CN116601701A - 双模式anc的环境检测器 - Google Patents

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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环境噪声的参考信号并自适应地生成抗噪声信号以消除环境噪声。根据由逻辑设备设置的至少一个参数来调谐自适应滤波器，该逻辑设备被配置为例如通过下述方式基于参考信号来确定环境噪声条件：估计参考信号的全带功率，估计参考信号的低频功率，将全带功率和低频功率与一个或多个阈值进行比较，和/或设置一个或多个环境噪声标志。环境噪声条件可以包括安静背景、宽带噪声条件和/或低频主导噪声条件。

Description

双模式ANC的环境检测器
相关申请的交叉引用
本申请是在2020年12月15日提交的美国专利申请第17/123,097号的延续，其公开内容由此通过引用并入本文。
技术领域
本申请一般涉及噪声消除系统和方法，并且更具体地例如涉及用于耳机(例如，耳罩式、耳上式和入耳式类型)、耳塞、助听器和其他个人收听设备的主动噪声消除(ANC)系统和方法。
背景技术
有源噪声消除(ANC)系统通常通过参考麦克风感测噪声并生成对应的抗噪声信号来操作，该抗噪声信号与感测到的噪声在幅度上大致相等，但相位相反。噪声和抗噪声信号在声学上相互抵消，使用户只能听到所期望的音频信号。为了实现这种效果，可以实现从参考麦克风到输出抗噪声信号的扬声器的低时延滤波路径。在操作中，传统的抗噪声滤波系统不会完全消除所有噪声，留下残余噪声和/或产生可能分散用户注意力的可听假象。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，这会影响ANC自适应和其他处理。这些有源噪声消除系统的性能可能会由于泄漏而进一步降级，由于收听设备与用户解剖结构的耦合各种不同方式，该泄漏可能因人而异和因设备而异。此外，ANC系统被配置为针对特定环境提供最优噪声消除并且在其他环境——诸如随着人穿越城市而变化的环境——中可能不提供可接受的噪声消除。
鉴于前述，持续需要改进的有源噪声消除系统和方法，用于头戴式耳机、耳塞和其他个人收听设备，其可用于不同的收听环境。
发明内容
公开了用于改进个人收听设备中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对变化环境的改进适应。
在一些实施例中，一种有源噪声消除系统包括：前馈路径，该前馈路径包括自适应滤波器，该自适应滤波器被配置为接收包括环境噪声的参考信号并自适应地生成抗噪声信号以消除环境噪声，其中，根据至少一个参数调谐自适应滤波器；以及，逻辑设备，被配置为至少部分地基于参考信号来确定环境噪声条件并且调整至少一个参数以调谐自适应滤波器。有源噪声消除系统可以进一步包括被配置为感测环境噪声并生成参考信号的音频传感器。例如，逻辑设备可以因此被配置成至少部分地基于参考信号连续地确定环境噪声条件并且调整至少一个参数以针对环境状况将自适应滤波器调谐，包括如果环境状况发生改变则更新自适应滤波器。在示例性实施例中，如果至少部分地基于参考信号检测到环境状况的改变，则这可以导致更新自适应滤波器，使得所确定的环境噪声条件被确定为属于若干(至少)不同的预定类别的另一种类别。
逻辑设备可以被配置为通过下述方式确定环境噪声条件并且设置用于操作有源噪声消除系统的环境声音模式：估计参考信号的全带功率，估计参考信号的低频功率，确定与当前环境声音模式相对应的至少一个参数的值，并使用该参数将自适应滤波器调谐到当前环境声音模式。设置环境声音模式可以包括从若干预定义环境声音模式中的一种切换到另一种。在一些实施例中，逻辑设备被配置成基于至少部分地基于参考信号的确定的全带功率和/或参考信号的确定的低频功率而设置的一个或多个标志来确定当前环境声音模式。一个或多个标志可以包括：至少部分基于低频功率与预定阈值的比较而设置的低通标志；和/或至少部分基于全带功率与第一预定阈值的比较而设置的全带标志。环境噪声条件可以包括安静背景、宽带噪声条件和/或低频主导噪声条件。因此，至少部分地基于参考信号来确定环境噪声条件可以包括：将环境噪声条件分类为至少两个不同类别中的一个，即分类为安静背景、宽带噪声条件和/或低频主导噪声条件，并取决于确定的类别来调整至少一个参数以调谐自适应滤波器。
在一些实施例中，一种方法包括：接收包括环境噪声的参考信号，使用自适应滤波器自适应地生成抗噪声信号以消除在噪声消除区中的环境噪声，至少部分地基于参考信号确定环境噪声条件，并且至少部分地基于环境噪声条件来调谐自适应滤波器。确定环境噪声条件可以包括估计参考信号的全带功率、估计参考信号的低频功率和/或至少部分地基于参考信号的全带功率以及参考信号的低频功率来确定当前环境声音模式。
在一些实施例中，调谐自适应滤波器包括：确定与当前环境声音模式相对应的至少一个参数的值；以及，至少部分地基于至少一个参数的值来调整自适应滤波器的操作条件。确定环境噪声条件可以进一步包括至少部分地基于参考信号的确定的全带功率和/或参考信号的确定的低频功率来设置一个或多个标志，并且设置一个或多个标志可以包括设置至少部分地基于低频功率与预定阈值的比较而设置的低通标志，和/或至少部分地基于全带功率与第一预定阈值的比较来设置全带标志。
本公开的范围由权利要求限定，其通过引用并入本部分。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，本领域的技术人员将更完整地理解本公开的实施例，并实现其附加优点。将参考首先简要描述的附图。
附图说明
参考以下附图和随后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，相似的附图标号用于标识一幅或多幅图中所示的相似元件，其中，其中的显示是为了说明本公开的实施例的目的而不是为了限制本公开的目的。附图中的组件不一定按比例绘制，而是代替地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，包括自适应增益滤波器、简档切换和并行透明处理。
图3A、图3B、图3C和图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耦合。
图4A和图4B图示了根据一个或多个实施例的示例自适应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。
图8图示了根据一个或多个实施例的示例环境检测和ANC模式选择系统。
图9图示了根据一个或多个实施例的示例环境检测和ANC模式选择方法。
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。用于耳机、耳塞或其他个人收听设备的ANC系统可能包括：噪声感测参考麦克风，用于感测个人收听设备外部的环境噪声；误差麦克风，用于感测ANC系统产生的噪声和抗噪声的声学混合；以及，低时延信号处理子系统，其生成抗噪声以消除感测到的环境噪声。信号处理子系统可以被配置为使抗噪声信号实时适应环境噪声、个人收听设备相对于用户的耦合、用户可选择的模式和/或其他因素以实现一致噪声消除性能。
在各种实施例中，本文公开的系统和方法改进了各种收听环境和条件下的环境噪声的消除。在一些实施例中，耳耦合和泄漏场景被考虑以进一步改进环境噪声的处理。在一些实施例中，包括透明模式，其将环境噪声中的一些或全部传递给用户并减少用户可感知的相关适应伪象。
在一些实施例中，检测器电路/逻辑被并入ANC系统中以监测环境噪声频谱形状并选择合适的ANC模式。个人收听设备配备有外部麦克风以接收环境噪声信号x。第一功率估计模块跟踪p1处的全带功率，并且第二功率估计模块跟踪p2处的低频功率。逻辑模块或电路基于p1和p2确定环境噪声类型，并输出指示当前检测到的环境噪声条件的ANC模式标志。
在各种实施例中，系统使用功率估计模块来跟踪长期环境噪声。噪声功率估计p1和p2可以被配置为忽略短期突发噪声(例如，门猛关、键盘点击等)。可以使用各种估计方法，包括(i)指数平滑(例如，p＝(1–α)p+αx2)；(ii)释放窗口方法，其中，p是预定释放窗口(例如1秒)内x2的最小值、中值、某个百分位数；和/或(iii)长短双跟踪器，其中，系统使用长期功率跟踪器通过p＝(1–αlong)p+αlongP将p更新为长期目标P，并且系统使用短期功率跟踪器用于估计噪声统计数据并更新P。短期功率跟踪器的示例包括但不限于：
pshort＝(1-αshort)pshort+αshortx2，其中，如果pshort和P接近，系统更新P＝f(pshort)；
pshort＝x2，其中，如果pshort分布满足释放窗口中的要求，系统更新P＝f(pshort)；和/或
f(pshort)是pshort的函数，例如平均、最小值或任何其他线性或非线性函数。
在各种实施例中，逻辑模块将功率估计p1和p2转换为ANC模式标志。在所示实施例中，逻辑模块包括阈值，将这些阈值与测量的功率估计进行比较以设置每个标志。例如，如果p1大于第一阈值，则将第一标志设置为“开”，否则将第一标志设置为“关”。如果p1大于第二阈值并且p1–p2小于第三阈值，则设置第二标志，否则，关闭第二标志。如果两个标志都关闭，则ANC系统正在安静的环境中操作，并且ANC可能已关闭。如果仅打开第二标志，则检测到错误，并且ANC返回默认操作模式。如果第一标志打开而第二标志关闭，则检测到宽带噪声并且ANC操作切换到宽带调谐。如果两个标志都打开，则检测到低频主导噪声并且ANC系统切换到低频调谐。
本文公开的系统和方法使用改进的ANC技术减少不想要的环境噪声。诸如耳机或耳塞的个人收听设备会生成与检测到的环境声音相反(反相)的波形，以衰减到达耳道的噪声。噪声消除性能受诸如耳机声学设备、环境声音类型和ANC调谐的诸多因素限制。实际上，不同的ANC调谐参数对于不同的环境条件可能是最优的。在这里公开的实施例中，ANC系统被配置为根据可以检测到的环境声音类型(环境声音条件)在各种ANC调谐参数当中切换。例如，ANC系统可以包括：第一调谐模式，其被配置为衰减通常在酒吧、餐馆、办公室或类似场所中发现的宽带环境噪声；以及，第二调谐模式，其被配置为衰减在飞机、火车和类似场所中发现的低频噪声为主的环境中的环境噪声。
进一步辨识到，高泄漏会导致ANC性能下降。例如，反馈ANC路径跟踪并适应误差麦克风信号，这通常可以提供对用户耳鼓处的ANC性能的良好测量。然而，在存在较高泄漏的情况下，扬声器可能无法在物理上推动足够的空气以在耳鼓处实现所期望的性能。本公开通过针对不同的泄漏场景调谐固定的ANC简档来解决这些和其他泄漏问题。通过跟踪自适应增益控制块的增益值来跟踪泄漏，然后使用该增益值来选择适当的泄漏简档。
本文公开的改进的自适应系统和方法包括前馈路径中的自适应增益滤波器，用于生成鲁棒的抗噪声信号。适配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组件，包括自适应地调整前馈自适应噪声消除滤波器和/或自适应增益滤波器(后者在本文中也被称为“自适应滤波器”)的加权。在各种实施例中，泄漏控制逻辑被配置为跟踪与自适应增益滤波器相关的参数并提供改进的泄漏控制。
在各种实施例中，适配引擎包括泄漏控制逻辑，其被配置为跟踪自适应增益滤波器的自适应增益参数并基于自适应增益值选择最优泄漏控制设置。在一些实施例中，适配引擎配置有多个预配置的用户泄漏简档，这些用户泄漏简档适用于与收听设备相对于用户的解剖结构的定位和/或配合有关的对应多个泄漏条件。用户泄漏简档可以包括个人收听设备和用户耳朵之间紧密密封的建模，以及与泄漏设备位置和/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，适配引擎被配置为跟踪一个或多个自适应增益参数并且基于自适应增益参数中检测到的改变在用户泄漏简档之间自动切换以用于最优滤波。
在各种实施例中，ANC系统进一步包括被配置成生成透明输出的第二前馈处理路径。透明模式可以由用户选择以允许某些环境噪声穿过系统以供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输出。在一些实施例中，透明处理路径包括自适应透明滤波器，其被配置为根据一个或多个条件生成透明输出，该一个或多个条件包括但不限于与活动泄漏简档相关联的设置。适配引擎和/或其他控制逻辑被配置为检测与透明模式和/或ANC模式相关联的收听模式的用户输入选择并且选择性地启用或禁用透明输出。
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和音频处理组件，音频处理组件可以包括低时延引擎(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/或其他组件。
在操作中，听众可能听到外部噪声d(n)，其可能穿过个人收听设备110的外壳和组件。为了消除噪声d(n)，参考音频传感器140感测外部噪声，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可以包括被配置为生成抗噪声信号y(n)的硬件和/或软件，抗噪声信号y(n)通过DAC 130和放大器132馈送到扬声器150以在噪声消除区160中产生抗噪声。当抗噪声与噪声消除区160中的噪声d(n)幅度相等并且相位相反时，噪声d(n)将在噪声消除区160中被消除。由此产生的噪声和抗噪声的混合由误差传感器162捕获，误差传感器162产生误差信号e(n)以测量噪声消除的有效度。误差信号e(n)通过ADC164馈送到LLE 120，LLE 120调整抗噪声信号y(n)以最小化消除区160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)，其由误差传感器162接收并且在处理期间从误差信号e(n)中被移除。
在各种实施例中，个人收听设备110可以包括耳机(例如，耳罩式、耳上式和入耳式类型)、耳塞、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，或者被实现为连接(例如，物理地和/或无线地)到一个或多个外部设备——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、音频播放设备(例如MP3播放器)、视频游戏系统或其他设备——的音频收听设备。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到的声音转换成电音频信号的其他组件。
LLE 120可以包括单个样本处理器、数字信号处理器、控制器、具有在存储器中存储的程序指令的中央处理单元和/或被配置为执行本文公开的过程中的一个或多个的其他逻辑设备。LLE 120可以包括用于使LLE 120执行某些过程的编程逻辑和/或硬件组件，这些过程包括ANC处理(例如，通过ANC逻辑122)、简档切换(例如，通过简档切换逻辑124)、诸如泄漏的耳耦合状态的检测(例如，耳耦合检测逻辑126)以及透明模式启用和禁用(例如，透明逻辑128)。LLE 120可以从用户控件170接收指令，诸如ANC和/或透明模式选择，该用户控件170可以包括一个或多个物理按钮、滑块、转盘或其他物理输入组件、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、组件或逻辑。
应当理解，图1的实施例是有源噪声消除系统的一个示例，并且本文公开的系统和方法可以与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一起实施。将进一步理解图1的实施例可以与各种实施例中的附加组件一起使用，所述附加组件包括用于接收和生成用于通过扬声器150输出的回放信号(例如，音乐、来自话音会议的音频)的音频回放组件。
参考图2，现在将描述包括耳耦合检测、简档切换、自适应泄漏补偿和改进的透明信号处理的ANC处理的示例实施例。有源噪声消除系统200被配置为在参考传感器处感测环境噪声，参考传感器诸如是外部麦克风212(例如，图1的参考音频传感器140)，其产生外部噪声信号x(n)。环境噪声还穿过可以包括个人收听设备的外壳和组件的噪声路径(例如，主要路径P(z))，并且在误差传感器234(例如，误差麦克风，诸如误差传感器162)处被接收。如这里所使用的，主要路径P(z)表示对外部麦克风212和误差传感器234之间的声学路径进行建模的传递函数。
ANC系统200包括被配置为从接收到的外部噪声信号x(n)生成抗噪声信号的前馈路径，包括：抽取器214，其被配置为对外部噪声信号x(n)进行下采样以供ANC处理系统200处理；以及，前馈自适应滤波器216(Wff(z))，被配置为自适应地估计主要路径P(z)以产生用于消除外部噪声信号(例如，d(n))的抗噪声y(n)。在各种实施例中，可以使用如本领域已知的最小均方(LMS)过程、滤波LMS(FxLMS)过程、无限脉冲响应滤波器、有限脉冲响应和其他滤波器类型来实现本实施例的自适应滤波器。
抗噪声信号y(n)由自适应增益滤波器218进行增益调整，并与回放信号222(例如，VoIP呼叫中的话音通信、音乐、录制的话音、伴随视频的音频等)、由自适应透明滤波器290生成的透明信号(BAI(z))和/或由反馈自适应滤波器270生成的误差信号(Wfb(z))混合(在框220处)和/或由其进一步修改以生成输出信号。自适应透明滤波器290并行地适应参考信号以生成透明信号以通过扬声器230回放，以允许用户在启用透明时听到全部或部分环境噪声。输出信号被内插器224上采样以输出到扬声器230。
误差传感器234接收输出信号——包括期望的音频(例如，回放信号、来自透明处理路径的环境包含信号)和抗噪声信号——以及由误差传感器234通过主要路径P(z)接收的外部噪声d(n)的混合。回放信号222(如果透明模式是活动的，则以及透明信号)被调整以考虑通过自适应滤波器272的次要路径，并在框274从误差信号中被移除。如本文所用，次要路径S(z)表示传递函数，其对扬声器和误差传感器之间的电气路径(例如，D/A、A/D等)和声学路径进行建模。残余误差被下采样以供ANC系统200通过抽取器276进行处理，并作为输入提供给反馈自适应滤波器270，其输出纠错信号以使残余误差最小化。
在图示的实施例中，适配引擎280接收：残余误差信号，其通过对扬声器230和误差传感器234之间的传递函数进行建模的滤波器278(G(z))被滤波；以及，参考信号的副本，其通过次要路径291的估计和信号调节滤波器292(H(z))被滤波。
ANC系统200进一步包括适配引擎280，其包括用于自适应增益控制(ADG)282、耳耦合和简档切换284以及透明管理286的逻辑组件。在各种实施例中，ADG 282被配置为使抗噪声路径中的宽带波动最小化，耳耦合和简档切换284被配置为持续跟踪和补偿各种耳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，并且透明管理286被配置以调整并行透明路径中的透明性能。在一些实施例中，耳耦合和简档切换284跟踪来自自适应增益控制218的当前增益参数并且修改前馈路径中的一个或多个自适应滤波器处的前馈处理以适应当前泄漏场景。
在一个或多个实施例中，混合ANC系统200被调谐以实现特定噪声消除性能。例如，在前馈路径中，自适应滤波器216和218被预先调谐并且然后在操作期间基于从外部麦克风212接收到的音频信号被适应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和用户耳朵之间的紧密密封设置，使得几乎没有或没有泄漏。如果存在更多泄漏(例如，个人收听设备和耳朵之间的耳耦合与建模的调谐不一致)，则可以感测到更多低频声音并且自适应增益控制218将通过增加增益来适应。进一步认识到，在前馈路径上检测到的增益的增加通常与比预期更少的耦合和更多的泄漏相对应。在一些实施例中，自适应增益滤波器可以被放置在反馈路径上(参见例如图7)并且被监控以检测耦合状态和泄漏。
通常，适配引擎280包括用于检测、跟踪和适应用户相关和环境条件的逻辑。与用户相关的条件可以包括例如跟踪增益适配以确定泄漏机制，以及根据确定的泄漏机制修改滤波器参数。环境条件可以包括例如对通过参考传感器检测到的环境条件进行分类(例如，使用神经网络分类器)并且考虑到分类的环境条件来优化滤波器性能。例如，可以在分类时对包括低频噪声和/或语音的已知环境条件进行建模和优化。
现在将参考图3A到图7更详细地描述包含耳耦合检测和简档切换的实施例。参考图3A-D，诸如无线耳塞310的个人收听设备适于配合在用户300的耳朵320中。在操作中，无线耳塞310可操作以与诸如移动设备330的主机系统进行无线通信。无线耳塞310被设计成插入用户的耳道322(或其附近)，其中，从无线耳塞310输出的音频在用户的耳鼓324处被感测。无线耳塞310包括无线收发器，用于发送和接收无线耳塞310和移动设备330之间的通信(例如，音频流)。
用户300将根据期望将无线耳塞310分别插入用户的耳朵320和从其取出，以收听来自移动设备330的音频。在此过程期间，无线耳塞310在露天的第一位置314到其中无线耳塞310牢固地定位在耳朵320中的第二位置316之间经过。在各种实施例中，无线耳塞310包括被设计成符合耳朵形状以创建控制泄漏的紧密密封的软尖端(例如，硅、记忆泡沫)。然而，在实践中，当无线耳塞310被定位于第二位置316时，一个或多个间隙326和/或松耦合/密封可能被形成在无线耳塞310和用户耳朵320的解剖结构之间，导致泄漏。
在实践中，当用户插入和移除无线耳塞时，预期有在耦合上的小变化，这可以通过自适应增益控制滤波器来解决。然而，可能会形成更大的间隙326，其导致无法用增益调整解决的泄漏条件，例如，由于用户的特定解剖结构、无线耳塞310的定位(例如，耳塞相对于耳朵的未对准、不正确的插入深度等)、无线耳塞310的大小和形状、由于使用导致的对耳塞的形状的改变、用户没有认识到何时实现正确耦合和/或其他因素。
无线耳塞310包括ANC系统312，以在透明模式下消除环境噪声和/或穿过某些环境噪声。在操作期间，ANC系统312的自适应组件适应以优化ANC性能。在各种实施例中，ANC系统312包括自适应增益控制滤波器(例如，自适应增益控制218)和自适应增益控制逻辑(例如，ADG 282)以调整抗噪声信号的增益以优化消除。观察到自适应增益控制滤波器的增益参数与由于无线耳塞310在用户耳朵320中的位置和/或配合而导致的泄漏水平相关。ADG282跟踪一个或多个增益参数以确定应用于抗噪声信号的电流增益以识别泄漏场景。
可以例如通过下述方式对增益和泄漏条件之间的相关性进行建模：使用仿真头测试位置和配合场景并针对检测到的泄漏条件优化ANC参数；测试一般人群中的人，对ANC系统的参数进行建模，和/或其他方法。据观察，对于潜在用户群体的样本，泄漏场景通常属于两个或三个集群，并且在大多数情况下，四个或五个集群可能足以达到可接受的性能。这些集群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自适应滤波器。因为与增益相对应的泄漏是已知的，所以前馈路径(例如Wff(z))、反馈路径(例如Wfb(z))、透明路径(例如BAI(z))和/或回放路径(例如，SPL(z))中的滤波器例如可以基于检测到的增益被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，增益值可以用于检测其他条件，诸如在插入或移除活动期间检测到的露天条件，并且用于触发无线耳塞310的操作中的改变，诸如进入低电平电源模式、调整输出音量以及激活或禁用某些功能。
参考图4A和4B，公开了自适应增益(ADG)子系统400的实施例。在各种实施例中，自适应增益控制逻辑420连续更新可调增益滤波器404以针对耦合路径中的变化进行调整。对于ADG 420的输入可以使用可编程滤波器BG(z)(例如，可编程滤波器408和可编程滤波器410)进行调节，可编程滤波器BG(z)(例如，可编程滤波器408和可编程滤波器410)被设计用于防止环境中的低频瞬变和高频干扰。在一些实施例中，滤波器BG(z)可以包括低通滤波器和/或带通滤波器，其进一步滤除非常低的频率(例如，不能从扬声器中听到的<20Hz)。
如前所述，个人收听设备的物理几何形状和人与人之间的配合变化会影响噪声消除性能。例如，外耳的形状和耳道的长度可以改变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由误差麦克风测量的噪声场的DSP子系统。这导致消除区，其中，消除程度在误差麦克风位置被最大化并且与波长成反比地降级。因此，耳鼓(距离误差麦克风大约25mm)处的消除性能对于较高频率(较低波长)会显著下降，从而导致噪声消除系统的用户所感知的消除带宽的损失。图4A-B的实施例通过在调谐阶段期间使在耳鼓处的消除带宽最大化并制定自适应手段——其使用误差麦克风在操作期间适应用户特定特性——来解决这些问题和其他问题。
为了本实施例的目的，将误差麦克风位置称为ERP(误差参考点)并且将耳鼓位置称为DRP(鼓参考点)。对于在DRP处调谐的ANC系统，误差麦克风是DRP处低频消除的良好指标，并且因此可以从误差麦克风信号的低通版本中导出鲁棒的纠错信号。然后可以使用该校正信号来适应抗噪声信号路径中的增益。
为了使消除最大化，误差麦克风的理想放置将在耳鼓处，但是该位置对于许多消费设备来说不实用。因此，ERP用于提供实际信号，该信号粗略指示DRP处的消除性能。自适应算法试图使ERP信号最小化，这会导致(i)DRP处高频信号的消除减少，以及(ii)由于DRP处高频的相长干涉而产生的嘶嘶声伪象的可能性更高。在传统手段中，采用自适应算法，该算法使用从ERP到DRP的传递函数。这些手段有许多缺点，包括传递函数估计在高频下不准确，低估计精度会影响宽带消除性能并导致暂时的嘶嘶声水平、高计算成本以及难以针对所有使用条件进行调谐和校准，从而使部署对于许多设备不切实际。图4A-B的实施例提供了一种计算成本低廉的手段，它克服了传统系统的许多缺点，例如通过在系统设计期间测量某些传递函数而易于调谐，并且是自校准的。
图4A图示了自适应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，该设备被放置在头部和躯干模拟器上，该模拟器在DRP处具有第二误差麦克风。PE2D(z),SE2D(z)对指定声学路径中的ERP到DRP传递函数进行建模。然后可以使用最小均方框422来优化系统以执行ANC调谐以基于误差信号e′(n)导出最优WDRP(z)。以这种方式进行调谐有助于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，该设备被放置在各种位置(例如，安全配合、未对准、不正确的插入深度等)、配合(例如，不同的头部和耳朵解剖结构)、配置(例如，耳塞上的可拆卸尖端)以及磨损场景以针对不同的泄漏条件来调谐ANC性能。在各种实施例中，各种场景可以通过关联的自适应增益值分组以创建用于优化各种泄漏场景的ANC性能的简档。
如图4B中所示，自适应算法被设置为连续更新增益元素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，信号被低通滤波和增益调整以用于良好的低频消除。对于自适应算法的输入可以使用可编程滤波器BG(z)进行调节，该滤波器被编程为使得ERP信号可以模拟DRP处的消除性能。附加地，可以对BG(z)进行编程，以在环境中的低频瞬变和高频干扰因素期间优化性能。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针对反馈、前馈和混合ANC解决方案的自适应版本进行修改。
参考图5A和5B，现在将描述根据一个或更多实施例的用于操作ANC系统(例如，图1-4B和图7的系统)以使用自适应增益控制参数检测耳耦合并在可用泄漏简档当中进行选择的方法。配置过程500通过下述方式开始于步骤502：估计跨人口范围的个人收听设备的主要路径P(z)和次要路径S(z)的传递函数，并使用不同的设备定制(例如，耳塞的不同大小的尖端)。在步骤504中，生成设备的泄漏行为的模型，其可以包括用于一个或多个调谐的自适应滤波器的一个或多个增益参数和系数。在步骤506，该过程获取适配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)，表示个人收听设备与人的耳朵或头部之间的耦合上的变化。可以选择简档以涵盖一系列泄漏因素和/或一系列常见的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，确定不同泄漏场景的增益和阈值。在一个实施例中，表示个人收听设备和用户的耳朵/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，当增益值高于第一预定阈值时，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，超过该阈值则简档切换到与第三(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较低的阈值，低于该阈值则简档切换回第一简档。附加的简档以类似的方式定义，增益值与调谐的泄漏简档以及其中滤波器提供可接受性能的阈值范围(例如，由系统要求确定)相关联。在一个实施例中，增益范围定义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，当增益值偏离简档增益值更多时，性能降级并且由新增益值和上阈值和下阈值定义的新简档被定义和调谐。
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，包括当前简档可用的增益值和上阈值和下阈值。在步骤554中，方法550跟踪前馈路径中的自适应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是否已经发生改变。如果跟踪的增益值高于当前上阈值或低于下阈值，则过程切换到适当的简档。在步骤558中，更新ANC系统的自适应滤波器的参数以实现当前泄漏简档。
参考图6，将根据一个或多个实施例更详细地描述示例简档切换过程600。简档切换过程600在所示实施例中编号为1-4的四个预定义的简档之间切换。第一简档(例如，简档1)针对最紧密的密封进行调谐，其中，耦合最高，而第四简档(例如，简档4)针对泄漏场景进行调谐，诸如其中设备大体上不在适当位置。其余两个简档涵盖中间泄漏场景。应当理解，虽然在所示实施例中使用了四个简档，但是在特定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，每个简档针对特定增益值/泄漏场景进行调谐并且包括高(H)和低(L)阈值，其定义每个简档的操作范围。当检测到的增益在简档的高(H)和低(L)阈值范围内时，该简档将处于活动状态。预定义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，每个简档被调谐以提供围绕基线增益值的可接受的ANC性能，并且阈值被定义为落在针对调谐的简档产生可接受的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。控制移动到步骤614，其中，ANC系统使用简档2处理抗噪声信号。ANC系统包括收敛于当前增益值的前馈路径中的自适应增益滤波器。跟踪当前增益并将其与上阈值T2，H和下阈值T2，L进行比较。在增益在阈值范围内的同时，该过程状态保持在步骤614。如果增益低于下阈值(T2，L)，则在步骤612中加载简档1，并且控制移动到步骤610以在增益小于上阈值(例如，增益小于或等于T1，H)的同时使用简档1处理抗噪声信号。如果增益超过上阈值T1，H，则控制转到步骤602，加载简档2并且控制转到步骤614，如前所述。
作为步骤614，如果增益值超过阈值上限(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，其在自适应增益值在阈值下限T3，L和阈值上限T3，H之间的同时执行ANC处理。如果增益低于阈值下限T3，L，则控制返回到步骤602以加载简档2。如果增益超过更高的阈值限制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，在增益超过较低的阈值限制T4，L的同时，使用简档4的ANC处理将继续。如果增益低于下阈值T4，L，则控制返回到步骤616以加载简档3用于ANC处理。
参考图7，现在将描述可用于实施本公开的一个或多个实施例的低时延混合ANC系统700的示例实施方式。混合ANC系统700包括将感测到的声音转换为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转换为数字信号，并且误差麦克风信号通过模数转换器708转换为数字信号。麦克风可以包括感测声波并将感测到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的麦克风，这些麦克风可以包括生成数字音频信号的数字麦克风(例如，消除对分开的模数转换器的要求)，和/或可以使得其他修改与本公开的教导一致。
硬件抽取单元710接收并下采样数字音频信号以供ANC系统处理。在所示实施例中，参考麦克风信号通过低时延抽取电路712被下采样，并且误差麦克风信号通过低时延抽取电路714被下采样，并且信号被传递到低时延路由器716，低时延路由器716将该信号路由至混合ANC系统700的各种组件进行处理。
在所示实施例中，混合ANC系统700包括低时延引擎720，其包括前馈ANC路径、并行透明路径和反馈ANC路径。低时延引擎720可以以硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。在一些实施例中，低时延引擎720可以实现为单个样本处理器、数字信号处理器、控制器、处理器和存储指令的存储器和/或能够进行本文所述的低时延ANC处理的其他逻辑设备。如所示，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；可选的有限脉冲响应滤波器724；以及，自适应增益组件726。
反馈路径接收误差麦克风信号并且被配置成移除回放信号(例如，在组件742处)，回放信号被次要路径滤波器740滤波以解决次要路径效应。反馈路径进一步包括被配置成实现无限脉冲响应滤波器的多个双二阶(BiQuad)744(例如，12个双二阶)以及增益组件746。
低时延引擎720还包括透明信号处理路径，其接收参考麦克风信号、对参考麦克风信号进行自适应地滤波(例如，通过透明处理组件732)，并应用增益734。在所示实施例中，透明处理组件与ANC处理并行运行，并且可以在启用或禁用ANC的情况下运行。前馈路径、反馈路径和透明路径(如果透明模式被激活)的输出在混合组件730处被组合以生成抗噪声信号。低时延路由器770在低时延引擎、适于对抗噪声信号进行上采样以供输出的硬件内插单元780和适配引擎750之间路由信号。硬件内插单元780包括：用于对对抗噪声信号进行上采样的低时延电路782；高质量上采样电路784，其被配置为接收回放信号并生成高质量音频信号用于输出。上采样的抗噪声信号和回放信号在组件786处组合，被馈送到数模转换器和放大器790，其驱动输出(例如，用于通过扬声器输出)。
硬件内插单元780进一步包括下采样器788，用于将回放信号馈送到低时延引擎720和适配引擎750以进行进一步处理(例如，从接收到的误差麦克风信号中移除回放信号)。
适配引擎750监督ANC处理并在操作期间控制低时延引擎720的一个或多个组件以优化ANC性能。适配引擎750可以使用单个样本处理器、数值处理单元、数字信号处理器或其他逻辑设备和/或处理系统来实现。在所示实施例中，适配引擎750包括用于自适应次要路径处理752、估计的次要路径滤波器754、自适应简档处理756和简档选择758的组件。适配引擎750可以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)来提供自适应泄漏补偿。在各种实施例中，适配引擎750可以包括其他处理组件和控制，诸如啸叫控制、风控制、环境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，啸叫检测器、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配简档、自适应滤波器的一个或多个参数来提供对检测到的条件的补偿(例如，增益控制以进行啸叫补偿)。
混合ANC系统700经由诸如I2S、PCM或其他接口协议的音频接口760从分开的设备接收音频回放。接收到的回放信号由音频处理组件762处理，音频处理组件762可以包括音频编解码器和被配置为修改回放信号以供输出的其他组件。
双模式式ANC的环境检测器
参考图8和9，现在将描述用于检测环境条件和使ANC系统适应检测到的噪声条件的实施例。在一些实施例中，检测器电路/逻辑被并入ANC系统中以监控环境噪声频谱形状并选择合适的ANC模式。该电路可以被并入被配置成切换操作模式的任何ANC系统中，包括此处在图1-7中公开的ANC系统。在各种实施例中，环境检测组件和模式选择逻辑可以作为独立组件并入、作为逻辑组件并入数字信号处理器中、作为适配引擎(例如，适配引擎280)和/或其他逻辑组件和/或电路实现。
在所示实施例中，系统800(例如，个人收听设备的组件)配备有外部麦克风810(例如，图1的参考音频传感器140、图2的麦克风212和/或其他外部麦克风)以接收环境噪声信号x。第一功率估计模块820跟踪信号x的功率并输出全带噪声功率值p1。第二处理路径通过低通滤波器830处理接收到的环境噪声信号x，并且第二功率估计模块832跟踪信号的功率以生成对应的低频功率值p2。逻辑模块840和/或逻辑电路输出识别检测到的环境噪声条件的多个标志(例如，基于p1和p2)并输出指示当前检测到的环境噪声条件的ANC模式标志。标志826和836被输入到模式选择逻辑840以选择一种或多种ANC模式。例如，ANC系统，诸如图2所示的系统，包括根据特定调谐参数调谐的多个滤波器(例如，滤波器214、216、218、223、224、270、272、290和其他滤波器)。取决于ANC实施方式，ANC系统可以包括任何数量和/或类型的滤波器。模式选择逻辑840(可以在电路、数字逻辑、数字信号处理器、适配引擎等中实现)接收标志826和836(和/或其他标志，取决于实施方式)，确定当前ANC模式(本文也称为“当前环境声音模式”)，并更新一个或多个滤波器参数以调谐ANC系统以针对检测到的环境条件优化ANC处理。
在各种实施例中，系统800使用功率估计模块820和830来跟踪长期环境噪声。功率估计模块820和830可以被配置为忽略短期噪声爆发(例如，门猛关，键盘点击等)。可以使用各种估计方法，包括(i)指数平滑(例如，p＝(1–α)p+αx2)；(ii)释放窗口方法，其中，p是预定的释放窗口(例如，1秒)内x2的最小值、中值、某个百分位数；和/或(iii)长短双跟踪器，其中，系统使用长期功率跟踪器通过p＝(1–αlong)p+αlongP将p更新为长期目标P，并且系统将短期功率跟踪器用于估计的噪声统计数据以及更新P。短期功率跟踪器的示例包括但不限于：
pshort＝(1-αshort)pshort+αshortx2，其中，如果pshort和P接近，系统更新P＝f(pshort)；
pshort＝x2，其中，如果pshort分布满足释放窗口中的要求，系统更新P＝f(pshort)；和/或
f(pshort)是pshort的函数，例如平均、最小值或任何其他线性或非线性函数。
现在将参考图9描述用于执行环境检测和模式切换的方法。
在各种实施例中，逻辑模块将功率估计p1和p2转换为ANC模式标志。在所示实施例中，逻辑模块包括阈值，将这些阈值与测量的功率估计进行比较以设置每个标志。在一个实施例中，用于设置标志的逻辑和ANC模式如下表所示：
例如，如果p1大于第一阈值，则第一标志被设置为“开”，否则第一标志被设置为“关”。如果p1大于第二阈值并且p1–p2小于第三阈值，则设置第二标志，否则，关闭第二标志。如果标志都关闭，则ANC系统正在安静的环境中操作，并且ANC可能被关闭。如果仅第二标志被打开，则检测到误差，并且ANC返回默认操作模式。如果第一标志处于打开而第二标志处于关闭，则检测到宽带噪声并且ANC操作切换到宽带调谐。如果两个标志都处于打开，则检测到低频主导噪声并且ANC系统切换到低频调谐。
在其他实施例中，所提出的用于环境检测的系统和方法可以在时域和/或频域中运行。在时域中，外部噪声可以基于样本和基于帧。低通滤波器可以包括无限脉冲响应滤波器、有限脉冲响应滤波器和/或其他低通滤波器类型。可以通过添加更多滤波器/功率估计模块路径来扩展所提出的实施例以处置更多ANC模式。
参考图9，现在将根据一个或多个实施例描述用于检测环境声音模式并基于检测到的环境声音模式切换到ANC模式的示例方法。通过从表示环境声音的外部麦克风接收外部信号x，过程900开始于步骤902。在步骤904，系统估计信号x的全带功率p1。在步骤906，系统估计信号x的低频功率p2。在步骤908中，系统至少部分地基于值p1和p2确定当前环境声音模式。在各种实施例中，例如可以通过将值p1和p2与一个或多个阈值进行比较并设置一个或多个表示ANC模式的标志来进行步骤908的确定。在步骤910中，系统基于所确定的环境声音模式来更新至少一个ANC滤波器参数。
前述公开内容不旨在将本公开内容限制为所公开的精确形式或特定使用领域。因此，考虑到对于本公开的各种替代实施例和/或修改，无论是在本文中明确描述还是暗示，都根据本公开是可能的。已经如此描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员将认识到可以在不脱离本公开的范围的情况下在形式和细节上做出改变。因此，本公开仅受权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种有源噪声消除系统，包括：
前馈路径，所述前馈路径包括自适应滤波器，所述自适应滤波器被配置为接收包括环境噪声的参考信号并自适应地生成抗噪声信号以消除所述环境噪声，其中，所述自适应滤波器根据至少一个参数来被调谐；以及
逻辑设备，所述逻辑设备被配置为至少部分地基于所述参考信号来确定环境噪声条件并且调整所述至少一个参数以调谐所述自适应滤波器。
2.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，进一步包括音频传感器，所述音频传感器被配置成感测所述环境噪声并生成所述参考信号。
3.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，其中，确定所述环境噪声条件包括：估计所述参考信号的全带功率。
4.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，其中，确定所述环境噪声条件包括：估计所述参考信号的低频功率。
5.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，其中，确定所述环境噪声条件包括：至少部分地基于所述参考信号的全带功率和所述参考信号的低频功率来确定当前环境声音模式。
6.根据权利要求5所述的有源噪声消除系统，其中，调谐所述自适应滤波器包括：确定与所述当前环境声音模式相对应的所述至少一个参数的值。
7.根据权利要求6所述的有源噪声消除系统，其中，使用所述至少一个参数的所述值来调谐所述自适应滤波器。
8.根据权利要求1所述的有源噪声消除系统，其中，确定所述环境噪声条件包括：基于一个或多个标志来确定当前环境声音模式，所述一个或多个标志是至少部分地基于所述参考信号的所确定的全带功率和/或所述参考信号的所确定的低频功率而设置的。
9.根据权利要求8所述的有源噪声消除系统，其中，所述一个或多个标志包括至少部分地基于所述低频功率与预定阈值的比较而设置的低通标志。
10.根据权利要求8所述的有源噪声消除系统，其中，所述一个或多个标志包括至少部分地基于所述全带功率与第一预定阈值的比较而设置的全带标志。
11.根据权利要求8所述的有源噪声消除系统，其中，所述一个或多个标志包括低通标志和全通标志，并且其中，所述逻辑设备被配置成至少部分地基于所述低通标志和所述全通标志的所述设置来确定所述环境噪声条件。
12.根据权利要求11所述的有源噪声消除系统，其中，所述环境噪声条件包括安静背景、宽带噪声条件和/或低频主导噪声条件。
13.一种方法，包括：
接收包括环境噪声的参考信号；
使用自适应滤波器来自适应地生成抗噪声信号，以消除噪声消除区中的所述环境噪声；
至少部分地基于所述参考信号来确定环境噪声条件；以及
至少部分地基于所述环境噪声条件来调谐所述自适应滤波器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述环境噪声条件包括：估计所述参考信号的全带功率。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述环境噪声条件包括：估计所述参考信号的低频功率。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述环境噪声条件包括：至少部分地基于所述参考信号的全带功率和所述参考信号的低频功率来确定当前环境声音模式。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，调谐所述自适应滤波器包括：确定与所述当前环境声音模式相对应的至少一个参数的值；以及
至少部分地基于所述至少一个参数的所述值来调整所述自适应滤波器的操作条件。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，确定所述环境噪声条件包括：至少部分地基于所述参考信号的所确定的全带功率和/或所述参考信号的所确定的低频功率来设置一个或多个标志。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，设置所述一个或多个标志包括：设置低通标志和/或设置全带标志，所述低通标志是至少部分地基于所述低频功率与预定阈值的比较而设置的，所述全带标志是至少基于部分地基于所述全带功率与第一预定阈值的比较。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述环境噪声条件包括安静背景、宽带噪声条件和/或低频主导噪声条件。
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