CN108140380B - 具有部分地由固定响应滤波器提供的反馈响应的自适应消噪反馈控制器及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于自适应消噪(ANC)系统的控制器通过使ANC系统的ANC增益与从ANC系统的换能器延伸到ANC系统的传感器的次级路径无关来简化稳定控制响应的设计，该传感器测量周围噪声。该控制器包括具有预定固定响应的固定滤波器和与固定滤波器耦合在一起的可变响应滤波器。可变响应滤波器补偿次级路径的传递函数的变化，该次级路径包括从ANC系统的换能器到ANC系统的传感器的至少一个路径，使得ANC增益与次级路径的传递函数的变化无关。

Description

具有部分地由固定响应滤波器提供的反馈响应的自适应消噪 反馈控制器及方法

技术领域

本公开的代表性实施例的领域涉及自适应消噪(ANC)方法及系统，特别是涉及由固定传递函数反馈滤波器和可变响应滤波器提供反馈响应的ANC反馈控制器。

背景技术

无线电话(诸如移动电话/蜂窝电话)、无绳电话以及其他消费类音频设备(诸如MP3播放器)有着广泛应用。使用麦克风来测量周围声学事件以及然后使用信号处理将抗噪信号注入到设备的输出中以消除周围声学事件，通过提供消噪，此类设备就可懂度的性能可以得到改良。

在许多消噪系统中，既包括通过使用用于根据被配置成测量周围声音的基准麦克风信号生成前馈抗噪信号的前馈自适应滤波器的前馈消噪，又包括通过使用用于生成将与前馈抗噪信号合并的反馈消噪信号的固定响应反馈滤波器的反馈消噪，这是可取的。在其他消噪系统中，只提供反馈消噪。自适应反馈消噪系统包括根据传感器的输出生成抗噪信号的自适应滤波器，该输出感测待消噪声且该输出被提供给用于再现的输出换能器以消除噪声。

在具有反馈消噪路径的任何ANC系统中，次级路径判定提供适当消噪所需的反馈响应的一部分，该次级路径是至少从再现由ANC系统生成的抗噪信号的输出换能器延伸到由测量待消周围噪声的输入传感器提供的输出信号的电声路径。在输出换能器和输入传感器周围的声学环境变化很大的ANC系统中，诸如在电话相对于用户耳朵的位置改变电话扬声器与用来测量周围噪声的麦克风之间的耦合的移动电话中，次级路径响应也变化。因为用于生成适当抗噪信号的反馈路径传递函数取决于次级路径响应，所以很难提供在实际实施中可能存在对于输出换能器和输入传感器之间的声学路径的所有可行配置都稳定的ANC控制器。

因此，期望提供在ANC反馈系统和ANC前馈/反馈系统中稳定性改良的ANC控制器。

发明内容

上述提供稳定性改良的ANC控制器的目的在ANC控制器、操作方法及集成电路中达成。

ANC控制器包括具有预定固定传递函数的固定滤波器和与固定滤波器耦合在一起的可变响应滤波器。固定传递函数与补偿反馈环路的稳定性有关并保持补偿反馈环路的稳定性，并且对ANC系统的ANC增益有贡献。可变响应滤波器的响应补偿次级路径的传递函数的变化，该次级路径包括从ANC系统的换能器到ANC系统的传感器的至少一个路径，使得ANC增益与次级路径的传递函数的变化无关。

下面说明对根据本公开的示例性实施例进行说明。更多实施例及实施对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。本领域普通技术人员应当认识到，可以代替或结合下面讨论的实施例来应用多种等同技术，且本公开包括所有此类等同物。

附图说明

图1A示出无线电话10，该无线电话10是可以实现本文中所公开的技术的个人音频设备的示例；

图1B示出耦合到一对耳塞EB1和EB2的无线电话10，该无线电话10是可以实现本文中所公开的技术的个人音频系统的示例；

图2是图1B的无线电话10和/或耳塞EB内的电路方块图；

图3A示出图1A和图1B中包括反馈声学消噪器的电学信号路径和声学信号路径；

图3B示出图1A和图1B中包括混合前馈/反馈声学消噪器的电学信号路径和声学信号路径；

图4A至图4D是描绘可以用来实现图2中音频集成电路20A和音频集成电路20B的ANC电路30的ANC电路的多种示例的方块图；

图5A至图5F是描绘本文中所公开的ANC系统内的声学响应和电学响应的曲线图；

图6是描绘可以用来实现图4A至图4D中所示的电路内的固定响应滤波器40的数字滤波器的方块图；

图7是描绘可以用来实现图4A至图4D中所示的电路内的固定响应滤波器40的可替换数字滤波器的方块图；

图8是描绘可以用来实现图2和图4A至图4D中所示的电路的信号处理电路及功能块的方块图。

具体实施方式

本公开包括可以在诸如无线电话、平板型计算机、笔记本型计算机、消噪头戴式受话器的个人音频设备中以及在其他消噪电路中实现的消噪技术及电路。个人音频设备包括ANC电路，该ANC电路用传感器测量周围声学环境并生成抗噪信号，该抗噪信号经由扬声器或其他换能器输出，以消除周围声学事件。本文中所示的示例性ANC电路包括反馈滤波器，且可包括用来根据传感器输出来生成抗噪信号的前馈滤波器。包括从换能器返回到传感器的声学路径的次级路径使围绕贯穿反馈滤波器的ANC反馈路径的反馈环路闭合，因此反馈环路的稳定性取决于次级路径的特性。次级路径涉及换能器和传感器周围以及换能器和传感器之间的结构，因此对于诸如无线电话的设备，次级路径的响应随用户以及设备相对于用户耳朵的位置而变化。为了在可变次级路径的范围内提供稳定性，本公开使用一对滤波器，一个滤波器具有固定预定响应以及另一个滤波器具有补偿次级路径变化的可变响应。固定预定响应被选定为在设备期望的次级路径响应的范围内提供稳定性，对声学消噪有贡献以及通常最大限度地增大声学消噪操作的范围。

现在参照图1A，示例性无线电话10被示出为靠近人耳5。如图所示的无线电话10是可采用本文中所示的技术的设备的示例，但是应当理解，具体表现为如图所示的无线电话10或在随后图示中所示的电路的元件或配置并非全部需要实践权利要求范围。无线电话10包括诸如扬声器SPKR的换能器，该扬声器SPKR再现被无线电话10接收到的远端话音以及其他本地音频事件，诸如铃声、存储的音频节目材料、近端话音(即，无线电话10的用户的话音)、来自网页或被无线电话10接收到的其他网络通信的源以及诸如电池电量低和其他系统事件通知的声音提示。设置近话音麦克风NS来捕捉近端话音，该近端话音从无线电话10发送到其他(多个)交谈参与者。

无线电话10包括将抗噪信号注入到扬声器SPKR中以提高远端话音以及由扬声器SPKR再现的其他音频的可懂度的自适应消噪(ANC)电路及特征。基准麦克风R可为测量周围声学环境而设，并被定位成远离用户嘴巴的典型位置，使得在由基准麦克风R产生的信号中最大限度地减小近端话音。可设置第三麦克风(误差麦克风E)，以当无线电话10靠近耳朵5时通过测量与由靠近耳朵5的扬声器SPKR再现的音频合并的周围音频来进一步提高ANC操作。无线电话10内的电路14可包括音频CODEC集成电路20，该音频CODEC集成电路20接收来自基准麦克风R、近话音麦克风NS和误差麦克风E的信号并与诸如包含无线电话收发器的RF集成电路12的其他集成电路相联。在本公开的一些实施例中，本文中所公开的电路及技术可并入包含控制电路以及用于实现整个个人音频设备的其他功能的单个集成电路中，诸如MP3播放器片上集成电路。在所示实施例以及其他实施例中，本文中所公开的电路及技术可部分地或全部地以具体表现为计算机可读存储介质且可由处理器电路或诸如微控制器的其他处理设备执行的软件和/或固件来实现。

通常，本文中所公开的ANC技术测量撞击在误差麦克风E和/或基准麦克风R上的周围声学事件(与扬声器SPKR的输出和/或近端话音相对)。如图所示的无线电话10的ANC处理电路使根据误差麦克风E和/或基准麦克风R的输出生成的抗噪信号自适应具有最大限度地减小存在于误差麦克风E处的周围声学事件的振幅的特性。因为声学路径P(z)从基准麦克风R延伸到误差麦克风E，所以ANC电路与消除电声路径S(z)的影响相结合地有效估计声学路径P(z)。电声路径S(z)表示在特定声学环境下CODEC IC 20的音频输出电路的响应以及包括扬声器SPKR和误差麦克风E之间的耦合的扬声器SPKR的声学/电学传递函数。当无线电话10未紧贴耳朵5时，电声路径S(z)受耳朵5的近距和结构以及可靠近无线电话10的其他物理对象和人头结构影响。虽然如图所示的无线电话10包括具有第三近话音麦克风NS的双麦克风ANC系统，但是不包括单独误差麦克风和基准麦克风的其他系统也可实现上述技术。可替换地，在上述系统中可以使用近话音麦克风NS来执行基准麦克风R的功能。此外，在仅为音频回放而设计的个人音频设备中，通常不会包括近话音麦克风NS，且在不改变本公开的范围的情况下，在下面更详细说明的电路中的近话音信号路径可以省略。此外，本文中所公开的技术可以适用于不使用输出换能器来再现回放信号或交谈的纯消噪系统，即，只再现抗噪信号的系统。

现在参照图1B，示出采用本文中所公开的技术的另一个无线电话配置。图1B示出无线电话10以及一对耳塞EB1和EB2，每个耳塞连接到收听者的对应耳朵。如图所示的无线电话10是可采用本文中技术的设备的示例，但是应当理解，具体表现为如图所示的无线电话10或在随后图示中所示的电路的元件或配置并非全部需要。无线电话10通过有线连接或无线连接连接到耳塞EB1，EB2，例如BLUETOOTH^TM连接(BLUETOOTH是Bluetooth SIG公司的商标)。耳塞EB1，EB2各自具有对应换能器，诸如扬声器SPKR1，SPKR2，扬声器SPKR1，SPKR2再现包括从无线电话10接收到的远端话音、铃声、存储的音频节目材料以及近端话音(即，无线电话10的用户的话音)的源音频。源音频还包括无线电话10需要再现的任何其他音频，诸如来自网页或被无线电话10接收到的其他网络通信的源音频以及诸如电池电量低和其他系统事件通知的声音提示。基准麦克风R1，R2设置在相应耳塞EB1，EB2的壳体的表面上，用于测量周围声学环境。设置另一对麦克风(误差麦克风E1，E2)，以当耳塞EB1，EB2插入耳朵5A，5B的外部时通过测量与由靠近对应耳朵5A，5B的相应扬声器SPKR1，SPKR2再现的音频合并的周围音频来进一步提高ANC操作。如在图1A的无线电话10中，无线电话10包括将抗噪信号注入到扬声器SPKR1，SPKR2中以提高远端话音以及由SPKR1，SPKR2再现的其他音频的可懂度的自适应消噪(ANC)电路及特征。在所示示例中，无线电话10内的ANC电路接收来自基准麦克风R1，R2和误差麦克风E1，E2的信号。可替换地，本文中所公开的ANC电路全部或部分可并入耳塞EB1，EB2内。例如，耳塞EB1，EB2各自可构成包括单独ANC电路的独立声学消噪器。近话音麦克风NS可设置在耳塞EB1，EB2中的一个耳塞的壳体的外表面上、设置在固定到耳塞EB1，EB2中的一个耳塞的支臂上或设置在位于无线电话10与耳塞EB1，EB2中的任一耳塞或两个耳塞之间的线控器挂件7上，如图所示。

如上参照图1A所述，本文中所示的ANC技术测量撞击在误差麦克风E1，E2和/或基准麦克风R1，R2上的周围声学环境(与扬声器SPKR1，SPKR2的输出和/或近端话音相对)。在图1B所示的实施例中，在耳塞EB1，EB2内或可替换地在无线电话10或线控器挂件7内的集成电路的ANC处理电路单独地使根据对应基准麦克风R1，R2的输出生成的抗噪信号自适应具有最大限度地减小在对应误差麦克风E1，E2处的周围声学事件的振幅的特性。因为声学路径P₁(z)从基准麦克风R1延伸到误差麦克风E1，所以音频集成电路20A中的ANC电路与消除电声路径S₁(z)的影响相结合地有效估计声学路径P₁(z)，该电声路径S₁(z)表示音频集成电路20A的音频输出电路的响应以及扬声器SPKR1的声学/电学传递函数。估计响应包括在特定声学环境下在扬声器SPKR1与误差麦克风E1之间的耦合，该耦合受耳朵5A的近距和结构以及可靠近耳塞EB1的其他物理对象和人头结构影响。同样地，音频集成电路20B与消除电声路径S₂(z)的影响相结合地估计声学路径P₂(z)，该电声路径S₂(z)表示音频集成电路20B的音频输出电路的响应以及扬声器SPKR2的声学/电学传递函数。如本公开中使用，术语“头戴式受话器”和“扬声器”是指旨在机械地保持靠近用户耳道的任何声学换能器，且包括但不限于耳机、耳塞以及其他类似设备。作为更具体的示例，“耳塞”或“头戴式受话器”可能是指内耳甲式耳机、外耳甲式耳机和外耳式耳机。此外，本文中所公开的技术适用于其他形式的声学消噪，且术语“换能器”不仅包括头戴式受话器型换能器或扬声器型换能器，而且包括诸如压电式换能器、磁性振动器(诸如电动机)等的其他振动发生器。术语“传感器”不仅包括麦克风，而且包括诸如压电薄膜等的振动传感器。

图2示出包括ANC处理的音频集成电路20A，20B的简化示意图，音频集成电路20A，20B耦合到相应基准麦克风R1，R2，基准麦克风R1，R2测量通过位于对应耳塞EB1，EB2内的音频集成电路20A，20B内的ANC处理电路进行滤波的周围音频声音。在纯反馈实现中，基准麦克风R可以省略，且抗噪信号完全地从误差麦克风E1，E2中生成。音频集成电路20A，20B可以可替换地并入单个集成电路中，诸如无线电话10内的集成电路20。此外，虽然图2所示的连接适用于图1B所示的无线电话系统，但是通过省略音频集成电路20B，图2中所公开的电路适用于图1A的无线电话10，使得为基准麦克风R和误差麦克风E各自设置单个基准麦克风输入以及为扬声器SPKR设置单个输出。音频集成电路20A，20B为它们对应的声道生成输出，输出被提供给扬声器SPKR1，SPKR2中的对应扬声器。音频集成电路20A，20B(取决于特定配置，通过有线或无线)接收来自基准麦克风R1，R2、近话音麦克风NS和误差麦克风E1，E2的信号。音频集成电路20A，20B还与诸如图1A所示包含无线电话收发器的RF集成电路12的其他集成电路相联。在其他配置中，本文中所公开的电路及技术可并入包含控制电路以及用于实现整个个人音频设备的其他功能的单个集成电路中，诸如MP3播放器片上集成电路。可替换地，例如，当从耳塞EB1，EB2各自提供无线连接到无线电话10时和/或当ANC处理中的一些或全部都在耳塞EB1，EB2或沿将无线电话10连接到耳塞EB1，EB2的电缆而设的模块内执行时，可使用多个集成电路。

音频集成电路20A包括用于接收来自基准麦克风R1(或图1A中的基准麦克风R)的基准麦克风信号并生成基准麦克风信号的数字表示ref的模拟-数字转换器(ADC)21A。音频集成电路20A还包括用于接收来自误差麦克风E1(或图1A中的误差麦克风E)的误差麦克风信号并生成误差麦克风信号的数字表示err的ADC 21B以及用于接收来自近话音麦克风NS的近话音麦克风信号并生成近话音麦克风信号的数字表示ns的ADC 21C(在图1B的双耳塞系统中，音频集成电路20B经由如上所述的无线连接或有线连接接收来自音频集成电路20A的近话音麦克风信号的数字表示ns)。音频集成电路20A从放大器A1中生成用于激励扬声器SPKR1的输出，该放大器A1对数字-模拟转换器(DAC)23的输出进行放大，该数字-模拟转换器(DAC)23接收合并器26的输出。合并器26将来自内部音频源24的音频信号ia和由ANC电路30生成的抗噪信号anti-noise进行合并，该抗噪信号anti-noise按照惯例具有与误差麦克风信号err和基准麦克风信号ref中的噪声相同的极性，所以被合并器26减去。合并器26还合并近话音信号ns的衰减部分，即侧音信息st，使得无线电话10的用户听到他们自己与下行链路话音ds成适当关系的语音，该下行链路话音ds从射频(RF)集成电路22接收。近话音信号ns还被提供给RF集成电路22并作为上行链路话音经由天线ANT发送给服务提供商。

现在参照图3A，示出适用于图1A所示的无线电话的示例以及适用于图1B所示的无线电话系统的各个声道的简化ANC反馈电路。周围声音Ambient沿主路径P(z)行进到误差麦克风E并通过反馈滤波器38进行滤波以生成通过放大器A1提供给扬声器SPKR的抗噪信号。次级路径S(z)包括从反馈滤波器38的输出到扬声器SPKR的电学路径，同时包括从扬声器SPKR通过误差麦克风E到反馈滤波器38的输入的声学路径。次级路径S(z)和反馈滤波器38构成具有反馈增益G_FB(z)＝1/(1+H(z)S(z))＝Q(z)/(Ambient*P(z))的反馈环路，其中Q(z)是误差麦克风信号。如果需要，对Q(z)进行校正，以消除不是抗噪信号的任何回放音频。因此，判定声学消噪的有效性的反馈增益G_FB(z)取决于次级路径S(z)的响应以及反馈滤波器38的传递函数H(z)。因为G_FB(z)随次级路径S(z)的响应而变化，所以通常必须使用表示次级路径S(z)的响应的极值的多个模型来设计ANC反馈控制器，且必须谨慎地设计H(z)，以保持适当的相位裕度(即，在G(z)降至1的频率上限处周围声音和由扬声器SPKR再现的抗噪信号之间的相位)和增益裕度(即，在周围声音和抗噪信号之间的相位达到0的一个或更多个频率处相对于周围声音和由扬声器SPKR再现的抗噪信号一致的衰减，造成正反馈)。适当的相位裕度/增益裕度对于采用反馈的ANC系统中的反馈环路的稳定性是必须的，这是因为相位裕度/增益裕度直接决定了ANC系统从诸如高振幅噪声或ANC系统不能消除的噪声的干扰中恢复的能力。另一方面，增大增益裕度和相位裕度通常需要降低反馈环路的频率响应的上限，降低ANC系统消除周围噪声的能力。次级路径S(z)的响应的宽泛变化限制了反馈控制器的任何离线设计，使得反馈消除的性能在较高频率处受到限制。次级路径S(z)的响应的宽泛变化对于用在用户的耳道中或靠近用户的耳道而使用的无线电话、耳塞以及上述其他设备而言是典型的。

现在参照图3B，示出可替换地适用于图1A所示的无线电话以及适用于图1B所示的无线电话系统的各个声道的简化ANC前馈/反馈电路。除了提供给放大器A1的抗噪信号由上述反馈滤波器38以及前馈滤波器32两者生成，该前馈滤波器32根据基准麦克风R的输出来生成抗噪信号的一部分，ANC前馈/反馈电路的操作类似于图3A所示的纯反馈方法。合并器36将前馈抗噪信号与反馈抗噪信号进行合并。反馈滤波器38的反馈增益仍然是GFB(z)＝1/(1+H(z)S(z))＝Q(z)/(Ambient*P(z))。

现在参照图4A至图4D，根据本公开的多种实施例，示出可包括在图2的音频集成电路20A，20B内的多种示例性ANC电路20的细节。在各个示例中，上述反馈滤波器38由一对滤波器实现。第一滤波器40具有固定预定响应，该固定预定响应与补偿反馈环路的稳定性有关并有助于保持补偿反馈环路的稳定性，并且对ANC系统的ANC增益有贡献。另一个滤波器是可变响应滤波器42，42A，可变响应滤波器42，42A补偿次级路径S(z)的响应的至少一部分的变化。结果是，使ANC反馈增益G_FB(z)与次级路径S(z)的响应变化无关。在上面针对反馈增益而给出的方程中，G_FB(z)＝1/(1+H(z)S(z))等于1/(1+B(z)C(z)S(z))。因此，当C(z)被设定为次级路径S(z)的响应的反向响应S^-1(z)时，假定S^-1(z)S(z)＝z^-D，G_FB(z)＝1/(1+B(z)S^-1(z)S(z))＝1/(1+B(z)z^-D)，其中z^-D是为滤波器42A对次级路径S(z)的响应的反向响应S^-1(z)进行建模提供因果设计而包括的延时。因此，当C(z)＝S^-1(z)时，图4A至图4D的电路中的滤波器42，42A的可变传递函数补偿次级路径S(z)的响应变化。因此，反馈增益G_FB(z)成为不再取决于次级路径S(z)的可变响应的均匀反馈增益G_FB,uniform(z)。然后，均匀反馈增益G_FB,uniform(z)与固定传递函数B(z)和设定延时z^-D有关或仅取决于固定传递函数B(z)和设定延时z^-D，且固定传递函数B(z)成为唯一判定ANC反馈控制响应的控制变量。在图4A至图4D所示的各个级联滤波器配置中，滤波器40和滤波器42，42A的级联顺序可以互换。图4A示出ANC反馈滤波器38A，该ANC反馈滤波器38A接收来自误差麦克风E的误差麦克风信号err，用具有响应C(z)的滤波器42对误差麦克风信号进行滤波，以及用具有预定固定响应B(z)的另一个滤波器40对滤波器42的输出进行滤波。响应C(z)表示有助于使ANC系统对次级路径S(z)的响应变化稳定且取决于系统响应的其他部分可能或可能不完全等于次级路径S(z)的响应的反向响应S^-1(z)的任何滤波器响应。图4B示出另一个ANC反馈滤波器38B，其中第一滤波器42A具有响应SE^-1(z)，该响应SE^-1(z)是对次级路径S(z)的响应的反向响应S^-1(z)的估计并根据来自次级路径估计器SE(z)控制电路的控制信号而控制。图4C示出又一个ANC反馈滤波器38C，其中第一滤波器42B是自适应滤波器，该自适应滤波器估计响应S^-1(z)以经由离线校准生成反向响应SE^-1(z)。当开关S1断开(从而ANC操作是无声的)时，在通过合并器46从具有由延时器47施加的延时z^-D的回放信号PB(其也由输出换能器再现)中减去第一滤波器42B的输出之后，通过最小均方(LMS)系数控制器44把回放信号PB与误差麦克风信号err联系起来。所得自适应滤波器通过直接测量次级路径S(z)的响应对回放信号PB的影响来获得对次级路径S(z)的响应的估计。当ANC电路38C在线操作时，开关S1闭合，且LMS系数控制器44的输出保持恒定并进行转换以使自适应滤波器42A的响应反向来产生响应SE^-1(z)。在线时，自适应滤波器42A如同固定非自适应滤波器一样操作。

参照图4D，示出上述控制方案的前馈/反馈实现。自适应前馈滤波器32接收基准麦克风信号ref，并在理想情况下，使其传递函数W(z)自适应是生成前馈抗噪信号FF anti-noise的P(z)/S(z)的某个部分，该前馈抗噪信号FF anti-noise被提供给输出合并器36，该输出合并器36将前馈抗噪信号FF anti-noise与由ANC反馈滤波器38D生成的反馈抗噪信号FB anti-noise进行合并。如上所述，ANC反馈滤波器38D包括具有固定预定响应B(z)的第一滤波器40和接收使滤波器42A的响应对反向响应SE^-1(z)进行建模的控制输入的可变响应滤波器42A。前馈自适应滤波器32的系数受W系数控制部31控制，该W系数控制部31使用两个信号的相关性来判定自适应滤波器32的响应，该自适应滤波器32的响应从最小均方意义上来说通常最大限度地减小存在于误差麦克风信号err中的基准麦克风信号ref的这些分量之间的误差。被W系数控制部31处理的信号是通过由可控滤波器34B提供的路径S(z)的响应的估计的副本来整形的基准麦克风信号ref和包括误差麦克风信号err的另一个信号。通过利用次级路径S(z)的响应的估计SE(z)的副本(响应SE_COPY(z))对基准麦克风信号ref进行变换并在去除误差麦克风信号err中归因于源音频回放的分量之后(即，回放校准误差信号PBCE)最大限度地减小误差麦克风信号err，自适应滤波器32自适应P(z)/S(z)的响应的期望部分。为了生成次级路径S(z)的响应的估计SE(z)，ANC电路30包括具有SE系数控制部33的可控滤波器34B，该SE系数控制部33提供将自适应滤波器34A和可控滤波器34B的响应设定为响应SE(z)的控制信号。SE系数控制部33还向系数反演部37提供控制信号，该系数反演部37根据判定响应SE(z)的系数来计算将可变响应滤波器42A的响应设定为反向响应SE^-1(z)的系数。

除了误差麦克风信号err之外，和可控滤波器34B的输出一起被W系数控制部31处理的另一个信号包括源音频的反向量，该源音频包括已经被滤波器响应SE(z)处理过的下行链路音频信号ds和内部音频ia，响应SE_COPY(z)是响应SE(z)的副本。通过注入源音频的反向量，防止自适应滤波器32自适应存在于误差麦克风信号err中的相对大量的源音频，并通过利用路径S(z)的响应的估计对下行链路音频信号ds和内部音频ia的反向副本进行变换。在处理之前从误差麦克风信号err中去除的源音频应当匹配在误差麦克风信号err处再现的下行链路音频信号ds和内部音频ia的预期形式，这是因为S(z)的电声路径是下行链路音频信号ds和内部音频ia到达误差麦克风E所采用的路径。滤波器34B本身不是自适应滤波器，但是具有可调响应，该可调响应被调谐成匹配自适应滤波器34A的响应，使得可控滤波器34B的响应追踪自适应滤波器34A的适应。

自适应滤波器34A和SE系数控制部33在通过合并器36去除已经被自适应滤波器34A滤波过的上述经滤波的下行链路音频信号ds和内部音频ia之后对源音频(ds+ia)和误差麦克风信号err进行处理以表示传送给误差麦克风E的预期源音频。合并器36的输出被具有响应1+B(z)z^-D的对准滤波器35进一步滤波以消除反馈信号路径对传递给误差麦克风E的源音频的影响。在2015年8月21日提交的题目为“具有经滤波的误差麦克风信号的混合自适应消噪系统”的美国专利申请序列号14/832,585中对对准滤波器35进行更详细说明，其公开内容以引用方式并入本文中。在上述专利申请中，使用具有可变响应1+SE(z)H(z)的对准滤波器来消除ANC系统中包括次级路径的反馈部分对误差信号的影响，但是因为在本公开中，H(z)＝B(z)SE^-1(z)，所以对准滤波器35具有响应1+SE(z)H(z)＝1+SE(z)SE^-1(z)B(z)＝1+B(z)z^-D。由此，自适应滤波器34A根据下行链路音频信号ds和内部音频ia自适应生成信号，当从误差麦克风信号err中减去时，该信号包含误差麦克风信号err中不是归因于源音频(ds+ia)的成分。

现在参照图5A至图5F，示出上述ANC系统的多个部分的振幅响应和相位响应的曲线图。图5A示出多种用户的次级路径S(z)的振幅响应(上面)和相位响应(下面)。从图中可以看出，次级路径S(z)的响应的振幅变化在所关注频率区域(通常200Hz至3KHz)中变化了10dB或更多。图5B示出滤波器40的响应B(z)的振幅响应(上面)和相位响应(下面)的可行设计，而图5C示出根据上述公开内容的模拟ANC系统的SE(z)SE^-1(z)的响应。图5D示出SE(z)SE^-1(z)的卷积，示出了所得响应是短延时，例如滤波器42，42A的3个抽头。图5E示出模拟系统中的自适应控制器的响应B(z)C(z)，图5F示出模拟系统的闭环响应，示出了所有用户的增益变化在整个图示的频率范围内已经减小到约2dB。

现在参照图6，示出滤波器电路40A，该滤波器电路40A可用来实现固定滤波器40。输入信号通过对应乘法器55A，55B和55C按系数a₁，a₂和a₃进行加权并提供给滤波器级的前馈抽头处的相应合并器56A，56B，56C，滤波器级包括数字积分器50A和50B。以图5A所示的二阶低通响应为条件，反馈抽头由延时器53和乘法器55D提供。所得拓扑结构是Δ-Σ型滤波器。取决于ANC系统的要求，固定滤波器40的响应可以是低通响应或带通响应。

现在参照图7，示出可替换滤波器电路40B，该滤波器电路40B可用来实现固定滤波器40。输入信号通过乘法器65C按系数a₀进行加权并通过合并器66B与输出信号相加以提供前馈抽头，第一延时器62A的输出通过另一个乘法器65D按系数a₀进行加权并也通过合并器66B与输出信号进行合并。第二延时器62B向合并器66B提供第三输入。输入信号与从第一延时器62A的输出提供并通过乘法器65A按系数b₁进行加权的反馈信号以及从第二延时器62B的输出提供并通过乘法器65B按系数b₂进行加权的反馈信号进行合并。所得滤波器是双二阶滤波器，该双二阶滤波器可以用来实现如上所述的低通滤波器或带通滤波器。

现在参照图8，示出用于实现如上所述的ANC技术且具有可在图2的音频集成电路20A，20B内实现的处理电路140的ANC系统的方块图，虽然音频集成电路20A，20B被示出为合并在一个电路内，但是可以由两个或更多个相互通信的处理电路实现。处理电路140包括耦合到存储器104的处理器内核102，包括可实现上述ANC技术中的一些或全部技术以及其他信号处理的计算机程序产品的程序指令存储在存储器104中。任选地，可设置专用数字信号处理(DSP)逻辑器件106来实现由处理电路104提供的ANC信号处理的一部分或可替换地全部。处理电路140还包括分别用于接收来自基准麦克风R1(或基准麦克风R)、误差麦克风E1(或误差麦克风E)、近话音麦克风NS、基准麦克风R2和误差麦克风E2的输入的ADC 21A至ADC21E。在基准麦克风R1、误差麦克风E1、近话音麦克风NS、基准麦克风R2和误差麦克风E2中的一个或更多个麦克风具有数字输出或作为数字信号从远程ADC传递的可替换实施例中，省略ADC21A至ADC 21E中的对应ADC，且(多个)数字麦克风信号与处理电路140直接相联。DAC23A和放大器A1也由处理电路140提供，用于向扬声器SPKR1提供包括上述抗噪信号的扬声器输出信号。同样地，DAC 23B和放大器A2向扬声器SPKR2提供另一个扬声器输出信号。扬声器输出信号可以是数字输出信号，数字输出信号被提供给以声学方式再现数字输出信号的模块。

虽然已经参照本发明的优选实施例具体地示出和说明本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的上述改变以及其他改变。

Claims (17)

1.一种自适应消噪(ANC)控制器，包括：

具有预定固定传递函数(B(z))的固定滤波器，该传递函数(B(z))与补偿反馈环路的稳定性有关并保持补偿反馈环路的稳定性，其中所述固定滤波器对ANC系统的反馈增益有贡献；

耦合到所述固定滤波器的可变响应滤波器，其中所述可变响应滤波器的响应补偿次级路径的传递函数的变化，该次级路径包括从所述ANC系统的换能器到所述ANC系统的传感器的至少一个路径，使得所述ANC系统的反馈增益与所述次级路径的传递函数的变化无关，其中所述可变响应滤波器的响应是所述次级路径的传递函数的反函数。

2.根据权利要求1所述的ANC控制器，其中所述固定滤波器使所述ANC系统的反馈增益为取决于所述预定固定传递函数的均匀反馈增益。

3.根据权利要求1所述的ANC控制器，其中所述可变响应滤波器的响应被控制成与所述ANC系统的自适应滤波器的控制输出一致。

4.根据权利要求3所述的ANC控制器，其中所述可变响应滤波器是自适应滤波器，其中所述可变响应滤波器的响应取决于作为输入提供给所述可变响应滤波器的信号的频率成分，所述可变响应滤波器的响应施加于该信号。

5.根据权利要求3所述的ANC控制器，其中所述自适应滤波器是所述ANC系统中自适应消除所述次级路径对由所述ANC系统的换能器再现的信号的分量的影响的前馈部分的自适应滤波器。

6.根据权利要求1所述的ANC控制器，其中所述传感器是麦克风，所述换能器是扬声器。

7.一种用于实现音频设备的至少一部分的集成电路(IC)，该音频设备包括声学消噪，所述集成电路包括：

输出，用于向输出换能器提供输出信号，该输出信号包括用于抵消所述换能器的声学输出中的周围音频声音的影响的抗噪信号；

至少一个麦克风输入，用于接收表示周围音频声音并包含归因于所述换能器的声学输出的分量的至少一个麦克风信号；

处理电路，该处理电路自适应生成抗噪信号以减少被收听者听到的周围音频声音的存在，其中所述处理电路实现具有响应的反馈滤波器，该响应根据所述至少一个麦克风信号来生成抗噪信号的至少一部分，所述反馈滤波器包括具有预定固定传递函数(B(z))的固定滤波器和耦合到所述固定滤波器的可变响应滤波器，其中所述可变响应滤波器的响应补偿次级路径的传递函数的变化，该次级路径包括从所述换能器到所述至少一个麦克风的至少一个路径，其中所述可变响应滤波器的响应是该次级路径的传递函数的反函数。

8.根据权利要求7所述的集成电路，其中所述固定滤波器使由所述反馈滤波器、所述换能器、所述至少一个麦克风和所述次级路径形成的系统的反馈增益为取决于所述预定固定传递函数的均匀反馈增益。

9.根据权利要求7所述的集成电路，其中所述可变响应滤波器的响应被控制成与通过所述处理电路实现的自适应滤波器的控制输出一致，所述处理电路对所述次级路径进行建模。

10.根据权利要求9所述的集成电路，其中所述可变响应滤波器是自适应滤波器，其中所述可变响应滤波器的响应取决于作为输入提供给所述可变响应滤波器的信号的频率成分，所述可变响应滤波器的响应施加于该信号。

11.根据权利要求9所述的集成电路，其中所述处理电路还实现前馈自适应滤波器，该前馈自适应滤波器生成抗噪信号的另一个部分，并还实现次级路径自适应滤波器，该次级路径自适应滤波器自适应消除所述次级路径对由换能器再现的源音频信号的分量的影响。

12.一种消除周围噪声的影响的方法，所述方法包括：

自适应生成抗噪信号以减少周围噪声的存在；

向换能器提供消噪信号；

用ANC系统的传感器来测量周围噪声；并且

用具有预定固定传递函数(B(z))的固定滤波器和耦合到所述固定滤波器的可变响应滤波器对所述传感器的输出进行滤波，该传递函数(B(z))与补偿反馈环路的稳定性有关并保持补偿反馈环路的稳定性，其中所述固定滤波器对该ANC系统的反馈增益有贡献，其中所述可变响应滤波器的响应补偿次级路径的传递函数的变化，该次级路径包括从所述ANC系统的换能器到该传感器的至少一个路径，使得所述ANC系统的反馈增益与所述次级路径的传递函数的变化无关，其中所述可变响应滤波器的响应是该次级路径的传递函数的反函数。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述滤波使所述ANC系统的反馈增益为取决于所述预定固定传递函数的均匀反馈增益。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述可变响应滤波器的响应控制成与所述ANC系统的自适应滤波器的控制输出一致。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述可变响应滤波器是自适应滤波器，其中所述可变响应滤波器的响应被控制成取决于作为输入提供给所述可变响应滤波器的信号的频率成分，所述可变响应滤波器的响应施加于该信号。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述自适应滤波器是所述ANC系统中自适应消除所述次级路径对由所述ANC系统的换能器再现的信号的分量的影响的前馈部分的自适应滤波器。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述传感器是麦克风，所述换能器是扬声器。

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