CN113015050A

CN113015050A - 具有抗噪机制的音频播放装置及方法

Info

Publication number: CN113015050A
Application number: CN201911328008.XA
Authority: CN
Inventors: 卓俊铭; 何维鸿
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: CN113015050B

Abstract

本发明包含具有抗噪机制的音频播放装置及方法。一种具有抗噪机制的音频播放装置，包含：收音电路、储存电路、滤波器控制电路、滤波器电路及音频播放电路。收音电路接收包含噪声的收音音频。储存电路储存滤波器参数。滤波器控制电路包含：噪声估测电路、噪声分布判断电路及参数产生电路。噪声估测电路接收收音音频并计算噪声的静态噪声功率频谱密度，使噪声分布判断电路据以判断噪声频谱分布。参数产生电路分析噪声频谱分布并据以撷取一组所选滤波器参数。滤波器电路根据该组所选滤波器参数对收音音频进行滤波，以产生抗噪音频。音频播放电路同时播放实际音频以及抗噪音频。

Description

具有抗噪机制的音频播放装置及方法

技术领域

本发明是关于音频播放技术，尤其是关于一种具有抗噪机制的音频播放装置及方法。

背景技术

为了让用户在聆听音乐时有更好的聆听效果，许多耳机设置有抗噪的机制，以避免环境的噪声对于聆听造成干扰。近年来耳机常配备有主动的抗噪机制，由麦克风接收噪声并依据滤波系数进行滤波打出反相的抗噪音频来抵消噪声的影响。

然而，耳机是属于携带型的产品，所需要面对的环境噪音会因为使用环境的不同会有明显的差异。如搭飞机、行走于马路上或是身处于室内，所听到的噪音基本上差异很大。固定滤波系数的抗噪架构可能无法适用于每个应用场景。而适应性随时动态调整各别滤波系数的抗噪架构由于目标是使麦克风所收到的声音最小，在麦克风的佩戴位置不同时会有较大的差异，无法真正反映噪声的特性。

发明内容

鉴于先前技术的问题，本发明的一目的在于提供一种具有抗噪机制的音频播放装置及方法，以改善先前技术。

本发明的一目的在于提供一种具有抗噪机制的音频播放装置及方法，针对噪声频谱分布的特性决定一组所选滤波器参数进行抗噪，既可真实反映噪声特性，亦可大幅降低运算复杂度。

本发明包含一种具有抗噪机制的音频播放装置，包含：收音电路、储存电路、滤波器控制电路、滤波器电路以及音频播放电路。收音电路配置以接收收音音频，收音音频包含噪声。储存电路配置以储存多组滤波器参数。滤波器控制电路包含：噪声估测电路、噪声分布判断电路以及参数产生电路。噪声估测电路配置以接收收音音频并计算噪声的静态(stationary)噪声功率频谱密度。噪声分布判断电路配置以根据静态噪声功率频谱密度判断噪声频谱分布。参数产生电路配置以分析噪声频谱分布并据以撷取该多组滤波器参数其中的一组所选滤波器参数。滤波器电路配置以根据该组所选滤波器参数对收音音频进行滤波，以产生抗噪音频。音频播放电路配置以同时播放实际音频以及抗噪音频。

本发明另包含一种具有抗噪机制的音频播放方法，应用于音频播放装置中，包含：使收音电路接收收音音频，收音音频包含噪声；使滤波器控制电路包含的噪声估测电路接收收音音频并计算噪声的静态噪声功率频谱密度；使滤波器控制电路包含的噪声分布判断电路根据静态噪声功率频谱密度判断噪声频谱分布；使滤波器控制电路包含的参数产生电路分析噪声频谱分布并据以撷取储存电路所储存的多组滤波器参数其中的一组所选滤波器参数；使滤波器电路根据该组所选滤波器参数对收音音频进行滤波，以产生抗噪音频；以及使音频播放电路同时播放实际音频以及抗噪音频。

有关本发明的特征、实作与功效，兹配合图式作较佳实施例详细说明如下。

附图说明

[图1]显示本发明的一实施例中的具有抗噪机制的音频播放装置的方块图；

[图2]显示本发明的一实施例中的滤波器控制电路更详细的方块图；

[图3]显示本发明的一实施例中的音频前处理电路更详细的方块图；

[图4]显示本发明的一实施例中的噪声频谱分布的能量以及多组滤波器参数所衰减的能量的波形图；以及

[图5]显示本发明的一实施例中的具有抗噪机制的音频播放方法的流程图。

具体实施方式

请参照图1。图1为本发明的一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放装置100的方块图。音频播放装置100包含：包含内部收音电路110A及外部收音电路110B的收音电路、储存电路120、滤波器控制电路130、包含反馈滤波器电路140A以及前馈滤波器电路140B的滤波器电路以及音频播放电路150。

于一实施例中，音频播放装置100是例如，但不限于耳机，并可包含一个外壳(housing，未绘示)。于一实施例中，用以进行音频处理与播放的电路如储存电路120、滤波器控制电路130、滤波器电路以及音频播放电路150是设置于外壳的内部。而对于收音电路而言，内部收音电路110A是设置于外壳的内部，外部收音电路110B则设置于外壳的外部。于一实施例中，音频播放电路150是一扬声器(speaker)，内部收音电路110A及外部收音电路110B分别是一麦克风。

收音电路配置以接收包含噪声的收音音频。更详细地说，于本实施例中，收音电路包含的内部收音电路110A由于设置于外壳的内部，而配置以接收外壳的内的内部收音音频AIA。相对的，收音电路包含的外部收音电路110B由于设置于外壳的外部，而配置以接收外壳的外的外部收音音频AOA。

于一实施例中，音频播放装置100可还包含模拟至数字转换电路160A(在图1中标示为A/D)以及减除电路170。模拟至数字转换电路160A配置以自内部收音电路110A接收模拟形式的内部收音音频AIA，并进行模拟至数字转换后产生数字形式的内部收音音频AID。由于在外壳内部的音频播放电路150所播放的实际音频XS(包含例如音乐或人声)也会被内部收音电路110A所收到，因此减除电路170将减除内部收音音频AID中对应于实际音频XS的部分，来产生实际内部收音音频AIS。

于一实施例中，为仿真自音频播放电路150播放到内部收音电路110A接收的路径的响应，音频播放装置100可还包含响应仿真电路180，以对实际音频XS进行对应该路径响应的滤波产生仿真实际音频XSS。减除电路170实际上是将内部收音音频AID以及仿真实际音频XSS进行相减，以产生实际内部收音音频AIS。

于一实施例中，音频播放装置100可还包含模拟至数字转换电路160B(在图1中标示为A/D)，配置以自外部收音电路110B接收模拟形式的外部收音音频AOA，并进行模拟至数字转换后产生数字形式的外部收音音频AOD。由于外部收音电路110B不会接收到外壳内部的音频播放电路150所播放的实际音频XS，因此不须对于外部收音音频AOD进行任何减除。

储存电路120配置以储存多组滤波器参数FP₁～FP_N。其中，每组滤波器参数FP₁～FP_N均在频域上具有不同的特性。举例而言，部分的滤波器参数FP₁～FP_N主要针对高频的噪声进行衰减，另一部分主要针对低频的信号进行衰减，又一部分可平均针对高频与低频的某些特定频率点进行衰减。

请同时参照图2。图2为本发明的一实施例中，滤波器控制电路130更详细的方块图。滤波器控制电路130包含：噪声估测电路200、噪声分布判断电路210以及参数产生电路220。

噪声估测电路200配置以接收收音音频，并计算收音音频中的噪声的静态(stationary)噪声功率频谱密度NPSD(noise power spectrum density)。

于一实施例中，噪声估测电路200所接收的收音音频实际上是包含上述的实际内部收音音频AIS和/或外部收音音频AOD。并且，且收音音频可通过音频前处理电路185的传送以及时域至频域的转换后，再由噪声估测电路200接收，估测实际内部收音音频AIS和/或外部收音音频AOD中的噪声的静态噪声功率频谱密度NPSD。其中，噪声可包含实际内部收音音频AIS中包含的内部噪声和/或外部收音音频AOD包含的外部噪声。

请同时参照图3。图3为本发明一实施例中，音频前处理电路185更详细的方块图。音频前处理电路185包含多任务器310与混合电路300。

于一实施例中，混合电路300包含第一滤波器320、第二滤波器330以及混合器340。第一滤波器320配置以对外部收音音频AOD进行滤波，第二滤波器330配置以对实际内部收音音频AIS进行滤波，而混合器340则配置以将第一滤波器320与第二滤波器330的滤波结果迭加产生混合音频AH。

举例而言，在一使用情境下，外部收音音频AOD中包含的外部噪声表现在高频部分较多，而实际内部收音音频AIS中包含的内部噪声表现在低频部分较多。因此，第一滤波器320以及第二滤波器330可分别为高频滤波器以及低频滤波器，将外部收音音频AOD的高频部分与实际内部收音音频AIS的低频部分撷取出来再由混合器340迭加成为混合音频AH。于另一实施例中，第一滤波器320以及第二滤波器330可分别对高频信号及低频信号乘上不同的权重(weighting)以进行定标(scaling)转换，将外部收音音频AOD的高频部分与实际内部收音音频AIS的低频部分经过不同权重后撷取出来，再由混合器340迭加成为混合音频AH。应可理解的是，上述第一滤波器320、第二滤波器330的滤波特性以及各权重的设定可依实际需求设计而调整，本发明不以此为限。

多任务器310配置以接收实际内部收音音频AIS及外部收音音频AOD，以选择其中之一，或是选择同时包含部分实际内部收音音频AIS及外部收音音频AOD的混合音频AH进行输出。在图中，多任务器310最终的输出结果是以AIS/AOD表示可择一的形式输出。于另一实施例中，多任务器310最终的输出结果是混合音频AH。

噪声估测电路200在接收到实际内部收音音频AIS和/或外部收音音频AOD后，将计算噪声的静态噪声功率频谱密度NPSD。于不同实施例中，噪声估测电路200可采用例如，但不限于语音增强技术中的频谱消去法(spectral subtraction)，并搭配各种噪声估测方法达到计算静态噪声功率频谱密度NPSD的目的。在一实施例中，藉由上述方法，实际内部收音音频AIS和/或外部收音音频AOD中非静态的部分将被视为语音，而静态的部分则被视为噪声。

噪声分布判断电路210配置以根据静态噪声功率频谱密度NPSD判断噪声频谱分布NSA。于一实施例中，噪声频谱分布NSA包含不同频率点上噪声的能量大小。

参数产生电路220配置以分析噪声频谱分布NSA并据以自储存电路120撷取该多组滤波器参数FP₁～FP_N其中的一组所选滤波器参数FPS。

于一实施例中，参数产生电路220配置以判断噪声频谱分布NSA中能量最大的P个频率点，以计算该多组滤波器参数FP₁～FP_N各自对应P个频率点的能量降低总量，并选择能量降低总量最大者作为该组所选滤波器参数FPS。其中，P为正整数。

请同时参照图4。图4为本发明一实施例中，噪声频谱分布NSA的能量以及多组滤波器参数FP₁～FP₃所衰减的能量的波形图。

其中，图4的上半部所绘示的为噪声频谱分布NSA的波形，其对应的X轴为频率，对应的Y轴为噪声功率，且噪声功率的数值为正值。图4的下半部所绘示的为滤波器参数FP₁～FP₃所衰减的能量的波形，其对应的X轴为频率，对应的Y轴为衰减功率。由于滤波器参数FP₁～FP₃是用以对噪声的能量进行衰减，因此其波形的数值为负值。

以P为1为例，参数产生电路220配置以判断噪声频谱分布NSA中能量最大的一个频率点。以图4中的噪声频谱分布NSA为例，参数产生电路220可预先设置搜寻的频率范围，边界频率点K_min至边界频率点K_max，例如对人耳影响较大的50赫兹～4千赫兹，并在此范围中找到最大能量频率点K_peak。

如图4所示，于本实施例中滤波器参数FP₁～FP₃的数目为3，然而本发明并不为此所限。参数产生电路220将计算各组滤波器参数FP₁～FP₃中对应最大能量频率点K_peak的能量降低总量。

实作上，参数产生电路220可例如，但不限于将第m组滤波器参数针对最大能量频率点K_peak计算依据参数降噪后的能量值PD与未降噪时的能量值PO间的降噪能量比例NRm[K_peak]，并表示为NRm[K_peak]＝PD/PO，或是再进一步以分贝形式表示为NRDBm[K_peak]＝10×log₁₀NRm[K_peak]。当比值NRm[K_peak]或是分贝形式NRDBm[K_peak]愈小，表示此组滤波器参数对应的能量降低总量愈大，而愈可能被选择而输出为所选滤波器参数FPS。

以图4的三组滤波器参数FP₁～FP₃为例，滤波器参数FP₁的波形中对应最大能量频率点K_peak可降低最多能量。因此参数产生电路220可选择滤波器参数FP₁输出。

于其他实施例中，当P为大于1的整数时，参数产生电路220可计算各组滤波器参数FP₁～FP_N对应前P个最大能量的不同频率点的能量降低总量。其中，此能量降低总量可为所有频率点对应的降噪能量比例相乘的结果，或是降噪能量比例以分贝形式表示后相加的结果。参数产生电路220将根据计算结果判断能量降低总量，并据以输出所选滤波器参数FPS。

在另一实施例中，参数产生电路220配置以计算该多组滤波器参数FP₁～FP_N个别对应的噪声功率比例。

其中，任一组滤波器参数FP₁～FP_N在噪声频谱分布NSA上具有多个关心频率点coef.m(例如降噪成效最好的频率点)。因此，噪声频谱分布NSA在这些关心频率点上的关心噪声功率总量可以下式表示：

∑_k∈coef.m[N[k]]² (式1)

而所有噪声频谱分布NSA上，从边界频率点K_min至边界频率点K_max的间的总噪声功率则可以下式表示：

因此，噪声功率比例如以R表示，可为(式1)中的关心噪声功率总量，相对(式2)中的总噪声功率的一比例：

因此，参数产生电路220进一步在该多组滤波器参数FP₁～FP_N中，选择噪声功率比例大于默认值者作为该组所选滤波器参数FPS。若没有任一组滤波器参数FP₁～FP_N的噪声功率比例大于默认值时，则选择一组预设的滤波器参数作为该组所选滤波器参数FPS。

滤波器电路包含的反馈滤波器电路140A以及前馈滤波器电路140B配置以根据该组所选滤波器参数FPS对噪声进行滤波，以产生抗噪音频。

于本实施例中反馈滤波器电路140A以及前馈滤波器电路140B将根据所选滤波器参数FPS，分别对内部收音音频AID以及外部收音音频AOD进行滤波，产生反馈抗噪音频FAS以及前馈抗噪音频BAS。

音频播放电路150配置以同时播放实际音频XS以及包含前馈抗噪音频BAS以及反馈抗噪音频FAS的抗噪音频。

于一实施例中，音频播放装置100还包含合成电路190以及数字至模拟转换电路195(在图1中标示为D/A)。合成电路190配置以将实际音频XS、前馈抗噪音频BAS以及反馈抗噪音频FAS进行迭加，再由数字至模拟转换电路195将迭加结果进行数字至模拟转换并传送至音频播放电路100进行播放。

因此，本发明的音频播放装置100可藉由计算获得收音音频中的静态噪声功率频谱密度，进而在判断噪声频谱分布后撷取针对噪声频谱分布的特性的一组所选滤波器参数进行抗噪，不需要随时进行复杂的计算调整滤波器参数。一方面可真实地反映噪声的特性，一方面可在间隔较长时间后再依不同环境下的噪声频谱分布切换不同组的所选滤波器参数，避免频繁切换造成的不自然听觉感受。

需注意的是，在图1的音频播放装置100是同时绘示出以前馈机制与后馈机制进行抗噪的架构。于其他实施例中，音频播放装置100可选择性地仅设置对应前馈机制的外部收音电路110B与前馈滤波器电路140B，或是仅设置对应反馈机制的内部收音电路110A与反馈滤波器电路140A，以择一达到抗噪的目的。

请参照图5。图5为本发明一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放方法500的流程图。

除前述装置外，本发明另揭露一种具有抗噪机制的音频播放方法500，应用于例如，但不限于图1的音频播放装置100中。音频播放方法500的一实施例如图5所示，包含下列步骤：

S510：使收音电路接收收音音频，收音音频包含噪声。

于一实施例中，收音电路包含内部收音电路110A和/或外部收音电路110B，以接收包含内部收音音频AIA和/或外部收音音频AOD的收音音频。

S520：使滤波器控制电路130包含的噪声估测电路200接收收音音频并计算噪声的静态噪声功率频谱密度NPSD。

于一实施例中，内部收音音频AIA可在进行模拟至数字转换以及减除实际音频XS的成分后成为实际内部收音音频AIS，外部收音音频AOD可在进行模拟至数字转换后成为外部收音音频AOD。在音频前处理电路185处理后，实际内部收音音频AIS和/或外部收音音频AOD可由噪声估测电路200接收，并据以计算噪声的静态噪声功率频谱密度NPSD。

S530：使滤波器控制电路130包含的噪声分布判断电路210根据静态噪声功率频谱密度NPSD判断噪声频谱分布NSA。

S540：使滤波器控制电路130包含的参数产生电路220分析噪声频谱分布NSA并据以撷取储存电路120所储存的多组滤波器参数FP₁～FP_N其中的一组所选滤波器参数FPS。

于一实施例中，参数产生电路220可自多组滤波器参数FP₁～FP_N中，选择对于噪声频谱分布NSA具有最佳的衰减效果者，来作为该组所选滤波器参数FPS。于另一实施例中，参数产生电路220判断各多组滤波器参数FP₁～FP_N中对应的关心频率点在噪声频谱分布NSA上具有最多噪声成分者，来作为该组所选滤波器参数FPS。

S550：使滤波器电路根据该组所选滤波器参数FPS对收音音频进行滤波，以产生抗噪音频。

于一实施例中，滤波器电路包含前馈滤波器电路140B和/或反馈滤波器电路140A，分别对外部收音音频AOD以及内部收音音频AID进行滤波，产生包含前馈抗噪音频BAS和/或反馈抗噪音频FAS的抗噪音频。

S560：使音频播放电路150同时播放实际音频XS以及抗噪音频。

需注意的是，上述的实施方式仅为一范例。于其他实施例中，本领域的通常知识者当可在不违背本发明的精神下进行更动。

综合上述，本发明中的音频播放装置及方法可针对噪声频谱分布的特性决定一组所选滤波器参数进行抗噪，既可真实反映噪声特性，亦可大幅降低运算复杂度。

虽然本发明的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的权利要求所界定者为准。

【符号说明】

100 音频播放装置

110A 内部收音电路

110B 外部收音电路

120 储存电路

130 滤波器控制电路

140A 反馈滤波器电路

140B 前馈滤波器电路

150 音频播放电路

160A、160B 模拟至数字转换电路

170 减除电路

180 响应仿真电路

185 音频前处理电路

190 合成电路

195 数字至模拟转换电路

200 噪声估测电路

210 噪声分布判断电路

220 参数产生电路

300 混合电路

310 多任务器

320 第一滤波器

330 第二滤波器

340 混合器

500 音频播放方法

S510～S560 步骤

AH 混合音频

AIA、AID 内部收音音频

AIS 实际内部收音音频

AOA、AOD 外部收音音频

BAS 前馈抗噪音频

FAS 反馈抗噪音频

FP₁～FP_N 滤波器参数

FPS 所选滤波器参数

K_min、K_max 边界频率点

K_peak 最大能量频率点

NPSD 静态噪声功率频谱密度

NSA 噪声频谱分布

XS 实际音频

XSS 仿真实际音频。

Claims

1.一种具有抗噪机制的音频播放装置，包含：

一收音电路，配置以接收一收音音频，该收音音频包含一噪声；

一储存电路，配置以储存多组滤波器参数；

一滤波器控制电路，包含：

一噪声估测电路，配置以接收该收音音频并计算该噪声的一静态噪声功率频谱密度；

一噪声分布判断电路，配置以根据该静态噪声功率频谱密度判断一噪声频谱分布；以及

一参数产生电路，配置以分析该噪声频谱分布并据以撷取该多组滤波器参数其中的一组所选滤波器参数；

一滤波器电路，配置以根据该组所选滤波器参数对该收音音频进行滤波，以产生一抗噪音频；以及

一音频播放电路，配置以同时播放一实际音频以及该抗噪音频。

2.如权利要求1所述的音频播放装置，其中该音频播放电路设置于一外壳的内部，该收音电路包含一外部收音电路和/或一内部收音电路，其中该外部收音电路设置于该外壳的外部并接收包含一外部噪声的一外部收音音频，该内部收音电路设置于该外壳的内部并接收包含一内部噪声的一内部收音音频。

3.如权利要求2所述的音频播放装置，还包含一减除电路，配置以减除该内部收音音频中对应于该实际音频的部分，以由该噪声估测电路根据减除后的一实际内部收音音频撷取该内部噪声。

4.如权利要求3所述的音频播放装置，还包含一音频前处理电路，在该收音电路同时包含该外部收音电路以及该内部收音电路时，配置并选择该外部收音音频与该实际内部收音音频其中之一或是该外部收音音频与该实际内部收音音频混合的一混合音频，再由该噪声估测电路接收。

5.如权利要求3所述的音频播放装置，其中，该滤波器电路包含一前馈滤波器电路和/或一反馈滤波器电路，该前馈滤波器电路配置以根据该组所选滤波器参数对该外部收音音频进行滤波，以产生该抗噪音频包含的一前馈抗噪音频，该反馈滤波器电路配置以根据该组所选滤波器参数对该内部收音音频进行滤波，以产生该抗噪音频包含的一反馈抗噪音频。

6.如权利要求1所述的音频播放装置，其中，该参数产生电路配置以判断该噪声频谱分布中能量最大的P个频率点，以计算该多组滤波器参数各自对应该P个频率点的一能量降低总量，并选择该能量降低总量最大者作为该组所选滤波器参数。

7.如权利要求1所述的音频播放装置，其中，该参数产生电路配置以计算该多组滤波器参数各自对应的一噪声功率比例，其中该噪声功率比例为各该多组滤波器参数在该噪声频谱分布上的多个关心频率点的一关心噪声功率总量，且该关心噪声功率总量相对所有该噪声频谱分布的一总噪声功率的一比例；

该参数产生电路进一步在该多组滤波器参数中选择该噪声功率比例大于一默认值者作为该组所选滤波器参数。

8.一种具有抗噪机制的音频播放方法，包含：

使一收音电路接收一收音音频，该收音音频包含一噪声；

使一滤波器控制电路包含的一噪声估测电路接收该收音音频并计算该噪声的一静态噪声功率频谱密度；

使该滤波器控制电路包含的一噪声分布判断电路根据该静态噪声功率频谱密度判断一噪声频谱分布；

使该滤波器控制电路包含的一参数产生电路分析该噪声频谱分布并据以撷取一储存电路所储存的多组滤波器参数其中的一组所选滤波器参数；

使一滤波器电路根据该组所选滤波器参数对该收音音频进行滤波，以产生一抗噪音频；以及

使一音频播放电路同时播放一实际音频以及该抗噪音频。

9.如权利要求8所述的音频播放方法，还包含：

使该参数产生电路判断该噪声频谱分布中能量最大的P个频率点，以计算该多组滤波器参数各自对应该P个频率点的一能量降低总量，并选择该能量降低总量最大者作为该组所选滤波器参数。

10.如权利要求8所述的音频播放方法，还包含：

使该参数产生电路计算该多组滤波器参数各自对应的一噪声功率比例，其中该噪声功率比例为各该多组滤波器参数在该噪声频谱分布上的多个关心频率点的一关心噪声功率总量，且该关心噪声功率总量相对所有该噪声频谱分布的一总噪声功率的一比例；以及

使该参数产生电路进一步在该多组滤波器参数中选择该噪声功率比例大于一默认值者作为该组所选滤波器参数。