CN114245272B - 一种噪声消除电路、装置及音频播放设备 - Google Patents

一种噪声消除电路、装置及音频播放设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种噪声消除电路、装置及音频播放设备。其中，噪声消除电路应用于音频播放设备，音频播放设备包括发送端和接收端，发送端和接收端的接地端分别地通过接地线缆接各自的系统地。噪声消除电路的第一端与发送端电连接，噪声消除电路的第二端与接收端电连接；噪声消除电路，用于基于叠加有共模噪声的供电电压对发送端输出的音频信号进行消噪处理，以向接收端输出消噪处理后的音频信号。基于叠加有共模噪声的供电电压对发送端输出的音频信号进行消噪处理，则噪声消除电路经消噪处理后的输出，近似等于发送端发送的、未叠加有共模噪声的音频信号。则接收端基于其接收到的、近乎未受共模噪声干扰的音频信号，能够为用户提供更好的体验。

Description

一种噪声消除电路、装置及音频播放设备
技术领域
本申请涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种噪声消除电路、装置及音频播放设备。
背景技术
音频信号是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体。在诸多领域中，通过音频信号进行的信息传输，是传输信息的主要方式。
然而，音频信号在其传输的过程中，难免会被叠加上噪声，使得接收端接收到的音频信号是失真的信号。进而，接收端播放该失真的音频信号，会引起播放效果不佳，影响用户体验的现象。
发明内容
本申请提供了一种噪声消除电路、装置及音频播放设备，以解决现有技术中存在的音频信号中含有噪声，影响播放效果的问题。
第一方面，本申请提供了一种噪声消除电路，所述噪声消除电路应用于音频播放设备，所述音频播放设备包括发送端和接收端，所述发送端和所述接收端的接地端分别地通过接地线缆接各自的系统地；
所述噪声消除电路的第一端与所述发送端电连接，所述噪声消除电路的第二端与所述接收端电连接；所述噪声消除电路，用于基于叠加有共模噪声的供电电压对所述发送端输出的音频信号进行消噪处理，以向所述接收端输出消噪处理后的音频信号。
在本说明书一个可选的实施例中，所述噪声消除电路包括：供电电路；
所述供电电路用于生成叠加有所述共模噪声的供电电压，使得所述噪声消除电路基于所述供电电压执行消噪功能。
在本说明书一个可选的实施例中，所述噪声消除电路包括：公共电压生成电路；
所述公共电压生成电路用于基于叠加有共模噪声的供电电压，生成公共电压，所述公共电压用于驱动所述噪声消除电路执行消噪。
在本说明书一个可选的实施例中，所述噪声消除电路包括：消噪工作电路；
所述噪声消除电路用于基于叠加有共模噪声的供电电压、和根据所述供电电压得到的公共电压，执行消噪；其中，所述消噪工作电路的第一端与所述发送端电连接，所述消噪工作电路的第二端与所述接收端电连接，所述消噪工作电路的第三端与所述第一电阻电连接于所述接收端的一端电连接。
在本说明书一个可选的实施例中，所述供电电路包括电源；
所述供电电路用于将所述电源输出的电压与共模噪声叠加，得到所述供电电压。
在本说明书一个可选的实施例中，所述消噪工作电路包括第一子电路和第二子电路；
所述第一子电路用于对发送端输出的音频信号进行反对照率运算，所述第二子电路用于对所述第一子电路的输出进行减法运算；
所述第一子电路的第一端与所述发送端电连接，所述第一子电路的输出端与所述第二子电路的第一输入端电连接；所述第二子电路第二端与所述接收端电连接，所述第二子电路第三端与所述第一电阻电连接于所述接收端的一端电连接。
在本说明书一个可选的实施例中，所述第一子电路包括：第一运算放大器；
所述第一运算放大器的第一输入端与所述发送端和所述第一运算放大器的输出端电连接，所述第一运算放大器的第二输入端输入公共电压，所述第一运算放大器的输出端与所述第二子电路电连接。
在本说明书一个可选的实施例中，所述第二子电路包括：第二运算放大器；
所述第二运算放大器的第一输入端与所述第一子电路的输出端电连接，所述第二运算放大器的第二输入端与第二节点电连接，所述第二节点用于输入公共电压，所述第二运算放大器的输出端与所述接收端电连接。
在本说明书一个可选的实施例中，所述噪声消除电路还包括第一电阻，所述第一电阻的两端分别与所述发送端和所述接收端的接地端电连接，用于分担共模噪声；其中，所述第一电阻的阻值大于所述接地线缆阻值。
第二方面，本申请提供了一种噪声消除装置，该装置包括第一方面中的任一种噪声消除电路，该装置应用于音频播放设备。
第三方面，本申请提供了一种音频播放设备，该音频播放设备包括发送端、接收端以及如第一方面中的任一种噪声消除电路。
第四方面，本申请提供了一种噪声消除设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
通信总线与前述任意一个噪声消除电路电连接。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本说明书中的噪声消除电路基于叠加有共模噪声的供电电压对所述发送端输出的音频信号进行消噪处理，则噪声消除电路经消噪处理后的输出，近似等于发送端发送的、未叠加有共模噪声的音频信号，进而使得接收端接收到的信号与发送端发送的、未叠加有共模噪声的音频信号相等。则接收端基于其接收到的、近乎未受共模噪声干扰的音频信号，能够为用户提供更好的体验。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种噪声消除电路与发送端、接收端之间的连接关系示意图；
图2为本申请实施例提供的一种噪声消除电路的供电电路示意图；
图3为本申请实施例提供的一种噪声消除电路的公共电压生成电路示意图；
图4为本申请实施例提供的一种噪声消除电路的消噪工作电路示意图；
图5为本申请实施例提供的一种噪声消除电路的使用效果示意图；
图6为本申请实施例提供的一种噪声消除设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
共模噪声又称为非对称噪声或线路对地的噪声，在使用交流电源的电气设备的输入端(输电线和中线)都存在这种噪声，两者对地的相位保持同相。共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口段的共有的信号干扰。共模干扰是在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰。
在音频播放设备使用时，有可能存在音频设备的发送端和接收端均接地的情形(为便于描述，下文将与发送端电连接的地端称为“第一系统地”，将与接收端电连接的地端称为“第二系统地”)，即存在多点接地的情形。其中，发送端与接收端电连接。发送端用于生成音频信号，之后，将音频信号输出至接收端。接收端用于将接收到的音频信号转换为音频，并进行播放。
多点接地噪声问题根源在于，发送音频设备(例如，本说明书中的发送端)和接收音频设备(例如，本说明书中的接收端)通过设备接大地和模拟音频线连接形成新的模拟接地回路，示例性地，如图1所示，发送端通过TX_AGND(即第一系统地)接地，接收端通过RX_AGND(即第二系统地)接地。发送或接收音频设备数字地和模拟地单点接地点和新模拟接地回路接地点间存在电势差。该电势差取决于两接地点间数字电流与两点间PCB阻抗乘积。通常情况下，电势差通常在几毫伏至一百多毫伏范围内。
该电势差除以负载阻抗，能够产生模拟地噪声电流。模拟地噪声电流与任意两点间模拟PCB阻抗相乘，能够模拟地噪声电压。其中，负载阻抗包括：回路PCB阻抗、音频传输线缆阻抗以及机壳接大地阻抗。
模拟地噪声电压通常在几十微伏至几毫伏范围内。模拟音频传输信号幅度通常在几十毫伏至几伏范围内。噪声电压叠加到音频信号上，造成接收端输出的音频信噪比下降，进而提高了为用户体验带来负面影响的风险。
有鉴于此，本说明书提供一种噪声消除电路。该噪声消除电路应用于音频播放设备。本说明书中的音频播放设备包括发送端和接收端，发送端和接收端的接地端均通过接地线缆接地。为便于说明，以下将由接地引起的地噪声称为“共模噪声”。
本说明书中的音频播放设备包括但不限于：手机、平板电脑、个人电脑、笔记本电脑、掌上电脑(PDA)、可穿戴设备(如智能眼镜、智能手表)、投影仪、全息沙盘等等。
本说明书中的噪声消除电路包括第一电阻和噪声消除电路。示意性地，该噪声消除电路的架构如图1所示。
噪声消除电路的第一端与所述发送端电连接，所述噪声消除电路的第二端与所述接收端电连接。所述噪声消除电路，用以基于所述共模噪声对所述发送端输出的音频信号进行消噪处理，向所述接收端输出消噪处理后的音频信号。本说明书中的噪声消除电路用于从发送端输出的音频信号中消除共模噪声，以在音频信号传输至接收端之前，消除共模噪声，进而接收端接收到的信号约等于音频端输出的、真实的信号，以实现降噪。
示例性地，如图1所示，发送端的输出为Vout，噪声消除电路的输入为Vnout。Vnout和Vout的差值为Vz。第一电阻R5两端电压与发送端和接收端之间的共模噪声(Vz)近似相等，则经图1所示的噪声消除电路的处理，接收端接收到的音频信号Vout’＝Vnout－Vz≈Vout。
在本说明书一个可选的实施例中，为实现噪声消除电路对共模噪声的消除功能，噪声消除电路可以包括以下至少一项：供电电路、公共电压生成电路、消噪工作电路。现就构成噪声消除电路的各个部分，分别地进行说明。
一、供电电路。
为实现噪声消除电路从发送端的输出中消除掉共模噪声，本说明书对噪声消除电路的供电电路进行了设计。示例性地，如图2所示，供电电路的第一端与第一系统地(即，第一信号源Vs1-)和第二系统地均电连接，第一系统地和第二系统地之间的压差即为造成共模噪声的原因之一，供电电路的第一端与第二端之间的电压差即为噪声消除电路执行消噪时采用的供电电压(示例性地，如图2所示的供电电路的第二端和供电电路的第一端之间的电压，即为供电电压)。由于供电电路的第一端与第一系统地和第二系统地均电连接，则可以视为共模电压加在供电电路的第一端上，使得供电电路输出的供电电压中叠加有共模噪声。可以视为供电电路通过其第二端输出供电电压，则供电电路的第二端在下文也可以被称为第二信号源(即，Vs+)。
需要说明的是，本说明书中的第一系统地和第二系统地均为参考值，在不同的电势零点选取情况下，第一系统地、第二系统地中的至少一个，电势可能不为零。
可见，本说明书中的供电电路能够在向噪声消除电路的其他部分提供的电压中叠加上共模噪声，以使得噪声消除电路基于所述供电电压执行消噪。
在本说明书一个可选的实施例中，供电电路还包括：电源v13。电源v13的第一极用于构成供电电路第一端，电源v13的第二极用于构成供电电路第二端。可选地，电源v13是直流电压源，第一极是正极，第二极是负极。
进一步可选地，供电电路还包括：第一电容C21和第二电阻R8。第一电容C21的第一端与供电电路的第一端电连接，第一电容C21的第二端与供电电路的第二端电连接。其中，第一电容C21可以用于对供电电路输出的供电电压的滤波。
在一个可选的实施例中，第二电阻R8电连接于电源v13的第一极与供电电路的第一端之间；在另一个可选的实施例中，第二电阻R8电连接于电源v13的第二极与供电电路的第二端之间。其中，第二电阻R8可以用于对供电电路输出的供电电压的滤波。
在图示1中，噪声消除电路包括第一电阻R5。所述第一电阻R5的两端分别与所述发送端和所述接收端的接地端电连接，用于分担共模噪声。其中，所述第一电阻R5的阻值大于所述接地线缆阻值，具体地第一电阻R5的阻值远大于所述接地线缆阻值。接地线缆的电阻在如图4所示的噪声消除电路中以线缆电阻R6表示。噪声消除电路的第三端与所述第一电阻电连接于所述接收端的一端电连接。
二、公共电压生成电路
本说明书中的噪声消除电路在执行噪音消除时，需要以公共电压作为驱动。在本说明书一个可选的实施例中，噪声消除电路还包括公共电压生成电路。示例性地，公共电压生成电路如图3所示。
在图3所示的示例中，公共电压生成电路包括：第三运算放大器(如图3所示的“U3”，可选地，第三运算放大器的型号为LMV358A)、第三电阻R11、第二电容C6以及第四电阻R12。
运算放大器(简称“运放”)是具有一定放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。
第三电阻R11的一端与第二信号源Vs1+电连接，第四电阻R12的一端与第一信号源Vs1-电连接，第二电容C6的一端与第一信号源Vs1-电连接；第三电阻R11的另一端、第四电阻R12的另一端、第二电容C6的另一端均与第三运算放大器的第二输入端电连接。第三运算放大器的输出端还与第三运算放大器的第一输入端电连接。第七电阻Rg1的另一端与第三电路的输出电连接。第一运算放大器的第二输入端与第三电路的输出电连接。
可见，本说明书中的公共电压生成电路用于基于叠加有共模噪声的供电电压，生成公共电压，所述公共电压用于驱动所述噪声消除电路执行消噪。
在本说明书一个可选的实施例中，第三运算放大器的第一输入端与第一信号源Vs1-电连接，第三运算放大器的第二输入端与第二信号源Vs1+电连接，如图4所示。
三、消噪工作电路。
本说明书中的噪声消除电路用于基于叠加有共模噪声的供电电压、和根据所述供电电压得到的公共电压，执行消噪；其中，所述消噪工作电路的第一端与所述发送端电连接，所述消噪工作电路的第二端与所述接收端电连接，所述消噪工作电路的第三端与所述第一电阻电连接于所述接收端的一端电连接。
进一步地，为实现噪声消除电路对音频信号执行的消噪处理，噪声消除电路可以包括模拟加法器。模拟加法器是产生数的和的装置。加数和被加数为输入，和数与进位为输出的装置为半加器。若加数、被加数与低位的进位数为输入，而和数与进位为输出的装置则为全加器。
噪声消除电路可以包含一个以上的模拟加法器，以实现消噪。在本说明书一个可选的实施例中，所述噪声消除电路可以包括：第一子电路和第二子电路，所述第一子电路和所述第二子电路中均含有所述模拟加法器。
其中，所述第一子电路用于对发送端输出的音频信号进行反对照率运算，所述第二子电路用于对所述第一子电路的输出进行反向加法运算。所述第一子电路的第一端与所述发送端电连接，所述第一子电路的输出端与所述第二子电路的第一输入端电连接；所述第二子电路第二端与所述接收端电连接，所述第二子电路第三端与所述第一电阻电连接于所述接收端的一端电连接。
在采用本说明书中的噪声消除电路执行噪声消除的过程中，由发送端发出的信号首先经第一子电路进行处理，得到第一子电路的输出。
具体地，第一子电路包括：第一运算放大器(如图4所示的“U1”，可选地，第一运算放大器的型号为LMV358A)；所述第一运算放大器的第一输入端与第一节点电连接，所述第一节点与所述发送端电连接，所述第一运算放大器的第二输入端输入公共电压，所述第一运算放大器的输出端与所述第二子电路电连接，并且，所述第一运算放大器的输出端与所述第一运算放大器的第一输入端电连接。
第二子电路包括：第二运算放大器(如图4所示“U2”，可选地，第二运算放大器的型号为LMV358A)；所述第二运算放大器的第一输入端与所述第一子电路的输出端电连接，所述第二运算放大器的第二输入端与第二节点电连接，所述第二节点用于输入公共电压，所述第二运算放大器的输出端与所述接收端电连接，并且，所述第二运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的第一输入端电连接。
现就第一子电路和第二子电路的具体结构进行说明。
在本说明书一个可选的实施例中，第一子电路还包括：第三电容C3、第四电容C8、第五电阻R2和第六电阻R4。第三电容C3的一端与所述噪声消除电路的第一端电连接，所述第三电容C3的另一端与第五电阻R2的一端电连接，第五电阻R2的另一端与第一节点电连接。
第六电阻R4的一端与第一节点电连接，第六电阻R4的另一端与第一运算放大器的输出端电连接。第四电容C8的一端与第一节点电连接，第四电容C8的另一端与第一运算放大器的输出端电连接。
第二子电路还包括：第七电阻Rg1、第八电阻R1、第九电阻R3、第十电阻Rg2、第五电容C1、第六电容C7以及第七电容C2。
其中，第六电容C7的一端与噪声消除电路的第三端电连接，第六电容C7的另一端与第八电阻R1的一端电连接。第八电阻R1的另一端与第七电阻Rg1的一端电连接于第二节点。第二运算放大器的第二输入端电连接于第二节点。
第十电阻Rg2的一端、第九电阻R3的一端、第五电容C1的一端均电连接于第二运算放大器的第一输入端，第十电阻Rg2的另一端与第一运算放大器的输出端电连接。第九电阻R3的另一端、第五电容C1的另一端均电连接于第二运算放大器的输出端。
第七电容C2的一端与第二运算放大器的输出端电连接，第七电容C2的另一端噪声消除电路的第二端电连接。图4中所示的电阻R7,用于表示噪声消除电路与接收端之间的导电线路的电阻，电阻R9用于表示接收端的电阻。
进一步地，如图3所示，在噪声消除电路中，第五电容C3的一端还与第一信号源Vs1-电连接。第一运算放大器的第一输入端与第一信号源Vs1-电连接，第一运算放大器的第二输入端与第二信号源Vs1+电连接。第二运算放大器的第一输入端与第一信号源Vs1-电连接，第二运算放大器的第二输入端与第二信号源Vs1+电连接。
可选地，在实验场景下，为便于设计人员对本说明书中的噪声消除电路进行调整和评估，如图4所示，在第二子电路上设置第一检测端，第一检测端与第二运算放大器的输出端电连接。则可以基于第一检测端的检测结果，对噪声消除电路进行评估。此外，还可以在接收端用于输入音频信号的接口设置第二检测端，则可以基于第二检测端的检测结果，对噪声消除电路进行评估。
在本说明书一个可选的实施例中，噪声消除电路设置于发送端中。在本说明书另一个可选的实施例中，噪声消除电路设置于接收端中。
本说明书中的噪声消除电路的在某一实例中的使用效果如图5所示。图5所示的第一行是发送端的输出Vout；第二行是发送端和接收端之间的共模噪声(Vz)；第三行是(Vnout)；第四行是在不进行降噪的情况下，接收端接收到的音频信号；第五行是采用本说明书中的噪声消除电路处理之后，接收端接收到的音频信号Vout’。
如图4所示，在图4所示的消噪工作电路中，
第二运算放大器的第二输入端的电压为：
第二运算放大器的第一输入端的电压为：
式中，Vnout是第一运算放大器的输出。由于运算放大器的虚短特性，则V1+＝V1-。对以上公式(二)和公式(三)变形，可得公式(四)：
为便于对本说明书中的消噪工作电路的原理进行说明，在此假设Rg1＝Rg2＝R1＝R3,由于音频信号为正弦交流信号，故计算中忽略直流电压Vcom,可得公式(五)：
Vout’＝Vz-Vnout＝Vout 公式(五)
在实际应用中，本说明书中的噪声消除电路成本较低，能够满足低成本立体声设的需求。在中高端应用设计场景中，可以将运算放大器变更为噪声更低的精密运算放大器，以可以满足中高端应用设计的需求。
此外，本说明书进一步提供一种噪声消除装置。该噪声消除装置包括前述的任意一种噪声消除电路。该噪声消除装置应用于音频播放设备。
本说明书还提供一种音频播放设备，该音频播放设备包括发送端、接收端以及前述的任意一种噪声消除电路。
如图6所示，本申请实施例提供了一种噪声消除设备，包括处理器111、通信接口112、存储器113和通信总线114，其中，处理器111，通信接口112，存储器113通过通信总线114完成相互间的通信，
存储器113，用于存放计算机程序；
在本申请一个实施例中，通信总线与前述任意一个噪声消除电路电连接。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种噪声消除电路，其特征在于，所述噪声消除电路应用于音频播放设备，所述音频播放设备包括发送端和接收端，所述发送端和所述接收端的接地端分别地通过接地线缆接各自的系统地；
所述噪声消除电路的第一端与所述发送端电连接，所述噪声消除电路的第二端与所述接收端电连接；所述噪声消除电路包括：供电电路、消噪工作电路；所述供电电路包括电源，所述供电电路用于将所述电源输出的电压与共模噪声叠加，得到供电电压；所述噪声消除电路，用于基于叠加有共模噪声的供电电压、和根据所述供电电压得到的公共电压，对所述发送端输出的音频信号进行消噪处理，以向所述接收端输出消噪处理后的音频信号；其中，所述消噪工作电路包括第一子电路和第二子电路，所述第一子电路用于对发送端输出的音频信号进行反对照率运算，所述第二子电路用于对所述第一子电路的输出进行减法运算；所述第一子电路的第一端与所述发送端电连接，所述第一子电路的输出端与所述第二子电路的第一输入端电连接；所述第二子电路第二端与所述接收端电连接，所述第二子电路第三端与第一电阻电连接于所述接收端的一端电连接。
2.根据权利要求1所述的噪声消除电路，其特征在于，所述噪声消除电路包括：公共电压生成电路；
所述公共电压生成电路用于基于叠加有共模噪声的供电电压，生成公共电压，所述公共电压用于驱动所述噪声消除电路执行消噪。
3.根据权利要求1所述的噪声消除电路，其特征在于，所述第一子电路包括：第一运算放大器；
所述第一运算放大器的第一输入端与所述发送端和所述第一运算放大器的输出端电连接，所述第一运算放大器的第二输入端输入公共电压，所述第一运算放大器的输出端与所述第二子电路电连接。
4.根据权利要求1所述的噪声消除电路，其特征在于，所述第二子电路包括：第二运算放大器；
所述第二运算放大器的第一输入端与所述第一子电路的输出端电连接，所述第二运算放大器的第二输入端与第二节点电连接，所述第二节点用于输入公共电压，所述第二运算放大器的输出端与所述接收端电连接。
5.一种噪声消除装置，其特征在于，所述噪声消除装置包括如权利要求1至权利要求4之任一所述的噪声消除电路，所述噪声消除装置应用于音频播放设备。
6.一种音频播放设备，其特征在于，所述音频播放设备包括发送端、接收端以及如权利要求1至权利要求4之任一所述的噪声消除电路。
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