CN114787911A - 耳戴式播放设备的噪声消除系统和信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种用于具有扬声器(SP)、前馈麦克风(FF_MIC)和误差麦克风(FB_MIC)的耳戴式播放设备(HP)的噪声消除系统包括用于将前馈麦克风(FF_MIC)耦合到扬声器(SP)的滤波器链(FF_CH)以及噪声控制处理器(SCP)，该滤波器链(FF_CH)包括串联连接或并联连接的粗滤波器(FF_C)和精细滤波器(FF_F)。精细滤波器(FF_F)由一组具有预定义频率范围的子滤波器形成，其中，子滤波器中的每一个的预定义频率范围共同形成精细滤波器(FF_F)的有效总频率范围。噪声控制处理器(SCP)被配置为：基于由前馈麦克风(FF_MIC)感测的第一噪声信号并基于由误差麦克风(FB_MIC)感测的第二噪声信号来计算误差信号；基于该误差信号执行对粗滤波器(FF_C)的粗滤波器参数的适配；并且基于该误差信号执行对子滤波器中的每一个的精细滤波器参数的有限适配，其中，有限适配的限制包括子滤波器的预定义频率范围以及增益限制和Q因子限制中的至少一个。

Description

耳戴式播放设备的噪声消除系统和信号处理方法

本公开涉及一种噪声消除系统和一种信号处理方法，每个均用于耳戴式播放设备(例如耳机)，该耳戴式播放设备包括扬声器、前馈麦克风和误差麦克风。

如今，包含耳塞式耳机在内的大量耳机都配备了噪声消除技术。例如，这种噪声消除技术被称为主动噪声消除或环境噪声消除，两者均被缩写为ANC。ANC通常利用记录的环境噪声，该环境噪声被处理以产生抗噪信号，然后，该抗噪信号与有用的音频信号进行组合，以在耳机的扬声器上播放。ANC也能够用于其他音频设备，例如手持机或移动电话。

各种ANC方法都使用反馈FB麦克风、前馈FF麦克风，或反馈和前馈麦克风的组合。

FF和FB ANC是通过基于给定的系统的声学来调谐滤波器而实现的。

在常规的ANC系统中，各个ANC滤波器的滤波器参数是例如在ANC耳机的生产过程中例如利用校准测量进行调谐的，或者在ANC耳机操作期间通过不断适配所有滤波器参数进行调谐的。

要实现的目的是提供一种用于改进ANC系统的前馈部分中的ANC性能的改进构思。

该目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中定义了改进构思的实施例和改进方案。

在各种实施方式中，作为具有ANC的耳戴式播放设备的一般示例，噪声消除耳机包括驱动器或扬声器，所述驱动器或扬声器的前面直接声学耦合到前部空间，当耳机被佩戴时该前部空间部分地由耳道空间形成。驱动器的后面可以被后部空间包围。通常存在将前部空间声学耦合到周围环境的前部通风口，以及将后部空间声学耦合到周围环境的后部通风口。任一通风口都可以覆盖有隔音网。

ANC耳机在外壳上能够具有直接耦合到周围环境的麦克风，该麦克风检测可忽略的量的驱动器信号。该麦克风的信号经由前馈滤波器进行处理，并且信号从驱动器播放出来，产生与耳朵处的噪声信号相位相反、幅度相等的抗噪声信号，从而实现FF ANC。在100Hz至1kHz的频带上，实现的衰减通常为大约20dB。

耳朵处的噪声能够由环境到耳朵声学传递函数AE来表示，而抗噪声信号能够由环境到FF麦克风的声学传递函数AFFM、FF滤波器响应F以及驱动器到耳朵的声学传递函数DE给出，从而得到残余误差Err，例如

Err＝AE-AFFM.F.DE。

对于完美的噪声消除，误差Err＝0，因此理想的滤波器形状F由下式给出：

理想的滤波器形状能够通过上述三个传递函数的测量来计算。这通常被称为FF目标。因此，如果滤波器与FF目标不同，则噪声消除被降低。良好的FF ANC的目的在于尽可能将滤波器F与FF目标相匹配。

ANC耳机还可以具有靠近驱动器安装的麦克风，该麦克风检测来自周围环境和驱动器本身的声音。

对于实现20dB ANC的FF系统，滤波器应以高精度匹配FF目标。已经发现，如果滤波器相位完全匹配，则滤波器幅度必须匹配在0.8dB以内，或者如果滤波器幅度完全匹配，则滤波器相位必须在5度以内。

改进构思基于以下发现：这对固定FF滤波器来说是一个挑战，因为FF目标响应能够基于以下因素发生变化：

-由于耳机每次戴在头上时的佩戴方式导致的从前部空间到周围环境的可变声学泄漏，

-由于耳垫或橡胶尖端的可变压缩导致的耳朵处的环境噪声响应差异，

-部件差异导致变化的驱动器和麦克风响应，

-由于制造的差异导致通过耳机的噪声传播发生变化。

这些变化可能是非常小的，但即使利用校准过程，FF ANC也无法达到20dB以上。

典型的FF目标包含几个高阻尼且难以表征的共振，所述共振基于驱动器响应及其声学负载以及声音通过耳机进入耳朵中的传播。这些共振很容易基于以上几点发生变化。因此，固定的FF滤波器即使具有非常高的阶数也无法补偿这些，因为当同一个人以特定方式佩戴时，它仅适用于一个耳机单元。这意味着对FF目标和FF滤波器的任何小的更改都将不再是最佳的。

因此，需要考虑FF目标响应中的这些小的变化，并且此过程必须考虑基于单元之间制造差异的变化，以及当以不同方式放置在头部时FF目标不断细微变化。由于FF目标变化如此频繁，因此需要一个适配滤波器。

然而，传统的适配ANC存在但具有缺点，尤其是对于需要减少噪声消除IC中的处理开销的无限脉冲响应IIR高阶滤波器来说。传统的适配算法适配IIR滤波器中的系数，这些滤波器可能会变得不稳定，并且能够使系数相互有力竞争，从而冒着虚假空值和非常慢或高功率适配的风险，这对于噪声消除耳机IC来说是不切实际的。

因此，改进构思是基于两级滤波器链的适配过程的思想。第一阶段是粗滤波器的适配，其补偿FF目标的大的变化，第二阶段是精细适配，以适配与粗滤波器串联或并联布置且受到严格限制以对整个滤波器链的影响小的附加高分辨率滤波器或精细滤波器。精细滤波器具有细化整体滤波器响应的效果，以减少滤波器与声学之间的增益和相位误差，从而在已经由驱动器和处理器速度决定的带宽中，将FF ANC增加到40dB或更多。

例如，精细滤波器由子滤波器组形成，子滤波器中的每一个具有预定义频率范围。子滤波器中的每一个的预定义频率范围可以与该子滤波器组中的至少一个其他子滤波器的预定义频率范围相邻或至少部分地重叠。子滤波器可以是串联连接或并联连接的。

因此，利用精细滤波器是连续频率范围，能够实现有效的总频率范围。例如，选择有效频率范围以具有细化滤波器链的滤波器响应的最佳效果。

根据改进构思，仅执行子滤波器中的每一个的滤波器参数的有限适配，其中，有限适配的限制包括子滤波器的预定义频率范围以及增益限制和Q因子限制中的至少一个。这样的限制可能不直接针对频率增益或Q因子，但它们可以直接针对子滤波器的极点/零点或它们的系数，使得它们具有间接限制频率、增益或Q因子的效果。

例如，提供了根据改进构思的用于耳戴式播放设备的噪声消除系统的实施方式。耳戴式播放设备具有扬声器、前馈麦克风和误差麦克风，该前馈麦克风被配置为主要感测环境声音，该误差麦克风被配置为感测环境声音和从扬声器输出的声音。噪声消除系统包括用于将前馈麦克风耦合到扬声器的滤波器链，滤波器链包括串联连接或并联连接的粗滤波器和精细滤波器。噪声消除系统还包括噪声控制处理器，该噪声控制处理器被配置为基于前馈麦克风感测的第一噪声信号并基于误差麦克风感测的第二噪声信号来计算误差信号。噪声控制处理器还被配置为基于误差信号执行粗滤波器的粗滤波器参数的适配(例如粗适配)并且基于误差信号执行子滤波器中的每一个的精细滤波器参数的有限适配，其中，有限适配的限制包括子滤波器的预定义频率范围以及增益限制和Q因子限制中的至少一个。

例如，子滤波器中的至少一个是双二阶滤波器或二阶IIR滤波器。在一些实施方式中，所有子过滤器都以相同方式实现。双二阶滤波器或其他二阶IIR滤波器能够在信号处理器中轻松实现。此外，这样的滤波器各自能够用五个或六个滤波器参数进行参数化，这在计算工作量和稳定性跟踪方面减少了适配过程中的工作量。尤其是，在有限适配过程中限制参数能够减少适配期间所需的计算方面的工作量。

在一些实施方式中，该子滤波器组包括在六至十二个子滤波器，例如八至十个子滤波器。例如，给定精细滤波器的有限总频率范围，这允许子滤波器具有小的预定义频率范围，从而导致用于细化滤波器链的总滤波器响应的较高分辨率。

例如，精细滤波器的有效总频率范围为80Hz至2000Hz，例如为80Hz至1000Hz。已经发现这样的频率范围对滤波器链的总频率响应具有好的影响。

限制每个子滤波器的增益实现了较少的稳定性问题的暴露；类似地，限制子滤波器的Q因子导致相应滤波器响应的形状的有限变化，并且还能够用于在适配过程中支持子滤波器的稳定性。例如，除了对预定义频率范围的限制外，还应用了增益限制和Q因子限制。

例如，每个子滤波器是峰值滤波器和陷波滤波器中的一个。例如，在适配过程中，一个特定的子滤波器能够通过适配过程从峰值滤波器变为陷波滤波器，反之亦然。如果子滤波器的结果是峰值滤波器，则预定义频率范围内的总增益能够增加，而如果子滤波器的结果是陷波滤波器，则总增益能够衰减。

如前所述，经计算和/或测量的目标响应函数F(不考虑操作期间的变化)是滤波器链的粗略滤波器的基础，其还可以包括非最小相位部分。换言之，能够假设精细滤波器不需要大量的延迟，因为这由粗略滤波器补偿。因此，如果每个子滤波器是最小相位滤波器，可能就足够了。

在各种实施方式中，子滤波器的有限自适配的基于误差最小化算法，例如最小均方LMS算法的。例如，u-滤波(filtered-u)LMS算法能够用于适配子滤波器的精细滤波器参数。

在各种实施方式中，子滤波器的有限适配包括对子滤波器中的至少一个的增益、中心频率和Q因子的适配。因此，相应子滤波器的精细滤波器参数能够根据经适配的增益、中心频率和Q因子来计算。

此外或作为替代方案，子滤波器的有限适配可以包括直接适配子滤波器中的至少一个的精细滤波器参数并且检查经适配的精细滤波器参数的有限适配的限制。实施方式中的每一个都允许有效的适配过程。

如上所述，粗滤波器可以具有初始状态，该初始状态被调谐为匹配黄金参考耳机以实现大约20dB或更多的噪声消除。对于每个单独的耳机，该粗滤波器可以被校准为以尽可能最佳的方式进行匹配，以补偿部件和制造公差。

根据耳机的贴合度，粗滤波器将适配以实现大约20dB的ANC。该适配能够相对简单，例如采用噪声控制处理器的粗滤波器的增益和/或低通滤波器截止频率的适配。由于贴合度的变化，主要的粗变化可能是耳垫与用户头部之间的泄漏，这能够导致大部分噪音经由该低声阻抗路径而不是经由耳机通风口和壳体进入耳朵。这大大改变了耳机的驱动器响应，并最终改变了AE部分相对于FF目标的AFFM部分的低通特性。在大多数耳机示例中，改变粗滤波器增益和低通特性能够提供明显更好的幅度和相位匹配。

在系统的各种实施方式中，噪声控制处理器被配置为在有限适配之前和/或在有限适配期间以比有限适配慢的速率执行粗适配。然后，适配精细滤波器只需要做出小的变化。这些小的变化通常并不平滑。这意味着精细滤波器可能会适配“起伏”的幅度和相位响应。为了匹配这些起伏，很可能使用了相对高阶的滤波器，如上所述。

对于ANC的传统适配，完全适配系数将是复杂的、耗时的，并且对于高阶滤波器有陷入虚假零值的风险。因此，通过对适配精细滤波器施加约束，即在有限适配内，简化了根据改进构思的适配过程。

精细滤波器或精细滤波器的子滤器不需要大的增益或相位差，因此适配可以被约束或限制在调谐或工厂校准阶段定义的或由粗滤波器参数定义的特定范围内。

根据第一噪声信号和第二噪声信号计算的误差信号可以表示耳朵处残余环境噪声的归一化测量，例如，通过计算耳朵处的残余噪声与由前馈麦克风测量的环境噪声之间的比率，能够实现对噪声消除性能的测量。然而，不排除其他计算方式。这能够用于操纵适配算法。

根据上述实施方式之一的噪声消除系统能够用于耳戴式播放设备(例如耳机或手持机)。因此，耳戴式播放设备包括如上所述的噪声消除系统、扬声器、前馈麦克风和位于扬声器附近的误差麦克风。

在其他实施方式中，根据上述实施方式之一的噪声消除系统能够由音频播放器构成。例如，音频播放器被提供有来自耳机等的相应麦克风信号，并且为耳机提供相应扬声器信号。

根据遵循改进构思的另一个实施例，提供一种用于耳戴式播放设备的信号处理方法，该耳戴式播放设备具有扬声器、前馈麦克风和误差麦克风，该前馈麦克风被配置为主要感测环境声音，该误差麦克风被配置为感测环境声音和从扬声器输出的声音。前馈麦克风经由包括串联连接的粗滤波器和精细滤波器的滤波器链耦合到扬声器。精细滤波器由子滤波器组形成，子滤波器中的每一个具有预定义频率范围，并且子滤波器中的每一个的预定义频率范围至少部分地与该子滤波器组中的至少一个其他子滤波器的预定义频率范围重叠。该方法包括基于前馈麦克风感测的第一噪声信号并基于误差麦克风感测的第二噪声信号来计算误差信号。该方法还包括基于误差信号执行粗滤波器的粗滤波器参数的粗适配，以及基于误差信号执行子滤波器中的每一个的精细滤波器参数的有限适配。其中，有限适配的限制包括子滤波器的预定义频率范围以及增益限制和Q因子限制中的至少一个。

从上述噪声消除系统的各种实施方式中，该方法的进一步实施方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。

该方法可以在硬件或软件中实现，例如采用信号处理器(例如如上所述的噪声控制处理器)来实现。

在上述所有实施例中，ANC能够用数字和/或模拟滤波器两者来执行。所有音频系统也可以包括反馈ANC。在这些实施方式中，例如系统还包括将误差麦克风耦合到扬声器的反馈噪声滤波器。各种信号的处理和记录优选地在数字域中执行。

下面借助附图更详细地描述改进的构思。在所有附图中，具有相同或相似功能的元件使用相同的附图标记。因此，在以下附图中不必重复对它们的描述。

在附图中：

图1示出了耳机的示意图；

图2示出了示例适配ANC系统的框图；

图3示出了“泄漏”型耳塞式耳机的示例表示；

图4示出了用户佩戴的示例性耳机，该耳机具有来自环境声音源的多个声音路径；

图5示出了支持ANC的手持机的示例表示；

图6示出了根据改进构思的精细滤波器的示例性实施方式；

图7示出了根据改进构思的具有子滤波器的多个频率范围的示例频率图；

图8示出了多个示例零/极点图；以及

图9示出了另一个示例适配ANC系统的框图。

图1示出了耳机HP形式的启用ANC的播放设备的示意图，该耳机在该示例中设计成压耳式耳机或耳罩式耳机。仅示出了对应于单个音频通道的耳机HP的一部分。然而，针对本公开以及之后的公开，对于本领域技术人员来说，扩展到立体声耳机将是显而易见的。耳机HP包括承载扬声器SP、反馈噪声麦克风或误差麦克风FB_MIC以及环境噪声麦克风或前馈麦克风FF_MIC的壳体HS。误差麦克风FB_MIC被特别地定向或布置成使得其记录在扬声器SP上播放的声音和环境噪声二者。优选地，误差麦克风FB_MIC布置为靠近扬声器、例如靠近扬声器SP的边缘或靠近扬声器的膜布置，使得扬声器声音可以是用于记录的主要源。环境噪声/前馈麦克风FF_MIC特别地引导或设置成使得其主要记录来自耳机HP外部的环境噪声。尽管如此，扬声器声音的可忽略部分可能会到达麦克风FF_MIC。

在图1的实施例中，噪声控制处理器SCP位于耳机HP内以用于执行各种信号处理操作，其示例将在下文的公开内容中描述。噪声控制处理器SCP还可以放置在耳机HP的外部(例如，放置在位于移动手持机或电话中的外部设备中)或耳机HP的电线内。

图2示出了示例适配ANC系统的框图。系统包括误差麦克风FB_MIC和前馈麦克风FF_MIC，两者都将它们的输出信号提供给噪声控制处理器SCP。利用前馈麦克风FF_MIC记录的噪声信号n1还被提供给前馈滤波器链FF_CH以用于生成经由扬声器SP输出的抗噪声信号。滤波器链FF_CH包括串联连接的粗滤波器FF_C和精细滤波器FF_F，这两个滤波器都可由噪声控制处理器SCP适配。

在误差麦克风FB_MIC处，从扬声器SP输出的声音与环境噪声结合并且被记录成包括ANC后的环境噪声的剩余部分的第二噪声信号n2。噪声控制处理器SCP使用第一噪声信号n1和第二噪声信号n2来计算误差信号，该误差信号随后用于调节前馈滤波器链FF_CH的滤波器响应，尤其是通过分别调节粗滤波器FF_C和精细滤波器FF_F。

图3示出了“泄漏”型耳塞式耳机的示例表示，即耳塞式耳机的特征在于在周围环境与耳道EC之间存在一些声学泄漏。尤其是，在周围环境与耳道EC之间存在声音路径，在图中表示为“声学泄漏”。

图4示出了用户佩戴的具有多个声音路径的耳机HP的示例配置。图4中所示的耳机HP代表启用噪声消除的音频系统的任何耳戴式播放设备的示例，并且例如能够包含入耳式耳机或耳塞式耳机，贴耳式耳机或压耳式耳机。除了耳机之外，耳戴式播放设备还可以是移动电话或者类似设备。

该示例中的耳机HP具有扬声器SP、反馈噪声麦克风FB_MIC和前馈麦克风FF_MIC，该前馈麦克风例如被设计为前馈噪声消除麦克风。为了更好地概览，此处未显示耳机HP的内部处理细节。

例如，耳机HP具有直接声学耦合到用户的耳道空间的前部空间、面向前部空间的驱动器或扬声器SP以及围绕驱动器SP的后面的后部空间。后部空间可以具有带有声阻器的通风口，以允许从驱动器SP的后部减轻一些压力。前部空间也可以具有带有声阻器的通风口，以允许在驱动器SP的前部减轻一些压力。耳垫可以围绕驱动器SP的前面，并组成前部空间的一部分。

在正常操作中，耳机被放置在用户的头上，使得在耳垫与用户头部之间形成完全密封或部分密封，从而至少部分地将前部空间声学耦合到耳道空间。

在图4所示的配置中，存在多个声音路径，所述多个声音路径中的每一个都能够由各自的声学响应函数或声学传递函数表示。例如，第一声学传递函数DFBM表示在扬声器SP与反馈噪声麦克风FB_MIC之间的声音路径，并且可以被称为驱动器到反馈响应函数。第一声学传递函数DFBM可以包括扬声器SP本身的响应。第二声学传递函数DE表示耳机的扬声器SP(可能包括扬声器SP本身的响应)与暴露于扬声器SP的用户的耳膜ED之间的声学声音路径，并且可以被称为驱动器到耳朵响应函数。第三声学传递函数AE表示在环境声源与耳膜ED之间的穿过用户的耳道EC的声学声音路径，并且可以被称为环境到耳朵响应函数。第四声学传递函数AFBM表示在环境声源与反馈噪声麦克风FB_MIC之间的声学声音路径，并且可以被称为环境到反馈响应函数。

第五声学传递函数AFFM表示在环境声源与前馈麦克风FF_MIC之间的声学声音路径，并且可以被称为环境到前馈响应函数。

尤其是麦克风FB_MIC和FF_MIC与扬声器SP之间的耳机HP的响应函数或传递函数能够与可以在操作期间被参数化为噪声消除滤波器的反馈滤波器函数B和前馈滤波器函数F一起使用。

作为耳戴式播放设备的示例的耳机HP可以体现为麦克风FB_MIC和FF_MIC均被激活或启用以便能够执行混合ANC，或者作为FF ANC设备，其中出于FB ANC的目的，只有前馈麦克风FF_MIC被激活，而误差或反馈噪声麦克风FB_MIC未被激活。

为了更好地概览，图4中省略了对麦克风信号的任何处理或任何信号传输。然而，为了执行ANC对麦克风信号进行的处理可以在位于耳机或其他耳戴式播放设备内的处理器中实现，或者在耳机外部的专用处理单元中实现。处理器或处理单元可以被称为噪声控制处理器。如果处理单元被集成到播放设备中，则播放设备本身可以形成启用噪声消除的音频系统。如果在外部执行处理，则外部设备或处理器与播放设备一起可以形成启用噪声消除的音频系统。例如，可以在诸如移动电话或移动音频播放器的移动设备中执行处理，耳机有线或无线地连接到该移动设备。

现在参照图5，呈现了启用噪声消除的音频系统的另一个示例。在该示例实施方式中，系统由移动设备(如移动电话MP)形成，该移动设备包括播放设备，该播放设备具有扬声器SP、误差麦克风FB_MIC、环境噪声或前馈麦克风FF_MIC以及用于在操作期间执行尤其是ANC和/或其他信号处理的噪声控制处理器SCP。

在另一个未示出的实施方式中，耳机HP(例如，如图1或图4所示的耳机HP)能够连接到移动电话MP，其中来自麦克风FB_MIC、FF_MIC的信号从耳机传输到移动电话MP、尤其是移动电话的处理器PROC，用于生成要在耳机的扬声器上播放的音频信号。例如，根据耳机是否连接到移动电话，ANC是用移动电话内部部件(即扬声器和麦克风)或用耳机的扬声器和麦克风执行的，从而每种情况下使用不同的滤波器参数组。

下文中，将结合具体使用示例对改进构思的几种实施方式进行描述。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，针对一个实施方式描述的细节仍然可以应用于其他实施方式中的一个或更多个。

回到图2，来自FF麦克风FF_MIC的信号通过由粗适配滤波器FF_C和受约束的高分辨率适配精细滤波器FF_F形成的滤波器链FF_CH。

粗滤波器FF_C能够由多个双二阶或二阶IIR滤波器组成，这些滤波器通过匹配以下声学传递函数来进行种子化

例如，粗滤波器FF_C可以由4到10个(例如6到8个)这样的二阶IIR滤波器形成。粗适配滤波器FF_C与声学传递函数的匹配使得在适配后，其幅度误差为例如小于1dB并且其相位误差在指定的FF ANC带宽中小于8度。

粗滤波器可以常规地通过适配滤波器的系数来进行适配，或者该粗滤波器可以通过适配诸如增益和低通截止频率的几个参数来进行适配。然后这些参数能够转换为系数并写入滤波器。可以通过实施ams申请EP 17189001.5对粗滤波器进行适配，由此通过两个或更多个并行滤波器的插值产生粗滤波器响应。尤其是，噪声控制处理器SCP可以被配置为根据所提到的ams申请中详述的泄漏条件在高泄漏与低泄漏滤波器之间进行插值。

现在参照图6，示出了精细滤波器FF_F的可能实施方式。精细滤波器FF_F由例如串联连接的子滤波器组形成。子滤波器BQ_1、BQ_2、...、BQ_N中的每一个具有预定义频率范围，其中，子滤波器BQ_1、BQ_2、...、BQ_N中的每一个的预定义频率范围至少部分地与该子滤波器组中的至少一个其他子滤波器的预定义频率范围重叠。例如，精细滤波器FF_F由峰值级和/或陷波级形成，所述峰值级和/或陷波级中的每个由单个双二阶或二阶IIR滤波器表示，其例如设置为最后已知的良好状态。该子滤波器组可以包括六至十二个(例如八至十个)子滤波器。精细滤波器FF_F的有效总频率范围可以为80Hz至2000Hz，例如为80Hz至1000Hz。

现在参考图7，示出了具有八个子滤波器的精细滤波器FF_F的示例实施方式的总频率范围，该总频率范围由黑框标记的子滤波器中的每一个的单个预定义频率范围形成。能够看出，在该示例中，关于频率范围，每个子滤波器与相邻的子滤波器存在50％的重叠。然而，更小或更大的重叠仍然是可能的。

回到图2，噪声控制处理器SCP不仅基于误差信号执行粗滤波器FF_C的粗滤波器参数的适配，而且还执行(例如随后的)精细滤波器FF_F的适配。

尤其是，噪声控制处理器基于误差信号执行子滤波器BQ_1、BQ_2、…、BQ_N中的每一个的精细滤波器参数的有限适配。有限适配的限制包括子滤波器的预定义频率范围以及增益限制和Q因子限制中的至少一个。例如，子滤波器利用峰值级和/或陷波级来实现，所述峰值级和/或陷波级被限制为例如具有+/-1dB的最大增益。这大致导致了1.26的最大增益因子以及0.79的最小增益因子。例如，Q因子可以被限制为0.1至2。例如，每个子滤波器的中心频率可以被限制在预定义频率范围内。因此，精细滤波器FF_F的适配能够按照常规方式进行，例如利用filtered-u LMS算法，来适配IIR系数并利用对每个子滤波器的结果响应的检查和限制进行，或者LMS回路能够再次利用对极点和零点或结果响应的检查和限制适配极点和零点，或者LMS回路能够适配精细滤波器参数，即增益、Q因子和每个子滤波器在预定义拓扑的设定范围内的频率。

设置增益、Q因子和频率范围的限制以及精细拓扑和子滤波器形状(即峰值/陷波)消除了适配过程中的大量冗余，从而降低了虚假空值和/或缓慢适配的风险。相比之下，传统的适配滤波器会在没有这种约束拓扑的情况下适配系数，使得每个系数可以表示整个复空间中的极点或零点，从而减少对不稳定性问题的保护。

在另一个实施例中，子滤波器的布置是相同的，但是噪声控制处理器SCP尤其是单独地适配适配子滤波器中的每一个的系数，同时对它们施加增益、Q因子、中心频率和形状的等效约束。这将在下面进行更详细地描述。

例如，给定相应子滤波器的所需增益因子dBgain(以dB为单位)、中心频率f₀和Q因子Q，能够计算出相关联的二阶IIR滤波器的滤波器系数，其中F_S是采样频率，A和alpha是中间参数。ω₀是归一化的中心频率。

基于上述方程，每个子滤波器的滤波函数在拉普拉斯域中能够表示为

或者替代地，在Z域中表示为

其中以下参数

b₀＝1+alpha·A

b₁＝-2·cos(ω₀)

b₂＝1-alpha·A

a₁＝-2·cos(ω₀)

使用这种计算方法，如果增益＞1，所得滤波器形状将产生峰值，如果增益＜1，则产生陷波。因此，适配增益将固有地选择峰值滤波器或陷波滤波器。对本领域的技术人员来说显而易见的是，每个子滤波器仅具有五个滤波器系数的归一化方法也能够从上面的解释中得出。将子滤波器约束为一种形状确保每个子滤波器本身是稳定的。替代地，直接施加在极点和零点甚至系数上的约束也可以确保特定的滤波器形状或者确保每个子滤波器是稳定的。

现在参照图8，对适配精细滤波器、特别是对其形状、增益范围、Q因数范围和频率范围施加限制，基本上将可能的极点和零点位置限制在非常小的范围内。具有最小和最大增益、Q因子和频率的峰值/陷波滤波器级只能在非常小的范围内具有极点和零点。图8示出了在这些约束下极点和零点位置的最大范围。由于存在3个变量(增益、Q和频率)，因此存在2³种极端情况。如图8所示，所有这些都位于复平面的一个非常小的区域内。

因此能够看出，限制适配过程以分别适配粗滤波器FF_C和精细滤波器FF_F，以及如所述进一步限制精细滤波器FF_F，都大大减少了极点和零点的所允许的变化，从而使适配运行大大加快并确保稳定性。传统的适配算法适配系数，因此需要额外的过程来确保稳定性。此外，他们能够将系数施加在更宽的范围上。这两种情况都会导致适配缓慢，更重要的是有可能让适配陷入虚假空值。

现在参照图9，示出了另一个示例适配ANC系统的框图，该系统基于图2所示的实施方式。尤其是，除了具有滤波器链FF_CH的前馈路径之外，还使用反馈噪声滤波器FB_B将误差麦克风FB_MIC耦合到扬声器SP来实现FB ANC。这种与适配滤波器链FF_CH相结合的混合ANC方法可以实现大约60dB的ANC性能。

附图标记列表

HP 耳机

HS 壳体

SP 扬声器

FB_MIC 误差或反馈麦克风

FF_MIC 前馈麦克风

EC 耳道

ED 耳膜

SCP 噪声控制处理器

FF_CH 滤波器链

FF_C 粗滤波器

FF_F 精细滤波器

BQ_1、BQ_2、...、BQ_N 子滤波器

FB_B 反馈噪声滤波器

DFBM 驱动器到反馈响应函数

DE 驱动器到耳朵响应函数

AE 环境到耳朵响应函数

AFBM 环境到反馈响应函数

AFFM 环境到前馈响应函数

MP 移动电话

Claims (15)

1.一种用于耳戴式播放设备(HP)的噪声消除系统，所述耳戴式播放设备具有扬声器(SP)、前馈麦克风(FF_MIC)和误差麦克风(FB_MIC)，所述前馈麦克风被配置为主要感测环境声音，所述误差麦克风被配置为感测环境声音和从所述扬声器(SP)输出的声音，所述噪声消除系统包括：

-滤波器链(FF_CH)，其用于将所述前馈麦克风(FF_MIC)耦合到所述扬声器(SP)，所述滤波器链(FF_CH)包括串联连接或并联连接的粗滤波器(FF_C)和精细滤波器(FF_F)；以及

-噪声控制处理器(SCP)；

其中

-所述精细滤波器(FF_F)由子滤波器组形成；

-子滤波器中的每一个具有预定义频率范围；

-子滤波器中的每一个的预定义频率范围共同形成所述精细滤波器(FF_F)的有效总频率范围；并且

-所述噪声控制处理器(SCP)被配置为

-基于由所述前馈麦克风(FF_MIC)感测的第一噪声信号并基于由所述误差麦克风(FB_MIC)感测的第二噪声信号来计算误差信号；

-基于所述误差信号执行对所述粗滤波器(FF_C)的粗滤波器参数的适配；并且

-基于所述误差信号执行对子滤波器中的每一个的精细滤波器参数的有限适配，其中，所述有限适配的限制包括子滤波器的预定义频率范围以及增益限制和Q因子限制中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的噪声消除系统，其中，所述子滤波器中的每一个的预定义频率范围可以与所述子滤波器组中的至少一个其他子滤波器的预定义频率范围相邻或至少部分地重叠。

3.根据权利要求1或2所述的噪声消除系统，其中，所述子滤波器组包括6至12个子滤波器，尤其是8至10个子滤波器。

4.根据权利要求1至3之一所述的噪声消除系统，其中，所述精细滤波器(FF_F)的有效总频率范围为80Hz至2000Hz，尤其为80Hz至1000Hz。

5.根据权利要求1至4之一所述的噪声消除系统，其中，每个子滤波器是峰值滤波器和陷波滤波器中的一个。

6.根据权利要求1至5之一所述的噪声消除系统，其中，每个子滤波器是最小相位滤波器。

7.根据权利要求1至6之一所述的噪声消除系统，其中，所述子滤波器的有限适配是基于误差最小化算法、尤其是最小均方LMS算法的。

8.根据权利要求1至7之一所述的噪声消除系统，其中，所述子滤波器的有限适配包括对子滤波器中的至少一个的增益、中心频率和Q因子的适配。

9.根据权利要求1至8之一所述的噪声消除系统，其中，所述子滤波器的有限适配包括直接适配子滤波器中的至少一个的精细滤波器参数并且检查经适配的精细滤波器参数的有限适配的限制。

10.根据权利要求1至9之一所述的噪声消除系统，其中，所述噪声控制处理器(SCP)被配置为在有限适配之前或以与有限适配不同的适配率执行粗适配。

11.根据权利要求1至10之一所述的噪声消除系统，其中，所述噪声控制处理器(SCP)被配置为通过适配所述粗滤波器(FF_C)的增益因子和/或截止频率来执行粗适配。

12.根据权利要求1至11之一所述的噪声消除系统，还包括将所述误差麦克风(FB_MIC)耦合到所述扬声器(SP)的反馈噪声滤波器(FB_B)。

13.一种耳戴式播放设备、尤其是耳机(HP)或手持机，包括根据前述权利要求之一所述的噪声消除系统、扬声器(SP)、前馈麦克风(FF_MIC)和位于所述扬声器(SP)附近的误差麦克风(FB_MIC)。

14.一种音频播放器，包括根据权利要求1至12之一所述的噪声消除系统。

15.一种用于耳戴式播放设备(HP)的信号处理方法，所述耳戴式播放设备具有扬声器(SP)、前馈麦克风(FF_MIC)和误差麦克风(FB_MIC)，所述前馈麦克风被配置为主要感测环境声音，所述误差麦克风被配置为感测环境声音和从所述扬声器(SP)输出的声音，其中，所述前馈麦克风(FF_MIC)经由滤波器链(FF_CH)耦合到所述扬声器(SP)，所述滤波器链(FF_CH)包括串联连接或并联连接的粗滤波器(FF_C)和精细滤波器(FF_F)，其中，所述精细滤波器(FF_F)由子滤波器组形成，子滤波器中的每一个具有预定义频率范围，并且子滤波器中的每一个的预定义频率范围共同形成所述精细滤波器(FF_F)的有效总频率范围，所述方法包括

-基于由所述前馈麦克风(FF_MIC)感测的第一噪声信号并基于由所述误差麦克风(FB_MIC)感测的第二噪声信号来计算误差信号；

-基于所述误差信号执行对所述粗滤波器(FF_C)的粗滤波器参数的适配；并且

-基于所述误差信号执行对子滤波器中的每一个的精细滤波器参数的有限适配，其中，所述有限适配的限制包括子滤波器的预定义频率范围以及增益限制和Q因子限制中的至少一个。

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