CN110798767A - 耳机中的反馈式降噪电路、降噪方法、电子设备、计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耳机中的反馈式降噪电路、降噪方法、电子设备、计算机可读存储介质，用于实现迅速且效果良好的耳机反馈式降噪，其中方法包括用位于耳机的耳罩或包耳内的采音传感器拾取目标噪声d(n)和扬声器播放的反向噪声y(n)相消后的差值e(n)，其中目标噪声d(n)为外部原始噪声x(n)经噪声原始通道的传递函数P(z)影响后的变化噪声；将差值e(n)与反向噪声y(n)相加从而获取目标噪声d(n)的估算值d’(n)；用估算值d’(n)与权重系数Wb(n)两者之积来计算所述反向噪声y(n)；以差值e(n)和估算值d’(n)两者之积来不断修正所述权重系数Wb(n)，直至差值e(n)小于设定阈值。
Description
技术领域
本发明涉及耳机降噪，尤其涉及一种耳机中的反馈式降噪电路、降噪方法、电子设备、计算机可读存储介质。
背景技术
见图1至图2，现有技术中，前馈式降噪耳机或混合(前馈+反馈)降噪耳机因其用于拾取原始噪声的参考麦克风直接暴露于环境中，风躁较大，导致耳机降噪稳定性不高。
图3所示的反馈式降噪耳机，由于用于拾取残差噪声(即原始噪声和扬声器产生的反向噪声在误差麦克风处的差值)的误差麦克风位于耳机的耳罩或包耳内，故无上述风躁问题。其中，反馈式降噪耳机的原理如下：在C位，误差麦克风拾取残差噪声后输入通过模拟或者数字的方法设计反馈降噪控制器，由反馈降噪控制器简单反转残差噪声从而产生和原始噪声反向的信号给到扬声器，扬声器播放反向噪声以抵消原始噪声，实现降噪。由于只是简单反转，上述反馈式降噪耳机的降噪性能较低，因而有必要研发新型反馈式降噪耳机。
发明内容
本发明为改善现有技术中的不足之处，而提供一种降噪迅速且效果良好的耳机反馈式降噪电路、降噪方法、电子设备、计算机可读存储介质。
为此，提供一种耳机中的反馈式降噪电路，
包括播音装置、控制器、采音传感器、加法器；
所述控制器的输出端分别电连接播音装置和加法器，用于输出反向噪声给播音装置播音和给加法器运算；
所述采音传感器位于耳机的耳罩或包耳内，其输出端分别连接控制器和加法器，用于拾取外部原始噪声和播音装置播放的反向噪声相消后的差值给到控制器和加法器；
所述加法器的输出端连接至控制器，用于把反向噪声和所述差值相加后输入给控制器。
进一步地，所述控制器包含有反馈降噪控制器和LMS算法控制器，具体是：
反馈降噪控制器的输出端分别电连接扬声器和加法器，采音传感器的输出端分别连接LMS算法控制器和加法器，加法器的输出端分别连接反馈降噪控制器和LMS算法控制器，LMS算法控制器的输出端连接反馈降噪控制器。
进一步地，所述播音装置具体是耳机中的扬声器。
进一步地，所述采音传感器具体是麦克风。
进一步地，还包括参考传感器，其输出端与所述控制器电连接，用于直接采集外部原始噪声给控制器。
进一步地，所述参考传感器具体是麦克风。
还提供一种耳机中的反馈式降噪方法，包括：
用位于耳机的耳罩或包耳内的采音传感器拾取目标噪声d(n)和扬声器播放的反向噪声y(n)相消后的差值e(n)，其中目标噪声d(n)为外部原始噪声x(n)经噪声原始通道的传递函数P(z)影响后的变化噪声；
将差值e(n)与反向噪声y(n)相加从而获取目标噪声d(n)的估算值d’(n)；
用估算值d’(n)与权重系数Wb(n)两者之积来计算所述反向噪声y(n)；
以差值e(n)和估算值d’(n)两者之积来不断修正所述权重系数Wb(n)，直至差值e(n)小于设定阈值。
进一步地，以差值e(n)和估算值d’(n)两者之积为输入因子，用LMS算法对所述权重系数Wb(n)进行迭代收敛。
进一步地，增设另一采音传感器来直接拾取外部原始噪声x(n)，用原始噪声x(n)与差值e(n)的比值来衡量降噪深度。
进一步地，直接用估算值d’(n)与差值e(n)的比值来衡量降噪深度。
进一步地，在降噪深度发生突变时发出警示来请求对权重系数Wb(n)进行人工校正。
进一步地，所述降噪深度发生突变的情况具体指降噪深度超越设定极限值。
还提供一种电子设备，其中，该电子设备包括：
控制器；以及，
被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述控制器执行上述的方法。
还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被控制器执行时，实现上述的方法。
有益效果：
(1)通过以e(n)和d'(n)为因子来不断迭代收敛权重系数Wb(n)，使得由d'(n)*Wb(n)计得的y(n)逐步逼近目标噪声d(n)的反向波形，最终使e(n)的值小于阈值甚至趋近为零，从而通过相消方式实现良好降噪。由于进行d'(n)的倍数收敛，故收敛准确迅速，能以较少的迭代实现精准且良好的收敛效果，使y(n)快速逼近目标噪声d(n)的反向波形。
(2)以|d’(n)|/|e(n)|实现衡量降噪深度，且只通过一个麦克风来进行降噪深度监测，达到电路简化及成本降低目的。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了现有技术中前馈式降噪耳机的降噪示意图；
图2示出了现有技术中混合(前馈+反馈)降噪耳机的降噪示意图；
图3示出了现有技术中反馈式降噪耳机的降噪示意图；
图4示出了本发明的反馈式降噪耳机的降噪示意图；
图5示出了本发明的电子设备的结构示意图；
图6示出了本发明的计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本实施例耳机中的降噪电路的仿真图如图4所示，原始噪声x(n)经噪声原始通道的传递函数P(z)影响后变为目标噪声d(n)，目标噪声d(n)与扬声器5产生的反向噪声y(n)进行相消，得到残差噪声e(n)，残差噪声e(n)被位于耳机的耳罩或包耳内的误差麦克风1采集，然后分别送入至LMS算法控制器2和加法器3中。
反馈降噪控制器4用于输出反向噪声y(n)，反向噪声y(n)分别送入至扬声器5和加法器3中，其中扬声器5用反向噪声y(n)进行播音，加法器3将反向噪声y(n)与残差噪声e(n)进行相加，从而模拟出目标噪声d(n)的估算值d’(n)，估算值d’(n)被分别送入至LMS算法控制器2和反馈降噪控制器4中。由于此处的估算值d’(n)是模拟产生，故可避免如图1设置参考麦克风来采集目标噪声d(n)，因此也就避免了风躁问题。
LMS算法控制器2获得残差噪声e(n)及估算值d’(n)后，用其内置的LMS算法(即最小均方算法)，以下述迭代公式(1)计得Wb(n)：
Wb(n)＝Wb(n-1)+u*e(n)*d'(n) (1)
式中，
Wb(n)为反馈降噪控制器4的当前权重系数；
Wb(n-1)为反馈降噪控制器4的上一次权重系数；
u为收敛系数，也叫做收敛步长，是一个离线设定的参数或者可以动态调整的参数；
e(n)为误差麦克风1采集的残差噪声；
d'(n)为加法器3输出的估算值d’(n)。
LMS算法控制器2计得权重系数Wb(n)后，将其输入至反馈降噪控制器4中，反馈降噪控制器4以下述公式(2)计得其所需输出的反向噪声y(n)：
y(n)＝d'(n)*Wb(n) (2)
本实施例通过以e(n)和d'(n)为因子来不断迭代收敛权重系数Wb(n)，使得由d'(n)*Wb(n)计得的y(n)逐步逼近目标噪声d(n)的反向波形，最终使e(n)的值小于阈值甚至趋近为零，从而通过相消方式实现良好降噪。由于进行d'(n)的倍数收敛，故收敛准确迅速，能以较少的迭代实现精准且良好的收敛效果，使y(n)快速逼近目标噪声d(n)的反向波形。
为实时记录降噪深度的变化的情况，对于每一次迭代，可用估算值d’(n)和残差噪声e(n)进行除法运算，求取两者比值，以此来衡量该次迭代的降噪深度，从而用于研究针对不同场景变化时降噪深度的变化特性。因为降噪深度可用|x(n)|/|e(n)|进行反映，而x(n)*P(z)＝d(n)，|d(n)|/|e(n)|＝|x(n)|/|e(n)|*|P(z)|，假定|P(z)|是基本不变化，则|x(n)|/|e(n)|和|d(n)|/|e(n)|会同比例变化，因而可将|x(n)|/|e(n)|用|d(n)|/|e(n)|进行代替表示，进而以|d’(n)|/|e(n)|实现衡量降噪深度，且只通过一个麦克风来进行降噪深度监测，达到电路简化及成本降低目的。
当然，也可再增设一个麦克风来直接采集x(n)，以|x(n)|/|e(n)|的方式来衡量降噪深度。
当监控到实时降噪深度发生突变，如超越某些极限值时，可以判断原来的降噪算法已经失效，则通知工作人员及时采取措施，对权重系数Wb(n)本身进行人工修改校正。
进一步地，可在除法运算实施前，先对误差麦克风1所采集的信号进行滤波处理，其中滤波处理方式可采用模拟或数字方式实施，由于属于现有技术，本文不作赘述。
需要说明的是：
本实施例所用的方法，可转化为可存储于计算机存储介质中的程序步骤及装置，通过被控制器调用执行的方式进行实施。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的检测电子设备的佩戴状态的装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
例如，图5示出了根据本发明一个实施例的电子设备的结构示意图。该电子设备传统上包括处理器51和被安排成存储计算机可执行指令(程序代码)的存储器52。存储器52可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。存储器52具有存储用于执行实施例中的任何方法步骤的程序代码54的存储空间53。例如，用于程序代码的存储空间53可以包括分别用于实现上面的方法中的各种步骤的各个程序代码54。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。这些计算机程序产品包括诸如硬盘，紧致盘(CD)、存储卡或者软盘之类的程序代码载体。这样的计算机程序产品通常为例如图6所述的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质可以具有与图5的电子设备中的存储器52类似布置的存储段、存储空间等。程序代码可以例如以适当形式进行压缩。通常，存储单元存储有用于执行根据本发明的方法步骤的程序代码61，即可以由诸如51之类的处理器读取的程序代码，当这些程序代码由电子设备运行时，导致该电子设备执行上面所描述的方法中的各个步骤。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
Claims (10)
1.耳机中的反馈式降噪电路，其特征在于：
包括播音装置、控制器、采音传感器、加法器；
所述控制器的输出端分别电连接播音装置和加法器，用于输出反向噪声给播音装置播音和给加法器运算；
所述采音传感器位于耳机的耳罩或包耳内，其输出端分别连接控制器和加法器，用于拾取外部原始噪声和播音装置播放的反向噪声相消后的差值给到控制器和加法器；
所述加法器的输出端连接至控制器，用于把反向噪声和所述差值相加后输入给控制器。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制器包含有反馈降噪控制器和LMS算法控制器，具体是：
反馈降噪控制器的输出端分别电连接扬声器和加法器，采音传感器的输出端分别连接LMS算法控制器和加法器，加法器的输出端分别连接反馈降噪控制器和LMS算法控制器，LMS算法控制器的输出端连接反馈降噪控制器。
3.耳机中的反馈式降噪方法，其特征在于，包括：
用位于耳机的耳罩或包耳内的采音传感器拾取目标噪声d(n)和扬声器播放的反向噪声y(n)相消后的差值e(n)，其中目标噪声d(n)为外部原始噪声x(n)经噪声原始通道的传递函数P(z)影响后的变化噪声；
将差值e(n)与反向噪声y(n)相加从而获取目标噪声d(n)的估算值d’(n)；
用估算值d’(n)与权重系数Wb(n)两者之积来计算所述反向噪声y(n)；
以差值e(n)和估算值d’(n)两者之积来不断修正所述权重系数Wb(n)，直至差值e(n)小于设定阈值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：以差值e(n)和估算值d’(n)两者之积为输入因子，用LMS算法对所述权重系数Wb(n)进行迭代收敛。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：增设另一采音传感器来直接拾取外部原始噪声x(n)，用原始噪声x(n)与差值e(n)的比值来衡量降噪深度。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：直接用估算值d’(n)与差值e(n)的比值来衡量降噪深度。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：在降噪深度发生突变时发出警示来请求对权重系数Wb(n)进行人工校正。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述降噪深度发生突变的情况具体指降噪深度超越设定极限值。
9.一种电子设备，其中，该电子设备包括：
控制器；以及，
被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述控制器执行根据权利要求3-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被控制器执行时，实现权利要求3-7中任一项所述的方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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