CN113395627A - 一种双二阶型复合主动降噪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双二阶型复合主动降噪装置，包括分别与控制器电连接的参考MiC、误差MiC、扬声器；参考MiC接收环境噪声，误差MiC接收误差噪声；控制器处理环境噪声以产生反相噪声控制信号供扬声器播放；控制器包括双二阶ANC前馈双二阶ANC滤波器、双二阶ANC反馈双二阶ANC滤波器和加法器。在确保前馈ANC装置和反馈ANC装置的优点的同时，本发明降低复合ANC装置的成本和复杂度。

Description

一种双二阶型复合主动降噪装置
技术领域
本发明涉及主动降噪技术领域，具体涉及一种双二阶型复合主动降噪装置。
背景技术
当前，耳机所用的主动降噪(ANC)装置有三种类型，即前馈式ANC装置、反馈式ANC装置、以及复合式ANC装置(前馈式ANC装置和反馈式ANC装置的结合)。这三种类型的装置在降噪能力和功耗、耳机性能和成本、以及处理延迟和降噪带宽方面采用不同的折衷方案。
前馈ANC装置的工作原理是生成反相ANC信号以将接收到的噪声相位反转，从而最终抵消该接收到的噪声。参考麦克风(MIC)接收环境噪声，并通过耳机内的ANC数字滤波器构造反相ANC信号，其中该反相ANC信号和接收到的噪声会在耳道内互相抵消。具体地，ANC数字滤波器主要补偿MIC/扬声器响应和耳机响应之间的差异，并均衡失真的耳机响应。
反馈式ANC装置的工作原理是对接收到的残余噪声进行处理，然后使用反馈自适应滤波器构造反相ANC信号以抵消该接收到的噪声。反馈自适应滤波器的预测特性使得其只能处理规则噪声源。如果反馈自适应滤波器处理的是不规则噪声，则该反馈自适应滤波器的发散性可能会造成误差增强。
复合ANC装置是前馈ANC装置和反馈ANC装置的结合，因此兼具二者的优点。复合ANC装置通常具有一对MICs，分别用于前馈和反馈部分的处理。前馈部分使用参考MiC通过前馈双二阶ANC滤波器生成反相ANC信号，而反馈部分使用误差MiC处理接收到的残余噪声，然后使用反馈双二阶ANC滤波器构造反相ANC信号。由于同时使用前馈ANC装置和反馈ANC装置，复合ANC装置的最终成本和复杂度更高。因此，对复合ANC装置设计者来说，重要的是如何降低复合ANC装置的成本和复杂度。
发明内容
本发明提供一种成本和复杂度较低的双二阶型复合主动降噪装置。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种双二阶型复合主动降噪装置，包括分别与控制器电连接的参考MiC、误差MiC、扬声器；参考MiC接收环境噪声，误差MiC接收误差噪声；控制器处理环境噪声以产生反相噪声控制信号供扬声器播放；控制器包括双二阶ANC前馈双二阶ANC滤波器、双二阶ANC反馈双二阶ANC滤波器和加法器。
优选的，所述前馈双二阶ANC滤波器F1从参考MiC处接收并处理参考信号，以向加法器F3输出控制噪声信号；所述反馈双二阶ANC滤波器F2接收并处理来自误差MiC的误差信号，以向加法器输出控制噪声信号；然后，加法器将来自前馈双二阶ANC滤波器和反馈双二阶ANC滤波器的控制噪声信号进行叠加，由加法器产生的输出信号被传输到扬声器。
优选的，所述前馈双二阶ANC滤波器包括初级路径滤波器、自适应滤波器和双二阶数字滤波器；输入自适应滤波器输入来自参考MiC经初级路径滤波器滤波的参考信号和来自误差MiC的误差信号，调整双二阶数字滤波器的滤波系数对来自参考MiC的参考信号实施处理然后输出至加法器。
优选的，所述反馈双二阶ANC滤波器包括次级路径滤波器、自适应滤波器、双二阶数字滤波器、次级路径滤波器和加法器；自适应滤波器输入来自误差MiC的误差信号和次级路径滤波器输出，控制双二阶数字滤波器(F23)处理加法器信号输出至加法器；加法器的输入是来自误差MiC的误差信号和经次级路径滤波器滤波的加法器输出。
优选的，所述数字滤波器使用滤波器-x LMS(FxLMS)算法来补偿初级路径滤波器F11响应失真。
优选的，所述双二阶数字滤波器执行如下滤波功能
Figure BDA0003107799110000021
优选的，其更新滤波器系數的方法在于只更新b0[n],b1[n],b2[n].更新方法在于根据初级路径滤波器(F11)或次级路径滤波器(F21)路径的输出及误差MIC(20)的大小。
优选的，所述参考MiC和误差MiC是麦克风、拾音器或其他能够接收环境噪声的模拟/数字装置。
优选的，所述扬声器传输反相噪声控制信号以中和环境噪声；扬声器包括扬声器单元和连接到扬声器单元的驱动单元；驱动单元从加法器接收数字信号，并将该数字信号转换成用于驱动单元的模拟信号。
优选的，所述加法器,包含加法或减法可进行叠加或相减或將各输入讯号乘上权重后进行叠加或相减。
本发明的有益效果在于，在确保前馈ANC装置和反馈ANC装置的优点的同时，降低复合ANC装置的成本和复杂度。
附图说明
图1是本发明的双二阶型复合主动降噪装置功能框图一；
图2是本发明的双二阶型复合主动降噪装置功能框图二；
图3是本发明的双二阶型复合主动降噪装置电原理框图；
图4是本发明的双二阶型复合主动降噪装置的双二阶ANC滤波器电路图一；
图5是本发明的双二阶型复合主动降噪装置的双二阶ANC滤波器电路图二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明可应用于个人音响设备，诸如有线耳机、智能手机、无线耳机及其他与音频相关的耳机，本发明对此不作限定。本发明中的控制器可以由一个或多个芯片构成。在其他实施例中，控制器可以实现为音频装置(例如，移动设备)，或者集成在用于无线耳机、头戴式耳机的音频芯片中，本发明对此不作限定。具体地，控制器可以是微处理器、数字信号处理器或其他类似的处理器，本发明对此不作限定。
图1是本实施例的一种双二阶型复合主动降噪装置的功能框图。
如图1所示，双二阶型复合主动降噪装置100包括参考MiC 10、误差MiC 20、扬声器30、和控制器40，其中参考MiC 10、误差MiC 20、扬声器30和控制器40之间的连接关系可以参考图1，因此为了简洁起见，不再对其作进一步描述。
参考MiC 10主要用于接收环境噪声。具体地，控制器40处理环境噪声以产生反相噪声控制信号供扬声器30播放。参考MiC 10可以是麦克风、拾音器或其他能够接收环境噪声的模拟/数字装置。
误差MiC 20主要用于接收误差噪声。误差MiC 20通常位于能够正常接收环境噪声的范围内。误差MiC 20接收到的噪声等于扬声器30输出的反相ANC信号。在本发明中，反相ANC信号称为误差信号。与参考MiC 10类似，误差MiC 20也可以是麦克风、拾音器或其他能够接收环境噪声的模拟/数字装置。
扬声器30用于传输反相噪声控制信号，该信号可用于中和环境噪声。图2扬声器30包括扬声器单元31和连接到扬声器单元31的驱动单元32。驱动单元32从加法器F3接收数字信号，并将该数字信号转换成用于驱动单元31的模拟信号。
控制器40通过专用引脚连接至参考MiC 10、误差MiC 20和扬声器30，使互连信号能够被进一步处理。具体地，控制器40包括双二阶ANC前馈双二阶ANC滤波器F1、双二阶ANC反馈双二阶ANC滤波器F2和加法器F3。此外，双二阶ANC前馈双二阶ANC滤波器F1、双二阶ANC反馈双二阶ANC滤波器F2和加法器F3的功能可以集成到一个处理器中或者由多个处理器协作实现，本发明对此不作限定。
如图2所示，该前馈双二阶ANC滤波器F1从参考MiC 10处接收参考信号，并通过前馈双二阶ANC滤波器F1处理该参考信号以向加法器F3输出控制噪声信号。反馈双二阶ANC滤波器F2接收来自误差MiC 20的误差信号，并通过反馈双二阶ANC滤波器F2处理该误差信号以向加法器F3输出控制噪声信号。然后，加法器F3将来自前馈双二阶ANC滤波器F1和反馈双二阶ANC滤波器F2的控制噪声信号进行叠加，由加法器F3产生的输出信号被传输到扬声器30。
图3提供了前馈双二阶ANC滤波器F1和反馈双二阶ANC滤波器F2的具体实现方式。前馈双二阶ANC滤波器F1包括初级路径滤波器F11、自适应滤波器F12和双二阶数字滤波器F13。初级路径滤波器F11由噪声控制信号y(n)和误差信号e(n)之间的路径定义，其中前馈双二阶ANC滤波器F1中的路径用于适当补偿输入信号x(n)(即环境噪声)以产生参考信号。自适应滤波器F12利用误差信号和参考信号来调整双二阶数字滤波器F13的滤波器系数。自适应滤波器F12可以是最小均方误差(LMS)滤波器或其他自适应滤波器，本发明对此不作限定。双二阶数字滤波器F13使用更新后的系数，并向加法器F3输出反相噪声控制信号。在本发明中，双二阶数字滤波器F13被称为双二阶ANC滤波器。
双二阶数字滤波器F13用于估计未知环境因素(如耳机响应)，然后对其进行补偿。初级路径滤波器F11和双二阶数字滤波器F13均接收x(n)。数字滤波器F13使用滤波器-xLMS(FxLMS)算法来补偿初级路径滤波器F11响应失真，从而最小化输出误差。
如图3所示，双二阶反馈ANC滤波器F2包括次级路径滤波器F21、自适应滤波器F22、双二阶数字滤波器F23、次级路径滤波器F7和加法器F6。类似于前馈双二阶ANC滤波器F1，该次级路径由噪声控制信号y(n)和误差e(n)之间的路径定义，该路径通过适当补偿和生成参考信号来处理输入信号。自适应滤波器F22使用误差e(n)和控制信号y(n)来补偿失真。具体地，自适应滤波器F22使用误差e(n)和前控制信号y(n-1)来生成最新的系数。反馈ANC滤波器F2更新该最新的系数，从而产生用于加法器F6的控制噪声信号。自适应滤波器F22可以是最小均方误差(LMS)滤波器或其他自适应滤波器，本发明对此不做限定。
图4是双二阶数字滤波器F13的结构，并且图4所示的双二阶数字滤波器F13可以根据公式(1)执行滤波功能：
Figure BDA0003107799110000051
在等式(1)中，x[n]、x[n-1]、x[n-2]表示不同的、具有相应时间索引(时间索引n、时间索引n-1和时间索引n-2)的滤波样本。此外，b0、b1、b2、a0、a1、a2表示滤波器系数。为了避免无限冲激响应滤波器(IIR)带来的不稳定问题，该滤波器只更新分子系数(b0、b1、b2)，而分母系数(a0、a1、a2)是固定的。
在每个滤波过程中，自适应滤波器F12通过公式(2)更新滤波器系数：
Figure BDA0003107799110000061
如等式(2)所示，x'[n]、x'[n-1]、x'[n-2]表示具有对应时间索引n、n-1和n-2的次级响应输出。b0[n]、b1[n]、b2[n]表示与时间索引n对应的滤波器系数，e[n]是误差噪声，μ是LMS滤波器的步长。
在本发明的另一个实施例中，双二阶数字滤波器F13也可以由图5所示的另一种结构实现。
图5所示的双二阶数字滤波器F13可以根据等式(3)执行滤波功能：
y[n]＝b0x[n]+b1x[n-1]+b2x[n-2]-a1y[n-1]-a2y[n-2] (3)
在等式(3)中，x'[n]、x'[n-1]、x'[n-2]表示不同的、具有相应时间索引n、n-1和n-2的滤波样本。此外，b0、b1、b2、a1表示滤波器系数。
类似于图4，该滤波器系数可以同样通过公式(2)来更新：
Figure BDA0003107799110000062
如公式(2)所示，x'[n]、x'[n-1]、x'[n-2]表示不同的、具有相应时间索引n、n-1和n-2的滤波样本。b0、b1、b2、a1表示时间索引n中的滤波器系数。
综上所述，与传统的有限冲激响应滤波器相比，本发明采用的双二阶ANC滤波器的乘法器数量和复杂度更低。具体而言，传统的复合ANC结构需要至少128个乘法器，但是本发明中的双二阶复合ANC滤波器的运行需要的乘法器仅为30个。因此，与现有技术相比，本发明成本和复杂度更低。

Claims (10)

1.一种双二阶型复合主动降噪装置(100)，其特征在于：包括分别与控制器(40)电连接的参考MiC(10)、误差MiC(20)、扬声器(30)；参考MiC(10)接收环境噪声，误差MiC(20)接收误差噪声；控制器(40)处理环境噪声以产生反相噪声控制信号供扬声器(30)播放；控制器(40)包括双二阶ANC前馈双二阶ANC滤波器(F1)、双二阶ANC反馈双二阶ANC滤波器(F2)和加法器(F3)。
2.根据权利要求1所述的双二阶型复合主动降噪装置(100)，其特征在于：所述前馈双二阶ANC滤波器F1从参考MiC(10)处接收并处理参考信号，以向加法器F3输出控制噪声信号；所述反馈双二阶ANC滤波器(F2)接收并处理来自误差MiC(20)的误差信号，以向加法器(F3)输出控制噪声信号；然后，加法器(F3)将来自前馈双二阶ANC滤波器(F1)和反馈双二阶ANC滤波器(F2)的控制噪声信号进行叠加，由加法器(F3)产生的输出信号被传输到扬声器(30)。
3.根据权利要求1所述的双二阶型复合主动降噪装置(100)，其特征在于：所述前馈双二阶ANC滤波器(F1)包括初级路径滤波器(F11)、自适应滤波器(F12)和双二阶数字滤波器(F13)；输入自适应滤波器(F12)输入来自参考MiC(10)经初级路径滤波器(F11)滤波的参考信号和来自误差MiC(20)的误差信号，调整双二阶数字滤波器(F13)的滤波系数对来自参考MiC(10)的参考信号实施处理然后输出至加法器(F3)。
4.根据权利要求1所述的双二阶型复合主动降噪装置(100)，其特征在于：所述反馈双二阶ANC滤波器(F2)包括次级路径滤波器(F21)、自适应滤波器(F22)、双二阶数字滤波器(F23)、次级路径滤波器(F7)和加法器(F6)；自适应滤波器(F22)输入来自误差MiC(20)的误差信号和次级路径滤波器(F7)或次级路径滤波器(F21)输出，控制双二阶数字滤波器(F23)处理加法器(F6)信号输出至加法器(F3)；加法器(F6)的输入是来自误差MiC(20)的误差信号和经次级路径滤波器(F7)滤波的加法器(F3)输出。
5.根据权利要求3所述的双二阶型复合主动降噪装置(100)，其特征在于：所述数字滤波器(F13)使用滤波器-x LMS即FxLMS算法来补偿初级路径滤波器F11响应失真。
6.根据权利要求3所述的双二阶型复合主动降噪装置(100)，其特征在于：所述双二阶数字滤波器(F13)执行如下滤波功能
Figure FDA0003107799100000021
7.根据权利要求6所述的双二阶型复合主动降噪装置,其特征在于：其更新滤波器系数的方法在于只更新b0[n],b1[n],b2[n].更新方法在於根据初级路径滤波器(F11)或次级路径滤波器(F21)路径的输出及误差MIC(20)的大小。
8.根据权利要求1所述的双二阶型复合主动降噪装置(100)，其特征在于：所述参考MiC(10)和误差MiC(20)是麦克风、拾音器或其他能够接收环境噪声的模拟/数字装置。
9.根据权利要求1所述的双二阶型复合主动降噪装置(100)，其特征在于：所述扬声器(30)传输反相噪声控制信号以中和环境噪声；扬声器(30)包括扬声器单元(31)和连接到扬声器单元(31)的驱动单元(32)；驱动单元(32)从加法器(F3)接收数字信号，并将该数字信号转换成用于驱动单元(31)的模拟信号。
10.根据权利要求1所述的双二阶型复合主动降噪装置(100)，其特征在于：所述加法器,包含加法或减法可进行叠加或相减或將各输入讯号乘上权重后进行叠加或相减。
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