CN107731217A - 一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统，包括噪声采集通路、声音播放通路，以及连接于噪声采集通路与声音播放通路之间的级联降噪滤波器组，其中噪声采集通路包括依次连接噪声采集麦克风、AD转换器、第一降采样滤波器；声音播放通路包括依次连接的声音播放单元、第一升采样滤波器、加法器、第二升采样滤波器、DA转换器和播放喇叭；级联降噪滤波器组包括至少两个IIR数字滤波器级联的IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器，级联降噪滤波器组接入第一降采样滤波器输出的噪声参考信号，并顺次通过IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器进行滤波器处理。本发明通过IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器级联，能够很好地拟合不同频段的频率响应。

Description

一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统及方法
技术领域
本发明涉及耳机降噪技术领域，特别涉及一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统及方法。
背景技术
主动降噪耳机是通过主动降噪系统发出与环境噪声相位反向声波来抵消噪声声波将环境噪声消除，从而实现降噪的效果。具体原理是使用外置的麦克风采集外界噪声，然后通过主动降噪系统产生一个与噪声幅度相同相位相差180度的反相声波，将噪声抵消，从而达到降噪。主动降噪耳机其具体功能是降低外界的环境噪声，给佩戴者提供一个安静的环境。
目前经过大量研发已经有很多主动降噪耳机进入到生产和销售，但是现有的主动降噪耳机，多数采用模拟方案，即直接对模拟信号通过滤波器产生反相噪声，其好处是实现比较简单。
数字方案调节更加灵活，量产方便，而且唯有数字方案才能实现自适应的降噪。但是数字方案引入了延时问题，其中包括AD的转换延时、DA转换的延时、降采样或升采样滤波器的延时。延时如果太大，无法产生反相声波，主动降噪会失去效果；延时如果太小，就要求主动降噪工作的音频采样率高，但这会降低降噪滤波器的精度，不能很好的拟合麦克风和扬声器的频率响应，影响降噪效果。
主动降噪过程中，频率响应拟合的精度直接决定降噪的效果。不同耳机头的频率响应有很大差别，有的耳机头频率响应比较平滑，有的耳机头在不同频段的频率响应会有奇点造成难以拟合。
因此，为了解决上述问题，需要针对不同耳机头降噪要求，实现不同频率响应拟合以提高滤波精度的主动降噪系统及方法。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统，所述系统包括噪声采集通路、声音播放通路，以及连接于所述噪声采集通路与所述声音播放通路之间的级联降噪滤波器组，其中
所述噪声采集通路包括依次连接噪声采集麦克风、AD转换器、第一降采样滤波器；
所述声音播放通路包括依次连接的声音播放单元、第一升采样滤波器、加法器、第二升采样滤波器、DA转换器和播放喇叭；
所述级联降噪滤波器组包括至少两个IIR数字滤波器级联的IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器，所述级联降噪滤波器组接入所述第一降采样滤波器输出的噪声参考信号，并顺次通过所述IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器进行滤波器处理。
优选地，所述系统还包括信号存储通路，所述信号存储通路包括存储单元，用于将所述噪声参考信号进行存储。
优选地，所述IIR数字滤波器为直接Ⅱ型二阶IIR数字滤波器，包括两个零点和两个极点。
优选地，所述IIR数字滤波器组包括级联的六个IIR数字滤波器。
优选地，所述信号存储通路中还包括第二降采样滤波器，第一降采样滤波器输出的参考噪声信号经过所述第二降采样滤波器滤波后存储于所述存储单元。
本发明的另一个方面在于提供一种实现不同频率响应拟合的主动降噪方法，所述方法包括：
噪声采集麦克风采集周围环境噪声，经AD转换器将所述环境噪声转换为数字信号；
第一降采样滤波器对所述数字信号滤波后输出噪声参考信号，所述噪声参考信号接入级联降噪滤波器组进行滤波处理，其中，所述级联降噪滤波器组包括至少两个IIR数字滤波器级联的IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器，所述级联降噪滤波器组接入所述第一降采样滤波器输出的噪声参考信号，并顺次通过所述IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器进行滤波器处理；
声音播放单元播放数字音频，所述数字音频经第一升采样滤波器滤波后与级联降噪滤波器组滤波处理后的噪声参考信号通过加法器耦合叠加得到输出信号；
第二升采样滤波器对所述输出信号滤波处理，并通过DA转换器转换为电信号由播放喇叭播放。
优选地，第一降采样滤波器对所述数字信号滤波后输出噪声参考信号分为两路，一路接入级联降噪滤波器组进行滤波处理，另一路接入信号存储通路，所述信号存储通路包括存储单元，用于存储噪声参考信号。
优选地，所述IIR数字滤波器为直接Ⅱ型二阶IIR数字滤波器，包括两个零点和两个极点。
优选地，所述IIR数字滤波器组包括级联的六个IIR数字滤波器。
优选地，所述信号存储通路中还包括第二降采样滤波器，第一降采样滤波器输出的参考噪声信号经过所述第二降采样滤波器滤波后存储于所述存储单元。
本发明提供的一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统及方法，在噪声采集通路与声音播放通路之间设置由IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器构成级联降噪滤波器组，通过级联降噪滤波器组对噪声参考信号进行滤波，对不同耳机头不同频段的频率响应进行拟合，使由播放喇叭播放的反向消除声波更加完美地对噪声进行消除，提高不同耳机的降噪效果。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明实现不同频率响应拟合的主动降噪系统的结构框图；
图2示出了本发明直接Ⅱ型二阶IIR数字滤波器的结构示意图；
图3示出了本发明IIR数字滤波器组的结构示意图；
图4示出了本发明FIR滤波器的结构示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。下面通过具体的实施例对本发明的内容进行说明，首先对本发明提供的一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统给出详细的说明，在主动降噪过程中，扬声器发出的反相声波需要与空中实际的声音相位相反、幅度一致才能很好抵消噪声。然而在主动降噪系统中，噪声采集麦克风和扬声器不是全通滤波器，有特定的频率响应。噪声采集麦克风采集环境噪声的同时会采集到播放喇叭播放的声音信号，声音信号经过噪声采集麦克风和播放喇叭，波形会发生变化，并且声音信号经过耳机头和人的耳道传播时，波形也会发生变化。降噪滤波器需要对这些频率响应进行拟合，才能产生正确的抵消信号，降噪滤波器的拟合性能，直接决定降噪的效果。
根据本发明，本实施例中针对不同耳机头不同频段的频率响应提供一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统，如图1所示本发明实现不同频率响应拟合的主动降噪系统的结构框图，实施例中主动降噪系统包括噪声采集通路、声音播放通路，以及连接于噪声采集通路与声音播放通路之间的级联降噪滤波器组104，其中
噪声采集通路包括依次连接噪声采集麦克风101、AD转换器102、第一降采样滤波器103。
声音播放通路包括依次连接的声音播放单元105、第一升采样滤波器106、加法器107、第二升采样滤波器108、DA转换器109和播放喇叭110。
级联降噪滤波器组104包括至少两个IIR数字滤波器级联的IIR数字滤波器组1041和FIR数字滤波器1042，级联降噪滤波器组接入第一降采样滤波器103输出的噪声参考信号R(n)，并顺次通过IIR数字滤波器组1041和FIR数字滤波器1042进行滤波器处理。
如图2所示本发明直接Ⅱ型二阶IIR数字滤波器的结构示意图，图3所示本发明IIR数字滤波器组的结构示意图；本发明IIR数字滤波器为直接Ⅱ型二阶IIR数字滤波器，包括两个零点和两个极点。在一些优选的实施例中IIR数字滤波器组1041包括级联的六个IIR数字滤波器。
根据本发明实施例中，主动降噪系统还包括信号存储通路，信号存储通路包括存储单元112，用于将噪声参考信号进行存储。信号存储通路中还包括第二降采样滤波器111，第一降采样滤波器111输出的参考噪声信号R(n)经过第二降采样滤波器111滤波后存储于存储单元112。
如图4所示本发明FIR滤波器的结构示意图，实施例中噪声参考信号R(n)接入到级联降噪滤波器组104中，顺次通过IIR数字滤波器组1041和FIR滤波器进行滤波处理，本发明通过级联降噪滤波器组104充分利用IIR滤波器与FIR滤波器各自的滤波特点，对不同频段的频率响应进行拟合。具体地实施例中，IIR数字滤波器组对低频的频率响应进行拟合，FIR滤波器对高频的频率响应进行拟合，实现各个频段的频率响应均得到拟合，使播放喇叭播放的相位相反的消除声波更加有效地消除环境噪声。
结合图1至图4对本发明提供的一种实现不同频率响应拟合的主动降噪方法进行说明，实施例中主动降噪方法包括：
噪声采集麦克风101采集周围环境噪声，经AD转换器102将环境噪声转换为数字信号；
第一降采样滤波器103对数字信号滤波后输出噪声参考信号R(n)分为两路，一路接入级联降噪滤波器组进行滤波处理104。级联降噪滤波器组104包括至少两个IIR数字滤波器级联的IIR数字滤波器组1041和FIR数字滤波器1042，级联降噪滤波器组104接入第一降采样滤波器输出的噪声参考信号，并顺次通过IIR数字滤波器组1041和FIR数字滤波器1042进行滤波器处理。根据本发明IIR数字滤波器为直接Ⅱ型二阶IIR数字滤波器，包括两个零点和两个极点。进一步优选地，IIR数字滤波器组包括级联的六个IIR数字滤波器。
第一降采样滤波器103对数字信号滤波后输出噪声参考信号R(n)的另一路接入信号存储通路，信号存储通路包括存储单元112，用于存储噪声参考信号。具体地，信号存储通路中还包括第二降采样滤波器111，第一降采样滤波器103输出的参考噪声信号R(n)经过第二降采样滤波器111滤波后存储于所述存储单元112。
声音播放单元105播放数字音频，数字音频经第一升采样滤波器滤波后的声音信号M(n)与级联降噪滤波器组滤波处理后的噪声参考信号F(n)通过加法器耦合叠加得到输出信号T(n)。
第二升采样滤波器108对输出信号T(n)滤波处理，并通过DA转换器109转换为电信号由播放喇叭110播放。
IIR数字滤波器组的能够有效地对低频的频率响应进行拟合，FIR滤波器作为频率响应的冲激响应能够有效地对高频的频率响应进行拟合。本发明提供的一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统及方法，在噪声采集通路与声音播放通路之间设置由IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器构成级联降噪滤波器组，通过级联降噪滤波器组对噪声参考信号进行滤波，对不同耳机头不同频段的频率响应进行拟合，使由播放喇叭播放的反向消除声波更加完美地对噪声进行消除，提高不同耳机的降噪效果。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种实现不同频率响应拟合的主动降噪系统，其特征在于，所述系统包括噪声采集通路、声音播放通路，以及连接于所述噪声采集通路与所述声音播放通路之间的级联降噪滤波器组，其中
所述噪声采集通路包括依次连接噪声采集麦克风、AD转换器、第一降采样滤波器；
所述声音播放通路包括依次连接的声音播放单元、第一升采样滤波器、加法器、第二升采样滤波器、DA转换器和播放喇叭；
所述级联降噪滤波器组包括至少两个IIR数字滤波器级联的IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器，所述级联降噪滤波器组接入所述第一降采样滤波器输出的噪声参考信号，并顺次通过所述IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器进行滤波器处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括信号存储通路，所述信号存储通路包括存储单元，用于将所述噪声参考信号进行存储。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述IIR数字滤波器为直接Ⅱ型二阶IIR数字滤波器，包括两个零点和两个极点。
4.根据权利要求1或3所述的系统，其特征在于，所述IIR数字滤波器组包括级联的六个IIR数字滤波器。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述信号存储通路中还包括第二降采样滤波器，第一降采样滤波器输出的参考噪声信号经过所述第二降采样滤波器滤波后存储于所述存储单元。
6.一种实现不同频率响应拟合的主动降噪方法，其特征在于，所述方法包括：
噪声采集麦克风采集周围环境噪声，经AD转换器将所述环境噪声转换为数字信号；
第一降采样滤波器对所述数字信号滤波后输出噪声参考信号，所述噪声参考信号接入级联降噪滤波器组进行滤波处理，其中，所述级联降噪滤波器组包括至少两个IIR数字滤波器级联的IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器，所述级联降噪滤波器组接入所述第一降采样滤波器输出的噪声参考信号，并顺次通过所述IIR数字滤波器组和FIR数字滤波器进行滤波器处理；
声音播放单元播放数字音频，所述数字音频经第一升采样滤波器滤波后与级联降噪滤波器组滤波处理后的噪声参考信号通过加法器耦合叠加得到输出信号；
第二升采样滤波器对所述输出信号滤波处理，并通过DA转换器转换为电信号由播放喇叭播放。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第一降采样滤波器对所述数字信号滤波后输出噪声参考信号分为两路，一路接入级联降噪滤波器组进行滤波处理，另一路接入信号存储通路，所述信号存储通路包括存储单元，用于存储噪声参考信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述IIR数字滤波器为直接Ⅱ型二阶IIR数字滤波器，包括两个零点和两个极点。
9.根据权利要求6或8所述的方法，其特征在于，所述IIR数字滤波器组包括级联的六个IIR数字滤波器。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信号存储通路中还包括第二降采样滤波器，第一降采样滤波器输出的参考噪声信号经过所述第二降采样滤波器滤波后存储于所述存储单元。
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