增益可以响应于第二信号电平与第一信号电平之间的比率来确定。
根据本发明的一个可选特征，副路径的所述至少一部分的输出对应于可变增益117的输入和非自适应消除滤波器的输入中的至少一个输入。
这可以改进性能。具体而言，它可以提供对反馈环路的改进的表征，并且可以例如允许考虑副路径的所有元件的影响。具体而言，它可以对应于针对完整副路径的增益确定。
根据本发明的一个可选特征，用于确定第一信号电平的装置设置成响应于测试信号的信号电平来确定第一信号电平，而不测量反馈环路的信号。
在许多实施例中，这可以允许复杂度的降低和/或操作的简化，同时保持对副路径增益的精确确定。该方法可以特别适合于这样的实施例：其中在注入测试信号的点，测试信号的信号电平设置得明显高于反馈环路信号。
根据本发明的一个可选特征，测试信号是具有小于10 Hz的3 dB带宽的窄带信号。
发明人认识到，在许多实施例中，副路径增益的典型变化是这样的：不同频率处的增益变化足够低，从而允许对于副路径变化的有利补偿基于在很窄的频带中执行的增益测量。使用窄带信号可降低信号对用户的可感知性，并且可降低测试信号对反馈环路性能和噪声消除效率的影响。此外，可以便于或允许将测试信号定位在被用户感知的可能性较小的频率处（例如正常人的听觉频率范围之外）。
根据本发明的一个可选特征，测试信号基本上是正弦曲线。
这可以提供特别有利的性能以及/或者可以便于操作和/或降低复杂度。
根据本发明的一个可选特征，测试信号具有从10Hz到40Hz的区间内的中心频率。
这可以实现特别有利的测试性能，并且可具体提供信号对用户是可注意到的与信号适合于精确测量之间的改进的折衷。具体而言，其可以允许声音换能器再现测试信号，而同时允许这不被用户感知到（或被用户以低水平感知到）。
根据本发明的一个可选特征，测试信号是噪声信号。
在许多实施例中，这可以允许改进的性能以及/或者便利的实施和/或操作。
根据本发明的一个可选特征，噪声消除系统进一步包括用于在没有测试信号的情况下，针对对应于副路径的所述至少一部分的输入的信号来测量第三信号电平的装置；以及用于响应于第三信号电平设置测试信号的信号电平的装置。
这可以允许改进的对副路径增益的确定并因此允许改进的噪声消除和/或稳定性特性。例如，测试信号的信号电平可以设置为确保第二信号电平（例如在测试信号的带宽内）由测试信号支配。
根据本发明的一个可选特征，由非自适应消除滤波器导致的对应于测试信号的信号分量的衰减是至少6 dB。
这可以允许便利的实施和/或操作，以及允许在确定副路径增益时的提高的精度和因此允许改进的噪声消除。例如，其可以允许反馈对测试信号的影响减小到可以忽略它的水平，从而便于测量副路径增益。
根据本发明的一个可选特征，噪声消除系统进一步包括用于将用户音频信号馈送到声音换能器的装置，增益确定装置包括：用于确定对应于副路径的所述至少一部分的输入处的用户音频信号的第一信号电平的装置；用于确定对应于副路径的所述至少一部分的输出处的用户音频信号的第二信号电平的装置；以及用于响应于第一信号电平和第二信号电平来确定副路径增益的装置。
在许多实施例中，这可以实现改进的性能以及/或者便利的实施和/或操作。
根据本发明的一个可选特征，增益设置装置配置成将可变增益的增益设置成使副路径增益和可变增益的增益的组合增益具有预定值。
在许多实施例中，这可以提供对副路径变化的特别有利的补偿。
根据本发明的一个可选特征，副路径包括数字段，副路径的所述至少一部分包括模数转换器和数模转换器中的至少一个。
噪声消除系统可利用数字技术来实施，补偿适合于例如部分数字的反馈环路。
根据本发明的一个方面，提供了一种针对噪声消除系统的操作方法，噪声消除系统包括：麦克风，用于生成表示音频环境中的声音的捕获信号；声音换能器，用于在音频环境中辐射声音消除音频信号；从麦克风到声音换能器的反馈装置，反馈装置接收捕获信号并且生成用于声音换能器的驱动信号，并包括非自适应消除滤波器和可变增益；所述方法包括确定反馈环路的副路径的至少一部分的副路径增益，反馈环路包括麦克风、声音换能器和反馈装置，其中副路径不包括非自适应消除滤波器和可变增益；以及响应于副路径增益来调节可变增益的增益；其中确定副路径增益包括：在反馈环路中注入测试信号；确定对应于副路径的所述至少一部分的输入处的测试信号的第一信号电平；确定对应于副路径的所述至少一部分的输出处的测试信号的第二信号电平；以及响应于第一信号电平和第二信号电平来确定副路径增益。
从下面描述的实施例来看，本发明的这些和其它方面、特征和优点将变得清楚明白，并且将参照这些实施例来描述。
附图说明
仅仅为了举例，将参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的一些实施例的噪声消除系统的一个实例；
图2示出了用于一组闭合头戴式耳机的无源传递函数的一个实例；
图3示出了用于根据本发明的一些实施例的噪声消除系统的解析模型的一个实例；
图4示出了用于根据本发明的一些实施例的噪声消除系统的解析模型的一个实例；
图5示出了对于不同配置，针对噪声消除头戴式耳机的副路径测量的幅值频率响应的实例；
图6示出了根据本发明的一些实施例的噪声消除系统的幅值传递函数的一个实例；以及
图7示出了根据本发明的一些实施例的噪声消除系统的一个实例。
具体实施方式
以下描述关注于本发明的适用于头戴式耳机的音频噪声消除系统的实施例。然而应理解，本发明不局限于该应用，而是可以应用于许多其它应用，包括例如用于车辆的噪声消除。
图1示出了根据本发明的一些实施例的噪声消除系统的一个实例。在该特定实例中，噪声消除系统是用于头戴式耳机的噪声消除系统。应理解，图1示出了针对一个耳朵的示例性功能性，并且可以针对另一个耳朵来实施相同的功能性。
噪声消除系统包括声音换能器，其在该特定实例中是头戴式耳机的扬声器101。系统还包括位于用户耳朵附近的麦克风103。在特定的实例中，头戴式耳机可以是头戴护耳式耳机，其包围用户的耳朵，并且安装有麦克风，以便捕获头戴护耳式耳机围绕用户耳朵形成的声空间内的音频信号。
噪声消除系统的目标是衰减或消除用户所感知到的声音，因此系统设法将麦克风103所测量的误差信号e减到最小。使用闭合头戴式耳机可进一步提供倾向于在较高频率特别有效的无源噪声衰减。图2中示出了用于一组闭合头戴式耳机的典型无源传递函数的一个实例。此外，图1的有源噪声消除系统特别适合于消除处于较低频率的噪声。这是通过针对音频信号生成反相信号并且将其馈送到扬声器101以便辐射到用户所感知的声环境中来实现的。因此，麦克风103捕获对应于待消除的音频噪声N与扬声器101所提供的噪声消除信号的声学组合的误差信号。
为了生成噪声消除信号，图1的系统包括从麦克风103的输出到扬声器101的输入的反馈路径，由此建立闭合的反馈环路。
在图1的实例中，反馈环路主要在数字域中实施，因此麦克风103耦合到抗混叠滤波器105（一般包括低噪声放大器），抗混叠滤波器105进一步耦合到模数（A/D）转换器107。
数字化的信号被馈送到数字反馈路径109，数字反馈路径进一步耦合到数模（D/A）转换器111。所得到的模拟信号被馈送到驱动电路113（一般包括功率放大器），驱动电路113耦合到扬声器101并且驱动扬声器101辐射噪声消除信号。
在系统中，由此建立了包括反馈路径109和副路径的反馈环路，副路径包括不是反馈路径109的一部分的元件。因此副路径具有这样的传递函数：其对应于除反馈路径109外的反馈环路的部件的组合传递函数。因此，副路径的传递函数对应于从反馈路径109的输出到反馈路径109的输入的（开环）路径的传递函数。在该特定实例中，副路径包括D/A转换器111、驱动电路113、扬声器101、从扬声器101到麦克风103的声路、抗混叠滤波器105以及A/D转换器107。
此外，图1的噪声消除系统还包括用于响应于副路径的至少一部分的传递函数的变化来动态地适配反馈环路的功能性。然而，反馈环路的适配局限于对反馈增益的适配，并没有对任何频率响应（不管是相位响应还是振幅响应）的适配。因此在该特定实例中，反馈路径109包括消除滤波器115和可变增益117。
应理解，在其它一些实施例中，可变增益117和消除滤波器115可以实施在一起，例如通过如下来实施：通过改变提供消除滤波的滤波器的滤波系数（以便修改增益而不是频率响应，例如所有系数得到相同的缩放）来实现可变增益。还应理解，在一些实施例中，可变增益117和消除滤波器115可以实施为单独的功能元件，并且可以位于反馈环路中的不同位置。例如，可变增益117可位于消除滤波器115之前，或者例如在模拟域中（例如它可以实施为驱动电路113的一部分）。
图3示出了图1的系统的解析模型。在该模型中，麦克风103所执行的音频求和由求和器301表示，从麦克风到消除滤波器115的路径由第一副路径滤波器（s1）303表示，消除滤波器115由对应的滤波器响应305表示，可变增益117由增益函数307表示，从可变增益117到麦克风103的副路径的所述部分由第二副路径滤波器（s2）309表示。
在该模型中，反馈路径的元件的顺序可以互换，因此第一副路径滤波器（s1）303和第二副路径滤波器（s2）309可以组合成如图4所示的单个副路径滤波器（s=s1·s2）401。
噪声信号N的闭合环路传递函数E(f)/N(f)因此可以确定为：
 
或者在数字z-变换域中：
Figure 2009801510390150138DEST_PATH_IMAGE004
噪声消除系统的目的是提供尽可能多地衰减到来的信号（即导致麦克风103所捕获的信号e尽可能低）的总传递函数H(f)（或者H(z)）。
本发明的发明人认识到：不必执行对消除滤波器115的复杂适配并且具体而言无需对其频率响应进行任何适配，就可以实现非常高效的对反馈环路的适配，以便补偿副路径的传递函数的变化，特别是从扬声器101到麦克风103的声路的变化。因此使用了不可适应的消除滤波器115。取代对消除滤波器的复杂频率响应适配，低复杂度的增益变化可用于提供改进的性能，同时保持低复杂度。
图1的系统包括增益检测器119，其设置成确定反馈环路的副路径的至少一部分的增益。在该特定实例中，这样的副路径增益是针对从反馈路径109的输出到反馈路径109的输入的传递函数来确定的，在该特定实例中，其对应于从D/A转换器111的输入到A/D转换器107的输出的副路径增益。因此，在该特定实例中，增益检测器119耦合到A/D转换器107的输出和D/A转换器111的输入。
在该实例中，因此针对整个副路径来确定增益，但应理解，在其它实施例中，可以仅针对副路径的一部分来确定增益。例如，不可能影响增益或仅静态地影响增益的元件可以从该确定中排除，因此可以被忽略或得以补偿。在大多数典型的系统中，副路径的传递函数变化将由从扬声器101到麦克风103的声路的变化来支配，因此在许多实施例中，所确定的副路径增益将有利地针对包括这个声路的副路径的一部分来确定。
在该特定实例中，增益检测器119可以通过测量反馈路径109的输出处的第一信号电平x1以及反馈路径109的输入处的第二信号电平x2来确定增益。然后副路径增益可以确定为其之间的比率，即：
Figure 2009801510390150138DEST_PATH_IMAGE006
应理解，在许多实施例中，这样的确定可能是不可行的。具体而言，到麦克风的输入信号中的噪声N的存在连同反馈环路将导致上述比率可能并不是对副路径增益的增益的精确反映。因此，用于确定副路径增益的该特定方法可具体用于其中可以去除或补偿噪声信号N的场景。例如，如果噪声消除系统用于消除来自可关断的噪声源（如例如可暂时关断的机器）的噪声，这可以暂时进行，并且取而代之，可注入已知噪声信号，以便针对当前头戴式耳机配置来确定副路径增益。作为另一实例，（例如头戴式耳机外部的）第二麦克风可用于估计噪声信号N，该估计可用于针对来自N的贡献来补偿第二信号电平x2。
然而，在许多实例中，期望的是动态且连续地适配噪声消除以反映副路径的动态变化，而无需特定的校准操作（如关断噪声源）。稍后将描述对于这样的实例，有利于确定副路径增益的不同方法。
增益检测器119进一步耦合到增益控制器121，增益控制器121进一步耦合到可变增益117。增益控制器121接收所确定的副路径增益，并且根据副路径增益来控制可变增益117的增益。
具体而言，增益控制器121可将可变增益的增益设置成使其补偿副路径增益与标称值的偏差。具体而言，增益控制器可将可变增益设置成使副路径增益和可变增益的组合增益基本上恒定。例如：
Figure 2009801510390150138DEST_PATH_IMAGE008
其中gVG是可变增益117的增益，gN是标称增益，gSP是副路径增益。
在其它实施例中，可变增益可以通过从副路径增益的适当映射来确定。该映射可以由查询表表示，或者可例如由x1和x2的函数来定义。
基于副路径（的至少一部分）的单个所确定的增益来仅适配反馈环路的增益，而不适配频率响应的有利方法是基于发明人的如下认识：针对不同使用配置，副路径（具体而言，声路）的典型变化充分地相关以提供改进的性能和稳定性特性，而不包括详细的频率表征或适配。
例如，图5示出了针对如下四种不同配置，为噪声消除头戴式耳机的副路径测量的幅值频率响应的变化的实例：
－正常使用，
－头戴式耳机牢固地压着用户的耳朵，
－头戴式耳机在桌子上（未使用），
－头戴式耳机与用户的头部之间有轻微的泄漏。
可以看到，幅值响应有大的频率变化，特别是高达约2 kHz左右。因此，噪声消除性能可以高度依赖于特定的配置，并且在各种配置中将倾向于降级。此外，在所有配置中必须确保稳定性，因此对消除滤波器115的设计施加了明显的约束。
例如，在一些配置中，设计和实施适合于图5的实例的全部四个副路径的消除滤波器115可导致明显的降级。例如，图6示出了头戴式耳机牢固地压着用户头部的情形下所得到的幅值传递601函数H(f)。振幅响应601与头戴式耳机的无源传递函数的幅值响应（对应于图6中的曲线603）相组合。可以看到，针对较低频率实现了明显的改进，但在800Hz左右及以上的频率，得到明显的增益，从而导致对处于这些可听频率的噪声的放大。
然而，图5表明副路径的变化具有强相关性，具体而言，尽管增益可变化，但曲线的形状是相对相似的。该效应在图1的系统中用于提供仅基于增益的反馈环路的补偿，从而由于总传递函数H(f)的减小的操作变化以及优化消除滤波器115的增加的自由度，导致明显改进的噪声消除性能。
图7示出了图1的系统的一个实例，其中副路径增益通过注入测试信号以及测量所注入的测试信号的信号电平来测量。在该实例中，系统包括信号发生器701，其生成测试信号，测试信号由组合单元添加到可变增益117与D/A转换器111之间的反馈环路，组合单元具体是求和单元703。
因此，系统注入测试信号，增益检测器119可设置成确定求和单元703的输出x1处和到消除滤波器115的输入x2处的这个测试信号的信号电平。然后副路径增益可生成为这些值之间的比率。应理解，在其它实例中，反馈环路中的其它位置处的信号可以被测量并用于确定副路径增益。例如，具有恒定增益的元件可以不包括在这些测量中。
在一些实施例中，增益检测器119可简单地测量信号x1和x2的信号电平。例如，如果测试信号明显大于来自噪声信号N的任何贡献，则可以认为直接测量的信号电平基本上与相关于测试信号的信号分量的信号电平相同。
然而在其它实施例中，测量的目的可以特别是确定对应于（源自）测试信号的信号分量的信号电平。例如，测试信号可以是增益检测器119已知的伪噪声信号。因此，增益检测器可将信号x1和x2与已知的伪噪声序列相关，并且可将相关性值用作归因于所注入的测试信号的x1和x2的信号分量的信号电平量度。
在许多场景中，使用注入的信号可提供对副路径增益的改进且简化的确定。例如，在噪声源不能关断或与从扬声器101到麦克风103的声路隔离的场景中，信号的注入可以允许副路径增益通过注入例如明显强于噪声信号N的测试信号来精确地确定。
测试信号可以具体为窄带信号。事实上，发明人已经认识到：可以通过简单地基于在窄带宽中评估的副路径增益来调节反馈环路的增益，从而实现对噪声消除系统的精确适配。因此，通过注入具有窄带宽的测试信号，仅针对该小带宽所确定的副路径增益被扩展，以便提供对于整个频率范围恒定的增益补偿。
使用窄带宽测试信号可用于降低用户对测试信号的可感知性。事实上，测试信号可具有不大于10 Hz的3 dB带宽（即降低3dB的信号的谱密度所限定的带宽是10 Hz或更小）。具体而言，可以通过利用单音信号（正弦曲线）来实现有利的性能，单音信号具体可便于对测试信号分量的信号电平的检测和测量。具体而言，增益检测器119可简单地对所测量的信号x1和x2执行离散傅立叶变换，并且根据对应于测试信号频率的bin的大小来确定信号电平。作为替选方案或等同方案，增益检测器119可将被测信号与具有与测试信号相同频率的（对应于正弦或余弦信号的）正弦曲线相关（具体而言，可通过将麦克风信号的时序/相位与测试信号对准并测量相关性来将被测信号直接与数字测试信号相关）。作为另一个实例，在（对应于DFT矩阵的相应行的系数的）测试频率处的正弦曲线的复值可与麦克风信号相关，并且可确定所得到的幅值。此外，使用正弦曲线可简化测试信号的生成。
此外，窄带测试信号生成为低频信号。具体而言，测试信号的中心频率选择为具有从10Hz到40Hz（包括这两个值）的区间内的中心频率。这提供了非常有利的折衷，因为它允许基于单个窄带信号来确定高达一般至少2 kHz的副路径响应的代表性增益。此外，所提供的低频处于不容易被听者感知到的频率范围内，因此避免或减少了给用户造成的任何不便。另外，在这被实现的同时，仍允许测试信号耦合在从扬声器101到麦克风103的声路上。换句话说，频率足够高，使得例如用于头戴式耳机的典型扬声器可以以合理的信号电平辐射信号。
在该特定实例中，使用了由15 Hz和25 Hz之间（包括这两个值）的单音构成的测试信号，典型频率是20 Hz左右。因此，该方法利用了如下认识：如果副路径增益对于低于2 kHz的一个频率已知，则足够精确地已知对于高达大约2 kHz的频率的相应副路径增益，从而通过执行简单的增益适配而实现改进的性能。因此，具有人耳不敏感的频率的正弦曲线（假设振幅不是过大）被添加到反馈环路中，所得到的信号电平被测量并用于估计副路径增益。
应理解，如果噪声信号N不是零，则噪声信号N对信号电平x1和x2的贡献将影响所确定的副路径增益。对于窄带测试信号，可以由增益检测器119对所测信号x1和x2进行通带滤波（例如使用离散傅立叶变换或通过将信号与测试信号相关），而该通带内的噪声信号N的信号分量的贡献可影响所确定的副路径增益。
然而，可以通过确保测试信号在给定通带内具有比来自噪声信号N的贡献明显高的信号电平，将所述贡献减小为可接受的或甚至是可忽略的电平。例如，所注入的测试信号的信号电平可设置成比测量测试信号的通带内的典型环境噪声电平高得多的电平。此外，通过使用窄带信号，测试信号对环境噪声的贡献仅需要在很小的带宽中占优，该带宽还可以选择为处于正常情况下用户可感知的频率范围之外。
在一些实施例中，可以根据环境噪声的对应信号电平来动态适配测试信号的信号电平。
具体而言，增益检测器119一开始可以测量注入测试信号但不存在测试信号的点处的信号电平。例如，增益检测器119可以关断测试信号发生器701，并继续测量对应于测试信号的x1的信号分量的信号电平，即在该特定实例中，它可以继续测量用于测量测试信号对x1的贡献的窄带宽内的信号电平。然后可根据该被测信号电平来确定测试信号的信号电平。具体而言，在不存在测试信号的情况下，信号电平可以设置成比被测电平明显高，如例如至少是其十倍。这将确保增益检测器119主要确定测试信号分量的信号电平，并且这些分量支配该特定带宽中的来自环境噪声N的贡献。此外，由于该带宽在听者可听见的频率范围之外，强测试信号的添加并不（不可接受地）使用户的体验降级。
在一些实施例中，环境噪声可用于掩蔽测试信号，并且为了有较好的精度，可以增加测试信号电平。例如，可以确定环境噪声的频谱，并且可以将对应于该频谱的掩蔽作用用于设置测试信号的特性。例如，信号电平可以设置成如下电平：该电平在该频率处明显高于环境噪声电平、但仍被例如处于附近频率的高电平环境噪声分量掩蔽。在一些实施例中，测试信号的频率可进一步选择为落在具有低环境噪声但高掩蔽作用的区域内。因此，可以确定环境噪声的掩蔽特性，并且可响应之设置测试信号的特性（例如信号电平和/或频率）。
在图7的实例中，副路径增益通过测量待确定其增益的副路径（的一部分）之前和之后的环路信号来确定。应理解，由于反馈环路对所注入的测试信号的作用，简单地通过反馈环路中的单个被测信号电平与所注入的测试信号的信号电平的比较（即测试信号发生器70的输出处的已知信号电平被馈送到求和单元703）来作为副路径增益的基础通常并不够。
然而，在一些实施例中，信号x1的信号电平可以根据测试信号的信号电平而不是通过对任何环路信号的特定测量来确定。具体而言，测试信号可以选择为使它被消除滤波器115明显衰减。由于测试信号的存在而导致的到非消除滤波器115的输入的信号分量的衰减可具体为6 dB或更高（例如，在一些实施例中，信号可以有利地衰减10 dB或甚至20 dB）。
因此，可以将系统设计成使测试信号落入消除滤波器115的阻带内。例如，90%或更多的测试信号可以在消除滤波器115的通带之外，其中通带定义为其中消除滤波器115的增益处于消除滤波器115的最大增益，比方说7 dB内的带宽。因此，测试信号分量将被消除滤波器115衰减6 dB左右（在许多场景中，可以使用甚至更高的例如10-20 dB衰减值）。因此，（测试信号的带宽内的）对x1的贡献由来自测试信号发生器701的贡献支配，其中来自反馈路径109的贡献是低的，在许多场景中是可忽略的。实质上该场景对应于其中消除滤波器115衰减（或甚至阻塞）测试信号的反馈信号的系统，使得系统有效地对应于针对测试信号的非反馈环路配置。
因此在这样的实施例中，相关窄带宽内的信号x1的信号电平（近似）与测试信号的信号电平相同。因此，在这样的实施例中，当确定副路径增益时，增益检测器119可直接使用测试信号的信号电平设置。
在一些系统中，扬声器101也可用于向用户提供用户音频信号。例如，用户可使用头戴式耳机听音乐。在这样的系统中，用户音频信号与（例如到D/A转换器111的输入处的）反馈环路信号相组合，来自麦克风103的误差信号通过减去对应于所估计的麦克风103所捕获的用户音频信号的贡献而得到补偿。在这样的系统中，音乐信号可用于确定副路径增益，具体而言，信号值x1和x2可被测量并与用户音频信号相关（其中在补偿所估计的用户音频信号之前测量x2）。因此，在这样的实例中，用户音频信号也可用作测试信号。换句话说，在一些实例中，测试信号可以是用户音频信号。
应理解，以上澄清性描述参照不同功能单元和处理器描述了本发明的实施例。然而显然可以在不背离本发明的情况下使用不同功能单元或处理器之间的任何适当的功能性分配。例如，示出为由单独的处理器或控制器执行的功能性可由同一处理器或控制器执行。因此，提及特定的功能单元仅仅应当认为是提及用于提供所描述的功能性的适当装置，而不是指示严格的逻辑或物理结构或组织。
本发明可以以任何适当的形式来实施，包括硬件、软件、固件或其任何组合。可选地，本发明可以至少部分实施为一个或更多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机软件。本发明实施例的元件和部件可以通过任何适当的方式在物理上、功能上和逻辑上实施。事实上，功能性可在单个单元中、多个单元中或作为其它功能单元的一部分来实施。因此，本发明可以在单个单元中实施，或者可以以物理或功能方式分布在不同单元和处理器之间。
尽管已结合一些实施例描述了本发明，但本发明并不局限于本文所提出的特定形式。相反，本发明的范围仅由所附权利要求来限制。另外，尽管某个特征可能看起来是结合特定的实施例进行了描述，本领域的技术人员将认识到，所述实施例的各种特征可以根据本发明进行组合。在权利要求中，术语“包括”并不排除其它元件或步骤的存在。
此外，尽管是单独列出的，但是多个装置、元件或方法步骤可以由例如单个单元或处理器来实施。另外，尽管单独的特征可包括在不同的权利要求中，但这些有可能可以有利地进行组合，并且包括在不同权利要求中并不意味着特征的组合不可行和/或不有利。而且，一个类别的权利要求中包括某一特征并不意味着限制于该类别，相反，表明了在适当的情况下，该特征同样适用于其它权利要求类别。此外，权利要求中的特征的顺序并不意味着特征必须采取的任何特定顺序，特别是方法权利要求中的各个步骤的顺序并不意味着必须以此顺序来执行步骤。相反，可以以任何适当的顺序来执行步骤。另外，单数引用并不排除多个。因此，提及“一”、“一个”、“第一”、“第二”等并不排除多个。权利要求中的参考标号仅仅提供为澄清实例，而不应理解为以任何方式限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种噪声消除系统，包括：
麦克风（103），用于生成表示音频环境中的声音的捕获信号；
声音换能器（101），用于在音频环境中辐射声音消除音频信号；
从麦克风（103）到声音换能器（101）的反馈装置（109），反馈装置（109）接收所述捕获信号并且生成用于声音换能器（101）的驱动信号，并包括非自适应消除滤波器（115）和可变增益（117）；
增益确定装置（119），用于确定反馈环路的副路径的至少一部分的副路径增益，反馈环路包括麦克风（103）、声音换能器（101）和反馈装置（109），其中副路径不包括非自适应消除滤波器（115）和可变增益（117）；以及
增益设置装置（121），用于响应于副路径增益来调节可变增益（117）的增益；其中增益确定装置（119）包括：
用于在反馈环路中注入测试信号的装置（701、703）；
用于确定对应于副路径的所述至少一部分的输入处的测试信号的第一信号电平的装置；
用于确定对应于副路径的所述至少一部分的输出处的测试信号的第二信号电平的装置；以及
用于响应于第一信号电平和第二信号电平来确定副路径增益的装置。
2.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中副路径的所述至少一部分的输出对应于以下至少一个输入：可变增益(117)的输入和非自适应消除滤波器（115）的输入。
3.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中用于确定第一信号电平的装置设置成响应于测试信号的信号电平来确定第一信号电平，而不测量反馈环路的信号。
4.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中测试信号是具有小于10 Hz的3 dB带宽的窄带信号。
5.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中测试信号是正弦曲线。
6.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中测试信号具有从10Hz到40Hz的区间内的中心频率。
7.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中测试信号是噪声信号。
8.如权利要求1所述的噪声消除系统，进一步包括：
用于在没有测试信号的情况下，针对对应于副路径的所述至少一部分的输入的信号来测量第三信号电平的装置；以及
用于响应于第三信号电平设置测试信号的信号电平的装置。
9.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中由非自适应消除滤波器导致的对应于测试信号的信号分量的衰减是至少6 dB。
10.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中所述测试信号是馈送到声音换能器（101）的用户音频信号。
11.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中增益设置装置配置成将可变增益的增益设置成使副路径增益和可变增益的增益的组合增益具有预定值。
12.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中副路径的所述至少一部分包括从声音换能器（101）到麦克风（103）的声路。
13.如权利要求1所述的噪声消除系统，其中副路径包括数字段，副路径的所述至少一部分包括模数转换器（107）和数模转换器（111）中的至少一个。
14.一种通过噪声消除系统消除噪声的方法，其中噪声消除系统包括：麦克风（103），用于生成表示音频环境中的声音的捕获信号；声音换能器（101），用于在音频环境中辐射声音消除音频信号；从麦克风（103）到声音换能器（101）的反馈装置（109），反馈装置（109）接收所述捕获信号并生成用于声音换能器（101）的驱动信号，且包括非自适应消除滤波器（115）和可变增益（117）；
所述方法包括：
确定反馈环路副路径的至少一部分的副路径增益，反馈环路包括麦克风（103）、声音换能器（101）和反馈装置（109），其中副路径不包括非自适应消除滤波器（115）和可变增益（117）；以及
响应于副路径增益来调节可变增益（117）的增益；其中确定副路径增益包括：
在反馈环路中注入测试信号；
确定对应于副路径的所述至少一部分的输入处的测试信号的第一信号电平；
确定对应于副路径的所述至少一部分的输出处的测试信号的第二信号电平；以及
响应于第一信号电平和第二信号电平来确定副路径增益。
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