CN111866662B - 用于主动式降噪的调校方法以及相关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于主动式降噪的调校方法以及相关电路，主动式降噪电路，包含：音频产生电路；音频输入单元，用以传送待播音频或声音测试信号，以作为第一时域信号；音频接收器，用以接收环境声音，以作为第二时域信号，其中该环境声音是对应于该待播音频或该声音测试信号；以及信道估测单元，用以接收该第一时域信号以及该第二时域信号，并且分别对该第一时域信号以及该第二时域信号进行时域‑频域转换，以取得第一频域信号以及第二频域信号，以及根据该第一频域信号与该第二频域信号来产生频率响应；其中该频率响应是用来调整该主动式降噪电路的主动式降噪系数，以优化降噪效果。

Description

用于主动式降噪的调校方法以及相关电路

技术领域

本发明涉及一种音频调校方法以及相关电路，尤其涉及一种能够改善主动式降噪(Active noise cancellation，ANC)耳机的降噪效果的方法以及相关电路。

背景技术

使用耳机聆听音乐时，降噪功能是极为重要的环节，其中被动式降噪是通过耳机本身的材质或构造来稍微降低噪音最后传到人耳的音量，然而对于特定类型的声音(例如一些较不悦耳的声音)则没有太大的改善。相对于被动式降噪，主动式降噪效果要比被动式降噪显著许多，也因此越来越多耳机产品使用到主动式降噪的技术。

在主动式降噪耳机的产品开发上，首要面临的难题即是需要精准调校的降噪程度，这需要考虑耳机结构、组件、耳塞/耳罩等材质对于环境噪音所造成的响应，这些响应也常被称为主路径响应(Primary path response)。然而，只考虑主路径响应是不够的，次路径响应(Secondary path response)以及回授路径抵消(feedback path neutralization，FBPN)响应也是恶化主动式降噪效果的很大因素。

对此，现有技术对于次路径响应的解决方案需要通过最小均方(Least MeanSquare，LMS)算法去收敛，然而，这些做法难免都会面临收敛速度、收敛稳定性、收敛后的准确度的取舍。

综上所述，需要一种新颖的方法来解决上述问题，以提升主动式降噪耳机的降噪效果。

发明内容

有鉴于以上问题，本发明提供一种声音处理方法，能够快速且准确地对次路径响应以及回授路径抵消响应进行估测，并且可以轻易地套用在FIR(finite impulseresponse，FIR)或IIR(infinite impulse response，IIR)滤波器架构上。本发明能够在无副作用或是仅有较低副作用的情况下解决现有技术所面临的问题。

本发明的一实施例提供了一种主动式降噪电路，其可应用于一电子装置。该主动式降噪电路包含一音频产生电路、一音频输入单元、一音频接收器以及一信道估测单元。该音频输入单元是用以传送一待播音频或一声音测试信号，以作为一第一时域信号；该音频接收器是用以接收环境声音以作为一第二时域信号，其中该环境声音是对应于该待播音频或该声音测试信号；该信道估测单元是用以接收该第一时域信号以及该第二时域信号，并且分别对该第一时域信号以及该第二时域信号进行时域-频域转换，以取得一第一频域信号以及一第二频域信号，以及根据该第一频域信号与该第二频域信号来产生一频率响应。其中，该频率响应是用来调整该主动式降噪电路的一主动式降噪系数，以优化降噪效果。

本发明的一实施例提供了一种主动式降噪调校方法，其可应用于一主动式降噪电路。该主动式降噪电路包含一音频接收器以及一音频产生电路，且该音频接收器用以收音。该主动式降噪调校方法包含：根据一待播音频或一声音测试信号来产生一第一时域信号；根据一音频接收器所收到的环境声音来产生一第二时域信号，其中该环境声音对应于该待播音频或该声音测试信号；分别对该第一时域信号以及该第二时域信号进行时域-频域转换，以取得一第一频域信号以及一第二频域信号；根据该第一频域信号与该第二频域信号来产生一频率响应；以及根据该频率响应来调整该主动式降噪电路的一主动式降噪系数，以优化降噪效果。

附图说明

图1是根据本发明实施例计算耳机的滤波系数的架构图。

图2是响应估测单元的内部运作方框图。

图3是根据本发明实施例的对主动式降噪调校方法的流程图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求范围当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的权利要求范围并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在整篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」是一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

请参考图1，图1是根据本发明实施例计算主动式降噪电路100的滤波系数的架构图，其中主动式降噪电路100应用于一电子装置10，电子装置10可设计为一耳机本体，或是可设计为音响系统的一部分或全部。如图1所示，电子装置10包含内部/外部麦克风110(后续简称麦克风)及扬声器160，两者皆耦接于主动式降噪电路100。主动式降噪电路100可包含模拟数字转换器(在图中标示A/D)120、数字模拟转换器(在图中标示D/A)130及处理电路150。内部/外部麦克风110可以是位于电子装置10表面的外部麦克风，或是内置于电子装置10的内部麦克风。在一实施例中，内部/外部麦克风110可以是一数字形式的内部/外部麦克风，不需经由模拟数字转换器120即可直接输出数字声音信号。模拟数字转换器120用以将内部/外部麦克风110录到的模拟声音转换成数字信号，并且传给处理电路150进行处理。之后，处理电路150将处理过的数字信号传给数字模拟转换器130，数字模拟转换器130会据以产生模拟的声音，经由扬声器160播放再由人耳170接收。在另一实施例中，主动式降噪电路100是一数字电路，模拟数字转换器120及数字模拟转换器130包含于电子装置10或其他电路中。

一般来说，次路径(secondary path)响应或是回授路径抵消(feedback pathneutralization，FBPN)响应必须在耳机是正常配戴的时候进行测量，然而，除了利用实际人耳配戴的方式来测量，也可藉通过设置人工头(或人工耳)装置来仿真用户实际聆听的情境，例如，可将图1中的人耳170置换为人工耳。此外，优选的情况是能在消声室(anechoicchamber)或是在有适当的隔音的环境下进行测量，对于测量FBPN响应会有更好的效果。

处理电路150包含一响应估测单元(Response Estimator)152以及滤波拟合(filtering fitting)单元154。响应估测单元152用以获取待播放的时域信号(也即要输出至模拟数字转换器120的声音信号)与麦克风110所接收到的时域信号(也即麦克风所录到的背景声音或环境声音)，并且一并对两者进行响应估测，由此产生了频率响应的向量，其代表的频域上某些特定频率点的响应。之后，滤波拟合单元154进行滤波拟合以产生滤波系数(当麦克风110是内部麦克风时，估得的滤波系数以

表示)；或者，当麦克风110是外部麦克风时，估得的滤波系数以

表示)。所产生的滤波系数可用于主动式降噪电路所使用的反相相消波形作进一步调整，使得反相相消波形有更精确的振幅以及相位，如此一来，主动式降噪电路100对于噪音可有更好的消除效果，尤其是针对次路径响应以及FBPN响应的部分，其中所产生的滤波系数(

或

)即可作为调整后的主动式降噪系数，供主动式降噪电路100进行后续的使用。

本发明通过麦克风收音与耳机播音不同步，正是次路径响应与FBPN所要估得的响应，而响应可包括相位上的分量(例如耳机播出去后要延迟多久才会被麦克风收到)，以及能量上的分量(例如增益的变化量)，响应必须估计的准确才能得到准确的反向抵消波形。举例来说，以内部麦克风模拟真实耳朵，假设外部声音到内部麦克风的响应为P(z)，耳机喇叭到内部麦克风的响应即为次路径响应S[z]，所以理想上，前向回馈式(feedforward)的主动式降噪滤波器要尽可能逼近-P[z]/S[z]，若S[z]估得不准确就会产生不正确的反向抵消波形。

请进一步参考图2，图2是响应估测单元152的内部运作方框图，如图2所示，音频输入单元210包含一多任务器206，多任务器206会选择输出所要播放的音频/声音，或输出音频产生器205所产生的信号(可为一声音测试信号，以供进行本发明降噪系数的调校)，接着会提供时域信号T1给转换单元220以进行离散傅立叶变换(discrete Fourier transform，DFT)或短时傅立叶变换(short-time Fourier transform，STFT)，并对应地产生经转换后的频域信号P[m,k]给信道估测单元240。另一方面，由音频接收器270(耦接自电子装置10的内部/外部麦克风110)收到的环境声音(时域信号T2)也会被传送至转换单元230来进行DFT/STFT的处理，并对应地产生转换后的频域信号Y[m,k]给信道估测单元240，其中时域信号T1与时域信号T2可以是同一时间的两笔时域信号。请注意，虽然转换单元220、转换单元230在以上范例中被描述为两个独立的组件，但本发明也可将转换单元220、转换单元230整合为同一组件。最后，由信道估测单元240对接收到的频域信号P[m,k]、频域信号Y[m,k]进行信道估测。其中，信道估测单元240是一正交分频多任务(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)信道估测单元，尤其是可为一引导辅助(pilot-aided)正交分频多任务信道估测单元。

在进行降噪系数校正时，除了利用音频产生器205所产生的声音测试信号作为样本外，也可利用所要播放的音频/声音来作为样本，其中声音测试信号可以是单频声音或是多频声音，被转换单元220转到频域之后，可与来自音频接收器270(即来自电子装置10的内部/外部麦克风110)的输入信号一起进行正交分频多任务(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)信道估测来产生一频率响应。之后，所产生的频率响应会传给滤波拟合单元154，并由滤波拟合单元154产生一滤波系数来改善降噪操作。由于OFDM技术已是本领域熟知的技术，相关细节在此省略。

详细而言，待播音频以及声音测试信号可包含位于不同频率区段的多种特征，例如可包含：介于0～200Hz的一第一特征、介于200Hz～500Hz的一第二特征以及位于500Hz以上的一第三特征，其中该第一特征可为100Hz、该第二特征可为300Hz，且该第三特征可为500Hz，但本发明不限于此。

本发明将上述时域信号T1、时域信号T2转为频域信号P[m,k]、频域信号Y[m,k]的主要目的是为了估测响应，使用频域的计算量会比较简单，因为时域的卷积(convolution)运算转到频域变成了简单的乘法运算。其中，m是时间的索引值(index)，k是频率的索引值。在进行OFDM运算时，可挑选各个时间点能量较强的频率来作为OFDM系统中的引导音频(pilot tone)。接着，在已经得到引导音频以及频域信号P[m,k]、频域信号Y[m,k]的情况下，便可使用本领域熟知的引导辅助OFDM信道估测，如以下方程式所示，其中

是所要输出的频率响应。

必须注意的是，相较于Y[m,k]，P[m,k]必须有一定程度的大小(也即P[m,k]不宜比Y[m,k]小太多，或|P[m，k]|必须大于一临界值)，否则当Y[m,k]不够干净时(也即有别的频率的信号可能通过麦克风漏过来时)，会影响到运算结果。此外，本发明不限定在响应估测单元152取得频域信号P[m,k]、频域信号Y[m,k]之后只能通过信道估测单元240来计算出频率响应，也即，本发明不排除以OFDM以外的方式来推算出频域信号P[m,k]、频域信号Y[m,k]之间的频域响应。

本发明并不限制所使用的滤波拟合(filter fitting)技术，目前已有众多相关技术(例如MATLAB的invfreqz功能)可以使用。在实际操作上，本发明的滤波器可采用IIR滤波器或FIR滤波器。

本发明上述方法的应用层面极广，并且至少包含以下情境：

(1)上述方法可应用在使用者平时使用主动式降噪耳机的实时运算，使用者可以针对当下的环境，对主动式降噪耳机进行降噪系数上的校正；

(2)上述方法可以在主动式降噪耳机开机时进行，并于初始的开机校正阶段完成运算；以及

(3)上述方法可以用来决定出厂时的默认降噪系数，相较之下，现有技术需要高精度的仪器来测量出次路径响应(Secondary path response)以及回授路径抵消(FBPN)响应，才能决定出够准确的默认降噪系数，这无疑比本发明多出许多硬件上的成本。

值得注意的是，以上三种情境也可搭配运用，例如使用者可以仅依赖主动式降噪耳机开机时的自我校正，并于之后沿用校正后的结果；此外，用户也可于产品已使用一段时间后，自行触发对产品的校正。

此外，本发明的方法、电路及装置并不局限只适用于耳机降噪，举例来说，包含主动式降噪电路100的耳机装置可用家用音响或车用音响系统来实现，而相关方法可以用来进行室内或车内降噪，因为家用音响或车用音响也可播放出与噪音反向的音频来达到降噪效果。相较于本发明，若要进行室内或车内降噪，现有技术必须另行针对不同室内或车辆去个别研发能够测量出次路径响应以及FBPN响应的设备。

请参考图3，图3是根据本发明实施例的对主动式降噪调校方法300的流程图。请注意，假如可获得实质上相同的结果，则这些步骤并不一定要遵照图3所示的执行次序来执行。图3所示的方法可被图1电子装置10的主动式降噪电路100以及前述的音响系统所采用，并可简单归纳如下：

步骤302：开始。

步骤304：根据一待播音频或一声音测试信号来产生一第一时域信号，并且根据一音频接收器所收到的环境声音来产生一第二时域信号，其中该环境声音对应于该待播音频或该声音测试信号(也即，麦克风收到的噪音是理想上是要同步于待播出的音频，但实际上，相位会比待播出的音频略为领先)；

步骤306：分别对该第一时域信号以及该第二时域信号进行时域-频域转换，以取得一第一频域信号以及一第二频域信号；

步骤308：根据该第一频域信号与该第二频域信号来产生一频率响应；以及

步骤310：根据该频率响应来调整主动式降噪电路的一主动式降噪系数，以优化降噪效果。

其中，步骤304的第一时域信号与第二时域信号是获取同一时间的两笔数据，然而本发明不限于此。综上所述，本发明能够有效解决现有技术的主动式降噪技术无法妥善解决的次路径响应以及回授路径抵消响应等问题，且采用本发明的方法并不需要使用到昂贵的校正仪器，故本发明可在不增加成本的情况下达到良好效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

【符号说明】

10 电子装置

100 主动式降噪电路

110 内部/外部麦克风

120 模拟数字转换器

130 数字模拟转换器

150 处理电路

160 扬声器

170 人耳

152 响应估测单元

154 滤波拟合单元

210 音频输入单元

206 多任务器

205 音频产生器

220、230 转换单元

240 信道估测单元

270 音频接收器

T1、T2 时域信号

P[m,k]、Y[m,k] 频域信号

300 方法

302～310 步骤。

Claims (8)

1.一种主动式降噪电路，应用于一电子装置，包含：

一音频输入单元，用以传送一待播音频或一声音测试信号，以作为一第一时域信号；

一音频接收器，用以接收环境声音，以作为一第二时域信号，其中该环境声音对应于该待播音频或该声音测试信号，并且该环境声音的相位不同步于该待播音频或该声音测试信号；以及

一信道估测单元，用以接收该第一时域信号以及该第二时域信号，并且分别对该第一时域信号以及该第二时域信号进行时域-频域转换，以取得一第一频域信号以及一第二频域信号，以及根据该第一频域信号与该第二频域信号来产生一频率响应；

其中，该频率响应被传送至一滤波拟合单元，且该滤波拟合单元据以产生一滤波系数来改善该主动式降噪电路的一主动式降噪系数，

其中，该滤波拟合单元用以根据该滤波系数产生一调整后的主动式降噪系数并将该调整后的主动式降噪系数回馈给该待播音频或该声音测试信号，用以计算该第一时域信号与该第二时域信号相位上的差距。

2.根据权利要求1所述的主动式降噪电路，其中，该第一时域信号与该第二时域信号是同一时间的两笔时域信号。

3.根据权利要求1所述的主动式降噪电路，其中，该待播音频以及该声音测试信号包含：

介于0～200Hz的一第一特征；

介于200Hz～500Hz的一第二特征；以及

位于500Hz以上的一第三特征。

4.根据权利要求1所述的主动式降噪电路，还包含：

一多任务器，用来从该待播音频或该声音测试信号中选取一者来作为该第一时域信号。

5.根据权利要求1所述的主动式降噪电路，还包含；

一转换单元，用以分别对该第一时域信号以及该第二时域信号进行离散傅立叶变换或短时傅立叶变换以取得该第一频域信号以及该第二频域信号。

6.根据权利要求5所述的主动式降噪电路，其中，该信道估测单元是根据该第一频域信号与该第二频域信号来进行正交分频多任务信道估测，以产生该频率响应。

7.根据权利要求1所述的主动式降噪电路，其中，该电子装置包含一扬声器，其中该频率响应用以调整该主动式降噪电路的主动式降噪系数以降低环境噪音、次路径响应及/或回授路径抵消响应对于该扬声器所要播放的音频的影响。

8.一种主动式降噪调校方法，应用于一主动式降噪电路，该主动式降噪电路包含一音频接收器以及一音频输入单元，该音频接收器用以收音，该主动式降噪调校方法包含：

根据一待播音频或一声音测试信号来产生一第一时域信号；

根据一音频接收器所收到的环境声音来产生一第二时域信号，其中该环境声音对应于该待播音频或该声音测试信号，并且该环境声音的相位不同步于该待播音频或该声音测试信号；

分别对该第一时域信号以及该第二时域信号进行时域-频域转换，以取得一第一频域信号以及一第二频域信号；

根据该第一频域信号与该第二频域信号来产生一频率响应；以及

其中，该频率响应被传送至一滤波拟合单元，且该滤波拟合单元据以产生一滤波系数来改善该主动式降噪电路的一主动式降噪系数，

其中，该滤波拟合单元用以根据该滤波系数产生一调整后的主动式降噪系数并将该调整后的主动式降噪系数回馈给该待播音频或该声音测试信号，用以计算该第一时域信号与该第二时域信号相位上的差距。

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