CN109313889A - 缓解主动噪声控制系统中的不稳定状况 - Google Patents

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Abstract

本文档中所述的技术可实施在计算机实现的方法中，所述方法包括接收主动噪声控制(ANC)系统的反馈信号的一部分，并且使用自适应谱线增强器(ALE)滤波器来处理所述反馈信号的所述部分以检测音调签名。该方法还包括由一个或多个处理设备确定音调签名表示不稳定状况，并且响应于确定音调签名表示不稳定状况，生成一个或多个控制信号以用于调整ANC系统的一个或多个参数，以缓解不稳定状况。

Description

缓解主动噪声控制系统中的不稳定状况
技术领域
本公开一般涉及主动噪声控制(ANC)系统，诸如部署在耳机中的ANC系统。
背景技术
主动噪声控制涉及通过生成通常称为抗噪声的基本上相反的信号来消除不期望的噪声。
发明内容
在一个方面，该文档描述了计算机实现的方法，所述方法包括接收主动噪声控制(ANC)系统的反馈信号的一部分，并且使用自适应谱线增强器(ALE)滤波器处理所述反馈信号的所述部分以检测音调签名。该方法还包括由一个或多个处理设备确定音调签名表示不稳定状况，并且响应于确定音调签名表示不稳定状况，生成一个或多个控制信号用于调整ANC系统的一个或多个参数以缓解不稳定状况。
在另一个方面，该文档描述了一种主动噪声控制(ANC)系统，包括误差传感器和不稳定检测器，该误差传感器被配置为提供反馈信号。不稳定检测器包括自适应谱线增强器(ALE)滤波器，该滤波器被配置为处理所述反馈信号的至少一部分以检测音调签名；以及检测引擎，该检测引擎包括一个或多个处理设备。检测引擎被配置为确定音调签名表示不稳定状况，并且响应于确定音调签名表示不稳定状况，生成一个或多个控制信号用于调整ANC系统的一个或多个参数以缓解不稳定状况。
在另一方面，本文档描述了一种机器可读存储设备，其上编码有计算机可读指令，用于使一个或多个处理器执行各种操作。所述操作包括接收主动噪声控制(ANC)系统的反馈信号的一部分，并且使用自适应谱线增强器(ALE)滤波器处理所述反馈信号的所述部分以检测音调签名。所述操作还包括确定音调签名表示不稳定状况，并且响应于确定音调签名表示不稳定状况，生成一个或多个控制信号用于调整ANC系统的一个或多个参数以缓解不稳定状况。
上述方面的具体实施可以包括以下特征中的一者或多者。
可使用ANC系统的误差传感器获得反馈信号。反馈信号可由数字带通滤波器处理以生成由ALE滤波器处理的反馈信号的一部分。ALE滤波器可实现为单抽头无限脉冲响应(IIR)滤波器。确定所述音调签名表示不稳定状况可包括确定所述音调签名包括预先确定的频率范围内的分量。预先确定的频率范围可基本上介于1.5KHz和5KHz之间，或介于500Hz和2KHz之间。可计算ANC系统的声换能器的输出中指示音调签名的相对强度的量，并且可基于满足阈值条件的量确定音调签名表示不稳定状况。计算该量可包括接收来自ALE滤波器的残余误差的测量，接收由声换能器输出的感兴趣信号的一部分，并将该量计算为第一量和第二量的比率。第一量可指示音调签名的能量，并且第二量可指示残余误差与感兴趣信号的一部分的组合的能量。第二量也可指示由ANC系统的前馈麦克风所捕获的信号的一部分的能量。调整所述一个或多个参数以缓解所述不稳定状况可包括以下中的至少一者：与施加到所述ANC系统的反馈麦克风的滤波器相关联的增益，和与施加到所述ANC系统的前馈麦克风的滤波器相关联的增益。ANC系统可部署在降噪耳机中。所述一个或多个控制信号可被配置为调整所述ANC系统的自适应滤波器的一个或多个系数，以补偿对所述ANC系统的次级路径的传递函数的变化。
本文所述的各种具体实施可提供以下优点中一者或多者。可使用低复杂度的自适应滤波器诸如自适应谱线增强器(ALE)来快速检测主动噪声控制(ANC)系统中不稳定状况的存在，而不必使用昂贵的硬件。响应于此类确定，在该过程中，不稳定状况可在早期得以缓解。在其中ANC系统部署在噪声消除耳机(headphone/earphone)中的一些情况下，此类早期缓解可阻止耳机产生可能对用户不舒服的响亮声音。在一些情况下，检测和响应于不稳定状况的能力可以允许更积极的反馈或前馈补偿器的设计，该补偿器在比以另外方式可能的更宽频率范围内操作。
本公开中所述的两个或更多个特征，包括本发明内容部分中所述的那些，可组合以形成在本文未具体描述的具体实施。
一个或多个具体实施的细节在附图和以下描述中论述。其他特征、对象和优点在说明书、附图和权利要求书中将是显而易见的。
附图说明
图1为主动噪声控制(ANC)系统的示例的框图。
图2示出了部署在耳机中的ANC系统的示例。
图3A和图3B为根据本文所述技术的示例性ANC系统的框图。
图4A和图4B为分别在图3A和图3B的系统中使用的不稳定检测器的框图。
图5为自适应谱线增强器的示例的框图。
图6为示出与本文所描述的不稳定检测器相关联的各种参数的曲线图。
图7A-图7C为示出了根据本文所述技术在ANC系统中使用不稳定检测器的结果的曲线图。
图8为在ANC系统中检测和缓解不稳定状况的示例性过程的流程图。
具体实施方式
本文档描述了相对快速检测主动噪声控制(ANC)系统中不稳定状况使得在不利地影响ANC系统的性能之前可缓解不稳定状况的技术。例如，当ANC系统部署在噪声消除耳机中时，某些不稳定状况，如果不快速处理，可以使耳机生成对用户不舒服的响亮声音。本文描述的技术可允许使用低复杂度滤波器诸如自适应谱线增强器(ALE)以及基于通过输入信号的少量样本计算的量来检测不稳定状况。这继而可允许早期检测不稳定状况，因此这在ANC系统的性能受到不利影响之前可得到缓解。在一些情况下，这可实现ANC系统的更好性能，例如，通过促进实现能够在较宽频率范围内操作的积极的补偿器。
声学噪声控制系统用于消除或减少不期望的或令人不愉快的噪声。例如，此类噪声控制系统可用于个人声学设备诸如头戴式受话器、耳机等以减小环境噪声的影响。除非另外指明，如本文档中所用的术语耳机包括各种类型的此类个人声学设备，诸如头戴式受话器、耳机、耳塞和助听器。声学噪声控制也可以用于汽车或其他运输系统(例如，用于轿车、卡车、公共汽车、飞机、船或其他车辆)来消除或衰减例如由机械振动或引擎谐波产生的不期望的噪声。
在一些情况下，主动噪声控制(ANC)系统可用于衰减或消除不期望的噪声。在一些情况下，ANC系统可包括电声或机电系统，该电声或机电系统可被配置为基于叠加原理来消除不期望的噪声(通常称为主噪声)中的至少一些。这可以通过识别主噪声的振幅和相位以及产生大约相同振幅和反相的另一信号(通常称为抗噪声信号)来完成。合适的抗噪声信号与主噪声组合，使得两者在误差传感器的位置基本上被消除(例如，在规范或可接受的公差内被消除)。在这方面，在本文所描述的示例性具体实施中，“消除”噪声可包括将“消除”噪声减小到指定水平或以可接受的公差内，并且不需要完全消除所有的噪声。ANC系统可用于衰减宽范围的噪声信号，包括例如宽带噪声和/或低频噪声，所述噪声使用被动噪声控制系统可能不容易衰减。在一些情况下，ANC系统在尺寸、重量、体积和成本方面提供可行的噪声控制机制。
图1示出了用于消除由噪声源105产生的噪声的主动噪声控制系统100的示例。此噪声可被称为主噪声。对于个人声学设备诸如噪声消除耳机，主噪声可为环境噪声。对于其他系统，例如，部署在汽车中的ANC系统，主噪声可以是汽车引擎产生的噪声。主噪声的性质可能因应用而不同。例如，对于在噪声消除耳机中部署的ANC系统，主噪声可为宽带噪声。又如，对于部署在汽车中的ANC系统，主噪声可为窄带噪声，诸如谐波噪声。
在一些具体实施中，系统100包括检测来自噪声源105的噪声并向ANC引擎120提供信号(例如，作为数字信号x(n))的参考传感器110。ANC引擎120产生提供到次级源125的抗噪声信号(例如，作为数字信号y(n))。次级源125产生消除或减小主噪声的影响的信号。例如，当主噪声为声学信号时，次级源125可被配置为产生消除或减小声学主噪声的影响的声学抗噪声。误差传感器115可检测到任何消除误差。误差传感器115向ANC引擎120提供信号(例如，作为数字信号e(n))，使得ANC引擎可相应地修改抗噪声产生过程以减少或消除误差。例如，ANC引擎120可包括自适应滤波器，可基于主噪声的变化自适应地改变自适应滤波器的系数。
ANC引擎120可被配置为处理由参考传感器110和误差传感器115检测到的信号以产生提供给次级源125的信号。ANC引擎120可为各种类型。在一些具体实施中，ANC引擎120基于前馈控制，其中在噪声达到次级源诸如次级源125之前主噪声由参考传感器110感测到。在一些具体实施中，ANC引擎120可基于反馈控制，其中ANC引擎120基于由误差传感器115检测到的残余噪声并且没有参考传感器110的益处而消除主噪声。在一些具体实施中，使用前馈和反馈控制两者。ANC引擎120可被配置为控制各种频带中的噪声。在一些具体实施中，ANC引擎120可被配置为控制宽带噪声诸如白噪声。在一些具体实施中，ANC引擎120可被配置为控制窄带噪声诸如来自车辆引擎的谐波噪声。
在一些具体实施中，ANC引擎120包括自适应数字滤波器，其系数可基于例如主噪声的变化来调整。在一些具体实施中，ANC引擎是数字系统，其中来自参考和误差传感器(例如，电声或机电换能器)的信号使用处理设备诸如数字信号处理器(DSP)、微控制器或微处理器进行取样和处理。此类处理设备可用于实现由ANC引擎120使用的自适应信号处理技术。
图2示出了部署在耳机150中的ANC系统的示例。耳机150包括每一侧上的耳罩152，耳罩适配在用户耳部上、周围或上方。耳罩152可包括软材料(例如，软泡沫)层154，用于舒适的适配在用户的耳部上方。耳机150上的ANC系统包括设置在耳罩外部或附近以检测环境噪声的外部麦克风156。外部麦克风156可充当用于ANC系统的参考传感器(例如，图1的框图中示出的参考传感器110)。ANC系统还包括内部麦克风158，内部麦克风158可用作误差传感器(例如，图1的框图中的误差传感器115)。内部麦克风158可邻近(例如，在几毫米内)用户的耳道和/或次级源125部署。次级源125可为辐射来自音频源设备的音频信号的声换能器，耳机150连接到所述音频源设备。外部麦克风156、内部麦克风158和次级源125连接到主动噪声控制引擎120，如图2所示。虽然图2示出了ANC系统部署在包耳式耳机中的示例，ANC系统还可以其他形状因数部署，包括入耳式耳机、耳上式耳机、或离耳式个人声学设备(例如，设计成不接触佩戴者的耳部，但可佩戴在佩带者的头部或身体上的佩戴者耳部附近的设备)。再次参考图1，噪声源和误差传感器115之间的声学路径可被称为初级路径130，并且次级源125和误差传感器115之间的声学路径可被称为次级路径135。如图2的示例中，外部麦克风156和内部麦克风之间的声学路径可形成初级路径的一部分，并且次级源125和内部麦克风158之间的声学路径可形成次级路径。在一些具体实施中，初级路径130和/或次级路径135可包括附加部件，诸如ANC系统或部署ANC系统的环境的部件。例如，次级路径可以包括ANC引擎120、次级源125、和/或误差传感器115(例如，内部麦克风158)的一个或多个部件。在一些具体实施中，次级路径可包括ANC引擎120和/或次级源125的电子部件，诸如一个或多个数字滤波器、放大器、数模(D/A)转换器、模数(A/D)转换器，和数字信号处理器。在一些具体实施中，次级路径还可包括与次级源125相关联的电声响应(例如频率响应和/或量值响应)、与次级源125相关联的声学路径以及与误差传感器115相关联的动态值。
在一些具体实施中，部署在头戴式受话器中的ANC系统也可用于成形穿过头戴式受话器的信号的频率响应。例如，反馈控制器可用于改变具有耳塞的声学体验，所述耳塞将耳道阻塞为其中环境声音(例如，用户自己的声音)对用户听起来更自然的声音。在一些具体实施中，耳机150可包括可被称为“感知模式”或“谈话”的特征。在这种模式下，外部麦克风156可用于检测用户可能想要听到的外部声音，并且主动噪声控制引擎120可被配置为传递例如由次级源125再现的这种声音。在一些情况下，用于谈话特征的外部麦克风可以是与麦克风156分开的麦克风。在一些具体实施中，可使用由多个麦克风所捕获的信号(例如，使用波束形成过程)，以例如聚焦在用户的语音或环境声音的另一个来源。在一些具体实施中，主动噪声控制引擎120可被配置为通过允许由麦克风156捕获的信号传递到次级源125(或另一个声换能器)而不进行大量信号处理来实现谈话特征。例如，ANC引擎120可被配置为传递仅具有少量的放大或增益基本上等于1的谈话信号。在这种情况下，谈话系统可被称为“直接谈话”系统。直接谈话系统可被配置为使用带通滤波器来将外部声音限制为语音频带或某些其他感兴趣的频带。在一些具体实施中，可通过手动触发或通过检测感兴趣的声音诸如语音或警报来自动触发直接谈话特征。
在一些具体实施中，ANC引擎120可被配置为处理谈话信号，例如，以保持信号的声学自然化。这可称为“环境自然化”，并且可例如通过设置在ANC引擎120内的一个或多个滤波器来实现。例如，如果ANC引擎120包括反馈和前馈噪声消除电路两者，可修改任一或两个消除电路以处理谈话信号。如在美国专利8,155,334中所述，整个内容以引用方式并入本文，可修改使用数字信号处理器实现的前馈滤波器，以通过不消除环境噪声的至少一部分来提供谈话。用于改善谈话信号的自然化的其他方法和系统描述于美国专利8,798,283中，其全部内容以引用方式并入本文。
在耳机包括感知模式的具体实施中，一些条件可导致不稳定状况的开始。例如，如果次级源125的输出被反馈回外部(或前馈)麦克风156，并且ANC引擎120将信号传递回次级换能器(在感知模式中是典型的)，这可造成导致从次级换能器产生的不良声音的快速恶化的不稳定状况。这可以表明，例如，通过将手形成杯状罩在耳机上以促进次级源125和外部麦克风156之间的反馈路径。这种反馈路径可以在耳机使用过程中建立，例如，如果用户在耳机上方戴着帽子(例如，头罩或冬季帽)。
在一些具体实施中，例如由于ANC系统的次级路径135的传递函数的变化，不稳定状况也会发生。例如，如果次级源和反馈麦克风之间的声学路径随尺寸或形状而变化，这可能发生。例如可通过阻挡开口(例如，使用手指或手掌)来表明此状况，声音通过该开口从耳机中发出。在具有带声学通道的喷嘴的耳机的情况下，声学通道将声换能器的前腔声耦合到用户的耳道，该状况可被称为阻塞喷嘴状况。此状况可导致例如在耳机在耳部中移位/移除期间。这种效应在较小的耳机(例如，入耳式耳机)或入耳式助听器中可尤其可观察到，其中如果耳机或助听器在被佩戴期间移动，则次级路径可改变。例如，移动入耳式耳机或助听器可导致相应的次级路径中的空气体积变化，从而导致ANC系统变得不稳定。在一些情况下，环境空气中的压力波动也会导致ANC系统变不稳定。例如，当车辆的门或窗(例如，公共汽车门)关闭时，伴随的压力变化可能导致ANC系统变得不稳定。可导致不稳定状况的压力波动的另一个示例是空气相对于海平面的正常大气压力的环境压力的显著变化。
除非快速检测并解决不稳定状况，否则不稳定状况可能会迅速恶化，并且可能导致由次级源125产生的响亮的可听反馈，这对佩戴者可为不舒服的。本文所述的技术允许快速地检测不稳定状况(例如，通过处理少量样本，或以逐个样本为基础)，并且采取步骤缓解此状况，使得不稳定状况不到达产生响亮的可听反馈的阶段。在一些具体实施中，这可通过以下操作来完成：处理反馈样本以检测指示不稳定状况的音调签名，并且确定表示由次级源产生的其他信号内的音调签名的强度的量。例如，音调签名的强度可使用“准SNR”量来确定，其中分子表示音调签名，而分母表示由次级源产生的其他信号。该文档是指诸如“准SNR”测量的量，因为与常规SNR不同，整体系统中感兴趣的信号(例如，音乐、谈话信号等)以分母表示。
图3A和图3B为可根据本文所述的技术用于检测和缓解不稳定状况的ANC系统的示例性构型的框图。具体而言，图3A表示其中ANC引擎120检测并缓解由于次级路径变化造成的不稳定状况(例如，阻塞喷嘴状况)的构型，并且图3B表示其中ANC引擎120检测并缓解由于内部麦克风158与外部麦克风156之间的声学路径的建立造成的不稳定状况(例如，在感知模式下)的构型。图3A和图3B中的两个框图旨在示出两种构型之间的功能差异，并且不一定表示两个独立的系统。例如，ANC引擎120可以接收来自外部麦克风156的输入而不在不稳定检测时使用。
在一些具体实施中，ANC引擎120包括不稳定检测器310，该不稳定检测器可被配置为检测不稳定状况的存在。ANC系统120还包括一个或多个补偿器315，可基于不稳定检测器的输出调节一个或多个补偿器以缓解由不稳定检测器310检测到的任何不稳定状况。补偿器315的输出可被提供到噪声控制电路320，该噪声控制电路对通过充当次级源125的一个或多个声换能器输出的信号执行主动噪声消除。在一些具体实施中，补偿器315可设置在麦克风(例如，外部麦克风156或内部麦克风158)和不稳定检测器310之间。在一些具体实施中，可调节补偿器315以补偿可能导致不稳定的ANC系统的次级路径的传递函数的变化。例如，这可通过基于表示提供给次级源125的信号的至少一部分的反馈信号由不稳定检测器310生成的控制信号来完成。对应于此类反馈信号的信号路径由图3A和图3B中的虚线表示。
在一些具体实施中，不稳定检测器310接收由内部麦克风158获得的信号样本，并且通过处理样本来检测不稳定状况的存在与否。例如，不稳定检测器310可被配置为检测由内部麦克风158捕获的信号的一部分内的任何不稳定状况的音调签名，并且计算表示与系统相关联的感兴趣信号内的音调签名的相对强度的准SNR量。这使用图4A和图4B的框图示出，示出了不稳定检测器的示例性构型的框图。具体而言，图4A和图4B示出了分别对应于图3A和图3B的构型的框图。
现在参考图4A和图4B，在一些具体实施中，可使用滤波器410预处理对不稳定检测器310的输入。此类滤波器410可例如实现为不稳定检测器310的一部分或不稳定检测器的前端处的预处理模块。在一些具体实施中，滤波器410可被实现为另一模块的一部分，诸如图3中所示的补偿器315。滤波器410的滤波器抽头可被配置为移除输入的至少一部分，其包括例如来自内部麦克风158(也称为反馈麦克风或“FB麦克风”)的信号和一个或多个感兴趣信号405。在一些具体实施中，滤波器410可为带通滤波器，该带通滤波器的通带可包括可预期不稳定的音调签名的频率范围。例如，如果已知给定系统中的不稳定状况表现为在1-10KHz范围内的窄带音调签名，则滤波器410的通带可被配置为包括1-10KHz频率范围。取决于对应系统中不稳定状况的性质，还可使用其他较宽或较窄范围。例如，滤波器可被配置为具有跨越频率范围1.5KHz-5KHz或500Hz-2KHz的通带。在一些情况下，例如当耳机损坏时，不稳定可发生在与不稳定通常不相关的频率范围。例如，当耳塞物理损坏时，不稳定可发生在约800Hz-1KHz，这可能不是在未损坏的耳机中预期到不稳定的“正常”范围。在一些具体实施中，滤波器可被配置为具有包含此类频率的通带。
在一些具体实施中，感兴趣信号405包括旨在由次级源125输出的信号。这可包括例如从源设备305(如图3A和图3B所示)诸如智能电话、平板电脑、智能手表或其他媒体播放器接收的信号。在一些具体实施中，源设备305可以是中继器，诸如被配置为从对应的媒体播放器路由音频信号的远程控制器。在图4A和图4B中，来自源设备305的信号表示为“音乐”，但通常可包括由对应的源设备305提供的任何信号。在一些具体实施中，感兴趣信号405还可包括由外部麦克风156捕获的信号(例如，当耳机在感知模式下操作时)。这在图4B中描绘出，其中来自外部麦克风的信号被表示为“FF麦克风。”在一些具体实施中，感兴趣的信号405可包括较少或更多信号。例如，一些构型可不包括源设备305，并且感兴趣的信号405可仅包括由麦克风诸如外部麦克风156捕获的信号。例如，这可在当ANC引擎120部署在助听器中时，或者在源设备305被关闭(例如，手动地，或检测到谈话信号时)的情况下发生。
如在图4A和图4B中所示，不稳定检测器310可包括自适应谱线增强器(ALE)415，该自适应谱线增强器可被配置为输出可用于不稳定检测的一个或多个量。例如，ALE 415可以被实现为自适应无限脉冲响应(IIR)滤波器，该滤波器可被配置为输出残余信号416、增强输出417，及与增强输出417相关联的频率(或频率范围)418中的一者或多者。图5示出了此类ALE 415的示例的框图，其中使用单抽头IIR滤波器510和延迟元件505实现ALE。图5中所示的ALE处理输入信号501以提供残余信号416和增强输出417。在一些具体实施中，其中输入信号501是来自麦克风的信号，并且包括表示不稳定状况的信号，增强输出417可包括对应于不稳定状况的音调签名。在一些具体实施中，音调签名可以是跨越小频率范围的窄带信号。在一些具体实施中，ALE 415还可被配置为检测与增强输出417相关联的频率(或多个频率，或频率范围)，并生成指示一个频率或多个频率的信号418。使用低复杂度滤波器诸如单抽头IIR ALE滤波器可以允许逐个样本处理输入信号，并快速而准确地确定任何不稳定状况。此类滤波器的示例描述于文章—Hush等人题为“An Adaptive IIR Structure forSinusoidal Enhancement,Frequency Estimation,and Detection”，IEEE声学、语音和信号处理会刊，ASSP 34卷，第6期，1986年12月-中，该文章的全部内容以引用方式并入本文。
参照图4B，如果感兴趣的信号405包括来自外部麦克风156(“FF麦克风”)的信号，则不稳定检测器310可包括第二ALE 415用于处理来自外部麦克风156的信号。在一些具体实施中，用于处理来自内部麦克风158的信号的ALE 415也可用于处理来自外部麦克风156的信号。处理来自外部麦克风156的信号的ALE所提供的残余误差可被称为残余前馈误差419。
在一些具体实施中，不稳定检测器310被配置为处理一个或多个ALE 415的输出以及感兴趣的信号以生成用于检测不稳定状况的存在的准SNR量。这可例如通过计算在对应于内部麦克风的ALE输出中检测到的音调签名与其他信号的组合的音调签名的相对强度来完成。在一些具体实施中，可将所相对强度确定为(i)第一量与(ii)第二量的比率，该第一量指示所述音调签名的能量，该第二量指示所述残余误差与所述感兴趣信号的所述部分的组合的能量。然后可通过将比率与阈值进行比较来检测不稳定状况的存在。在一些具体实施中，不稳定检测也可在被检测到的在预定义的频率范围内的频率418上调节。在一些具体实施中，用于前馈系统的IIR滤波器可从属于检测到的用于反馈麦克风(例如，内部麦克风158)的ALE的中心频率，从而需要不稳定检测器310中的单个ALE 415。
对于图3A中所示的构型(具有图4A中示出的对应的不稳定检测器)，如果检测到的频率418在预先确定的范围内(例如，介于1.5KHz和5KHz之间)，并且如果满足以下条件，则不稳定检测器310可被配置为检测不稳定状况的存在：
其中y(t)表示增强输出417，e(t)表示残余信号416，并且m(t)表示感兴趣的信号。运算符dB(.)表示向分贝的转换，运算符env(.)表示包络检测并且运算符delay(.)表示可用于校准各种量所需的偏移。例如可通过阈值检测引擎430进行比较，并且包络检测可例如通过包络检测器420来执行，两个模块均在图4A和图4B中示出。术语k1表示可基于速度和准确性之间的权衡来设定的阈值。例如，如果k1被设定为低值，则可更快地检测到任何不稳定状况，但具有较高的误报可能性(即，当事实上不存在时而检测不稳定状况)。另一方面，将k1设定为相对较高的值可减少误报以需要相对更多的时间来检测不稳定状况为代价。术语k2表示由延迟425(如图4A和图4B中所示)引入的偏移，以将提供给阈值检测引擎430的各种输入对准。该延迟可以通过实验确定，并且在一些情况下，可能是不需要的。
对于图3B中所示的构型(具有图4B中示出的对应的不稳定检测器)，如果检测到的频率418在预先确定的范围内(例如，介于1.5KHz和5KHz之间)，并且如果满足以下条件，则不稳定检测器310可被配置为检测不稳定状况的存在：
其中所述eff(t)表示残余前馈误差419。例如，公式(2)可用于检测在感知模式下操作的耳机的不稳定状况，因为分母包括来源于外部麦克风156所捕获的信号的量。
再次参考图4A和图4B，包络检测器420可被配置为通过跟踪预设数量的样本的最高值的样本来执行包络检测过程。计数器跟踪样本数量，在样本数量上跟踪最高值，并且如果在计数器到期前检测到较高的值，则重置。如果计数器到期而未到达较高值的样本，所存储的最高值(或其一部分)可以输出且计数器重置以跟踪预设数量的随后样本的最高值。图6为与本文所描述的不稳定检测器相关联的各种参数(以分贝为单位)的曲线图。在该示例中，迹线605表示平方原始误差，迹线610表示平方原始误差的包络，并且迹线615表示在没有感兴趣的信号m(t)的情况下公式(1)中的比率的分母。在该示例中，k2设定为10(-150/20)。
图7A-图7C为示出图4A中所表示的不稳定检测器310中的不稳定检测的曲线图。具体而言，图7A示出了由ALE 415检测到的瞬时频率418。图7B示出了用于两个独立的量的迹线。迹线710表示ALE 415的平方增强输出的包络，并且迹线715表示以类似于用于生成图6中的迹线615的方式生成的ALE 415的平方误差的包络。在此示例中，瞬时频率的状况和由公式(1)表示的状况在两个虚线720和725表示的时间点之间同时满足。因此，在图7C中，示出了不稳定检测器310的输出435，输出在两个时间点之间保持为逻辑高(或“1”)。
再次参考图3A和图3B，不稳定检测器的输出可用于调节补偿器315来缓解任何不稳定状况。在一些具体实施中，补偿器315(包括可具有自适应或可调节滤波器抽头的一个或多个滤波器)可设置在来自麦克风(例如，内部麦克风158)的信号的路径中，并且不稳定检测器的逻辑高输出可用于调节处理从麦克风接收的信号的滤波器。例如，如果不稳定检测器310的输出指示不稳定状况的存在，则可减小滤波器处理来自麦克风的信号的增益，这继而可防止不稳定状况进一步恶化。
在一些具体实施中，也可调节滤波器的频率响应，例如以抑制检测到不稳定状况的一个或多个频率。在一些具体实施中，补偿器315可被配置为调节滤波器的频率响应，以补偿可能导致不稳定的ANC系统的次级路径的传递函数的变化。检查次级源与误差麦克风之间的传递函数的变化可包括例如检测对应于由ALE 415检测到的瞬时频率418的瞬时传递函数相位响应。如果瞬时相位响应对应于预期不稳定的给定频率范围内的变化，则对应于该范围的反馈增益可以被调整以考虑不稳定。在一些具体实施中，也可使用传递函数的瞬时量值响应，作为独立测量，或在瞬时相位响应中证实变化的发现。在一些具体实施中，可使用应用于来自源设备305和麦克风的信号的解调过程来计算瞬时单频率传递函数。这可包括使用具有例如500Hz滚边频率的滤波器对信号进行低通滤波。在一些情况下，这可导致计算的响应平滑高达数kHz，但仍然允许补偿器315响应快速变化。
虽然图4B示出补偿器315用于处理来自外部麦克风156和内部麦克风158中的每一者的信号，其他构型也是可能的。例如，ANC引擎120可包括仅用于内部麦克风158，或仅用于外部麦克风156的补偿器。
补偿器315还可被配置为处理由麦克风所捕获的信号，所述信号独立于从不稳定检测器接收到的信号。例如，处理由外部麦克风156捕获的信号的补偿器315可被配置为放大耳部被耳机覆盖或阻挡时被抑制的频率，和/或抑制耳机覆盖或阻挡耳部时放大的频率。
在一些情况下，当补偿器缓解特定频率下的不稳定状况时，滤波器的变化可导致另一频率下的不稳定。因此，在缺乏本文所描述的技术情况下，补偿器缓解的不稳定状况的频率范围可能受限。在某些情况下，这可能导致ANC系统的性能下降。例如，如果阻塞喷嘴状况发展(例如，约5KHz至约3KHz)，则特定耳机的共振频率可被移位至较低频率。在这种情况下，可能期望补偿器在较大的频率范围内操作。由于本文所描述的技术可能有助于快速(例如，基于小数量的样本)且准确检测不稳定状况，所以该技术可以被利用来实现缓解宽频率范围内的不稳定状况的积极的补偿器。在一些具体实施中，可处理来自两个耳部的对应耳机的信息以减少误报的机会。例如，如果相同的(或基本上类似的)激励由每个耳机检测，则可确定激励源自外部源并且不是由于前馈不稳定造成的。这继而可降低在检测前馈不稳定时误报的可能性。
图8示出了用于检测ANC系统中的不稳定状况，并生成一个或多个控制信号以缓解不稳定状况的示例性过程800的流程图。在一些具体实施中，过程的至少一部分在自适应引擎(例如，如上所述的ANC引擎120)处执行。过程800的示例性操作包括接收ANC系统的反馈信号的一部分(810)。反馈信号可例如使用ANC系统的误差传感器获得。在一些具体实施中，其中ANC系统与耳机相关联，误差传感器可包括内部麦克风(例如，上述的内部麦克风158)，该内部麦克风捕获由ANC系统的次级源生成的音频信号。
过程800的操作还包括使用ALE滤波器处理反馈信号的部分(820)以检测音调签名。在一些具体实施中，反馈信号可例如使用带通滤波器进行预处理，以生成由ALE滤波器处理的反馈的部分。在一些具体实施中，ALE滤波器被实现为单抽头自适应IIR滤波器(或另一低阶滤波器)。例如，ALE滤波器可基本上类似于图5中所示的滤波器。
过程800的操作还可包括确定音调签名表示不稳定状况(830)。例如，表示不稳定状况的音调签名可以是位于特定频率范围内的窄带信号。因此，音调签名可被确定为表示只有音调签名位于特定频率范围的不稳定状况，并且次级源生成的总信号中的音调签名的相对强度超过阈值。在一些具体实施中，特定频率范围可基本上介于1.5KHz-5KHz，或500Hz-2KHz之间。在一些具体实施中，可通过设置在ANC系统内的一个或多个处理设备(例如，阈值检测引擎430的一个或多个处理设备)来完成确定。例如，所述确定可包括计算所述ANC系统的声换能器的输出中指示所述音调签名的相对强度的量(例如，准SNR量，如上所述)，并且如果所述量满足阈值条件，则确定所述音调签名表示不稳定状况。在一些具体实施中，可基于来自ALE滤波器的残余误差的测量和由声换能器输出的感兴趣信号的一部分来计算该量。例如，可将所述量计算为(i)第一量与(ii)第二量的比率，该第一量指示所述音调签名的能量，该第二量指示所述残余误差与所述感兴趣信号的所述部分的组合的能量。在一些具体实施中，其中ANC系统部署在于感知模式中操作的耳机中，第二量可包括指示由ANC系统的前馈麦克风(例如，外部麦克风156)捕获的信号的一部分的能量的分量。
过程800的操作还可包括生成一个或多个控制信号用于调整ANC系统的一个或多个参数(840)。这可响应于确定音调签名表示不稳定状况来完成，并且所述一个或多个控制信号可被配置为缓解不稳定状况。在一些具体实施中，一个或多个参数可包括与施加到ANC系统的反馈麦克风(例如，内部麦克风158)的滤波器相关联的增益或频率响应，和/或与施加到ANC系统的前馈麦克风(例如，外部麦克风156)的滤波器相关联的增益或频率响应。在一些具体实施中，ANC系统的一个或多个参数可基于不稳定的严重程度来调整。例如，每个样本的高数量的准SNR可提示大量减少前馈和/或反馈增益。另一方面，如果在一段时间内检测到几种不稳定，则前馈和/或反馈增益可通过固定的量来减小，直到耳机上电。
本文所述的功能或其部分，以及其各种修改(下文称为“功能”)可至少部分地经由计算机程序产品实现，例如在信息载体中有形实施的计算机程序，诸如一个或多个非暂态机器可读介质或存储设备，用于执行，或控制一个或多个数据处理装置，例如可编程处理器、计算机、多个计算机和/或可编程逻辑部件的操作。
计算机程序可以任何形式的编程语言被写入，包括编译或解释语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程、或适于用在计算环境中的其他单元。计算机程序可部署在一个计算机上或在一个站点或多个站点分布以及通过网络互联的多个计算机上执行。
与实现全部或部分功能相关联的动作可由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以执行校准过程的功能。功能的全部或部分可被实现为专用目的逻辑电路，例如FPGA和/或ASIC(专用集成电路)。在一些具体实施中，功能的至少一部分还可在浮点或固定点数字信号处理器(DSP)上执行，诸如由模拟设备公司(Analog DevicesInc)开发的超级哈佛架构单片机(SHARC)或高级RISC机器(ARM)处理器。
适用于执行计算机程序的处理器例如包括通用微处理器和专用微处理器两者，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般来讲，处理器将接收来自只读存储器或随机存取存储器或两者的指令和数据。计算机的部件包括用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。
本文中未具体描述的其他实施方案和应用也在以下权利要求书的范围内。例如，基于各种参数(例如检测概率)和目标误报和/或漏报率，可定制不稳定缓解的控制水平。本文所述的不同具体实施的元件可组合以形成上文未特别讨论的其他实施方案。可从本文所述的结构去除一些元件而不会不利地影响它们的操作。此外，可将各种独立的元件组合到一个或多个单独的元件中以执行本文所述的功能。

Claims (20)

1.一种计算机实现的方法，包括：
接收主动噪声控制(ANC)系统的反馈信号的一部分；
使用自适应谱线增强器(ALE)滤波器处理所述反馈信号的所述部分以检测音调签名；
由一个或多个处理设备确定所述音调签名表示不稳定状况；以及
响应于确定所述音调签名表示不稳定状况，生成一个或多个控制信号以用于调整所述ANC系统的一个或多个参数，以缓解所述不稳定状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述ANC系统的误差传感器来获得所述反馈信号。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过数字带通滤波器处理所述反馈信号，以生成由所述ALE滤波器处理的所述反馈信号的所述部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述ALE滤波器实现为单抽头无限脉冲响应(IIR)滤波器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述音调签名表示不稳定状况包括：
确定所述音调签名包括预先确定的频率范围内的分量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述预先确定的频率范围基本上介于1.5KHz和5KHz之间。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述预先确定的频率范围基本上介于500Hz和2KHz之间。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
计算所述ANC系统的声换能器的输出中指示所述音调签名的相对强度的量；以及
基于满足阈值条件的所述量来确定所述音调签名表示不稳定状况。
9.根据权利要求8所述的方法，其中计算所述量包括：
接收来自所述ALE滤波器的残余误差的测量；
接收待由所述声换能器输出的感兴趣信号的一部分；以及
将所述量计算为(i)第一量与(ii)第二量的比率，所述第一量指示所述音调签名的能量，所述第二量指示所述残余误差与所述感兴趣信号的所述部分的组合的能量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二量指示由所述ANC系统的前馈麦克风所捕获的信号的一部分的能量。
11.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述一个或多个参数以缓解所述不稳定状况包括以下中的至少一者：与施加到所述ANC系统的反馈麦克风的滤波器相关联的增益，和与施加到所述ANC系统的前馈麦克风的滤波器相关联的增益。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述ANC系统部署在降噪耳机中。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个控制信号被配置为调整所述ANC系统的自适应滤波器的一个或多个系数，以补偿对所述ANC系统的次级路径的传递函数的变化。
14.一种主动噪声控制(ANC)系统，包括：
误差传感器，所述误差传感器被配置为提供反馈信号；和
不稳定检测器，所述不稳定检测器包括：
自适应谱线增强器(ALE)滤波器，所述ALE滤波器被配置为处理所述反馈信号的至少一部分以检测音调签名，和
检测引擎，所述检测引擎包括一个或多个处理设备，所述检测引擎被配置为：
确定所述音调签名表示不稳定状况，以及
响应于确定所述音调签名表示不稳定状况，生成一个或多个控制信号以用于调整所述ANC系统的一个或多个参数，以缓解所述不稳定状况。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括数字带通滤波器，所述数字带通滤波器处理所述反馈信号以生成由所述ALE滤波器处理的所述反馈信号的所述部分。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述检测引擎被配置为：
确定所述音调签名包括预先确定的频率范围内的分量，以及
响应于确定所述音调签名包括所述预先确定的频率范围内的分量，确定所述音调签名表示所述不稳定状况。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述检测引擎被配置为：
计算所述ANC系统的声换能器的输出中指示所述音调签名的相对强度的量；以及
从满足阈值条件的所述量确定所述音调签名表示不稳定状况。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述检测引擎被配置为：
接收来自所述ALE滤波器的残余误差的测量；
接收待由所述声换能器输出的感兴趣信号的一部分；以及
将所述量计算为(i)第一量与(ii)第二量的比率，所述第一量指示所述音调签名的能量，所述第二量指示所述残余误差与所述感兴趣信号的所述部分的组合的能量。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第二量指示由所述ANC系统的前馈麦克风所捕获的信号的一部分的能量。
20.一种机器可读存储设备，所述机器可读存储设备在其上编码有计算机可读指令，以用于使一个或多个处理器执行操作，所述操作包括：
接收主动噪声控制(ANC)系统的反馈信号的一部分；
使用自适应谱线增强器(ALE)滤波器处理所述反馈信号的所述部分以检测音调签名；
确定所述音调签名表示不稳定状况；以及
响应于确定所述音调签名表示不稳定状况，生成一个或多个控制信号以用于调整所述ANC系统的一个或多个参数，以缓解所述不稳定状况。
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