CN109195050A - 一种前馈滤波器设计方法及降噪耳机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种前馈滤波器设计方法及降噪耳机，涉及主动降噪的技术领域，包括：针对主通道的传声特性幅、相频曲线和次级通道的传声特性幅、相频曲线，确定主通道传声特性的复数表示和次级通道传声特性的复数表示；根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定理想前馈滤波器的幅频曲线；基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线和幅值跟踪方法确定前馈滤波器的传递函数，在保证前馈滤波器的降噪效果的同时，还能有效减小了上述前馈滤波器设计方法的计算量，节约计算时间，提高前馈滤波器的设计效率。
Description
技术领域
本发明涉及主动降噪技术领域，具体而言，尤其是涉及一种前馈滤波器设计方法及降噪耳机。
背景技术
主动降噪耳机利用滤波器产生与噪声信号幅值相等、相位相反的消噪信号，消噪声波与噪声声波发声干涉，达到噪声消除的效果。根据主动降噪耳机的降噪系统的拓扑结构，将滤波器分为前馈滤波器和反馈滤波器，前馈滤波器较反馈滤波器的设计更简单，也不会引起降噪系统不稳定的问题，因此前馈滤波器广泛使用在主动降噪耳机中。
现阶段，前馈滤波器是基于主通道的声学特性传递函数和次级通道的声学特性传递函数进行设计的，为获得主通道和次级通道的声学特性传递函数，需利用具有高采样率的数据采集装置分别获取测量主通道和次级通道的输入、输出声学特性数据，基于高采样率的声学特性数据能够获取高精度的声学特性传递函数，基于该声学特性传递函数设计的前馈滤波器，其降噪性能也更优异，与此同时也带来了计算量大、计算时间长及前馈滤波器设计效率低下等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种前馈滤波器设计方法及降噪耳机，用于解决现有技术中存在的前馈滤波器在设计过程中计算量大，计算时间长以及设计效率低下的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种前馈滤波器设计方法，包括：
针对主通道的传声特性幅、相频曲线和次级通道的传声特性幅、相频曲线，确定主通道传声特性的复数表示和次级通道传声特性的复数表示；
根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定理想前馈滤波器的幅频曲线；
基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线和幅值跟踪方法确定前馈滤波器的传递函数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述针对主通道的传声特性幅、相频曲线和次级通道的传声特性幅、相频曲线，确定主通道传声特性的复数表示和次级通道传声特性的复数表示，包括：
确定抽样频点；
确定所述主通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角以及所述次级通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角；
基于所述主通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角以及所述次级通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角，确定所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定理想前馈滤波器的幅频曲线，包括：
根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定所述理想前馈滤波器的复数表示；
基于所述理想前馈滤波器的复数表示，确定所述理想前馈滤波器的幅频曲线。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线和幅值跟踪方法确定前馈滤波器的传递函数，包括：
基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线，利用幅值跟踪算法确定前馈滤波器的幅频曲线族；
基于所述前馈滤波器的幅频曲线族，确定前馈滤波器的幅频曲线；
基于所述前馈滤波器的幅频曲线，确定前馈滤波器的传递函数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述幅值跟踪方法包括：
确定幅值完全跟踪结束频点、直线跟踪斜率；
基于所述幅值完全跟踪结束频点、所述直线跟踪斜率，对幅频曲线进行跟踪和逼近，获取幅频曲线跟踪和逼近后的幅频曲线。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述基于所述前馈滤波器的幅频曲线族，确定前馈滤波器的幅频曲线，包括：
基于所述前馈滤波器的幅频曲线族，确定前馈滤波器的幅频曲线族对应的多个前馈滤波器的复数表示；
通过分别计算所述理想前馈滤波器的复数与所述多个前馈滤波器的复数的差值，确定符合预设条件的前馈滤波器的幅频曲线。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述基于所述前馈滤波器的幅频曲线，确定前馈滤波器的传递函数，包括：
基于所述前馈滤波器的幅频曲线，利用希尔伯特变换确定相频曲线；
基于所述前馈滤波器的幅频曲线和相频曲线，利用频域拟合的方法确定前馈滤波器的传递函数。
第二方面，本发明实施例还提供一种降噪耳机，包括使用第一方面提出的前馈滤波器设计方法设计的前馈滤波器，还包括前馈麦克风和扬声器，所述前馈麦克风与所述前馈滤波器连接，所述前馈滤波器和所述扬声器连接。
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提出一种前馈滤波器设计方法，该方法包括：针对主通道的传声特性幅、相频曲线和次级通道的传声特性幅、相频曲线，确定主通道传声特性的复数表示和次级通道传声特性的复数表示；根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定理想前馈滤波器的幅频曲线；基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线和幅值跟踪方法确定前馈滤波器的传递函数。通过对主通道的传声特性幅、相频曲线和次级通道的传声特性幅、相频曲线，确定主通道传声特性的复数表示和次级通道传声特性的复数表示，减小参与计算的频点数，在保证前馈滤波器的降噪效果的同时，还能有效减小了上述前馈滤波器设计方法的计算量，节约计算时间，提高前馈滤波器的设计效率。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的前馈滤波器设计方法的流程图；
图2为本发明实施例一提供的前馈滤波器设计方法原理图；
图3为本发明实施例一提供的主通道幅、相频曲线；
图4为本发明实施例一提供的次级通道幅、相频曲线；
图5为本发明实施例一提供的前馈滤波器降噪效果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。
实施例一：
如图1示出了本发明实施例提供的前馈滤波器设计方法步骤流程图，参照图1，该前馈滤波器设计方法包括如下步骤：
步骤S10：针对主通道的传声特性幅、相频曲线和次级通道的传声特性幅、相频曲线，确定主通道传声特性的复数表示和次级通道传声特性的复数表示；
步骤S20：根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定理想前馈滤波器的幅频曲线；
步骤S30：基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线和幅值跟踪方法确定前馈滤波器的传递函数。
如图2示出了本发明实施例提供的前馈滤波器设计原理图，其中P、H、S、L分别表示主通道传声特性频域响应、前馈滤波器频域响应、次级通道频域响应以及前馈滤波器导致的弱反馈频域响应。为保证前馈滤波器的降噪效果，前馈滤波器频域响应H可表示为：H＝P/(S+PL)；由于前馈滤波器导致的弱反馈频域响应L在一般情况下较弱，因此常简化为L＝0，则H＝P/S。
通过对主通道的传声特性幅频曲线和次级通道的传声特性幅频曲线进行频点抽取，减小参与计算的频点数，在保证前馈滤波器的降噪效果的同时，还能有效减小了上述前馈滤波器设计方法的计算量，节约计算时间，提高前馈滤波器的设计效率。
在一个实施方式中，上述步骤S10包括如下步骤：
确定抽样频点；
确定所述主通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角以及所述次级通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角；
基于所述主通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角以及所述次级通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角，确定所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示。
主通道的幅、相频曲线可以根据主通道的声学特性输入、输出数据获取主通道的声学特性传递函数表达式，基于函数表达式可获取主通道的幅、相频曲线；次级通道的幅、相频曲线可以根据次级通道的声学特性输入、输出数据获取主通道的声学特性传递函数表达式，基于函数表达式可获取主通道的幅、相频曲线。
图3和图4示出了本发明实施例提供的主通道和次级通道的幅、相频曲线图。参考图3，主通道的幅、相曲线是由4096个频点对应的幅值与相角构成的。由于高频部分的频点多，且这部分频点的幅、相频信息对于前馈滤波器的设计用处不大，所以对上述4096个频点进行抽取，如在频率对数轴上平均抽取288个频点，抽取后的频点个数可由设计者自行调整。针对抽取的288个频点对应的幅值和相角确定主通道传声特性和次级通道传声特性的复数表示，假设某一频点处的幅值为A，相角为θ，则该频点对应的复数为Asinθ+Acosθj，其中，j表示虚部，因此，频点抽样后主通道传声特性和次级通道传声特性均由288个复数来表示。
在一个实施方式中，上述步骤S20包括如下步骤：
根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定所述理想前馈滤波器的复数表示；
基于所述理想前馈滤波器的复数表示，确定所述理想前馈滤波器的幅频曲线。
由前馈滤波器的设计原理可知，前馈滤波器H＝P/S，基于主通道传声特性的复数表示和次级通道传声特性的复数表示，利用上述前馈滤波器的表达式确定理想前馈滤波器的复数表示，进而将复数表示为幅值与相角的形式，从而确定理想前馈滤波器在各抽样频点的幅值，最终得到理想前馈滤波器的幅频曲线。
在一个实施方式中，上述步骤S30包括如下步骤：
基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线，利用幅值跟踪算法确定前馈滤波器的幅频曲线族；
基于所述前馈滤波器的幅频曲线族，确定前馈滤波器的幅频曲线；
基于所述前馈滤波器的幅频曲线，确定前馈滤波器的传递函数。
上述步骤中的幅值跟踪算法包括如下步骤：
确定幅值完全跟踪结束频点、直线跟踪斜率；
基于所述幅值完全跟踪结束频点、所述直线跟踪斜率，对幅频曲线进行跟踪和逼近，获取幅频曲线跟踪和逼近后的幅频曲线。
考虑到理想前馈滤波器的主要降噪频段集中在中低频段，为进一步减小数据量，对理想前馈滤波器的幅频曲线的中低频段进行完全跟踪，对其高频段采用折线跟踪，通过舍弃部分高频的特性，在不影响降噪效果的前提下，实现数据量与计算量的减小，提高前馈滤波器的获取效率。通过设置幅值完全跟踪结束频点star、直线跟踪斜率获取与理想前馈滤波器幅频特性相近似的幅频特性曲线。幅值完全跟踪结束频点star决定了完全跟踪的频段的长度，例如star＝1000Hz，则在1000Hz之前(包括1000Hz),前馈滤波器的幅频特性曲线与理想前馈滤波器的幅频特性曲线完全相同，并以1000Hz为起点对1000Hz之后的频段进行折线近似，若用两段直线近似，则需要分别设置两直线的斜率k1和k2，也可采用多段直线近似，采用几段折线则需设置几个斜率。在本实施例中采用两段直线近似高频幅频特性，则一组star,k1和k2即可获取一条与理想前馈滤波器幅频特性相近似的幅频特性曲线，通过上述三个参数进行遍历即可得到与理想前馈滤波器幅频特性相近似的幅频特性曲线族。
上述步骤中的幅值跟踪算法包括如下步骤：
基于所述前馈滤波器的幅频曲线族，确定前馈滤波器的幅频曲线族对应的多个前馈滤波器的复数表示；
通过分别计算所述理想前馈滤波器的复数与所述多个前馈滤波器的复数的差值，确定符合预设条件的前馈滤波器的幅频曲线。
所述预设条件是指将与理想滤波器的幅频曲线最接近的曲线作为前馈滤波器的幅频曲线；
若理想前馈滤波器的幅频曲线对用的复数表示为：
A0＝[a10+b10j,a20+b20j,…,an0+bn0j],其中a10,…,an0分别为复数的实部，b10,…,bn0为复数的虚部。
若前馈滤波器的幅频曲线族对应的多个前馈滤波器的复数表示为：A1,A2,…,Am。
A1＝[a11+b11j,a21+b21j,…,an1+bn1j],
A2＝[a12+b12j,a22+b22j,…,an2+bn2j],…，
Am＝[a1m+b1mj,a2m+b2mj,…,anm+bnmj]。
其中:m表示前馈滤波器的幅频曲线族中包括的曲线条数，n表示抽样后的频点个数，anm，bnm分别表示复数的实部和虚部。
分别计算A0与A1,A2,…,Am的差，并确定一个差值比较频段，计算在该比较频段内复数差值的分贝平均值，则会得到m个分贝平均值，最小的分贝平均值对应的幅频曲线即为所需前馈滤波器的幅频曲线。
在一个实施方式中，基于所述前馈滤波器的幅频曲线，确定前馈滤波器的传递函数，包括如下步骤：
基于所述前馈滤波器的幅频曲线，利用希尔伯特变换确定相频曲线；
基于所述前馈滤波器的幅频曲线和相频曲线，利用频域拟合的方法确定前馈滤波器的传递函数。
对于最小相位系统，系统的频率特性中的幅频特性和相角存在一一对应的关系，因此可基于确定的前馈滤波器的幅频曲线，利用希尔伯特变换唯一确定相频曲线。
图5示出了本发明实施例提供的前馈滤波器降噪效果图，参考图5，图5中上图为幅频特性曲线，横坐标为频率，单位Hz，纵坐标为幅值，单位分贝；下图为相频特性曲线，横坐标为频率，单位Hz，纵坐标为相角，单位度。由图5可知，本发明提出的前馈滤波器设计方法在中低频段能够完全实现理想前馈滤波器的降噪效果，并在高频段能够进行折线近似，有效减少高频点过多造成的计算负担，提高前馈滤波器的设计效率。
实施例2
本实施例提出一种降噪耳机，包括使用实施例1的前馈滤波器设计方法设计的前馈滤波器，还包括前馈麦克风与扬声器，前馈麦克风与前馈滤波器连接，前馈滤波器和扬声器连接。前馈麦克风将检测到的噪声信号转换为电信号，并将该电信号传输给前馈滤波器，前馈滤波器据此生成消噪信号，该消噪信号传输给扬声器后，经扬声器播放发出消噪声波，消噪声波与噪声声波产生干涉，实现噪声的消除。
上述降噪耳机还包含反馈滤波器，反馈滤波器与前馈滤波器可分别设计，同时具有前馈滤波器和反馈滤波器的降噪耳机，能够实现更宽的降噪频率和更深的降噪深度，降噪性能更优。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种前馈滤波器设计方法，其特征在于，包括：
针对主通道的传声特性幅、相频曲线和次级通道的传声特性幅、相频曲线，确定主通道传声特性的复数表示和次级通道传声特性的复数表示；
根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定理想前馈滤波器的幅频曲线；
基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线和幅值跟踪方法确定前馈滤波器的传递函数。
2.根据权利要求1所述的前馈滤波器设计方法，其特征在于，所述针对主通道的传声特性幅、相频曲线和次级通道的传声特性幅、相频曲线，确定主通道传声特性的复数表示和次级通道传声特性的复数表示，包括：
确定抽样频点；
确定所述主通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角以及所述次级通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角；
基于所述主通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角以及所述次级通道的传声特性幅、相频曲线在所述抽样频点处的幅值与相角，确定所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示。
3.根据权利要求1所述的前馈滤波器设计方法，其特征在于，所述根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定理想前馈滤波器的幅频曲线，包括：
根据所述主通道传声特性的复数表示和所述次级通道传声特性的复数表示，确定所述理想前馈滤波器的复数表示；
基于所述理想前馈滤波器的复数表示，确定所述理想前馈滤波器的幅频曲线。
4.根据权利要求1所述的前馈滤波器设计方法，其特征在于，所述基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线和幅值跟踪方法确定前馈滤波器的传递函数，包括：
基于所述理想前馈滤波器的幅频曲线，利用幅值跟踪算法确定前馈滤波器的幅频曲线族；
基于所述前馈滤波器的幅频曲线族，确定前馈滤波器的幅频曲线；
基于所述前馈滤波器的幅频曲线，确定前馈滤波器的传递函数。
5.根据权利要求4所述的前馈滤波器设计方法，其特征在于，所述幅值跟踪方法包括：
确定幅值完全跟踪结束频点、直线跟踪斜率；
基于所述幅值完全跟踪结束频点、所述直线跟踪斜率，对幅频曲线进行跟踪和逼近，获取幅频曲线跟踪和逼近后的幅频曲线。
6.根据权利要求4所述的前馈滤波器设计方法，其特征在于，所述基于所述前馈滤波器的幅频曲线族，确定前馈滤波器的幅频曲线，包括：
基于所述前馈滤波器的幅频曲线族，确定前馈滤波器的幅频曲线族对应的多个前馈滤波器的复数表示；
通过分别计算所述理想前馈滤波器的复数与所述多个前馈滤波器的复数的差值，确定符合预设条件的前馈滤波器的幅频曲线。
7.根据权利要求4所述的前馈滤波器设计方法，其特征在于，所述基于所述前馈滤波器的幅频曲线，确定前馈滤波器的传递函数，包括：
基于所述前馈滤波器的幅频曲线，利用希尔伯特变换确定相频曲线；
基于所述前馈滤波器的幅频曲线和相频曲线，利用频域拟合的方法确定前馈滤波器的传递函数。
8.一种降噪耳机，其特征在于，包括使用权利要求1至7任一所述的前馈滤波器设计方法设计的前馈滤波器，还包括前馈麦克风和扬声器，所述前馈麦克风与所述前馈滤波器连接，所述前馈滤波器和所述扬声器连接。
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