CN108347671B

CN108347671B - 噪音消除装置与噪音消除方法

Info

Publication number: CN108347671B
Application number: CN201710060270.5A
Authority: CN
Inventors: 谢沛彣
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2037-01-24
Also published as: CN108347671A

Abstract

本申请提供一种噪音消除装置与噪音消除方法，其中噪音消除装置包含反向噪音滤波器电路、输出电路以及检测电路。反向噪音滤波器电路提供多个转移函数中的对应者处理数字信号，以产生噪音消除信号，其中多个转移函数彼此不同。输出电路混合噪音消除信号、参考信号以及输入信号以产生混频信号，并基于混频信号产生声音输出信号，其中数字信号关联于声音输出信号。检测电路根据一比值与一临界值的比较结果，以控制反向噪音滤波器电路提供多个转移函数中的对应者，其中前述比值为数字信号的功率对混频信号的功率的比值。

Description

噪音消除装置与噪音消除方法

技术领域

本公开涉及一种噪音消除装置，且特别涉及具有检测近耳与离耳状态机制的噪音消除装置与方法。

背景技术

为了能够提供更高的声音品质，耳机上常加入主动噪音消除机制来降低环境噪音的影响。于一些技术中，主动噪音消除机制常采用单一的滤波器来产生噪音消除信号。然而，当耳机未被使用时(亦即处于离耳(off-ear)状态)时，主动噪音消除机制的系统响应常出现较大的变化。为了维持主动噪音消除机制的稳定度，上述单一的滤波器仅能使用消噪效果较低，但稳定度较高的电路设计。如此一来，在耳机被使用时(亦即处于近耳(on-ear)状态)，无法被提供更佳的消噪效果。

发明内容

于一些实施例中，噪音消除装置包含反向噪音滤波器电路、输出电路以及检测电路。反向噪音滤波器电路用以提供多个转移函数中的对应者处理数字信号，以产生噪音消除信号，其中多个转移函数彼此不同。输出电路用以混合噪音消除信号、参考信号以及输入信号以产生混频信号，并基于混频信号产生声音输出信号，其中数字信号关联于声音输出信号。检测电路用以根据第一比值与第一临界值的比较结果，以控制反向噪音滤波器电路提供多个转移函数中的对应者，其中第一比值为数字信号的功率对混频信号的功率的比值。

于一些实施例中，噪音消除方法包含下列多个操作。控制反向噪音滤波器电路提供多个转移函数中的对应者处理数字信号，以产生噪音消除信号，其中多个转移函数彼此不同；混合噪音消除信号、参考信号以及输入信号以产生混频信号，并基于混频信号输出声音输出信号，其中数字信号关联于声音输出信号；以及根据第一比值与第一临界值的比较结果控制反向噪音滤波器电路提供多个转移函数中的对应者，其中该第一比值为数字信号的功率对混频信号的功率的比值。

综上所述，本公开提供的噪音消除装置与方法可由不同设置方式分析近耳状态与离耳状态，以选择性地采用适当的滤波器来改善音频处理系统的效能。

附图说明

本公开说明书附图的说明如下：

图1为根据本公开的一些实施例所示出的的一种噪音消除装置的示意图；

图2为根据本公开的一些实施例所示出的的如图1中检测电路的操作方法的流程图；

图3为根据本公开的一些实施例所示出的的如图1中检测电路的电路示意图；

图4A为根据本公开的另一些实施例所示出的的如图1中检测电路的电路示意图；以及

图4B为根据本公开的另一些实施例所示出的的如图4A中参考信号的波形示意图。

附图标记说明：

100：噪音消除装置 110、115：模拟至数字转换器

120：反向噪音滤波器电路 130：输出电路

140：检测电路 150、155：声电转换装置

160：参考信号产生器 SO(t)：声音输出信号

V(t)、V2(t)：噪音信号 E1(t)、E2(t)：电子信号

Y(n)：数字信号 H1(z)、H2(z)：转移函数

122、124：滤波器 126：切换电路

NC(n)：噪音消除信号 SE：切换信号

132：运算电路 134：数字至模拟转换器

136：电声转换装置 X(n)：参考信号

M(n)：输入信号 U(n)：混频信号

C(n)：数字噪音信号 200：方法

S210、S220：操作 S215、S230：操作

301～303：带频滤波器 311～314：功率预估电路

320：逻辑电路 U'(n)、Y'(n)、C'(n)：信号

Pu、Pn：功率 Py、Px：功率

T1：使能期间 T2：禁能期间

S(z)：转移函数

具体实施方式

参照图1，于一些实施例中，噪音消除装置100安置于各种电子装置(例如：耳机)上，以降低环境噪音的干扰。

于一些实施例中，噪音消除装置100包含模拟至数字转换器110、115、反向噪音滤波器电路120、输出电路130、检测电路140、声电转换装置150、155以及参考信号产生器160。

于一些实施例中，声电转换装置150设置于耳机的外壳内，并接收声音输出信号SO(t)以及噪音信号V(t)，其中，声音输出信号SO(t)将通过转移函数S(z)至声电转换装置150上，而转移函数S(z)为电声转换装置136至声电转换装置150之间的转移函数。声电转换装置150转换接收到的信号成电子信号E1(t)。于一些实施例中，声电转换装置150可由麦克风实现，但本公开并不仅此为限。

模拟至数字转换器110转换电子信号E1(t)至数字信号Y(n)。反向噪音滤波器电路120耦接至模拟至数字转换器110，以接收数字信号Y(n)。

反向噪音滤波器电路120提供转移函数H1(z)与转移函数H2(z)中一个来处理数字信号Y(n)，以产生噪音消除信号NC(n)。例如，反向噪音滤波器电路120包含多个滤波器122与124以及切换电路126。切换电路126根据切换信号SE选择采用滤波器122与滤波器124中的一个的输出为噪音消除信号NC(n)。其中，滤波器122提供转移函数H1(z)，且滤波器124供转移函数H2(z)。于一些实施例中，切换电路126可设置于模拟至数字转换器110与反向滤波器电路120之间，且滤波器122与124的输出耦接至输出电路130。于一些实施例中，切换电路126可由一或多个开关实现。于一些实施例中，切换电路126可由多工器电路实现。

于一些实施例，滤波器122与滤波器124可由独立的两个滤波器实现。于另一些实施例中，滤波器122、滤波器124以及切换电路126可由参数可调的单一滤波器实现，其中此滤波器的参数根据切换信号SE被调整，以选择性提供转移函数H1(z)或H2(z)。上述关于反向噪音滤波器电路120的实现方式仅为示例，本公开并不以此为限。

输出电路130包含运算电路132、数字至模拟转换器134以及电声转换装置136。运算电路132耦接至切换电路126以接收噪音消除信号NC(n)，并混合噪音消除信号NC(n)、参考信号X(n)以及输入信号M(n)以产生混频信号U(n)。于一些实施例中，运算电路132可由加法器与/或合成器等电路实现。于一些实施例中，输入信号M(n)可为音乐讯源经过合成器与/或放大器所输出的声音信号。数字至模拟转换器134转换混频信号U(n)。电声转换装置136耦接至数字至模拟转换器134，并将混频信号U(n)经转换后的信号输出为声音输出信号SO(t)。于一些实施例中，电声转换装置136可由扬声器实现。

于一些实施例中，检测电路140接收数字信号Y(n)、数字噪音信号C(n)、混频信号U(n)以及参考信号X(n)，并根据上述信号输出切换信号SE以控制切换电路126。关于上述的操作将搭配后述图2详细说明。

于一些实施例中，噪音消除装置100还包含模拟至数字转换器115以及声电转换装置155。于一些实施例中，声电转换装置155可设置于耳机外壳以接收噪音信号V2(t)，并将的转换为电子信号E2(t)。模拟至数字转换器115耦接至声电转换装置155，并转换电子信号E2(t)至前述的数字噪音信号C(n)，其中数字噪音信号C(n)可用来估算噪音信号V2(t)所对应的数字信号(后述表示为噪音信号V2(n))的功率。

于一些实施例中，噪音信号V2(n)可用来估测噪音信号V(n)中与后述参考信号X(n)的频率相近的信号成分。因参考信号X(n)通常被设置为低频率的信号，又因低频率的信号较易穿透耳机机壳，所以噪音信号V2(n)于低频率的信号强度通常可对应于噪音信号V(n)于低频率的信号强度，故于后续实施例中，会用噪音信号V2(n)的信号强度来模拟于噪音信号V(n)的信号强度。

于一些实施例中，转移函数H1(z)的电压增益高于转移函数H2(z)。换言之，经转移函数H1(z)所产生的噪音消除信号NC(n)会大于经转移函数H2(z)所产生的噪音消除信号NC(n)。等效而言，在任意频率上，滤波器122能够对滤波器124具有更好的噪音消除效果。一般而言，当滤波器的电压增益越高，其稳定度相对较低。换言之，在本例中，相较于滤波器122，滤波器124具有较好的稳定度，但具有较低的电压增益。于一些实施例中，滤波器122在装置100为近耳(on-ear)状态时被选用，且滤波器124在装置100为离耳(off-ear)状态时被选用。

于一些技术中，为了使耳机的噪音消除系统在近耳状态或离耳状态下能够保持稳定，会采用电压增益较低的单一滤波器来提升系统稳定度。然而，于上述这些技术中，无法让噪音消除系统在耳机为近耳状态时提供较佳的噪音消除效果。相较于上述技术，通过分析数字信号Y(n)、噪音信号V2(n)、混频信号U(n)以及参考信号X(n)，检测电路140可判断噪音消除装置100是处于近耳状态或离耳状态。如此一来，在近耳状态时，检测电路140可输出切换信号SE以选用滤波器122，藉此提高噪音消除效果。或者，在离耳状态时，检测电路140可输出切换信号SE以选用滤波器124，以维持系统的稳定度。

参考信号产生器160产生参考信号X(n)至运算电路132。于一些实施例中，参考信号X(n)的频率为人耳无法感知的频率。例如，参考信号X(n)的频率约为10赫兹，但本公开并不仅此为限。于另一些实施例中，如后述图4A所示，参考信号X(n)可为周期性地发送。

于一些实施例中，利用Z转换分析噪音消除装置100，可得出下列式(1)：

其中，X(z)为参考信号X(n)的Z转换，Y(z)为数字信号Y(n)的Z转换，V(z)为噪音信号V(n)的Z转换，U(z)为混频信号U(n)的Z转换，且S(z)为电声转换装置136至声电转换装置150之间的转移函数。

根据上述式(1)，当参考信号X(n)的功率远大于噪音信号V(n)的功率时，可得知下式(2)：

根据式(2)，在此条件下，Y(z)与U(z)的比值为S(z)，其中S(z)会因为耳机为近耳或离耳状态而有不同的数值。于一些实施例中，在近耳状态下，S(z)会具有较高的数值。反的，在离耳状态下，S(z)会具有较低的数值。因此，检测电路140可通过Y(z)与U(z)的比值判断噪音消除装置100目前是处于近耳或离耳状态。

另外，当参考信号X(n)的功率远小于噪音信号V(n)的功率时，可得知下式(3)：

根据上式(3)，在此条件下，Y(z)与U(z)的比值为1/H(z)，而非S(z)。因此，当检测电路140可通过Y(z)与U(z)的比值判断噪音消除装置100是否出现未知的状况。

参照图2，于操作S210中，检测电路140比较比值Px/Pn与临界值TH2，其中比值Px/Pn为参考信号X(n)的功率Px对噪音信号V2(n)的功率Pn的比值(如前所述，噪音信号V2(n)的信号强度是用来模拟于噪音信号V(n)的信号强度)。若比值Px/Pn大于临界值TH2，则执行操作S220。若比值Px/Pn低于临界值TH2，则执行操作S215。于操作S215中，滤波器124被选取以提供转移函数H2(z)处理数字信号Y(n)，藉以输出噪音消除信号NC(n)。

例如，若比值Px/Pn低于临界值TH2，表示参考信号X(n)远小于噪音信号V(n)。于此条件下，检测电路140判定出现前述的未知状况，并输出切换信号SE选择采用滤波器124。如此一来，可确保噪音消除装置100维持稳定。

于操作S220，检测电路140比较比值与临界值TH1，其中比值表示为Py/Pu，其为数字信号Y(n)的功率Py对混频信号U(n)的功率Pu的比值。若比值Py/Pu高于临界值TH1，则执行步骤S230。若比值Py/Pu低于临界值TH1，则执行步骤S215。于操作S230中，滤波器122被选取以提供转移函数H1(z)处理数字信号Y(n)，藉以输出噪音消除信号NC(n)。

例如，若比值Py/Pu高于临界值TH1，表示转移函数S(z)的数值较高。如先前所述，在近耳状态下，S(z)会具有较高的数值。因此，于此条件下，检测电路140判定出现近耳状态，并输出切换信号SE选择采用滤波器122。如此一来，可提高噪音消除装置100的噪音消除效果。

或者，若比值Py/Pu低于临界值TH1，表示转移函数S(z)的数值较低。如先前所述，在离耳状态下，S(z)会具有较低的数值。因此，于此条件下，检测电路140判定出现离耳状态，并输出切换信号SE选择采用滤波器124。如此一来，可确保噪音消除装置100维持稳定。

在一些实施例中，功率Px及功率Pn分别为参考信号X(n)及噪音信号V2(n)于参考信号X(n)的频率上的功率。在一些实施例中，功率Px、功率Pn、功率Py及功率Pu分别为参考信号X(n)、噪音信号V2(n)、数字信号Y(n)及混频信号U(n)于参考信号X(n)的频率上的功率。参照图3，检测电路140包含多个带频滤波器301～303、多个功率预估电路311～314以及逻辑电路320。

多个带频滤波器301～303每一个提供一预定频带来处理混频信号U(n)、数字信号Y(n)以及数字噪音信号C(n)中的对应者。例如，带频滤波器301滤除混频信号U(n)中具有非参考信号X(n)的频率的频率的信号成分以输出信号U'(n)。带频滤波器302滤除数字信号Y(n)中具有非参考信号X(n)的频率的频率的信号成分以输出信号Y'(n)。带频滤波器303滤除数字噪音信号C(n)中具有非参考信号X(n)的频率的频率的信号成分以输出信号C'(n)。

功率预估电路311算出信号U'(n)的功率Pu。功率预估电路312算出信号Y'(n)的功率Py。功率预估电路313’算出噪音信号C'(n)的功率Pn。功率预估电路314算出参考信号X(n)的功率Px。

于一些实施例中，上述多个功率预估电路311～314可由功率检测器实现。于一些实施例中，上述多个功率预估电路311～314可由执行各种功率计算的演算法的运算电路实现。上述各种实现方式仅为示例，本公开并不仅此为限。

逻辑电路320根据上述多个功率Pu、Py、Pn以及Px决定前述的比值Py/Pu与比值Px/Pn，以执行方法200的多个操作来产生对应的切换信号SE。于一些实施例中，逻辑电路320可由各种数字电路、处理单元、或微控制器等方式实现。

参照图4A与图4B，为易于理解，于图4A～4B中与前图1～3的类似元件将被指定为相同参考标号。

于一些实施例中，噪音消除装置100可在不具有声电转换装置155以及模拟至数字转换器115下估算噪音信号V(n)的功率Pn。于此例中，如图4B所示，参考信号X(n)设置有使能期间T1以及禁能期间T2。于使能期间T1，参考信号X(n)产生前述人耳无法感知的频率。于禁能期间T2，参考信号X(n)的振幅被设置为零。根据式(1)，在禁能期间T2内，可得知下式(4)：

因此，于此例中，检测电路140可根据Y(n)以及式(4)来计算噪音信号V(n)的功率Pn。于一些实施例中，在式(4)中的转移函数S(z)可设置为近耳状态与离耳状态中具有较大数值者。

例如，如图4A所示，检测电路140包含多个带频滤波器301～302、多个功率预估电路311～313以及逻辑电路320。

相较于图3，于此例中，功率预估电路311更在参考信号X(n)的使能期间T1内，根据信号U'(n)决定混频信号U(n)于参考信号X(n)的频率上的功率Pu。功率预估电路312更在参考信号X(n)使能期间T1根据信号Y'(n)决定数字信号Y(n)于参考信号X(n)的频率上的功率Py，并在参考信号X(n)的禁能期间T2根据信号Y'(n)以及上式(4)决定噪音信号V(n)于参考信号X(n)的频率上的功率Pn。功率预估电路313更在参考信号X(n)的使能期间T1内根据参考信号X(n)决定其功率Px。

在一些实施例中，功率预估电路311～313不需接收参考信号X(n)，而是直接接收参考信号X(n)的使能期间T1及禁能期间T2所对应的时脉信号，举例来说，当参考信号X(n)处于使能期间T1时，其对应的时脉信号为1(或0)，当参考信号X(n)处于禁能期间T2时，其对应的时脉信号为0(或1)。

上述各实施例中噪音消除装置100内的电路元件可由软件、硬件或其组合实现。例如，反向噪音滤波器电路120与/或检测电路140中的元件可由数字信号处理方式实现。

综上所述，本公开提供的噪音消除装置100与方法200可由不同设置方式分析近耳状态与离耳状态，以选择性地采用适当的滤波器来改善音频处理系统的效能。

虽然本公开已以实施方式公开如上，然其并非限定本公开，任何本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，因此本公开的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种噪音消除装置，包含：

一反向噪音滤波器电路，用以提供多个转移函数中的一对应者处理一数字信号，以产生一噪音消除信号，其中所述多个转移函数彼此不同；

一输出电路，用以混合该噪音消除信号、一参考信号以及一输入信号以产生一混频信号，并基于该混频信号产生一声音输出信号，其中该数字信号关联于该声音输出信号；以及

一检测电路，用以根据一第一比值与一第一临界值的比较结果，以控制该反向噪音滤波器电路提供所述多个转移函数中的该对应者，

其中该第一比值为该数字信号的一第一功率对该混频信号的一第二功率的比值。

2.如权利要求1所述的噪音消除装置，其中所述多个转移函数包含一第一转移函数以及一第二转移函数，该第一转移函数的一电压增益高于该第二转移函数的一电压增益，

在该第一比值大于该第一临界值时，该反向噪音滤波器电路提供该第一转移函数，在该第一比值小于该第一临界值时，该反向噪音滤波器电路提供该第二转移函数。

3.如权利要求2所述的噪音消除装置，还包含：

一第一模拟至数字转换器，用以转换一第一电子信号至该数字信号，其中该第一电子信号关联于该声音输出信号以及一噪音信号。

4.如权利要求3所述的噪音消除装置，其中该检测电路更用以比较一第二比值与一第二临界值，以在该第二比值小于该第二临界值时控制该反向噪音滤波器电路提供该第二转移函数，

其中该第二比值为该参考信号的一第三功率对该噪音信号的一第四功率的比值，

且该检测电路还用以在该第二比值大于该第二临界值时比较该第一比值与该第一临界值。

5.如权利要求4所述的噪音消除装置，其中该检测电路包含：

多个带频滤波器，用以分别处理该混频信号、该数字信号以及一数字噪音信号，其中该数字噪音信号用以预估该噪音信号的功率；

多个功率预估电路，用以根据处理后的该数字信号、处理后的该混频信号、该参考信号、以及处理后的该数字噪音信号分别决定该第一功率、该第二功率、该第三功率以及该第四功率；以及

一逻辑电路，用以根据该第一功率与该第二功率决定该第一比值，并根据该第三功率与该第四功率决定该第二比值，

其中该逻辑电路更用以比较该第一比值与该第一临界值，并比较该第二比值与该第二临界值，以控制该反向噪音滤波器电路。

6.如权利要求5所述的噪音消除装置，还包含：

一第二模拟至数字转换器，用以转换一第二电子信号至该数字噪音信号。

7.如权利要求6所述的噪音消除装置，还包含：

一第一声电转换装置，用以接收该声音输出信号以及该噪音信号并产生该第一电子信号；以及

一第二声电转换装置，用以接收该噪音信号并产生该第二电子信号。

8.如权利要求4所述的噪音消除装置，其中该参考信号具有一使能期间以及一禁能期间，该检测电路包含：

多个带频滤波器，用以分别处理该混频信号以及该数字信号；

一第一功率预估电路，用以在该使能期间根据处理后的该数字信号决定该第一功率，并在该禁能期间根据处理后的该数字信号决定该第四功率；

一第二功率预估电路，用以在该使能期间根据处理后的该混频信号决定该第二功率；

一第三功率预估电路，用以在该使能期间根据该参考信号决定该第三功率；以及

9.如权利要求1所述的噪音消除装置，其中该输出电路包含：

一运算电路，用以混合该噪音消除信号、该参考信号以及该输入信号以产生该混频信号；

一数字至模拟转换器，用以转换该混频信号；以及

一电声转换装置，用以根据转换后的该混频信号输出该声音输出信号。

10.一种噪音消除方法，包含：

控制一反向噪音滤波器电路提供多个转移函数中的一对应者处理一数字信号，以产生一噪音消除信号，其中所述多个转移函数彼此不同；

混合该噪音消除信号、一参考信号以及一输入信号以产生一混频信号，并基于该混频信号输出一声音输出信号，其中该数字信号关联于该声音输出信号；以及

根据一第一比值与一第一临界值的一比较结果控制该反向噪音滤波器电路提供所述多个转移函数中的该对应者，其中该第一比值为该数字信号的一第一功率对该混频信号的一第二功率的比值。