CN111418004A - 用于啸叫检测的技术 - Google Patents

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Abstract

本申请描述了用于啸叫检测的技术。描述了一种啸叫检测器，该啸叫检测器被配置为接收输入信号且确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度。在一些实施例中，这触发了增益调节(例如，噪声控制单元的增益调节)，且在一些其他实施例中，增益调节的量可以基于对噪声控制单元的最大稳定增益的估计。

Description

用于啸叫检测的技术
技术领域
本文所描述的实施方案涉及用于主动噪声消除的技术。具体而言，本文所描述的实施方案涉及用于抑制声学反馈信号的技术。
背景技术
许多设备包括扬声器，所述扬声器被用于基于输入信号向设备的用户播放声音。例如，在电话呼叫等情况下，可以从设备已经通过通信链路所接收的信号中导出输入信号，或者在音乐或话语回放的情况下，可以从所存储的数据中导出输入信号。
随着无线通信设备、Mp3播放器和其他用于音频回放的设备进一步进入到日常使用中，特征如噪声消除对于帮助确保较高质量的音频回放和电话呼叫变得越来越重要。
噪声消除包含许多不同的途径来去除不想要的噪声，以增强用户的聆听体验。主动噪声消除(ANC)或噪声控制是指通过添加对噪声有破坏性干扰的抗噪声(即，倒相噪声信号)来降低噪声的方法。通常，这是通过使用参考麦克风来感测环境噪声或周边噪声且通过导出由扬声器所发射的抗噪声信号以消除或至少控制噪声来实现的。如本领域技术人员应理解的，主动噪声控制可以通过模拟滤波器或数字滤波器来实现，且通常通过以下架构来区分：前馈消除、反馈消除或混合消除。
图1提供了前馈ANC系统的简化例示。如图1中所例示的，参考麦克风10检测入射的周边声音或噪声，且生成用于ANC电路20的输入信号x(n)。ANC电路20处理该信号，以导出控制信号y(n)，该控制信号y(n)被传递至扬声器换能器30且由扬声器30作为抗噪声发射。因此，可以认为ANC电路包括具有传递函数Hnc的滤波器，该传递函数Hnc对噪声信号进行反向建模以用于生成所需的控制声音信号。通常设置误差麦克风(未示出)来测量噪声信号与抗噪声信号之间的误差，从而可以适配ANC电路的传递函数Hnc或相应增益。
如图2中所例示的，应理解，抗噪声信号不仅会在朝向用户耳朵的路径Hde(其中d表示驾驶员且e表示耳朵)上传播，而且还会在朝向参考麦克风的泄漏路径或反馈路径Hdm(其中d表示驾驶员/扬声器且m表示麦克风)上传播。这被称为声学反馈，且产生损坏的参考信号u(n)。因此，参考信号将另外包含由参考麦克风所感测的声学反馈信号。当声学控制系统具有反馈路径时，泄漏通常导致称为啸叫(howling)的不稳定行为，所述啸叫产生可听的反馈音调(tone)。
因此，应理解，噪声控制系统的稳定性将受到反馈信号的显著影响，且将取决于扬声器和参考麦克风之间的声学反馈路径Hdm的传递特性。当语音麦克风所捕获的话语泄漏至扬声器(驾驶员)时，可能出现类似的问题。在移动通信设备(诸如，移动电话)的情况下，由于参考麦克风和扬声器之间极为接近，声学反馈的问题尤其是一个争论点。
反馈音调(feedback tone)的频率取决于Hdm连同Hnc。由于Hdm和Hnc都可以改变，所以音调频率可以跨越很宽的频率范围相应地改变。随着参考信号的能量呈指数上升，反馈音调的水平会迅速上升。因此，反馈音调是令人不愉快的，且可能地对耳朵造成损害。因此，需要试图管理和/或抑制啸叫的出现。
已经提出了许多技术试图检测啸叫的出现，以使得能够自动调节电路的增益。然而，先前考虑的技术具有许多缺点，包括高延迟、需要相对复杂的频域处理以及与啸叫的错误肯定检测的出现相关联的问题。例如，先前提出的方法涉及最大峰值检测方法，该方法涉及跨越多个连续帧执行线性搜索来寻找信号能量中的持续峰值。由于需要定位和跟踪信号的多个帧，所以系统在啸叫的初始出现与对啸叫的检测之间引入了时延。因此，为减轻反馈音调而采取的任何后续措施都将在一定延迟后进行，且可能地在声音上升到可听水平之后进行。
发明内容
本发明的多个实施例涉及用于检测啸叫的技术，尤其涉及缓解与先前所提出的啸叫检测方法相关联的一个或多个问题的啸叫检测技术。
根据本发明的第一方面的一个实施例，提供了一种啸叫检测器(或啸叫检测单元)，所述啸叫检测器被配置为接收输入信号且确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度(linearity)的量度(measure)。如下面将要解释的，根据本文的一个或多个实施例，所述能量的对数的线性度的量度(或线性度度量(linearity metric))可以构成对啸叫是可能的、即将发生的或正在发生的指示，且因此本文的一些实施例的啸叫检测器被配置为检测啸叫的存在。在一些实施例中，所述输入信号可以包括反馈信号。
根据一个或多个实施例，啸叫检测器可以被配置为如果线性度的量度超过一预定阈值，则向增益调节器发出命令。向所述增益调节器发出的命令可以包括在由所述增益调节器执行时使所述增益调节器减小增益的指令。向所述增益调节器发出的命令可以包括在由所述增益调节器执行时使所述增益调节器以例如一固定量调节所述增益的指令。以此方式，一旦所述啸叫检测器检测到啸叫(或即将发生的啸叫或可能的啸叫)，它就可以向增益调节器发出命令以抑制所述啸叫。由于所述啸叫可以被配置为自动地向所述增益调节器发出所述命令，所以所述啸叫检测器被配置为主动抑制或消除啸叫的影响。应理解，在一些实施例中，超过一预定阈值的线性度的量度可以由下降到低于一预定阈值的一个参数或多个相位计来确定。换句话说，下降到低于一阈值的参数(将在下面提供实施例，且所述实施例包括残差值或导数)可以指示能量的对数的线性度的量度超过一阈值。换句话说，某些参数降低，能量的对数变得越线性。
根据一个或多个实施例，所述啸叫检测器可以被配置为如果线性度的量度下降到低于一预定阈值(取决于线性度的量度，如下面将解释的)，则向增益调节器发出命令。
在一些实施例中，确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度可以包括计算所述信号的能量的对数与趋势线之间的差，所述趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示。以此方式，线性度的量度可以是信号能量的对数与所述信号能量的对数的直线表示之间的差，且因此当能量的对数趋于线性时，该差将变得较小。该差可以通过所述趋势线的残差来测量。
因此，在一个实施例中，所述啸叫检测器可以被配置为如果所述趋势线的残差的平均值低于一阈值，则向增益调节器发出命令。以此方式，当所述趋势线的残差低于一阈值时，这可以指示所述能量的对数充分趋于线性，从而不仅推断出啸叫的存在，还推断出啸叫何时是可能的或即将发生的(取决于阈值)。在残差下降到低于一阈值时向所述增益调节器发出命令意味着，所述啸叫检测器可以指示所述增益调节器在啸叫是可能的或即将发生时，从而在一些实施例中在啸叫实际发生之前，减小增益。
根据一个或多个实施例，通过将线拟合到所述输入信号的能量的对数表示来导出所述趋势线的系数。将线拟合到所述输入信号的能量的对数表示可以包括执行最小二乘计算，所述最小二乘计算使所述趋势线与所述输入信号的能量的对数表示之间的差最小化。
可以根据所计算的趋势线与所述输入信号的能量的对数在P个样本上的拟合优度量度(goodness of fit measure)来确定所述线性度的量度。在一个实施例中，拟合优度量度r(n)可以表示为：
Figure BDA0002513223850000041
其中y(n)是所述输入信号的对数能量，
Figure BDA0002513223850000042
是所述趋势线的偏差，
Figure BDA0002513223850000043
是所述趋势线的斜率。
所述啸叫检测器可以被配置为在检测到所述斜率
Figure BDA0002513223850000044
收敛到值
Figure BDA0002513223850000045
时向所述增益调节器发出命令。在此实施例中，所述斜率的收敛足以指示信号能量的对数是线性的，或充分趋于线性。可以通过置信区间内的斜率来测量所述斜率的收敛，且相应地，检测所述斜率正在收敛可以包括确定所述斜率是否位于置信区间内，例如区间：
Figure BDA0002513223850000046
其中α是参数。
所述啸叫检测器可以被配置为确定所述能量的对数的导数。所述啸叫检测器可以被配置为在所述能量的对数的导数趋于零或小于一阈值时向所述增益调节器发出命令。
根据第二方面的一个实施例，提供了用于接收输入信号且确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度的电路系统。所述输入信号可以包括反馈信号。
在一些实施例中，所述电路系统可以包括增益调节器，所述增益调节器被配置为如果线性度的量度超过某一阈值，则减小增益。在这些实施例中，所述电路系统可以被配置为如果线性度的量度超过一预定阈值，则控制所述增益调节器减小增益。所述增益调节器可以被配置为以一个量来调节增益，所述量与所述输入信号的能量在对数域中的曲线的线性度的量度与目标线性度度量之间的差有关。例如，所述增益调节器可以被配置为以一固定量调节增益或以与所述趋势线的斜率成比例的量(如上面所描述的)来调节增益。
所述电路系统可以包括滤波器组，所述滤波器组被配置成将所述输入信号分割成多个频带，其中所述电路系统可操作以确定每个频带的能量的对数表示的线性度的量度。
所述电路系统可以包括如上面所描述的啸叫检测器。在此实施例中，所述啸叫检测器可以被配置为如果线性度的量度超过一预定阈值，则向所述增益调节器发出命令。
所述电路系统可以包括噪声控制模块或噪声控制系统(例如，噪声降低系统)，诸如主动噪声控制模块或主动噪声控制系统。所述电路系统可以包括用于上面所提及的模块或系统之一的处理电路系统。
根据第三方面的一个实施例，提供了一种方法，包括：接收输入信号，确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度。
所述方法可以进一步包括如果线性度的量度超过一预定阈值，则向所述增益调节器发出命令。
确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度可以包括计算所述信号的能量的对数与趋势线之间的差，所述趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示，且所述方法可以进一步包括如果所述趋势线的残差的平均值低于一阈值，则向所述增益调节器发出命令。
确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度可以包括计算所计算出的趋势线与所述输入信号的能量的对数在P个样本上的拟合优度量度，所计算出的趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示，其中拟合优度量度r(n)表示为：
Figure BDA0002513223850000051
其中y(n)是所述输入信号的对数能量，
Figure BDA0002513223850000061
是所述趋势线的偏差，且
Figure BDA0002513223850000062
是所述趋势线的斜率，且所述方法可以进一步包括在检测到斜率
Figure BDA0002513223850000063
收敛到值
Figure BDA0002513223850000064
时发出命令。
确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度可以包括确定所述能量的对数的导数，且所述方法可以进一步包括在所述能量的对数的导数趋于零或小于一阈值时向所述增益调节器发出命令。
根据第四方面的一个实施例，提供了一种用于噪声控制电路的处理模块，所述处理模块包括：
啸叫检测器，被配置为接收输入信号且基于所述输入信号确定线性度度量，所述线性度度量包括所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度；以及
增益调节器，被配置为调节噪声控制单元的增益。
线性度度量(或对数线性度度量)可以通过计算所述信号的能量的对数与趋势线之间的差来导出，所述趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示。可以通过将线拟合到所述输入信号的能量的对数表示来导出所述趋势线的系数。将线拟合到所述输入信号的能量的对数表示的过程可以包括执行最小二乘计算，所述最小二乘计算使所述趋势线和所述输入信号的能量的对数表示之间的差最小化。
根据一个或多个实施例，根据所计算出的趋势线与所述输入信号的能量的对数在P个样本上的拟合优度量度来确定所述线性度度量。拟合优度量度r(n)可以表示为：
Figure BDA0002513223850000065
其中y(n)是所述输入信号的对数能量，
Figure BDA0002513223850000066
是所述趋势线的偏差，且
Figure BDA0002513223850000067
是所述趋势线的斜率。
根据一个或多个实施例，所述啸叫检测单元可以进一步被配置为如果所述线性度度量超过一预定阈值，则向所述增益调节器发出命令以减小增益。所述增益调节器可以被配置为以一固定量调节增益或以与所述趋势线的斜率成比例的量来调节增益。
根据一个或多个实施例，所述啸叫检测单元可以进一步被配置为估计所述噪声控制单元的最大稳定增益。所述最大稳定增益与所述趋势线的斜率成比例。
所述啸叫检测单元可以被配置为基于所确定的线性度度量来确定啸叫是可能的还是即将发生的。
根据另一方面，提供了一种音频处理系统，所述音频处理系统包括根据第四方面的处理模块。所述音频处理系统可以进一步包括噪声控制单元，所述噪声控制单元用于基于参考输入信号来生成噪声控制信号，所述参考输入信号表示由参考麦克风所检测到的声音。所述处理模块可以被连接到扬声器，且其中所述扬声器基于所述噪声控制信号来生成抗噪声信号，以消除或至少减少由参考麦克风所检测到的噪声。
根据一个实施例，所述啸叫检测器可以与所述噪声控制单元并行设置。
根据一个实施例，所述音频处理系统可以进一步包括滤波器，所述滤波器被配置为滤除所述输入信号的一个或多个频率或频带。所述音频处理系统可以包括滤波器组，所述滤波器组被配置为将所述输入信号分割成多个频带，其中所述啸叫检测器可操作用于确定每一频带的线性度度量。
根据第六方面的至少一个实施例，提供了一种用于噪声控制模块的处理电路，包括：增益调节机构，该增益调节机构被配置为如果输入信号的能量在对数域中的曲线变得线性或趋于线性，则调节噪声控制电路的增益。
可以以与趋势线的斜率成比例的量有关的量来调节所述噪声控制电路的增益。
可以以单片集成电路的形式提供所述处理模块。
根据另一方面的一个实施例，提供了一种包括根据第四方面的处理模块或根据第六方面的处理电路的设备，其中所述设备包括移动电话、耳机、声学噪声消除耳机、智能手表、音频播放器、视频播放器、移动计算平台、游戏设备、遥控器设备、玩具、机器或家庭自动化控制器、家用电器或其他便携式设备。
根据第七方面，提供了一种处理音频信号的方法，所述方法包括：
基于输入信号确定线性度度量，所述线性度度量包括所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度；以及
如果所述线性度度量超过一预定阈值，则调节所述噪声控制单元的增益。
确定线性度度量的步骤可以包括计算所述信号的能量的对数与趋势线之间的差，所述趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示。
因此，本发明的多个方面涉及对正在发生的、即将发生的或可能即将发生的啸叫的检测及其抑制。例如，一些实施例涉及对参数的监测，所述参数通过超过或下降到低于一预定阈值将指示啸叫可能即将发生或即将发生。当发生这种情况时，可以发送信号来调节增益，从而可以在啸叫实际发生之前主动抑制啸叫。以此方式，本发明的一些方面可以被用作主动噪声降低系统或主动噪声控制系统的一部分，该部分将积极地行动以在啸叫发生之前抑制啸叫。因此，本发明的一些方面可以与主动噪声降低系统或主动噪声控制系统结合使用。然而，在另外的实施例中，一些方面可以被用作监测和/或检测啸叫的存在的独立装置。
附图说明
为了更好地理解本发明且示出如何实施本发明，现在将以实施例的方式参考附图，在附图中：
图1提供了前馈ANC系统的简化例示；
图2提供了前馈ANC系统的另一例示；
图3例示了实施根据第一实施例的噪声控制电路的无线通信设备；
图4是图3中所描绘的无线通信设备中所设置的音频集成电路的框图；
图5例示了处理模块的第一实施例；
图6例示了在噪声控制模块140内所实施的根据本发明多个方面的处理模块的另一实施例；
图7a和7b示出了线拟合方法的实施例；
图8例示了在音频处理电路内所实施的啸叫检测电路的另一实施例；
图9示出了第一曲线和第二曲线，以例示能量或输入信号的增大的斜率；
图10示出了绘制在输入信号的幅度和拟合线的图形表示上的多个数据样本；
图11示出了3种不同情况下的信号输出的对数能量；
图12示出了若干曲线，以例示所提出的方法用来检测啸叫的信号；
图13例示了根据一个实施例的啸叫检测过程；以及
图14例示了包括多频带啸叫检测的系统。
具体实施方式
下面的描述阐述了根据本公开内容的实施例。对于本领域普通技术人员而言，其他示例实施方案和实施方式将是显而易见的。此外，本领域普通技术人员将认识到，可以代替下面所讨论的实施例或与下面所讨论的实施例相结合地应用多种等同技术，且所有这样的等同物应被认为是本公开内容所涵盖的。
本文所描述的方法可以在各种各样的设备和系统中实施。然而，为了易于解释一个实施例，将描述一个例示性实施例，其中实施方式发生在移动通信设备(诸如，移动电话)中。
图3例示了实施根据本发明多个方面中的任一方面的噪声控制单元的无线通信设备100。无线通信设备100被示出在用户的耳朵50附近。
无线通信设备包括换能器(诸如，扬声器130)，该换能器被配置为重现由无线通信设备所接收的远距离声音(诸如，话语)以及其他本地音频事件(诸如，铃声、所存储的音频节目资料和包括噪声控制信号的其他音频效果)。参考麦克风110被设置用于感测周边声学事件。无线通信设备还包括近距离话语麦克风(near-speech microphone)150，该近话语麦克风150被设置在用户的口部附近，以感测由用户所生成的声音，诸如话语。
无线通信设备内的电路125包括音频CODEC集成电路(IC)180，该音频CODEC集成电路180接收来自参考麦克风、近距离话语麦克风150的信号，且与扬声器以及具有无线电话收发器的其他集成电路(诸如，射频(RF)集成电路12)接口连接。
图4是图3所描绘的无线通信设备中所设置的音频集成电路180的框图，且例示了集成电路的选定单元。具体地，集成电路从参考麦克风110接收输入信号，且包括模数转换器(ADC)135a，该模数转换器135a用于生成输入信号x(n)的数字表示，该数字表示被传递至根据本发明的多个方面的一个实施例的噪声控制单元140，其中噪声控制电路被配置成生成控制信号u(n)。
音频集成电路包括另一ADC 135b，该ADC 135b用于生成由近距离话语麦克风150所生成的信号的数字表示。组合器136可以组合包括噪声控制信号u(n)的音频信号(常规地，该音频信号可以与参考麦克风信号中的噪声具有相同的极性，因此将被组合器136减去)、近距离话语麦克风信号的一部分，以允许无线通信设备的用户除了从射频集成电路115接收下行链路话语通信之外，能够听到他或她自己的语音。数模转换器137接收组合器136的输出，放大DAC(未示出)的输出，且将所得到的信号传递至扬声器130。
通过考虑图3将意识到，反馈路径Hdm出现在扬声器130和参考麦克风110之间。
图5示出了处理模块(啸叫检测系统)200，该处理模块包括啸叫检测器(HD)150和增益调节器160(例如，放大器)，该增益调节器160被配置为控制噪声控制系统的增益，所述噪声控制系统包括噪声控制单元120。啸叫检测器被配置为确定线性度度量或对数线性度度量，所述线性度度量或对数线性度度量指示输入信号u(n)的能量在对数域中(在P个样本上)的变化的线性度的量度。因此，可以认为，本发明的多个实施例中的一个或多个依赖于信号u(n)的能量在对数域中的变化的考虑。
根据一个或多个实施例，可以通过计算信号u(n)的能量的对数与线(在本文中被称为趋势线，是信号u(n)的能量的对数的直线表示)之间的差来导出线性度度量。应理解，可以通过将最佳拟合线拟合到从所观察到的信号样本导出的对数能量数据来导出趋势线。
根据一个或多个实施例，可以根据所计算出的趋势线与输入信号u(n)的能量的对数在P个样本上的拟合优度量度来确定线性度度量。拟合优度量度可以例如被计算为拟合到所观察到的能量数据点的趋势线的残差r(n)的最小二乘L 2-范数。因此，r(n)可以表示为：
Figure BDA0002513223850000111
其中y(n)是信号u(n)的对数能量，
Figure BDA0002513223850000112
是趋势线的偏差，且
Figure BDA0002513223850000113
是趋势线的斜率。因此，可以将方程1理解为表示信号y(n)的能量的对数与信号u(n)的能量的对数的直线表示之间的最小方差。换句话说，由根据本发明的多个实施例的啸叫检测器150所确定的线性度度量可以被认为是r(n)。
图7a和图7b示出了线拟合方法的实施例。在两个曲线中，实线表示输出对数能量y(n)，且虚线是所计算出的趋势线或拟合线，所述趋势线或拟合线具有线方程系数
Figure BDA0002513223850000114
在图7a中，基于所计算出的趋势线导出的线性度度量会相对低，指示高的残差值r，因为该线没有贴合地表示y(n)。然而，在图7b中，基于所计算出的趋势线导出的线性度度量会相对高，指示低的残差值r，因为信号y(n)由拟合线贴近地表示。因此，应理解，通过检测线性度度量何时超过一个阈值(换句话说，在残差值r(n)低于一给定阈值时)，线性度度量或拟合优度量度可以被用作啸叫的指示符。还应理解，随着信号能量的对数趋于线性，它的导数将趋于零，直线的梯度或斜率为零。因此，通过检测导数何时低于一给定阈值(指示作为能量的对数的线趋于零梯度)，能量的对数的导数可以被用作啸叫的指示符。
根据一个或多个实施例，如果由啸叫检测器150所确定的线性度度量超过一预定阈值，则这指示啸叫正在发生。
根据一个或多个实施例，啸叫检测单元150被配置为向增益调节器160发出命令，以减小噪声控制单元的增益。根据一个或多个实施例，增益以一固定量被减小，从而有效地减小或关闭噪声控制功能。因此，啸叫检测电路可以被配置为根据总体系统的操作条件使增益调节器以一预先选定的固定量降低增益。例如，啸叫检测电路可以被配置为使增益调节器将增益降低25dB至40dB，优选地降低35dB，从而立即抑制音调、中断噪声控制单元的功能且缓解任何其他音频失真。
图6例示了啸叫检测电路的可能实施方式，该啸叫检测电路包括位于噪声控制模块140内的啸叫检测器150和增益调节器160。噪声控制模块或噪声控制电路可以被实施在单片集成电路(诸如，图4中所例示的CODEC 180)中，或者可以被实施在包括用于控制或消除噪声的噪声控制单元的任何其他音频处理电路中。还应理解，噪声控制模块可以被设置在多种不同的设备中，而不仅仅是在移动电话中。
噪声控制模块140包括噪声控制单元120，该噪声控制单元120例如经由模数转换器(未示出)接收输入信号x(n)，该输入信号x(n)从参考麦克风110的输出信号中导出。输入信号表示周边噪声以及包括由参考麦克风所检测到的反馈信号hdm的其他声音。噪声控制单元120可操作以基于输入信号x(n)生成控制信号u(n)。控制信号包括抗噪声信号(换句话说，表示噪声但具有倒相(反相)的信号)，该抗噪声信号由设备的扬声器130发射，噪声控制电路实施在该扬声器130中，以消除或至少控制或减轻用户听到的噪声的水平。
在此实施例中，控制信号形成用于啸叫检测系统200的输入信号u(n)。
图8例示了另一实施例，其中啸叫检测电路200可以被设置成与自动增益调节(AGA)电路170结合，该自动增益调节电路可操作以基于从噪声控制系统的误差麦克风中所导出的输入信号来跟踪输入信号在多个帧上的能量，且经由增益调节器160对ANC电路的增益做出调节。因此，增益G可能主要由AGA系统控制，以使扬声器130处的残余噪声最小化。啸叫检测电路可以被配置为如果检测到啸叫，则控制增益调节器160。如果啸叫发生，则啸叫检测电路被配置为使增益调节器将增益降低约25dB至40dB，从而中断噪声控制单元120的操作且阻止音频失真。
本文所描述的一个或多个实施例可以有利地允许基于单个帧(例如5毫秒)的啸叫检测。因此，与先前所提出的要求在多个帧上进行计算的技术相比，本发明的多个实施例潜在地受益于更快速的啸叫检测。此外，有利地仅在时域中执行本发明的多个方面的多个实施例，避免了将信号变换到频域的需求，从而与要求频域处理的技术相比，降低了系统的复杂性且降低了存储容量要求。
现在将参考图9讨论本发明的多个实施例的理论背景。
在啸叫发生时，感兴趣的信号u(n)中出现呈指数上升的正弦曲线。u(n)的能量或幅度的增大的斜率显然成指数地依赖于增益，u(n)由图9中所示出的第一曲线图以图形方式例示。因此，应理解，如果计算信号的能量的对数，则依赖性将变成线性，如图9中所示出的第二曲线中例示的。换句话说，在啸叫出现时，对数能量线性地增加。
本文所描述的实施例基于监测信号的幅度中的指数增大，这可以很容易地从对数域(dB)的线性增大识别出来，从而试图检测或预测啸叫的发生。
可以使用对输入信号u(n)的瞬时能量的平滑来计算输出对数能量y(n)。因此：
y(n)＝log(a(n))，其中a(n)＝λy·a(n-1)+(1-λy)·u2(n) 方程(2)
因此，能量a(n)与样本的平方成比例。
如果我们限定一条直线，其中
Figure BDA0002513223850000131
是线的偏差，且
Figure BDA0002513223850000132
是线的斜率，则方程1中的线方程项可以以向量格式写成：
Figure BDA0002513223850000133
其中T指示矩阵转置运算。
可以通过使所观察到的样本与拟合线方程之间的成本函数最小化来计算线方程系数
Figure BDA0002513223850000134
例如，这可以通过解决最小二乘问题来完成，该最小二乘问题试图找到使与所观察到的数据y(n)的欧几里德距离最小化的线
Figure BDA0002513223850000135
Figure BDA0002513223850000136
其中：
Figure BDA0002513223850000137
为了使此途径对输入信号u(n)的不同能量水平具有鲁棒性，可以将信号y(n)归一化，使得它介于0和1之间。
Figure BDA0002513223850000138
由于这种归一化，在出现啸叫的情况下，斜率
Figure BDA0002513223850000139
必然收敛到
Figure BDA00025132238500001310
且可以使用如下方程来计算线系数：
Figure BDA0002513223850000141
其中可以预先计算
Figure BDA0002513223850000142
以避免矩阵求逆且减少循环数目。另外，为了降低MIPS，可以对y′(n)二次采样，以仅使用P个样本的子集来解决方程3中所提出的最小二乘问题。在图10所例示的实施例中，新的子集仅包括16个样本，所述16个样本由每一圆圈表示且从y(n)获得，从第一个样本开始到最后一个样本结束，这些样本等距间隔开。
可以对所估计的斜率系数
Figure BDA0002513223850000143
和残差r(n)应用平滑
Figure BDA0002513223850000144
Figure BDA0002513223850000145
另外，根据一个或多个实施例，参数α被用作所估计的斜率系数的置信区间，使得仅当斜率在这些置信区间之间时才确定检测到啸叫。
Figure BDA0002513223850000146
根据一个或多个实施例，线性度度量的预定阈值被设置成使得在实际达到对数线性度之前确定啸叫的肯定指示。因此，肯定指示可以有利地提供啸叫可能发生或即将发生的提前指示。这样的实施例可以结合附加地监测线性度度量随时间的变化的过程来实施。应理解，可以检测线性度度量何时增加，即，何时信号u(n)的能量的对数趋于或接近一定程度的线性度。因此，根据一个或多个实施例，一旦线性度度量满足一预定阈值，就执行进一步的检测过程，以确定线性度度量是否正趋于或正接近指示高程度的线性度(即，线性度在增大)的值。具体地，残差r(n)的值随着时间减小将指示系统正趋于啸叫。
根据一个或多个实施例，线性度的量度的预定阈值可以是最大阈值。换句话说，在线性度的量度下降到低于一预定阈值时，可以确定啸叫的肯定指示。在这些实施例中，肯定指示仍然可以提供啸叫可能发生或即将发生的提前指示。这样的实施例可以结合监测信号能量的对数的变化率的过程来实施。应理解，在此导数为零时，对数是完全线性的，因此可以通过监测导数且确定导数何时趋于零来推断啸叫的出现。换句话说，过程可以监测Dy(n)＝Dlog(u(n))，D是用来表示导数的通用术语，所述导数例如可以(参见图7、图9和图10)是关于样本的导数D，且在Dy(n)≈0时可以提供啸叫可能发生的提前指示。在一个实施例中，在能量的对数的导数低于一阈值时(换句话说在Dy(n)＜T时，T表示近似为零的阈值)，可以提供啸叫可能发生的提前指示。以此方式，在能量的对数的导数正趋于零时，如由它低于阈值T所指示的，这可以提供啸叫可能发生的提前指示。
因此，监测对数能量的线性度的另一优点是，可以观察系统何时趋于啸叫(如通过例如拟合优度量度所指示的)。换句话说，根据一个或多个实施例，可以观察系统何时开始变得不稳定，而不是依赖于在啸叫已经开始后对啸叫的特性的检测。因此，根据一个或多个实施例，可以确定何时啸叫是可能的或即将发生的。这将在实际发生任何可听啸叫之前。
因此，由啸叫检测器150所确定的线性度量可以被认为是噪声控制系统的稳定性的表示或估计。如果系统趋于啸叫(这是不稳定的情况)，则可以有利地对电路的增益G进行调节，以将噪声控制系统恢复到更稳定的状态。根据一个或多个实施例，以与不稳定性程度的量度有关的量来减小增益。因此，根据一个或多个实施例，可以以取决于系统多不稳定的量减小增益。因此，啸叫检测器可以被配置为估计所需的增益减小量，该增益减小量与不稳定性程度成比例。例如，这可以由未归一化的对数能量的斜率导出。当啸叫出现时，此斜率与保持系统稳定(无啸叫)系统所需要减小的增益成比例。
因此，可以将需要调节的增益的量认为是系统的最大稳定增益(MSG)。可以将最大稳定增益(MSG)认为是示出系统是否稳定(MSG否定)或系统是否不稳定(MSG肯定)的量度。这实际上是系统变得稳定所需要降低的最小额外增益。
来自斜率的信息还可以被用来调节前馈噪声消除滤波器的极点和零点的位置。
基于拟合趋势线的斜率确定所需的增益调节量的优点在于，可以在不使系统啸叫的情况下将ANC保持在最大增益。因此，即使系统处于不稳定状态或趋于不稳定状态，仍然可以进行一定程度的噪声控制。相反，如果以一固定量(35dB)降低增益，则可以有效地防止这种噪声控制功能。
图11示出了针对三种不同情况(MSG的值)的信号输出的对数能量，其中系统在48000个样本之后变得不稳定。由此显然的是，拟合线的斜率与所需的MSG值直接相关。因此，根据一个或多个实施例，可以确定必要的最小增益降低。
图12示出了与测试信号以及所提出的方法用来检测啸叫的信号有关的几个曲线。第一个曲线示出了在3000个样本(约62毫秒)的时域中的测试信号。第二个曲线显示了从第一个曲线图所示出的信号计算出的对数能量。第三个曲线和第四个曲线示出了被用来确定啸叫是否出现的两个度量。在此实施例中，系统在2300个样本附近变得不稳定。在此点上，对数能量y(n)开始明显地以线性速率增长，这使得残差变小，这是因为y(n)接近直线。此外，此对数能量y(n)的斜率(最后一个图)也收敛到如图中红线所绘制的期望值。
图13示出了根据一个实施例的啸叫检测过程的流程图。例如，图13中所例示的过程可以在如图5、图6和图8中所例示的啸叫检测器150中进行。
在第一步骤ST1中，获得包括从麦克风所导出的音频数据的信号，且形成输入信号u(n)。在第二步骤ST2中，使用例如方程(2)由幅度a(n)计算信号u(n)的对数能量y(n)。信号y(n)在ST3处被归一化，使它介于0和1之间，如由方程5所给出的。在ST4处导出最佳拟合的线，以将直线拟合到对数能量的归一化曲线。在ST5处使用例如方程(9)平滑所得到的线或趋势线。可以认为包含步骤ST1至ST5的步骤形成了包括生成趋势线的处理阶段A的一部分。
在决策阶段B中，在ST6处做出第一决策D1，以确定能量水平y(n)是否低于一给定阈值。如果能量水平低于一阈值，则作出无啸叫决策(或啸叫标志＝0)。如果确定能量水平处于或高于一能量阈值，则执行数个进一步的决策步骤，以确定对数线性度度量。具体地，在ST7处，确定所计算出的趋势线与输入信号的能量的对数在P个样本上的拟合优度量度。例如，可以根据方程(1)来确定拟合优度量度，且可以根据方程(8)来平滑所得到的线性度度量。
在ST9处做出第二决策D2。具体地，将线性度度量与一预定阈值进行比较，其中如果线性度度量低于该预定阈值，指示所观察到的样本与趋势线之间的拟合优度返回高残差值，则作出无啸叫决策。然而，如果线性度度量处于或高于该预定阈值，则在ST10处执行第三决策过程D3，从而根据方程(11)确定所估计的趋势线的斜率是否落在置信区间之间。如果斜率不落在置信区间之间，则作出无啸叫决策。然而，如果斜率确实落在置信区间之间，则作出啸叫的结果(或啸叫标志＝1)。
应理解，在线性度度量超过一预定阈值时作出啸叫的指示，且该阈值可以被设置成检测即将发生的啸叫(趋于啸叫)的情况以及实际啸叫的情况。如果将预定阈值被设置成检测即将发生的啸叫的情况(换句话说，线性度度量超过一较低的阈值和/或可能趋于一较高的线性度度量阈值，从而指示系统变得更不稳定)，则增益调节器可操作用于以与系统不稳定的水平成比例的量(例如，几分贝)来调节增益，而不是以中断/抑制噪声控制单元的较大的(通常是固定的)量来调节增益。
因此，在后续步骤中，可以向增益调节单元发出命令，以调节相关联的噪声控制电路的增益。
响应于图13中所例示的过程而采取的可能动作如下：
无啸叫：不采取任何措施
啸叫：以固定量降低增益，以中断ANC
即将发生的啸叫：略微(例如，以3dB-5dB或以由拟合线的斜率所导出的量(无任何归一化))降低ANC增益。
应理解，根据一个或多个实施例的啸叫检测过程可以被限制于至少一个限定的频带，例如，在fl和f2之间。这可以通过对输入信号滤波以去除某些频率或集中于某一或某些频带来实现。这种布置的优点是可以滤除“啸叫型”声学模式。即，原本会产生啸叫的错误肯定指示的诸如鸣笛声或警报声的音频声音。因此，本实施例中的一个或多个的优点在于，缓解了错误肯定的发生，从而得到更鲁棒的系统。
根据一个或多个实施例，且如图14中所例示的，可以基于多个频带来执行啸叫检测。这可以被称为多频带啸叫检测，其中多个滤波器1801…M允许针对多个(M个)频带调谐输入信号u(n)。因此，可以认为，系统包括执行输入信号的频带分割的滤波器组。
啸叫检测器1501...M可操作用于确定每一频带的对数线性度度量。通过独立地检查每一频带，然后作用于具有高置信度和最接近于1/(P-1)的斜率的信道，可以很容易在组合器190中组合斜率和置信度量度。根据此布置，如果在任何单个频带中检测到啸叫，则可以作出啸叫的决策。
本领域技术人员将认识到，上文所描述的装置和方法的一些方面可以具体化为例如位于非易失性载体介质(诸如，磁盘、CD-ROM或DVD-ROM、程序化存储器诸如只读存储器(固件))上或位于数据载体(诸如，光学信号载体或电信号载体)上的处理器控制代码。对于许多应用，本发明的实施方案将被实施在DSP(数字信号处理器)、ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)上。因此，代码可以包括常规程序代码或微代码或例如用于设置或控制ASIC或FPGA的代码。代码还可以包括用于动态地配置可重新配置的装置(诸如，可重新编程逻辑门阵列)的代码。类似地，代码可以包括用于硬件描述语言(诸如Verilog TM或VHDL(超高速集成电路硬件描述语言))的代码。如本领域技术人员将理解，代码可以被分布在彼此通信的多个经耦合的部件之间。在适当的情况下，还可以使用在现场可(重新)编程模拟阵列或类似的设备上运行以配置模拟硬件的代码来实施所述实施方案。
注意，如本文中所使用的，术语单元或模块应被用来指代可以至少部分地由专用硬件部件(诸如，自定义电路系统)实施的功能单元或功能块，和/或至少部分地由一个或多个软件处理器或在合适的通用处理器等上运行的适当的代码实施的功能单元或功能块。单元本身可以包括其他单元、模块或功能单元。单元可以由不需要被协同定位且可以被设置在不同的集成电路上和/或在不同的处理器上运行的多个部件或子单元来提供。
实施例可以在主机设备中实施，尤其是便携式主机设备和/或电池供电主机设备，诸如移动计算设备(例如，膝上型计算机或平板计算机)、游戏控制台、远程控制设备、家庭自动化控制器或家用电器(包括智能家居设备、家用温度或照明控制系统)、玩具、机器(诸如，机器人)、音频播放器、视频播放器或移动电话(例如，智能电话)。
可以根据以下编号的陈述中的任一项提供本公开内容的多个实施例：
1.一种用于噪声控制电路的处理模块，所述处理模块包括：
啸叫检测器，被配置为接收输入信号且基于所述输入信号来确定线性度度量，所述线性度度量包括所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度；以及
增益调节器，被配置为调节噪声控制单元的增益。
2.根据陈述1所述的处理模块，其中通过计算所述信号的能量的对数与趋势线之间的差来导出所述线性度度量，所述趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示。
3.根据陈述2所述的处理模块，其中通过将线拟合到所述输入信号的能量的对数表示来导出所述趋势线的系数。
4.根据陈述3所述的处理模块，其中将线拟合到所述输入信号的能量的对数表示包括执行最小二乘计算，所述最小二乘计算使所述趋势线与所述输入信号的能量的对数表示之间的差最小化。
5.根据陈述2至4中的任一项所述的处理模块，其中根据所计算出的趋势线与所述输入信号的能量的对数在P个样本上的拟合优度量度来确定所述线性度度量。
6.根据陈述5所述的处理模块，其中拟合优度量度r(n)表示为：
Figure BDA0002513223850000191
其中y(n)是所述输入信号的对数能量，
Figure BDA0002513223850000192
是所述趋势线的偏差，且
Figure BDA0002513223850000193
是所述趋势线的斜率。
7.根据任一项前述陈述所述的处理模块，其中所述啸叫检测单元还被配置为如果所述线性度度量超过一预定阈值，则向所述增益调节器发出命令以减小所述增益。
8.根据任一项前述陈述所述的处理模块，其中所述增益调节器被配置为以一固定量调节所述增益。
9.根据任一项前述陈述所述的处理模块，其中所述啸叫检测单元还被配置为估计所述噪声控制单元的最大稳定增益。
10.根据直接或间接从属于陈述2时的陈述9所述的处理模块，其中所述最大稳定增益与所述趋势线的斜率成比例。
11.根据任一项前述陈述所述的处理模块，其中所述啸叫检测单元被配置为基于所确定的线性度度量来确定啸叫是可能的还是即将发生的。
12.一种音频处理系统，包括根据前述任一项陈述所述的处理模块，且还包括噪声控制单元，所述噪声控制单元用于基于表示由参考麦克风所检测到的声音的参考输入信号来生成噪声控制信号。
13.根据陈述12所述的音频处理系统，其中所述处理模块被连接至扬声器，且其中所述扬声器基于所述噪声控制信号生成抗噪声信号，以消除或至少降低由参考麦克风所检测到的噪声。
14.根据陈述13所述的音频处理系统，其中所述啸叫检测器与所述噪声控制单元并行设置。
15.根据陈述12-14中的任一项所述的音频处理系统，还包括滤波器，所述滤波器被配置为滤除所述输入信号的一个或多个频率或频带。
16.根据陈述12-15中的任一项所述的音频处理系统，还包括滤波器组，所述滤波器组被配置为将所述输入信号分割成多个频带，其中所述啸叫检测器可操作用于确定每一频带的线性度度量。
17.一种噪声控制模块的处理电路，包括：
增益调节机构，被配置为如果输入信号的能量在对数域中的曲线变得线性或趋于线性，则调节噪声控制电路的增益。
18.根据陈述17所述的处理电路，其中以一个量来调节所述噪声控制电路的增益，所述量与所述输入信号的能量在对数域中的曲线的线性度的量度与目标线性度度量之间的差有关。
19.根据陈述1至15中的任一项所述的处理模块，所述处理模块为单片集成电路的形式。
20.一种包括根据陈述1至15中的任一项所述的处理模块或根据陈述17或18所述的处理电路的设备，其中所述设备包括移动电话、耳机、声学噪声消除耳机、智能手表、音频播放器、视频播放器、移动计算平台、游戏设备、遥控器设备、玩具、机器或家庭自动化控制器、家用电器或其他便携式设备。
21.一种处理音频信号的方法，包括：
基于输入信号确定线性度度量，所述线性度度量包括所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度；以及
如果所述线性度度量超过一预定阈值，则调节噪声控制单元的增益。
22.根据陈述21所述的处理音频信号的方法，其中确定线性度度量的步骤包括计算所述信号的能量的对数与趋势线之间的差，所述趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示。
应注意，上文所提及的实施例例示而非限制本发明，且在不偏离随附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计许多替代实施例。词语“包括”不排除除了在权利要求中所列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，且单个特征或其他单元可以实现权利要求中所记载的若干单元的功能。权利要求中的任何参考数字或参考标注不应被解释为对所述权利要求范围的限制。

Claims (20)

1.一种啸叫检测器，被配置为接收输入信号且确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度。
2.根据权利要求1所述的啸叫检测器，其中所述啸叫检测器被配置为如果线性度的量度超过一预定阈值，则向增益调节器发出命令。
3.根据权利要求1或2所述的啸叫检测器，其中确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度包括计算所述信号的能量的对数与趋势线之间的差，所述趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示。
4.根据权利要求3所述的啸叫检测器，其中所述啸叫检测器被配置为如果所述趋势线的残差的平均值低于一阈值，则向增益调节器发出命令。
5.根据权利要求3或4所述的啸叫检测器，其中通过将线拟合到所述输入信号的能量的对数表示来导出所述趋势线的系数。
6.根据权利要求5所述的啸叫检测器，其中将线拟合到所述输入信号的能量的对数表示包括执行最小二乘计算，所述最小二乘计算使所述趋势线与所述输入信号的能量的对数表示之间的差最小化。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的啸叫检测器，其中根据所计算出的趋势线与所述输入信号的能量的对数在P个样本上的拟合优度量度来确定线性度的量度。
8.根据权利要求7所述的啸叫检测器，其中拟合优度量度r(n)表示为：
Figure FDA0002513223840000011
其中y(n)是所述输入信号的对数能量，
Figure FDA0002513223840000012
是所述趋势线的偏差，且
Figure FDA0002513223840000013
是所述趋势线的斜率。
9.根据权利要求8所述的啸叫检测器，其中所述啸叫检测器被配置为在检测到所述斜率
Figure FDA0002513223840000014
收敛到值
Figure FDA0002513223840000015
时，向所述增益调节器发出所述命令。
10.根据任一项前述权利要求所述的啸叫检测器，其中所述啸叫检测器被配置为确定所述能量的对数的导数。
11.根据权利要求10所述的啸叫检测器，其中所述啸叫检测器被配置为在所述能量的对数的导数趋于小于一阈值时，向所述增益调节器发出所述命令。
12.电路系统，所述电路系统用于接收输入信号且确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度。
13.根据权利要求12所述的电路系统，还包括增益调节器，所述增益调节器被配置为如果线性度的量度超过一预定阈值，则减小增益。
14.根据权利要求12或13所述的电路，其中所述增益调节器被配置为以一个量来调节所述增益，所述量与所述输入信号的能量在对数域中的曲线的线性度的量度和目标线性度度量之间的差有关。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的电路系统，其中所述电路系统包括根据权利要求1至11中的任一项所述的啸叫检测器。
16.一种方法，包括：接收输入信号；以及，确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：如果所述线性度的量度超过一预定阈值，则向增益调节器发出命令。
18.根据权利要求17所述的方法，其中确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度包括：计算所述信号的能量的对数与趋势线之间的差，所述趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示，所述方法还包括：如果所述趋势线的残差的平均值低于一阈值，则向所述增益调节器发出所述命令。
19.根据权利要求17所述的方法，其中确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度包括：计算所计算出的趋势线与所述输入信号的能量的对数在P个样本上的拟合优度量度，所计算出的趋势线是所述信号的能量的对数的直线表示，其中拟合优度量度r(n)表示为：
Figure FDA0002513223840000021
其中，y(n)是所述输入信号的对数能量，
Figure FDA0002513223840000022
是所述趋势线的偏差，且
Figure FDA0002513223840000023
是所述趋势线的斜率，所述方法还包括：在检测到斜率
Figure FDA0002513223840000024
收敛到值
Figure FDA0002513223840000025
时发出所述命令。
20.根据权利要求17所述的方法，其中确定所述输入信号的能量的对数表示的线性度的量度包括：确定所述能量的对数的导数，所述方法还包括：在所述能量的对数的导数小于一阈值时，向所述增益调节器发出所述命令。
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