CN113450754A - 有源噪声消除系统和方法 - Google Patents

Abstract

有源噪声消除系统和方法包括：前馈路径，其被配置为接收包括外界噪声的参考信号，以及适应性地生成抗噪声信号以消除外界噪声，并且包括被配置为适应性地调整抗噪声信号的增益的适应性增益部件；以及逻辑设备，其被配置为基于适应性增益部件确定泄漏简档。前馈路径包括前馈适应性滤波器，该前馈适应性滤波器被调谐以根据所确定的泄漏简档来生成与参考信号对应的抗噪声信号。泄漏简档从针对对应增益被调谐的多个存储的泄漏简档选择，并且其对应于与有源噪声消除系统和用户之间的配合相关联的耳部耦合条件。适应性透明性滤波器接收参考信号并生成外界包含信号以用于到用户的输出。

Description

有源噪声消除系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年11月13日提交的题为“ACTIVE NOISE CANCELLATION SYSTEMSAND METHODS”的美国非临时专利申请No.17/098,270和2020年3月27日提交的题为“ACTIVENOISE CANCELLATION SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请No.63/001,205的优先权和权益，所述申请通过引用以其整体特此并入。

技术领域

本申请总体上涉及噪声消除系统和方法，并且更具体地，例如，涉及在头戴式耳机（例如，罩耳式（circum-aural）、贴耳式（supra-aural）和入耳式类型）、耳塞式耳机（earbuds）、助听器和其他个人收听设备中使用的有源噪声消除（ANC）系统和方法。

背景技术

有源噪声消除系统通常通过经由参考麦克风感测噪声并生成与所感测的噪声在幅度上近似相等但在相位上相反的对应的抗噪声信号来进行操作。噪声和抗噪声信号在听觉上相互消除，从而允许用户只听到期望的音频信号。为了实现该效果，可以实施从参考麦克风到输出抗噪声信号的扬声器的低等待时间的滤波器路径。在操作中，常规的抗噪声滤波系统不完全消除所有噪声，从而留下残余噪声和/或生成可能使用户分心的可闻的赝象。在一些实施方式中，用户可能期望选择性地收听某些外部噪声，其可影响ANC适应和其他处理。这些有源噪声消除系统的性能可能由于泄漏而进一步降级，所述泄漏可能由于收听设备耦合到用户的构造的各种方式而因人而异以及因设备而异。

鉴于前述内容，存在对于用于头戴式耳机、耳塞式耳机和其他个人收听设备的改进的有源噪声消除系统和方法的持续需要。

发明内容

公开了用于个人收听设备中的改进的有源噪声消除的系统和方法。在各种实施例中，例如，有源噪声消除系统和方法提供了改进的泄漏控制和/或改进的透明性处理。

在一个或多个实施例中，一种有源噪声消除系统包括：参考传感器，其被配置为感测外界噪声并生成对应的参考信号；误差传感器，其被配置为感测噪声消除区中的噪声并生成对应的误差信号；以及噪声消除路径，其包括噪声消除滤波器和适应性增益滤波器。噪声消除路径（诸如前馈ANC路径）配置为接收参考信号并生成对应的抗噪声信号，以消除鼓膜参考点处的外界噪声。适应引擎被配置为接收参考信号和误差信号并控制有源噪声消除系统的各种部件，包括适应性地调整噪声消除滤波器和/或适应性增益滤波器的权重。

在一些实施例中，适应引擎包括被配置为更新适应性增益滤波器的适应性增益控制逻辑。可以使用可编程滤波器来调节对适应性增益控制逻辑的输入，该可编程滤波器可操作来进行保护以抗环境噪声中的低频瞬变和/或高频干扰（distractor）。可编程滤波器可以包括：低通滤波器，其滤除确定为在消除区和鼓膜参考点之间创建相长干涉的范围内的高频；和/或高通滤波器，其滤除确定为在由噪声消除系统的用户无法听到的范围内的低频。可以使用在噪声消除区中感测的误差信号来调谐适应引擎以消除鼓膜参考点处的噪声。

在各种实施例中，适应引擎包括泄漏控制逻辑，该泄漏控制逻辑被配置为跟踪适应性增益滤波器的适应性增益值并基于适应性增益值来选择最佳泄漏控制设置。在一些实施例中，适应引擎配置有多个泄漏简档，所述多个泄漏简档被适配用于与个人收听设备相对于用户的构造的定位和/或配合有关的对应的多个泄漏条件。例如，泄漏简档可以包括对个人收听设备和用户的耳结构之间的紧密密封进行建模，以及对与不合适的头戴受话器位置和/或泄漏配合条件相关联的一种或多种泄漏场景进行建模。在各种实施例中，适应引擎被配置为跟踪适应性增益值并基于对适应性增益滤波器的适应性增益值的改变来在泄漏简档之间切换。

在各种实施例中，ANC系统还包括第二处理路径，该第二处理路径被配置为针对用户生成表示由参考麦克风检测的外界噪声的透明性输出。第二处理路径被配置为与ANC系统的前馈处理路径并行地处理透明性输出。在一些实施例中，透明性输出路径包括适应性透明性处理滤波器，其被配置为根据一个或多个条件来生成透明性输出，所述条件包括但不限于与有源泄漏简档相关联的设置。适应引擎或其他控制模块被配置为检测与透明性模式和/或ANC模式相关联的收听模式的用户输入选择，并选择性地启用或禁用透明性输出。

在一个或多个实施例中，一种方法包括：从第一传感器接收参考信号，该参考信号表示外界噪声；通过包括适应性噪声消除滤波器和范（van）适应性增益滤波器的噪声消除路径来处理参考信号，以生成抗噪声信号；从第二传感器接收误差信号，该误差信号表示噪声消除区中的噪声；以及响应于参考信号、误差信号和适应性增益控制过程来适应性地调整适应性噪声消除滤波器以消除鼓膜参考点处的外界噪声。

该方法还可以包括使用可编程滤波器来调节对适应性增益控制过程的输入，来进行保护以抗外部噪声中的低频瞬变和/或高频干扰。调节还可以包括低通滤除高频，该高频被确定为在以下范围内：（i）在消除区和鼓膜参考点之间创建相长干涉的范围，以及（ii）消除区和鼓膜参考点之间的噪声消除性能不同的范围；和/或高通滤除确定为在由用户无法听到的范围内的低频。该方法还可以包括使用在噪声消除区中感测的误差信号来调谐噪声消除路径以消除鼓膜参考点处的噪声。

在各种实施例中，该方法还包括泄漏控制过程，该泄漏控制过程包括跟踪适应性增益滤波器的适应性增益值以及基于适应性增益值来选择泄漏控制设置。在一些实施例中，泄漏控制过程还包括配置多个泄漏简档，所述多个泄漏简档被适配用于与收听设备相对于用户的构造的定位和/或配合有关的对应的多个泄漏条件。多个泄漏简档的配置可以包括对各种头戴受话器位置和/或配合条件进行建模以及定义相关联的泄漏简档。该方法可以还包括跟踪适应性增益值并且基于对适应性增益滤波器的适应性增益值的改变来在泄漏简档之间切换。

在各种实施例中，该方法还包括与ANC系统的前馈处理路径并行地处理针对用户的表示由参考麦克风检测的外界噪声的透明性处理路径。在一些实施例中，该方法包括根据一个或多个条件来更新透明性处理滤波器的滤波器值并生成透明性输出，所述条件包括但不限于与有源泄漏简档相关联的设置。该方法还包括检测和/或接收与透明性模式和/或ANC模式相关联的收听模式的用户输入选择，以及选择性地启用和/或禁用透明性输出。

本发明的范围由权利要求限定，该权利要求通过引用并入本部分中。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，将向本领域技术人员提供对本公开的实施例的更完整理解以及其附加优点的实现。将对将首先被简要描述的附图的附页进行参考。

附图说明

参考以下附图和后面的详细描述，可以更好地理解本公开的各方面及其优点。应当理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中图示的相同的元件，其中附图中的示出是为了图示本公开的实施例的目的，而不是为了限制本公开的实施例的目的。附图中的部件不一定是按比例的，而是将重点放在清楚地图示本公开的原理上。

图1图示了根据本公开的一个或多个实施例的有源噪声消除设备。

图2图示了根据本公开的一个或多个实施例的有源噪声消除系统，包括适应性增益滤波器、简档切换和并行透明性处理。

图3A、3B、3C和3D图示了根据本公开的一个或多个实施例的个人收听设备的耳部耦合。

图4A和4B图示了根据一个或多个实施例的示例适应性增益控制调谐和使用实施方式。

图5A是图示根据一个或多个实施例的用于创建泄漏简档的示例过程的流程图。

图5B是图示根据一个或多个实施例的用于增益调整的简档切换的示例过程的流程图。

图6是图示根据一个或多个实施例的示例简档切换过程的状态图。

图7图示了根据一个或多个实施例的混合ANC系统的示例实施方式。

具体实施方式

根据各种实施例，公开了改进的有源噪声消除（ANC）系统和方法。用于头戴式耳机、耳塞式耳机或其他个人收听设备的ANC系统可以包括：噪声感测参考麦克风，用于感测个人收听设备外部的外界噪声；误差麦克风，用于感测由ANC系统生成的噪声和抗噪声的声学混合；以及低等待时间信号处理子系统，其生成抗噪声以消除感测的外界噪声。信号处理子系统可以被配置为实时地使抗噪声信号适配于外界噪声、个人收听设备相对于用户的耦合、用户可选择的模式以及其他因素以实现一致的噪声消除性能。在各种实施例中，本文中公开的系统和方法改进了在各种耳部耦合和泄漏场景下的外界噪声的消除；在使一些或全部外界噪声通过以传到用户的透明性模式中改进对外界噪声的处理；以及减少由用户可察觉的相关的适应赝象。

认识到的是，高泄漏可导致ANC性能的下降。例如，反馈ANC路径跟踪并适配于误差麦克风信号，其可以通常提供用户的鼓膜处的ANC性能的良好测量。然而，在存在较高泄漏的情况下，扬声器在物理上可能不能够推动足够的空气以在鼓膜处实现期望的性能。本公开通过使固定的ANC简档针对不同的泄漏场景被调谐来解决这些和其他泄漏问题。泄漏通过跟踪适应性增益控制块的增益值被跟踪，其然后被用于选择适当的泄漏简档。

本文中公开的改进的适应性系统和方法包括在前馈路径中的适应性增益滤波器，以生成鲁棒的抗噪声信号。适应引擎被配置为接收参考信号和误差信号并控制有源噪声消除系统的各种部件，包括适应性地调整前馈适应性噪声消除滤波器和/或适应性增益滤波器的权重。在各种实施例中，泄漏控制逻辑被配置为跟踪与适应性增益滤波器有关的参数以及提供改进的泄漏控制。

在各种实施例中，适应引擎包括泄漏控制逻辑，该泄漏控制逻辑被配置为跟踪适应性增益滤波器的适应性增益参数，以及基于适应性增益值来选择最佳泄漏控制设置。在一些实施例中，适应引擎被配置有多个预配置的用户泄漏简档，所述用户泄漏简档被适配用于与收听设备相对于用户的构造的定位和/或配合有关的对应的多个泄漏条件。用户泄漏简档可包括对个人收听设备和用户的耳部之间的紧密密封的建模，以及对与泄漏设备位置和/或配合条件相关联的一个或多个泄漏路径的建模。在各种实施例中，适应引擎被配置为跟踪一个或多个适应性增益参数，以及基于在适应性增益参数中检测到的改变来在用户泄漏简档之间自动切换，以用于最佳滤波。

在各种实施例中，ANC系统还包括第二前馈处理路径，该第二前馈处理路径被配置为生成透明性输出。透明性模式可以由用户选择，以允许某些外界噪声通过系统，以供由个人收听设备回放，并且可以在启用和/或不启用ANC处理的情况下使用。该透明性处理路径被配置为与ANC系统的前馈处理路径并行地处理透明性输出。在一些实施例中，透明性处理路径包括适应性透明性滤波器，该适应性透明性滤波器被配置为根据一个或多个条件来生成透明性输出，该条件包括但不限于与有源泄漏简档相关联的设置。适应引擎和/或其他控制逻辑被配置为检测与透明性模式和/或ANC模式相关联的收听模式的用户输入选择，并选择性地启用或禁用透明性输出。

现在将参考附图描述本公开的有源噪声消除系统的示例实施例。参考图1，有源噪声消除系统100包括个人收听设备110和音频处理部件，其可以包括低等待时间引擎（LLE）120、数模转换器（DAC）130、放大器132、参考音频传感器140、扬声器150、误差传感器162和/或其他部件。

在操作中，收听者可以听到外部噪声d(n)，其可以通过个人收听设备110的外壳和部件。为了消除噪声d(n)，参考音频传感器140感测外部噪声，从而产生通过模数转换器（ADC）142馈送到LLE 120的参考信号x(n)。LLE 120可以包括配置为生成抗噪声信号y(n)的硬件和/或软件，所述抗噪声信号y(n)通过DAC 130和放大器132被馈送到扬声器150以在噪声消除区160中生成抗噪声。当抗噪声与噪声消除区160中的噪声d(n)在幅度上相等且在相位上相反时，噪声d(n)将在噪声消除区160中被消除。由误差传感器162捕获噪声和抗噪声的结果混合物，该误差传感器162生成误差信号e(n)以测量噪声消除的有效性。误差信号e(n)通过ADC 164被馈送到LLE 120，其适配抗噪声信号y(n)以最小化消除区162内的误差信号e(n)（例如，将误差信号e(n)驱动到零）。在一些实施例中，扬声器150还可以生成期望的音频（例如，音乐），其被误差传感器162接收并且在处理期间从误差信号e(n)中移除。

在各种实施例中，个人收听设备110可以包括头戴式耳机（例如，罩耳式、贴耳式和入耳式类型）、耳塞式耳机、助听器和其他个人收听设备。个人收听设备110可以是独立设备（诸如助听器），或者被实现为（例如，物理地和/或无线地）连接到一个或多个外部设备的音频收听设备，所述外部设备诸如计算机（例如，台式机、膝上型计算机、笔记本电脑、平板电脑）、手机、音频回放设备（例如，MP3播放器）、视频游戏系统或另一设备。参考音频传感器140和误差传感器162可以包括一个或多个音频传感器、换能器、麦克风或被配置为检测声音并将检测的声音转换为电音频信号的其他部件。

LLE 120可以包括单个样本处理器、数字信号处理器、控制器、具有存储在存储器中的程序指令的中央处理单元和/或被配置为执行本文中公开的一个或多个过程的其他逻辑设备。LLE 120可以包括编程的逻辑和/或硬件部件，以用于使得LLE 120执行某些过程，包括（例如，通过ANC逻辑122的）ANC处理、（例如，通过简档切换逻辑124的）简档切换、耳部耦合状态（诸如泄漏）的检测（例如，耳部耦合检测逻辑126）以及透明性模式启用和禁用（例如，透明性逻辑128）。LLE 120可以从用户控件170接收诸如ANC和/或透明性模式选择之类的指令，该用户控件170可以包括一个或多个物理按钮、滑块、拨号盘或其他物理输入部件、具有相关联的图形用户界面的触摸屏或其他用户输入设备、部件或逻辑。

将理解的是，图1的实施例是有源噪声消除系统的一个示例，并且本文中公开的系统和方法可以利用包括参考麦克风和误差麦克风的其他有源噪声消除实施方式来实现。还将理解的是，图1的实施例可以与各种实施例中的附加部件一起使用，所述附加部件包括用于接收和生成回放信号以供通过扬声器150输出（例如，音乐、来自语音会议的音频）的音频回放部件。

参考图2，现在将描述包括耳部耦合检测、简档切换、适应性泄漏补偿和改进的透明性信号处理的ANC处理的示例实施例。有源噪声消除系统200被配置为在诸如外部麦克风212（例如，图1的参考音频传感器140）之类的参考传感器处感测外界噪声，该参考传感器产生外部噪声信号x(n)。外界噪声还通过噪声路径（例如，主路径P(z)），该噪声路径可以包括个人收听设备的外壳和部件，并且在误差传感器234（例如，误差麦克风162）处被接收。如本文中所使用的，主路径P(z)表示对参考传感器212和误差传感器234之间的声学路径建模的传递函数。

ANC系统200包括被配置为从接收的外部噪声信号x(n)生成抗噪声信号的前馈路径，包括被配置为对外部噪声信号x(n)进行下采样以用于由ANC系统200进行处理的抽取器214；以及前馈适应性滤波器216（W_ff(z)），其配置为适应性地估计主路径P(z)，以产生用于消除外部噪声信号（例如，d(n)）的抗噪声信号y(n)。在各种实施例中，可以使用最小均方（LMS）过程、滤波的LMS（FxLMS）过程、无限冲激响应滤波器、有限冲激响应以及如本领域中已知的其他滤波器类型来设施本实施例的（一个或多个）适应性滤波器。

抗噪声信号y(n)由适应性增益滤波器218进行增益调整，并与回放信号222（例如，VoIP通话中的语音通信、音乐、记录的语音、伴随视频的音频等）、由适应性透明性滤波器290生成的透明性信号（（B_AI(z)）和/或由反馈适应性滤波器270生成的误差信号（（W_fb(z)）混合（在框220处）和/或由上述信号进一步修改以生成输出信号。适应性透明性滤波器290并行地适配于参考信号，以生成透明性信号以供通过扬声器230回放，来在启用透明性时允许用户听到全部或部分外界噪声。由内插器224对输出信号上采样以供输出到扬声器230。适应引擎还可以使用适应性回放补偿滤波器223来适配（来自回放222的）回放信号。在一个或多个实施例中，回放补偿滤波器223是均衡器，其基于检测的泄漏场景来适配回放信号（例如，增益调整）。

误差传感器234接收输出信号的混合，其包括期望的音频（例如，回放信号、来自透明性处理路径的外界包含信号）和抗噪声信号以及通过主路径P(z)的外部噪声d(n)。回放信号222（以及透明性信号，如果透明性模式有源的话）被调整以计及通过适应性滤波器272的辅路径，并在框274处从误差信号中移除。如本文中所使用的，辅路径S(z)表示对扬声器和误差传感器之间的声学路径和电气路径（例如，D/A、A/D等）建模的传递函数。残余误差被下采样以用于由ANC系统200通过抽取器276处理，并作为输入提供给反馈适应性滤波器270，反馈适应性滤波器270输出误差校正信号以使残余误差最小化。

在所图示的实施例中，适应引擎280接收残余误差信号以及参考信号的副本，该残余误差信号通过对扬声器230和误差传感器234之间的传递函数建模的滤波器278（G(z)）被滤波，该参考信号的副本通过辅路径291的估计和信号调节滤波器292（H(z)）被滤波。

ANC系统200还包括适应引擎280，其包括用于适应性增益控制（ADG）282、耳部耦合和简档切换284以及透明性管理286的逻辑部件。在各种实施例中，ADG 282被配置为最小化抗噪声路径中的宽带波动，耳部耦合和简档切换284被配置为连续跟踪和补偿各种耳部耦合和泄漏场景，并切换到适当的滤波器简档以优化ANC性能，并且透明性管理286被配置为在并行透明性路径中适配透明性性能。在一些实施例中，耳部耦合和简档切换284跟踪来自适应性增益控制218的电流增益参数，并在前馈路径中的一个或多个适应性滤波器处修改前馈处理以适应电流泄漏场景。

在一个或多个实施例中，混合ANC系统200被调谐以实现某些噪声消除性能。例如，在前馈路径中，适应性滤波器216和218被预调谐，然后在操作期间基于从参考传感器212接收的音频信号被适配，以使噪声消除最大化。在一些实施例中，ANC系统200的调谐可以基于个人收听设备与用户的耳部之间的紧密密封建立，使得存在很少到不存在泄漏。如果存在更多的泄漏（例如，个人收听设备和耳部之间的耳部耦合与建模的调谐不一致），则可以感测到较少的低频声音，并且适应性增益控件218将通过增加增益来适配。还认识到的是，前馈路径上的增益中的检测到的增加通常对应于比预期的更少的耦合和更多的泄漏。在一些实施例中，适应性增益滤波器可以被放置在反馈路径上（参见，例如，图7），并被监视以检测耦合状态和泄漏。

通常，适应引擎280包括用于检测、跟踪和适配于用户相关的条件和外界条件的逻辑。用户相关的条件可以包括，例如，跟踪增益适应以确定泄漏机制，以及根据所确定的泄漏机制来修改滤波器参数。外界条件可以包括，例如，对通过参考传感器检测的外界条件（例如，使用神经网络分类器）进行分类，以及鉴于分类的外界条件来优化滤波器性能。例如，当被分类时，可以对包括低频噪声和/或话音的已知外界条件进行建模和优化。

现在将参考图3A至图7更详细地描述并入耳部耦合检测和简档切换的实施例。参考图3A-D，诸如无线耳塞式耳机310之类的个人收听设备适配成配合到用户300的耳部320中。在操作中，无线耳塞式耳机310可操作以与诸如移动设备330之类的主机系统无线地通信。无线耳塞式耳机310设计为插入到用户的耳道322中（或与之相邻），其中在用户的鼓膜324处感测来自无线耳塞式耳机310的音频输出。个人收听设备310包括无线收发器，其用于在无线耳塞式耳机310和移动设备330之间发射和接收通信（例如，音频流）。

用户300将随意地将无线耳塞式耳机310分别插入到用户的耳部320中以及从用户的耳部320中移除，以收听来自移动设备330的音频。在此过程期间，无线耳塞式耳机310在露天的第一位置314之间到第二位置316之间经过，在所述第二位置316中无线耳塞式耳机310牢固地定位在耳部320中。在各种实施例中，无线耳塞式耳机310包括柔软端部（例如，硅、记忆泡沫），其设计成符合耳部的形状以创建控制泄漏的紧密密封。然而，在实践中，当无线耳塞式耳机310定位在第二位置316中时，一个或多个间隙326和/或松耦合/密封可能在无线耳塞式耳机310和用户的耳部320的构造之间形成，从而导致泄漏。

在实践中，在用户插入和移除无线耳塞式耳机时，预期耦合的小变化，其可以通过适应性增益控制滤波器来解决。然而，可能形成较大的间隙326，其导致不能利用增益调整计及的泄漏情况，所述泄漏情况例如是由于用户的特定构造、无线耳塞式耳机310的定位（例如，耳塞式耳机相对于耳部的不对准、不合适的插入深度等）、无线耳塞式耳机310的尺寸和形状、由于使用造成的耳塞式耳机的形状的改变、用户不识别何时实现合适的耦合和/或其他因素。

无线耳塞式耳机310包括ANC系统312，以消除外界噪声和/或以透明性模式使某些外界噪声通过。在操作期间，ANC系统312的适应性部件适配成优化ANC性能。在各种实施例中，ANC系统312包括适应性增益控制滤波器（例如，适应性增益滤波器218）和适应性增益控制逻辑（例如，ADG 282），以调整抗噪声信号的增益来优化消除。观察到的是，由于无线耳塞式耳机310在用户的耳部320中的位置和/或配合，适应性增益控制滤波器的增益参数与泄漏的水平相关。ADG 282跟踪一个或多个增益参数以确定施加到抗噪声信号的当前增益以识别泄漏场景。

增益和泄漏条件之间的相关性可以被建模，例如，通过使用虚拟头部测试位置和配合场景以及针对检测的泄漏条件优化ANC参数、通过测试一般群体中的人、通过对ANC系统的参数进行建模和/或其他方法。观察到的是，对于潜在用户的群体的样本而言，泄漏场景通常落在两个或三个集群中，并且在大多数情况下，四个或五个集群对于可接受的性能可以是足够的。这些群集或其他分组可用于定义泄漏简档，包括针对泄漏场景调谐的适应性滤波器。因为已知与增益对应的泄漏，所以前馈路径（例如，W_ff(z)）、反馈路径（例如，W_fb(z)）、透明性路径（（例如，B_AI(z)）和/或回放路径（（例如，S_PL(z)）中的滤波器，例如，可以基于检测的增益切换到表示泄漏场景的某些预调谐滤波器。

在一些实施例中，增益值可用于检测其他条件（诸如在插入或移除活动期间检测的露天条件），并用于触发无线耳塞式耳机310的操作的改变，诸如进入低功率模式、调整输出音量以及激活或禁用某些功能。

参考图4A，公开了适应性LMS系统422的实施例。适应性LMS系统422连续更新前馈ANC滤波器402系数以针对耦合路径中的变化进行调整。对LMS系统的输入可以使用可编程滤波器B_G(z)进行调节，该可编程滤波器B_G(z)被设计为进行保护以抗环境中的低频瞬变。参考图4B，公开了适应性增益（ADG）子系统400的实施例。适应性增益控制逻辑420连续更新可调整增益滤波器404以针对耦合路径中的变化进行调整。可以使用可编程滤波器B_G(z)（例如，可编程滤波器408和可编程滤波器410）来调节对ADG 420的输入，该可编程滤波器B_G(z)被设计为进行保护以抗环境中的低频瞬变和高频干扰。在一些实施例中，滤波器B_G(z)可以包括低通滤波器和/或带通滤波器，其还滤除非常低的频率（例如，不能从扬声器中听到的＜20Hz）。

如前所讨论，个人收听设备的物理几何形状和人与人的配合变化可影响噪声消除性能。例如，外耳部的形状和耳道的长度可以更改ANC系统中感兴趣的声学传递函数。在一些实施例中，个人收听设备中的ANC系统（例如，图1的系统）使用噪声感测参考麦克风、误差麦克风和生成适当的抗噪声以消除如由误差麦克风测量的噪声场的DSP子系统。这导致消除区，在该区中消除程度在误差麦克风位置处最大化，并且与波长成反比地降级。因此，对于较高频率（较低波长），在鼓膜处（距误差麦克风大致25 mm远）的消除性能显著下降，从而导致消除带宽的损失，如由噪声消除系统的用户所感知的那样。图4A-B的实施例通过在调谐阶段期间最大化鼓膜处的消除带宽并订出（formulate）适应性方法来解决这些和其他问题，该适应性方法在操作期间使用误差麦克风来适配于用户特定的特性。

为了该实施例的目的，将误差麦克风位置称为ERP（误差参考点），并将鼓膜位置称为DRP（鼓参考点）。对于在DRP处调谐的ANC系统，误差麦克风是DRP处的低频消除的良好指示符，并因此可以从误差麦克风信号的低通版本中导出鲁棒的误差校正信号。然后可以使用该校正信号来适配抗噪声信号路径中的增益。

为了最大化消除，误差麦克风的理想放置将在鼓膜处，但该位置对于许多消费者设备而言并不实际。因此，ERP用于提供实际信号，该信号大致指示DRP处的消除性能。适应性算法试图使ERP信号最小化，这导致（i）DRP处的高频信号处的消除减少，以及（ii）由于DRP处的高频的相长干涉造成的嘶嘶声发声赝象的更高可能性。在常规方法中，采用适应性算法，该算法使用从ERP到DRP的传递函数。这些方法具有许多缺点，包括传递函数估计在高频处不准确、低估计准确度可影响宽带消除性能并导致瞬时嘶嘶声电平、高计算成本以及针对所有使用条件进行调谐和校准的困难，从而使部署对于许多设备而言不切实际。图4A-B的实施例提供了计算上廉价的方法，该方法克服了常规系统的许多缺点，易于例如通过在系统设计期间测量某些传递函数来调谐并且是自校准的。

图4A图示了用于适应性增益子系统的校准和调谐布置。在此布置中，ANC滤波器402被优化以在初始调谐阶段期间消除DRP处的噪声。在一个实施例中，设备被放置在头部和躯干模拟器上，该头部和躯干模拟器在DRP处具有第二误差麦克风。P_E2D(z)、S_E2D(z)在指示的声学路径中对ERP到DRP传递函数进行建模。然后，基于误差信号e'(n)使用最小均方块422可以对系统进行优化以执行ANC调谐来导出最佳W_DRP(z)。以此方式进行调谐帮助在高频带中实现扩展的消除带宽和更好的性能。在各种实施例中，将设备放置在各种位置（例如，牢固配合、不对准、不合适的插入深度等）、配合（例如，不同的头部和耳部构造）、配置（例如，耳塞式耳机上的可移除端部）和磨损场景，以针对不同的泄漏条件调谐ANC性能。在各种实施例中，可以通过相关联的适应性增益值对各种场景进行分组，以创建用于针对各种泄漏场景优化ANC性能的简档。

如图4B中所图示，建立适应性算法以连续更新增益元素404，G，其使系统能够针对各种耦合路径中的变化进行调整。在一些实施例中，信号被低通滤波并且针对良好的低频消除进行增益调整。可以使用可编程滤波器B_G(z)来调节对适应性算法的输入，该可编程滤波器B_G(z)被编程为使得ERP信号可以模仿DRP处的消除性能。另外，可以对B_G(z)进行编程，以在环境中的低频瞬变和高频干扰期间优化性能。将理解的是，图4A-B的实施例是示例实施方式，并且其中公开的方法可以被修改以用于反馈、前馈和混合ANC解决方案的适应性版本。

参考图5A和5B，现在将根据一个或多个实施例描述用于操作ANC系统（例如，图1-4B和图7的系统）以使用适应性增益控制参数检测耳部耦合以及在可用的泄漏简档中进行选择的方法。配置过程500通过跨群体范围针对个人收听设备估计针对主路径P(z)和辅路径S(z)的传递函数以及使用不同的设备自定义（例如，耳塞式耳机的尺寸不同的端部）而在步骤502中开始。在步骤504中，生成针对设备的泄漏行为的模型，该模型可以包括一个或多个增益参数以及用于一个或多个调谐的适应性滤波器的系数。在步骤506中，该过程获取用于适应引擎的监督检测器的数据并确定调谐参数。在一些实施例中，生成固定数量的简档（例如，四个简档），其表示个人收听设备与人的耳部或头部之间的耦合的变化。可以选择简档以覆盖一个范围的泄漏因素和/或一个范围的常见个人收听设备配置和位置/配合，诸如紧密耦合配置、露天（或高度泄漏）配置和中间泄漏场景。

在步骤508中，确定用于不同泄漏场景的增益和阈值。在一个实施例中，代表个人收听设备与用户的耳部/头部之间的紧密耦合的简档可以与增益值和阈值相关联，该增益值和阈值可以用于触发简档的改变。例如，当增益值在第一预定阈值之上时，简档切换到与第二（例如，更高）增益因子相关联的第二简档。第二简档可以具有上限阈值，在该上限阈值之上，简档切换到与第三（例如，更高）增益因子相关联的第三简档。第二简档也可以具有下限阈值，在该下限阈值之下，简档切换回到第一简档。以类似的方式利用与调谐的泄漏简档相关联的增益值以及阈值范围定义附加简档，在所述阈值范围中，滤波器提供可接受的（例如，如由系统要求确定的）性能。在一个实施例中，增益范围限定了满足或超过个人收听设备的性能标准的ANC性能的范围。例如，当增益值与简档增益值偏离更多时，性能降级，并且定义和调谐由新的增益值以及上限阈值、下限阈值定义的新简档。

用于操作ANC系统的方法550包括，在步骤552中，跟踪当前简档状态，包括如针对当前简档可用的上限阈值和下限阈值以及增益值。在步骤554中，方法550跟踪前馈路径中的适应性增益控制器的增益参数。在步骤556中，将跟踪的增益参数与当前阈值进行比较以确定泄漏简档中是否已经存在改变。如果跟踪的增益值高于当前上限阈值或低于下限阈值，则过程切换到适当的简档。在步骤558中，更新用于ANC系统的适应性滤波器的参数以设施电流泄漏简档。

参考图6，将更详细地描述根据一个或多个实施例的示例简档切换过程600。简档切换过程600在四个预定义的简档之间切换，所述四个预定义的简档在所图示的实施例中编号为1-4。调谐第一简档（例如，简档1）以用于最紧密密封，其中耦合最高，以及调谐第四简档（例如，简档4）以用于泄漏场景，诸如设备实质上不在适当位置的情况。其余两个简档覆盖了中间泄漏场景。将理解的是，尽管在所图示的实施例中使用了四个简档，但是在特定的实施方式中，所使用的简档的数量可以更多或更少。

在各种实施例中，每个简档针对特定的增益值/泄漏场景被调谐，并且包括高（H）阈值和低（L）阈值，从而定义了每个简档的操作的范围。当检测到的增益在简档的高（H）阈值和低（L）阈值内时，该简档将是有效的。针对预定义的简档的阈值范围一起跨越在使用期间可能遇到的增益值的范围。在一些实施例中，调谐每个简档以在基线增益值附近提供可接受的ANC性能，并且将阈值定义为落入产生针对调谐的简档的可接受的ANC性能的增益值的范围内。

简档切换过程600通过在步骤602处加载与简档2相关联的参数开始。控制移动至步骤614，其中ANC系统使用简档2处理抗噪声信号。ANC系统包括在前馈路径中的适应性增益滤波器，其收敛于当前增益值。当前增益被跟踪并与上限阈值T2，H和下限阈值T2，L进行比较。当增益在阈值范围内时，过程状态保持在步骤614处。如果增益落到下限阈值（T2，L）之下，则在步骤612中加载简档1，并且控制移动至步骤610以在增益小于上限阈值（例如，增益小于或等于T1，H）时使用简档1处理抗噪声信号。如果增益超过上限阈值T1，H，则控制转到步骤602，加载简档2并且控制转到步骤614，如前所讨论。

如步骤614，如果增益值超过阈值上限限制（例如T2，H），则控制转到步骤616以加载简档3，并且控制转到步骤618，其在适应性增益值在下限阈值限制T3，L和上限阈值限制T3，H之间时执行ANC处理。如果增益低于下限阈值限制T3，L，则控制转回到步骤602以加载简档2。如果增益超过上限阈值限制T3，H，则控制转到步骤606，其中加载简档6，然后转到步骤620，其中当增益超过下限阈值限制T4，L时将继续使用简档4进行ANC处理。如果增益落到下限阈值T4，L之下，则控制转回到步骤616以加载简档3用于ANC处理。

参考图7，现在将描述可用于设施本公开的一个或多个实施例的低等待时间混合ANC系统700的示例实施方式。混合ANC系统700包括将感测的声音转换成电子模拟信号的参考麦克风702和误差麦克风704。参考麦克风信号通过模数转换器706转换为数字的，并且误差麦克风信号通过模数转换器708转换为数字的。麦克风可以包括感测声波并将感测的声音转换成电子信号的任何设备，诸如压电麦克风、微机电系统麦克风、音频换能器或类似设备。在各种实施例中，混合ANC系统可以包括一个或多个附加麦克风，麦克风可以包括生成数字音频信号的数字麦克风（例如，从而消除对单独的模数转换器的需求），和/或可以做出与本公开的教导一致的其他修改。

硬件抽取单元710接收数字音频信号并对其进行下采样以用于由ANC系统进行处理。在所图示的实施例中，参考麦克风信号通过低等待时间抽取电路712被下采样，并且误差麦克风信号通过低等待时间抽取电路714被下采样，并且信号被传递到低等待时间路由器716，其将信号路由到混合ANC系统700的各种部件以用于处理。

在所图示的实施例中，混合ANC系统700包括低等待时间引擎720，该引擎包括前馈ANC路径、并行透明性路径和反馈ANC路径。低等待时间引擎720可以以硬件、软件或硬件和软件的组合来设施。在一些实施例中，低等待时间引擎720可以被设施为单个样本处理器、数字信号处理器、控制器、处理器和存储指令的存储器和/或能够执行本文中描述的低等待时间ANC处理的其他逻辑设备。如所图示，前馈路径包括处理简档722（其包括用于从参考信号生成抗噪声信号的调谐和其他参数）、可选的有限冲激响应滤波器724和适应性增益部件726。

反馈路径接收误差麦克风信号，并且被配置为移除回放信号（例如，在部件742处），该回放信号由辅路径滤波器740滤波以计及辅路径效应。反馈路径还包括配置为设施无限脉冲响应滤波器的多个BiQuad 744（例如，12个BiQuad）和增益部件746。

低等待时间引擎720还包括透明性信号处理路径，该透明性信号处理路径接收参考麦克风信号、适应性地（例如，通过透明性处理部件732）对参考麦克风信号进行滤波、以及施加增益734。在所图示的实施例中，透明性处理部件与ANC处理并行地运行，并且可以在启用或禁用ANC的情况下运行。前馈路径、反馈路径和透明性路径（如果透明性模式被激活的话）的输出在混合部件730处被组合以生成抗噪声信号。低等待时间路由器770在低等待时间引擎、适配成对用于输出的抗噪声信号进行上采样的硬件内插单元780和适应引擎750之间路由信号。硬件内插单元780包括用于对抗噪声信号上采样的低等待时间电路782、被配置为接收回放信号并生成高质量音频信号以供输出的高质量上采样电路784。上采样的抗噪声信号和回放信号在部件786处组合、馈送到数模转换器和放大器790，放大器790驱动输出（例如，用于通过扬声器的输出）。

硬件内插单元780还包括用于将回放信号馈送到低等待时间引擎720中的下采样器788和用于进一步处理（例如，从接收的误差麦克风信号移除回放信号）的适应引擎750。

适应引擎750在操作期间监督ANC处理并控制低等待时间引擎720的一个或多个部件以优化ANC性能。可以使用单个样本处理器、数字处理单元、数字信号处理器或其他逻辑设备和/或处理系统来设施适应引擎750。在所图示的实施例中，适应引擎750包括用于适应性辅路径处理752、估计的辅路径滤波器754、适应性简档处理756和简档选择758的部件。适应引擎750可被配置为通过跟踪和补偿泄漏差异（例如，通过选择性地切换简档）来提供适应性泄漏补偿。在各种实施例中，适应引擎750可以包括其他处理部件和控制，诸如啸声控制、风控制、外界控制和其他控制逻辑。在一些实施例中，可以包括附加的检测器（例如，啸声检测器、风检测器等）以向一个或多个检测器提供输入，并且控制元件可以通过修改适应简档、适应性滤波器的一个或多个参数（例如，用于啸声补偿的增益控制）来提供对检测到的条件的补偿。

混合ANC系统700经由诸如I²S、PCM或其他接口协议之类的音频接口760从单独的设备接收音频回放。接收的回放信号由音频处理部件762处理，音频处理部件762可以包括音频编解码器和被配置为修改用于输出的回放信号的其他部件。

前述公开不旨在将本公开限制为所公开的精确形式或特定使用领域。因此，设想的是，根据本公开，无论在本文中明确描述还是暗示，对本公开的各种替代实施例和/或修改是可能的。在已经像这样描述了本公开的实施例的情况下，本领域普通技术人员将认识到的是，可以在形式和细节上做出改变而不背离本公开的范围。因此，本公开仅由权利要求限制。

Claims (20)

1.一种有源噪声消除系统，包括：

前馈路径，其被配置为接收包括外界噪声的参考信号，以及适应性地生成抗噪声信号以消除所述外界噪声，所述前馈路径包括被配置为适应性地调整所述抗噪声信号的增益的适应性增益部件；以及

逻辑设备，其被配置为基于所述适应性增益部件的参数来确定泄漏简档。

2.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，其中所述前馈路径包括前馈适应性滤波器，所述前馈适应性滤波器被调谐以根据所述确定的泄漏简档来生成与所述参考信号对应的所述抗噪声信号。

3.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，还包括存储器，其存储多个泄漏简档，并且其中所述确定的泄漏简档是从所述多个泄漏简档中选择的。

4.根据权利要求3所述的有源噪声消除系统，其中所述多个泄漏简档中的每个针对对应的增益被调谐。

5.根据权利要求3所述的有源噪声消除系统，其中所述多个泄漏简档中的每个具有相关联的阈值范围，并且其中所述逻辑设备被配置为通过确定所述参数是否在所述相关联的阈值范围内来确定泄漏简档。

6.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，其中所述确定的泄漏简档包括用于前馈适应性有源噪声消除滤波器、反馈适应性噪声消除滤波器、回放补偿滤波器、适应性有源噪声消除辅路径滤波器和/或与所述前馈路径并行操作的透明性滤波器的调谐的滤波器。

7.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，其中所述确定的泄漏简档对应于与所述有源噪声消除系统与用户之间的配合相关联的耳部耦合条件。

8.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，还包括适应性透明性滤波器，其被配置为接收所述参考信号以及生成外界包含信号，以用于到所述有源噪声消除系统的用户的输出。

9.根据权利要求8所述的有源噪声消除系统，其中所述适应性透明性滤波器与所述前馈路径并行地操作；并且其中所述外界包含信号在透明性模式中与所述抗噪声信号混合。

10.根据权利要求9所述的有源噪声消除系统，还包括：

低等待时间引擎，其被配置成为所述适应性透明性滤波器、所述适应性增益部件、前馈适应性滤波器和反馈适应性滤波器提供低等待时间处理；和

适应引擎，其被配置为监督和控制所述低等待时间引擎的一个或多个适应，所述适应引擎包括所述逻辑设备。

11.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，还包括：

参考传感器，其被配置为感测所述外界噪声并生成与其对应的所述参考信号；和

误差传感器，其被配置为感测噪声消除区中的所述外界噪声和所述抗噪声信号的混合并生成对应的误差信号。

12.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，其中所述泄漏简档包括针对至少一个适应性滤波器的存储的系数；以及其中所述逻辑设备还被配置为修改所述前馈路径中的至少一个适应性滤波器的滤波器系数。

13.一种方法，包括：

通过前馈有源噪声消除路径处理表示外界噪声的参考信号，以适应性生成抗噪声信号来消除所述外界噪声，其中所述处理包括：

对所述抗噪声信号施加适应性增益，其中所述增益适配于一个或多个泄漏条件；以及

至少部分地基于所述适应性增益来确定泄漏简档。

14.根据权利要求13所述的方法，其中处理所述参考信号还包括根据所述确定的泄漏简档施加适应性滤波器以生成与所述参考信号对应的所述抗噪声信号。

15.根据权利要求13所述的方法，其中至少部分地基于所述适应性增益来确定泄漏简档还包括存储多个泄漏简档以及从所述多个泄漏简档选择所述确定的泄漏简档。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括针对对应的适应性增益值来调谐所述多个泄漏简档中的每个。

17.根据权利要求16所述的方法，其中调谐所述多个泄漏简档中的每个还包括：

测量针对跨多个用户的有源噪声消除系统的主路径和辅路径；

构建针对所述有源噪声消除系统的泄漏行为的模型；

获取用于监督检测器的数据并确定调谐参数；以及

针对所述多个泄漏简档中的每个确定增益和阈值。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括针对所述多个泄漏简档中的每个来确定阈值范围，以及确定所述增益值是否在所述多个泄漏简档中的一个的所述阈值范围内。

19.根据权利要求13所述的方法，其中确定泄漏简档还包括施加用于前馈适应性有源噪声消除滤波器、反馈适应性噪声消除滤波器、回放补偿滤波器、适应性有源噪声消除辅路径滤波器和/或与所述前馈路径并行操作的透明性滤波器的滤波器。

20.根据权利要求13所述的方法，其中所述确定的泄漏简档对应于与有源噪声消除设备和用户之间的配合相关联的耳部耦合条件。

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