CN104717588A - 低功耗入耳式有源降噪音乐耳机及降噪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低功耗入耳式有源降噪音乐耳机及降噪方法，该耳机包括音频插头、入耳式耳塞以及连接于二者间的降噪控制板，降噪控制板包括低功耗有源降噪电路，低功耗有源降噪电路包括噪声处理通道、音频信号通道以及连接于二者输出端的混音电路，混音电路是由两个相互独立的低压降二极管组成的旁路开关。该降噪方法是：将拾音器采集到的环境噪声信号经噪声处理通道处理，生成与环境噪声相应的反向噪声信号输出至旁路开关的一个输入端，与旁路开关另一个输入端的音频信号一起经旁路开关混合后输出至同一个扬声器，在耳腔内产生含有反向噪声的声波，其中的反向噪声与从环境传入耳腔内的环境噪声相抵消，从而实现降噪。本耳机功耗低，使用时间长。

Description

低功耗入耳式有源降噪音乐耳机及降噪方法
技术领域
本发明涉及降噪耳机，更具体地说，涉及一种低功耗入耳式有源降噪音乐耳机以及其降噪方法。
背景技术
对于随身移动电子设备，由于体积和重量的原因，供电电源都很小。有源降噪音乐耳机的电池不超过20mA，因此功耗是个大问题。现有该种耳机最低功耗平均为12mA，持续使用时间不超过2小时，因此非常有必要进行改进。此外，现有的有源降噪音乐耳机还存在降噪深度较低、宽度较窄，耳机开启降噪有底噪的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低功耗入耳式有源降噪音乐耳机，以解决现有入耳式有源降噪音乐耳机功耗大，可持续使用时间短的技术问题。
本发明的具体技术方案如下：
一种低功耗入耳式有源降噪音乐耳机，包括音频插头、入耳式耳塞以及连接于二者之间的降噪控制板，其中，所述降噪控制板包括低功耗有源降噪电路，所述低功耗有源降噪电路包括用于对环境噪声的采样信号进行处理的噪声处理通道、音频信号通道以及连接于所述两个通道的输出端的混音电路，所述混音电路是由两个相互独立的低压降二极管组成的旁路开关，所述两个二极管的正极对应连接所述两个通道的输出端，负极对应连接耳塞内扬声器的两个接线端。
在上述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机中，为了进一步减小对音频信号的影响和实现更佳的降噪效果，优选地，所述两个二极管的管压降均小于0.1V。
在上述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机中，为了减少延迟和进一步降低功耗，优选地，所述噪声处理通道包括从通道的输入端到输出端顺次连接的模拟滤波器和自适应数字滤波器。
在上述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机中，优选地，所述模拟滤波器是一种具有放大及反相模块的低通滤波器。
在上述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机中，优选地，所述自适应数字滤波器包括陷波模块。
在上述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机中，为了获得更佳的降噪效果，优选地，所述扬声器的声学特征与所述噪声处理通道的特征相匹配。
在上述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机中，优选地，所述噪声处理通道具有两路输入，一路为设置于降噪控制板或耳塞上的拾音器，另一路为通过所述音频插头连接的音源设备上的拾音器，两路输入连接有切换开关。
本发明还提供了一种低功耗入耳式音乐耳机的降噪方法，该降噪方法包括：将拾音器采集到的环境噪声信号经噪声处理通道处理，生成与环境噪声相应的反向噪声信号输出至旁路开关的一个输入端，与旁路开关另一个输入端的音频信号一起经旁路开关混合后输出至同一个扬声器，在耳腔内产生含有反向噪声的声波，其中的反向噪声与从环境传入耳腔内的环境噪声相抵消，从而实现降噪。
在上述的低功耗入耳式音乐耳机的降噪方法中，优选地，环境噪声信号在噪声处理通道内的处理包括：首先由模拟滤波器进行快速的放大、低通滤波和反相，然后由自适应数字滤波器处理。
在上述的低功耗入耳式音乐耳机的降噪方法中，优选地，自适应数字滤波器对噪声信号的处理包括：离散化处理，波形修正，滤波，以及自动调整信号的频率、相位、频率变化率和幅值。
本发明降噪耳机具有以下有益效果：
由于采用上述旁路开关进行混音，极大地减少了降噪功耗，功耗值仅是传统降噪方式(采用功率放大器进行混音)的十分之一。而模拟滤波器与自适应数字滤波器相结合的噪声处理通道的应用，不但减少了延时，而且进一步降低了功耗。
附图说明
图1为一些实施例低功耗入耳式有源降噪音乐耳机的电路框图；
图2为其混音电路的电路图；
图3为其扬声器的声学特征图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。这些更详细的描述旨在帮助理解本发明，而不应被用于限制本发明。根据本发明公开的内容，本领域技术人员明白，可以不需要一些或者所有这些特定细节即可实施本发明。而在其它情况下，为了避免将发明创造淡化，未详细描述众所周知的电路、方法、操作过程等。
本发明低功耗入耳式有源降噪音乐耳机包括：音频插头、入耳式耳塞、以及降噪控制板，入耳式耳塞一方面通过第一耳机线与音频插头连接，另一方面通过第二耳机线与入耳式耳塞内的扬声器连接。降噪控制板包括低功耗有源降噪电路。
图1中示出了一些实施例中低功耗入耳式有源降噪音乐耳机的电路结构。参照图1，该低功耗有源降噪电路包括：用于对环境噪声的采样信号进行处理的噪声处理通道20，音频信号通道40，混音电路50，噪声处理通道20的输入端连接拾音器10，音频信号通道40的输入端连接音频插头30，噪声处理通道20和音频信号通道40的输出端连接混音电路50。拾音器最好采用硅麦克风，以提采集信噪比和灵敏度。
图2中示出了混音电路50的结构。如图2所示，混音电路50是由两个相互独立的低压降二极管51、52组成的旁路开关。结合图1和图2，两个二极管51、52的正极对应连接噪声处理通道20和音频信号通道40的输出端，负极对应连接耳塞内扬声器60的两个接线端。
上述降噪电路开启后，拾音器10采集到的环境噪声信号经噪声处理通道20处理，生成与环境噪声相应的反向噪声信号输出至旁路开关(即混音电路50)的一个输入端，与旁路开关(即混音电路50)另一个输入端的音频信号一起经旁路开关混合后输出至同一个扬声器60，在耳腔内产生含有反向噪声的声波，其中的反向噪声与从环境传入耳腔内的环境噪声相抵消，从而实现降噪。
现有的降噪耳机通常采用功率放大器进行混音，功耗较大。而采用上述结构的旁路开关进行混音极大地降低了功耗，功耗值是传统降噪方式功耗的十分之一。值得指出的是，构成上述旁路开关的二极管必须是低压降二极管，否则会影响音频信号的质量和降噪的效果。二极管的管压降最好小于0.1V。并且，如果不设置上述旁路开关，将反向噪声信号和音频信号直接在扬声器60处混合，则扬声器60自身的阻抗会使混合不起作用，即无法实现降噪。
为了减少延时和进一步降低功耗，噪声处理通道20包括从通道的输入端到输出端顺次连接的模拟滤波器21和自适应数字滤波器22。即噪声信号的处理采用模拟滤波器与数字滤波器相结合的方式。模拟滤波器的特点是速度快，但效果粗，数字滤波器的特点是可以精确控制，但是速度慢，有延时。这里首先采用模拟滤波器21进行快速粗放处理，处理后的有效波形进行数字离散化，进入自适应数字滤波器22进行精确整形，并加入陷波技术，精确地模拟噪声的反向波形，以求最大限度地抵消噪声。
模拟滤波器21最好采用具有放大及反相模块的低通滤波器。以快速将拾音器采集到的微小信号进行放大、低通滤波和反相。模拟滤波器21的放大倍数、相位以及截止频率的选取决定了对噪声的还原度，进一步影响降噪的效果和底噪的效果。模拟滤波器21的放大倍数最好设置为3-5倍，相位变化最好为翻转180度，截止频率最好设置为4KHz。
自适应数字滤波器22最好包括陷波模块。进一步还可通过对陷波算法的中心频率、宽度和深度进行设置，以更加快速精确地模拟输入信号的反向波形。陷波算法的中心频率最好设置为3.3KHz，宽度最好设置为300Hz，深度最好设置为15dB以上。数字滤波器22接收模拟滤波器21输出的信号，进行进一步的处理，包括对信号进行离散化，精确地修正噪声波形，自动调整自适应率，包括输入信号的频率、相位、频率变化率和幅值等。在模拟滤波器基础上结合数字滤波器对噪声信号进行处理，解决了直接应用数字滤波器速度慢、运算量大的问题，能够快速收敛降低芯片的功耗。
为了获得更佳的降噪效果，扬声器60采用声学特征与噪声处理通道20的特征相匹配的扬声器，图3中示出了一些实施例中采用的扬声器60的声学特征。
在有些实施例中，噪声处理通道20具有两路输入，一路为设置于降噪控制板或耳塞上的拾音器，另一路为通过音频插头30连接的音源设备上的拾音器，两路输入连接有切换开关。采用该设计，降噪控制板或耳塞上的拾音器可以采用普通的拾音器，以降低耳机的成本，而当音源设备采用手机等时，可以利用手机上的硅麦克风采集环境噪声，以达到更佳的降噪效果。
在一些实施例中，可以选择噪声处理通道20开启或关闭。当噪声处理通道20关闭后，作为普通耳机使用。
本发明的入耳式有源降噪音乐耳机具有超低功耗的特点。此外，至少一些实施例通过采用前馈控制技术、模拟滤波器与自适应数字滤波器相结合的精确深度滤波技术和上述混音技术，有效地提高了降噪的深度和宽度，消除了底噪，同时不改变音频信号的质量，实现了高品质有源降噪。经实验，一些实施例的入耳式有源降噪音乐耳机能够提供35db的降噪深度、2kHz的降噪宽度，在耳机电池容量仅为20mA时的条件下持续使用时间可达20小时，功耗是现有同类耳机的十分之一。

Claims (10)

1.一种低功耗入耳式有源降噪音乐耳机，包括音频插头、入耳式耳塞以及连接于二者之间的降噪控制板，其特征在于：所述降噪控制板包括低功耗有源降噪电路，所述低功耗有源降噪电路包括用于对环境噪声的采样信号进行处理的噪声处理通道(20)、音频信号通道(40)以及连接于所述两个通道的输出端的混音电路(50)，所述混音电路是由两个相互独立的低压降二极管(51、52)组成的旁路开关，所述两个二极管(51、52)的正极对应连接所述两个通道的输出端，负极对应连接耳塞内扬声器(60)的两个接线端。
2.根据权利要求1所述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机，其特征在于：所述两个二极管的管压降均小于0.1V。
3.根据权利要求1所述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机，其特征在于：所述噪声处理通道(20)包括从通道的输入端到输出端顺次连接的模拟滤波器(21)和自适应数字滤波器(22)。
4.根据权利要求3所述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机，其特征在于：所述模拟滤波器是一种具有放大及反相模块的低通滤波器。
5.根据权利要求3所述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机，其特征在于：所述自适应数字滤波器包括陷波模块。
6.根据权利要求3至5中任意一项所述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机，其特征在于：所述扬声器的声学特征与所述噪声处理通道的特征相匹配。
7.根据权利要求1所述的低功耗入耳式有源降噪音乐耳机，其特征在于：所述噪声处理通道具有两路输入，一路为设置于降噪控制板或耳塞上的拾音器，另一路为通过所述音频插头连接的音源设备上的拾音器，两路输入连接有切换开关。
8.一种低功耗入耳式音乐耳机的降噪方法，其特征在于，该降噪方法包括：将拾音器采集到的环境噪声信号经噪声处理通道处理，生成与环境噪声相应的反向噪声信号输出至旁路开关的一个输入端，与旁路开关另一个输入端的音频信号一起经旁路开关混合后输出至同一个扬声器，在耳腔内产生含有反向噪声的声波，其中的反向噪声与从环境传入耳腔内的环境噪声相抵消，从而实现降噪。
9.根据权利要求8所述的低功耗入耳式音乐耳机的降噪方法，其特征在于，环境噪声信号在噪声处理通道内的处理包括：首先由模拟滤波器进行快速放大、低通滤波和反相，然后由自适应数字滤波器处理。
10.根据权利要求9所述的低功耗入耳式音乐耳机的降噪方法，其特征在于，自适应数字滤波器对噪声信号的处理包括：离散化处理，波形修正，滤波，以及自动调整信号的频率、相位、频率变化率和幅值。
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