CN109348327A - 一种主动降噪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种主动降噪系统包括位于耳机外侧的前馈麦克，与前馈麦克依次连接的第一AD转换器、第一低时延滤波器和前馈滤波器；所述系统还包括位于耳机内侧的反馈麦克，与反馈麦克依次连接的第二AD转换器、第二低时延滤波器和反馈滤波器；所述反馈滤波器连接第一限幅模块，所述第一限幅模块用于将反馈滤波器处理后的信号进行处理。本发明能够有效抑制降噪通道因低频干扰引起的信号饱和失真。

Description

一种主动降噪系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种主动降噪系统。
背景技术
主动降噪耳机逐渐走到人们生活中，可以让人们在嘈杂环境中得到一个相对安静的环境。其原理是通过耳机主动发出相位相反的声波来抵消声波(前馈)或者在声音通路上加上反馈的声学通路(反馈)来减少耳朵听到的噪音。
现有的主动降噪方案中，容易受到外界低频噪声影响，从而产生“噗噗”、“啪啪”声。单纯的主动降噪耳机，又会影响人接收外界语音等信号，在特定的场合引起人们的不便，而且在播放音乐时主动降噪容易消除音乐低频分量，降低了音乐播放的重量。
因此，需要一种主动降噪系统，抑制降噪通道因低频干扰引起的信号饱和失真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动降噪系统，所述系统包括位于耳机外侧的前馈麦克，与前馈麦克依次连接的第一AD转换器、第一低时延滤波器和前馈滤波器；
所述系统还包括位于耳机内侧的反馈麦克，与反馈麦克依次连接的第二AD转换器、第二低时延滤波器和反馈滤波器，所述反馈滤波器连接第一限幅模块，
所述系统还包括一个与第一低时延滤波器连接的耳外音拾取滤波器，用于拾取耳机外的声音。
优选地，所述第一限幅模块用于将反馈滤波器处理后的信号进行如下处理：
设定第一信号幅度阈值，第二信号幅度阈值和第三信号幅度阈值，其中，第一信号幅度阈值＜第二信号幅度阈值＜第三信号幅度阈值；
当反馈滤波器处理后的信号幅度处于第一信号幅度阈值与第三信号幅度阈值之间，则将反馈滤波器处理后的信号幅度压缩至第一信号幅度阈值与第二信号幅度阈值之间；
当反馈滤波器处理后的信号幅度大于第三信号幅度阈值，则将反馈滤波器处理后的信号幅度压缩至第二信号幅度阈值。
优选地，所述耳外音拾取滤波器和前馈滤波器对前馈麦克采集的声音切换处理。
优选地，所述系统还包括一个回声消除滤波器，播放源播放的音乐信号经回声消除滤波器处理后对反馈通道中的音乐分量进行抑制。
优选地，所述耳外音拾取滤波器连接第二限幅模块。
优选地于，在第二低时延滤波器和反馈滤波器之间设置第一加法器，经过所述回声消除滤波器的音乐信号与反馈通道中的音乐分量通过第一加法器叠加。
优选地，所述系统还包括第二加法器，用于将前馈滤波器滤波后的信号、第一限幅模块输出的信号以及音乐信号进行叠加后输入至DA转换器。
优选地，所述前馈滤波器与所述第二加法器之间设有第三限幅模块。
优选地，在第一低时延滤波器与耳外音拾取滤波器之间连接一个高通滤波器，用于滤除低频信号。
优选地，所述耳外音拾取滤波器之间包括一个高通滤波器，用于滤除低频信号。
本发明提供的一种主动降噪系统，在降噪通道添加限幅模块，从而抑制通道因低频干扰引起的饱和而产生“噗噗”，“啪啪”声，改善了降噪耳机的体验。
本发明提供的一种主动降噪系统，在前馈麦克采集的信号通路中，接入一个耳外音拾取滤波器，在特定的环境中，增强对外界信号的接收，在特定的场合能够更好的接收外界信号。
本发明提供的一种主动降噪系统，在播放音乐信号进入反馈降噪的通路时，连接一个回声消除滤波器，消除主动降噪对音乐低频分量的衰减，保证了音乐播放的音质。
本发明提供的一种主动降噪系统，在降噪通道采用低时延滤波器，减少降噪通道延时。
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一种主动降噪系统的结构框图。
图2示出了本发明限幅模块对信号幅度压缩的示意图。
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发明主动降噪系统进行详细说明，现有技术中主动降噪系统主要通过前馈降噪或者反馈降噪来进行耳机降噪，然而其在降噪过程中存在因低频干扰引起的饱和失真、难以实现特定场合的降噪需求，以及对音乐信号本身滤除造成的音质变差等诸多缺点。本实施例中示例性的以传统耳机为例，显然地，本申请的主动降噪系统可以适用于蓝牙耳机等播放设备。
如图1所示本发明一种主动降噪系统的结构框图，根据本发明的实施例，一种主动降噪系统包括前馈降噪通道和反馈降噪通道，前馈降噪通道用于采集耳道外的噪声，进行前馈降噪。反馈降噪通道用于采集耳道内的噪声信号进行反馈降噪。
前馈降噪通道包括位于耳机外侧的前馈麦克101，与前馈麦克101依次连接的第一AD转换器102、第一低时延滤波器103和前馈滤波器104。
前馈麦克101采集耳机外侧(耳道外)周围的环境噪声，将采集的声音转换成模拟电信号，模拟电信号发送至第一AD转换器102转换为数字信号，数字信号经过第一时延滤波器103处理后，由前馈滤波器104进行前馈降噪。
本实施例中，为了减少滤波器时延，第一时延滤波器103采用最小相位滤波器(例如FIR或者IIR滤波器)，为了平衡第一时延滤波器103的功耗和时延，第一时延滤波器103的采样率既不能太大，也不能太小第一时延滤波器103的应当具有合适的采样率。本实施例中，第一AD转换器的102的采样率记为f1，第一时延滤波器103的采样率记为f2，为了降低功耗，f2不易太大,为了减少滤波器时延，f2不易太小，第一时延滤波器103的采样率f2为100至500KHz是合适的。
根据本发明，在前馈降噪通道，第一时延滤波器103连接前馈滤波器104,进行前馈降噪，前馈降噪滤波器104利用相位相反的声波(数字信号)来抵消前馈麦克101采集到前馈降噪通道中的环境声波(数字信号)。经过前馈降噪后，将降噪后的信号作为DA转换器304的输入信号。
根据本发明的实施例，主动降噪系统还包括一个与第一低时延滤波器103连接的耳外音拾取滤波器105，用于拾取耳机外的声音。耳外音拾取滤波器105对耳机外噪声进行滤除，将噪声配置至特定的音频范围，保留特定的环境音(例如人讲话声音或者道路车辆声音)。
在一些特定的场合，例如车辆繁多的道路、佩戴耳机时与身边的人谈话等情形。本发明通过耳外音拾取滤波器105对前馈麦克101采集的噪声信号进行滤波处理，经过耳外音拾取滤波器105处理的信号作为DA转换器304的输入信号，增强耳机内外部环境的特定声音(例如人讲话声音或者道路车辆声音)。在一些优选的实施例中，在第一低时延滤波器与耳外音拾取滤波器之间连接一个高通滤波器，用于滤除低频信号，更进一步地，耳外音拾取滤波器之间包括一个高通滤波器，用于滤除低频信号。高通滤波器，把低频信号(例如100hz以下)滤除，可以将100hz以下的幅度较大的低频信号进入耳内时，通道信号就不会超出DA转换器的动态范围。
通过耳外音拾取滤波器105增强对外界信号的接收，在特定的场合能够更好的接收外界信号。例如在佩戴耳机时，与身边的人谈话，前馈麦克101采集的身边人谈话的声音可以清晰的传输到耳内，在佩戴耳机时无需摘下耳机与身边的人谈话。又例如，在车辆繁多的道路上，无需摘下耳机，就可以清晰的听到周围通过的车辆，避免佩戴耳机出现的交通危险。
根据本发明的实施例，耳外音拾取滤波器105和前馈滤波器104对前馈麦克101采集的声音切换处理，例如当用户需要降噪时，切换至前馈滤波器104，第一时延滤波器103处理后的信号通过前馈滤波器104处理后作为DA转换器304的输入信号，进行前馈噪声消除，增强音乐播放效果，降低噪声干扰。
当用户有特定环境(例如人讲话声音或者道路车辆声音)时，切换至耳外音拾取滤波器105，第一时延滤波器103处理后的信号通过耳外音拾取滤波器105处理后作为DA转换器304的输入信号，增强对外界信号的接收。优选地，耳外音拾取滤波器105连接第二限幅模块106。
根据本发明的实施例，主动降噪系统还包括反馈降噪通道，反馈降噪通道包括位于耳机内侧的反馈麦克201，与反馈麦克201依次连接的第二AD转换器202、第二低时延滤波器203和反馈滤波器205，反馈滤波器205连接第一限幅模块206。
反馈麦克201采集耳机内侧(耳道内)的噪声信号(不可避免的会采集到耳机喇叭播放的音乐)，将采集的声音转换成模拟电信号，模拟电信号发送至第二AD转换器202转换为数字信号，数字信号经过第二时延滤波器203处理后，由反馈滤波器205进行反馈降噪。
根据本发明的实施例，系统还包括一个回声消除滤波器302，播放源301播放的音乐信号经回声消除滤波器处理后对反馈通道中的音乐分量进行抑制。在第二低时延滤波器203和反馈滤波器205之间设置第一加法器204，经过所述回声消除滤波器的音乐信号与反馈通道中的音乐分量通过第一加法器叠加。
本实施例中，为了减少滤波器时延，第二时延滤波器203采用最小相位滤波器(例如FIR或者IIR滤波器)，为了平衡第二时延滤波器203的功耗和时延，第二时延滤波器203的采样率既不能太大，也不能太小第二时延滤波器203的应当具有合适的采样率。本实施例中，第二AD转换器的202的采样率记为f1，第二时延滤波器203的采样率记为f2，为了降低功耗，f2不易太大，为了减少滤波器时延，f2不易太小，第二时延滤波器203的采样率f2为100至500KHz是合适的。
根据本发明，在反馈降噪通道，第二时延滤波器203连接反馈滤波器205,进行反馈降噪，反馈滤波器205直接对反馈麦克201采集的声波(数字信号)进行抑制，消除耳机内的低频噪声。经过反馈降噪后，将降噪后的信号作为DA转换器304的输入信号。
根据本发明的实施例，为了防止反馈麦克201采集的音乐信号被反馈滤波器205抑制，系统内增加一个回声消除滤波器302。播放源301播放的音乐信号，经过回声消除滤波器302后，与反馈麦克201采集的噪声信号中的音乐信号分量(反馈麦克201不可避免的会采集到耳机喇叭播放的音乐)，通过第一加法器204叠加后滤除，从而去抵消掉降噪通道中的音乐分量，使得降噪通路中收集的噪声信号不受音乐播放的影响。
在运动引起低频噪声或坐车时车的颠簸(比如过减速带等)会引起低频噪声，对头戴式耳机来说，用手按腔体麦克(包括前馈麦克和反馈麦克)也会产生较大的低频噪声。这个低频噪声在100hz以下，信号幅度较大。如果麦克进来的低频噪声在整个通路上饱和，容易产生“噗噗”，“啪啪”噪声。为了使麦克进来的低频噪声信号不被饱和，本发明主动降噪系统引入限幅模块。本发明反馈滤波器205连接第一限幅模块206，第一限幅模块206用于将反馈滤波器处理后的信号进行如下处理：如图2所示本发明限幅模块对信号幅度压缩的示意图，设定第一信号幅度阈值T1，第二信号幅度阈值T2和第三信号幅度阈值T3，其中，第一信号幅度阈值T1＜第二信号幅度阈值T2＜第三信号幅度阈值T3。
当反馈滤波器处理后的信号幅度处于第一信号幅度阈值与第二信号幅度阈值之间，即图2中的b段，则将反馈滤波器处理后的信号幅度压缩至第一信号幅度阈值T1与第二信号幅度阈值之间T2。
当反馈滤波器处理后的信号幅度大于第三信号幅度阈值，即图2中的c段，则将反馈滤波器处理后的信号幅度压缩至第二信号幅度阈值T2。
当反馈滤波器处理后的信号幅度小于第一信号幅度阈值，即图2中的a段，则不进行信号幅度压缩。
本发发明在反馈通道，为了达到较大的降噪量，反馈通道的增益较大，尤其是在低频(例如800Hz以下)时增益较大。为了防止信号幅度大的低频(例如100hz以下)信号进入耳内时，造成反馈通道的信号超出DA转换器的动态范围，通过第一限幅模块对信号进行上述处理，从而抑制通道因低频干扰引起的饱和而产生“噗噗”，“啪啪”声。
根据本发明，主动降噪系统还包括第二加法器303，用于将前馈滤波器滤波后的信号、第一限幅模块输出的信号以及音乐信号进行叠加后输入至DA转换器304，经DA转换器304转换为模拟信号由播放喇叭进行播放，或者用于耳外音拾取的滤波器处理后的信号、第一限幅模块输出的信号以及音乐信号进行叠加后输入至DA转换器304，经DA转换器304转换为模拟信号由播放喇叭进行播放。应当理解，本发明提供的主动降噪系统，前馈降噪通道与反馈降噪通道同时工作，也可以是仅仅由前馈降噪通道或者反馈降噪通道单一进行降噪。
进一步地，本发明的主动降噪系统，在进入特定的场合时(例如在车辆繁多的道路或者与身边人谈话时)，开启耳外音拾取滤波器105增强外界语音信号的接收。
本发明在优选的实施例中，发明耳外音拾取滤波器105与回声消除滤波器302之间设有第二限幅模块106。第二限幅模块106，对耳外音拾取滤波器105处理后的信号进行信号幅度压缩。前馈滤波器104与第二加法器303之间设有第三限幅模块107，对前馈滤波器104处理后的信号进行信号幅度压缩。
本发明提供的一种主动降噪系统，在降噪通道添加限幅模块，从而抑制通道因低频干扰引起的饱和而产生“噗噗”，“啪啪”声，改善了降噪耳机的体验。
本发明提供的一种主动降噪系统，在前馈麦克采集的信号通路中，接入一个耳外音拾取滤波器，在特定的环境中，增强对外界信号的接收，在特定的场合能够更好的接收外界信号。
本发明提供的一种主动降噪系统，在播放音乐信号进入反馈降噪的通路时，连接一个回声消除滤波器，消除主动降噪对音乐低频分量的衰减，保证了音乐播放的音质。
本发明提供的一种主动降噪系统，在降噪通道采用低时延滤波器，减少降噪通道延时。
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)

1.一种主动降噪系统，其特征在于，所述系统包括位于耳机外侧的前馈麦克，与前馈麦克依次连接的第一AD转换器、第一低时延滤波器和前馈滤波器；
所述系统还包括位于耳机内侧的反馈麦克，与反馈麦克依次连接的第二AD转换器、第二低时延滤波器和反馈滤波器，所述反馈滤波器连接第一限幅模块，
所述系统还包括一个与第一低时延滤波器连接的耳外音拾取滤波器，用于拾取耳机外的声音。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一限幅模块用于将反馈滤波器处理后的信号进行如下处理：
设定第一信号幅度阈值，第二信号幅度阈值和第三信号幅度阈值，其中，第一信号幅度阈值＜第二信号幅度阈值＜第三信号幅度阈值；
当反馈滤波器处理后的信号幅度处于第一信号幅度阈值与第三信号幅度阈值之间，则将反馈滤波器处理后的信号幅度压缩至第一信号幅度阈值与第二信号幅度阈值之间；
当反馈滤波器处理后的信号幅度大于第三信号幅度阈值，则将反馈滤波器处理后的信号幅度压缩至第二信号幅度阈值。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耳外音拾取滤波器和前馈滤波器对前馈麦克采集的声音切换处理。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括一个回声消除滤波器，播放源播放的音乐信号经回声消除滤波器处理后对反馈通道中的音乐分量进行抑制。
5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述耳外音拾取滤波器连接第二限幅模块。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，在第二低时延滤波器和反馈滤波器之间设置第一加法器，经过所述回声消除滤波器的音乐信号与反馈通道中的音乐分量通过第一加法器叠加。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二加法器，用于将前馈滤波器滤波后的信号、第一限幅模块输出的信号以及音乐信号进行叠加后输入至DA转换器，
或者用于耳外音拾取的滤波器处理后的信号、第一限幅模块输出的信号以及音乐信号进行叠加后输入至DA转换器。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述前馈滤波器与所述第二加法器之间设有第三限幅模块。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在第一低时延滤波器与耳外音拾取滤波器之间连接一个高通滤波器，用于滤除低频信号。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耳外音拾取滤波器之间包括一个高通滤波器，用于滤除低频信号。
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