CN116741138A - 主动降噪设备中的补偿和自动增益控制 - Google Patents

主动降噪设备中的补偿和自动增益控制 Download PDF

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Abstract

本文档中描述的技术可通过一种方法来体现，该方法包括：接收表示由主动降噪(ANR)耳机的麦克风捕获的音频的输入信号，并且由第一补偿器处理输入信号的第一频率范围以生成用于ANR耳机的声换能器的第一信号。该方法还包括由与第一补偿器并联设置的第二补偿器处理输入信号的第二频率范围以生成用于声换能器的第二信号。第一频率范围包括高于第二频率范围中的频率的频率。该方法还包括由一个或多个处理设备检测第二信号是否满足阈值条件，并且响应于确定第二信号满足阈值条件而衰减第二信号。

Description

主动降噪设备中的补偿和自动增益控制
本申请是于国际申请日2018年3月29日提交的、申请号为201880036193.2、发明名称为“主动降噪设备中的补偿和自动增益控制”的分案申请。
技术领域
本公开整体涉及用于控制主动降噪(ANR)设备中的过载状况的技术。
背景技术
ANR设备可利用一个或多个数字信号处理器(DSP)来实现各种信号流拓扑。此类DSP的示例在美国专利8,073,150和8,073,151中有所描述，这些专利全文以引用方式并入本文。
发明内容
一般来讲，在一个方面，本文档的特征在于一种方法，该方法包括：接收表示由主动降噪(ANR)耳机的麦克风捕获的音频的输入信号，并且由第一补偿器处理输入信号的第一频率范围以生成用于ANR耳机的声换能器的第一信号。该方法还包括由与第一补偿器并联设置的第二补偿器处理输入信号的第二频率范围以生成用于声换能器的第二信号。第一频率范围包括高于第二频率范围中的频率的频率。该方法还包括由一个或多个处理设备检测第二信号是否满足阈值条件，并且响应于确定第二信号满足阈值条件而衰减第二信号。
在另一方面，本文档的特征在于一种主动降噪(ANR)设备，该设备包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器被配置为生成指示ANR设备的外部环境的输入信号。该设备还包括：第一补偿器，其被配置为处理输入信号的第一频率范围以生成用于ANR耳机的声换能器的第一信号；以及与第一补偿器并联设置的第二补偿器。该第二补偿器滤波器被配置为处理输入信号的第二频率范围以生成用于声换能器的第二信号，其中第一频率范围包括比第二频率范围中的频率高的频率。该设备还包括一个或多个处理设备，该一个或多个处理设备被配置为检测第二信号是否满足阈值条件，并且响应于确定第二信号满足阈值条件而衰减第二信号。
在另一方面，本文档的特征在于一种或多种机器可读存储设备，其上编码有用于使一个或多个处理设备执行各种操作的计算机可读指令。这些操作包括：接收表示由主动降噪(ANR)耳机的麦克风捕获的音频的输入信号，使第一补偿器处理输入信号的第一频率范围，以生成用于ANR耳机的声换能器的第一信号，以及使第二补偿器处理输入信号的第二频率范围，以生成用于声换能器的第二信号。第二补偿器与第一补偿器并联设置，并且第一频率范围包括比第二频率范围中的频率高的频率。这些操作还包括：检测第二信号是否满足阈值条件，并且响应于确定第二信号满足阈值条件而衰减第二信号。
上述方面的实施方式可包括以下特征中的一者或多者。
可通过将第二信号与第一信号相加或者通过将衰减后的第二信号与第一信号相加来生成用于声换能器的组合信号。可使用组合信号来驱动声换能器。第二频率范围的上限可基本上等于100Hz。第一频率范围可包括第二频率范围的至少一部分。检测第二信号是否满足阈值条件可包括确定表示第二信号的电压电平是否达到或超过阈值以指示过载状况。检测第二信号是否满足阈值条件可包括：使用数字滤波器对第二信号进行滤波，并且将滤波后的第二信号与阈值条件相关联的值进行比较。数字滤波器的一组系数可基于ANR耳机的操作模式来选择。衰减第二信号可包括调整处理第二信号的可变增益放大器(VGA)。处理输入信号的第一频率范围以生成第一信号可包括：由第一滤波器处理输入信号以生成第一滤波信号，并且由第一补偿器处理第一滤波信号以生成第一信号。第一滤波器可具有包括第一频率范围的通带，并且第一信号可表示被配置为减少第一滤波信号中的噪声信号的抗噪声信号。处理输入信号的第二频率范围以生成第二信号可包括：由第二滤波器处理输入信号以生成第二滤波信号，并且由第二补偿器处理第二滤波信号以生成第二信号。第二滤波器可具有包括第二频率范围的通带，并且第二信号可表示被配置为减少第二滤波信号中的噪声信号的抗噪声信号。输入信号可表示由ANR耳机的前馈麦克风捕获的音频。第一补偿器和第二补偿器中的每一者可以是设置在ANR耳机的前馈信号流动路径中的前馈补偿器。第一补偿器和第二补偿器中的每一者可以是设置在ANR耳机的反馈信号流动路径中的反馈补偿器。
在另一方面，本文档的特征在于一种方法，该方法包括：接收表示由主动降噪(ANR)耳机的一个或多个传感器捕获的音频的输入信号，并且基于该输入信号，由设置在ANR耳机的ANR信号流动路径中的补偿器生成第一信号。该方法还包括确定第一信号的一个或多个特性，并且基于该第一信号的一个或多个特性，选择与ANR信号流动路径中的补偿器串联设置的数字滤波器的多个滤波器系数。滤波器系数根据数字滤波器的目标频率响应来选择。该方法还包括通过使用数字滤波器的多个滤波器系数处理输入信号来生成用于ANR耳机的电声换能器的反馈控制信号。
在另一方面，本发明的特征在于一种主动降噪(ANR)设备，该设备包括：一个或多个传感器，其被配置为生成指示ANR设备的外部环境的输入信号；以及补偿器，其被设置在ANR设备的ANR信号流动路径中。该补偿器被配置为基于输入信号生成第一信号。该ANR设备还包括在ANR信号流动路径中与补偿器串联设置的可调谐数字滤波器，其中该可调谐数字滤波器被配置为生成用于ANR设备的电声换能器的控制信号。该ANR设备还包括一个或多个处理设备，其被配置为确定第一信号的一个或多个特性，并且基于第一信号的一个或多个特性，根据可调谐数字滤波器的目标频率响应来选择用于可调谐数字滤波器的多个滤波器系数。
在另一方面，本文档的特征在于一种或多种机器可读存储设备，其上编码有用于使一个或多个处理设备执行各种操作的计算机可读指令。这些操作包括：接收表示由主动降噪(ANR)耳机的一个或多个传感器捕获的音频的输入信号，并且使设置在ANR耳机的ANR信号流动路径中的补偿器基于输入信号生成第一信号。这些操作还包括确定第一信号的一个或多个特性，并且基于第一信号的一个或多个特性，选择与ANR信号流动路径中的补偿器串联设置的数字滤波器的多个滤波器系数。滤波器系数根据数字滤波器的目标频率响应来选择。这些操作还包括通过使数字滤波器使用多个滤波器系数处理输入信号来生成用于ANR耳机的电声换能器的反馈控制信号。
上述方面的实施方式可包括以下特征中的一者或多者。
数字滤波器在信号流动路径中可设置在补偿器之前或之后。基于该一个或多个特性，可确定特定频率范围内的输入信号的一部分正在使第一信号触发声换能器中的过载状况，并且可选择多个滤波器系数使得所选择的滤波器系数将数字滤波器配置为衰减特定频率范围内的输入信号的该部分。该一个或多个特性可包括电压电平。可使用反馈控制信号来驱动电声换能器。数字滤波器可以是高通滤波器或陷波滤波器。数字滤波器可以是无限脉冲响应(IIR)滤波器。ANR信号流动路径可包括设置在ANR耳机的前馈麦克风与电声换能器之间的前馈路径。ANR信号流动路径可包括设置在ANR耳机的反馈麦克风与电声换能器之间的反馈路径。
在另一方面，本文档的特征在于一种方法，该方法包括：接收由与ANR耳机相关联的一个或多个传感器捕获的输入信号，并且由ANR信号流动路径中的一个或多个处理设备确定输入信号的第一部分的一个或多个特性。该方法还包括：由一个或多个处理设备基于输入信号的第一部分的一个或多个特性自动调整设置在ANR信号流动路径中的可变增益放大器(VGA)的增益，并且由一个或多个处理设备为设置在ANR信号流动路径中的可调谐数字滤波器选择一组系数。该组系数根据VGA的増益来选择。该方法还包括使用调整后的增益和所选择的一组系数处理ANR信号流动路径中输入信号的第二部分，以生成用于ANR耳机的电声换能器的第二输出信号。
在另一方面，本文档的特征在于一种主动降噪(ANR)设备。该设备包括：被配置为生成指示ANR设备的外部环境的输入信号的一个或多个传感器，以及设置在ANR设备的ANR信号流动路径中的可变增益放大器(VGA)和可调谐数字滤波器。ANR信号流动路径连接至ANR设备的电声换能器。该设备还包括一个或多个处理设备，该一个或多个处理设备被配置为：确定输入信号的第一部分的一个或多个特性，基于输入信号的第一部分的一个或多个特性自动调整VGA的增益，并且为可调谐数字滤波器选择一组系数，其中该组系数根据VGA的增益来选择。
在另一方面，本文档的特征在于一种或多种机器可读存储设备，其上编码有用于使一个或多个处理设备执行各种操作的计算机可读指令。这些操作包括：接收由与ANR耳机相关联的一个或多个传感器捕获的输入信号，并且确定输入信号的第一部分的一个或多个特性。这些操作还包括：基于输入信号的第一部分的一个或多个特性，自动调整设置在ANR信号流动路径中的可变增益放大器(VGA)的增益；并且为设置在ANR信号流动路径中的可调谐数字滤波器选择一组系数。该组系数根据VGA的増益来选择。这些操作还包括使用调整后的增益和所选择的一组系数处理ANR信号流动路径中输入信号的第二部分，以生成用于ANR耳机的电声换能器的第二输出信号。
上述方面的实施方式可包括以下特征中的一者或多者。确定输入信号的第一部分的一个或多个特性可包括：处理输入信号的第一部分以生成用于ANR设备的电声换能器的第一输出信号；以及基于第一输出信号的一个或多个特性确定输入信号的第一部分的一个或多个特性。该一个或多个传感器可包括以下中的一者：ANR设备的前馈麦克风、ANR设备的反馈麦克风、压力传感器、加速度计以及被配置为感测电声换能器的偏移量的位移传感器。ANR信号流动路径可包括设置在ANR设备的前馈麦克风与电声换能器之间的前馈路径。ANR信号流动路径可包括设置在ANR耳机的反馈麦克风与电声换能器之间的反馈路径。可响应于由ANR设备的输入设备接收的第一用户输入而去激活VGA增益调整。也可响应于由ANR耳机的输入设备接收的第二用户输入而重新激活VGA增益调整。VGA的増益可在ANR耳机的操作期间周期性地调整。可响应于确定输入信号的第一部分的一个或多个特性满足阈值条件来调整VGA的增益。输入信号的第一部分的一个或多个特性可指示ANR耳机的外部环境的噪声基底。基于第一输出信号的一个或多个特性来确定输入信号的第一部分的一个或多个特性可包括确定第一输出信号被削波。输入信号的第一部分的一个或多个特性可指示由ANR信号流动路径处理输入信号的第一部分所产生的输出信号将被削波的可能性。
本文所述的各种实施方式可提供以下优点中的一者或多者。通过在过载状况下仅在频率范围的所选择的部分中抑制补偿，可改善小外形ANR设备(例如入耳式耳机)的性能。例如，在低频范围内的选择性抑制可允许减轻过载状况，同时避免由于关闭整个前馈补偿而可能发生的可能令人反感的噪声调制。由于人耳对低频(例如，低于100Hz)的灵敏度相对较低，因此在检测到过载状况时，在此类低频下抑制补偿可能对用户的心理声学体验影响不大，并且因此与在检测到过载时完全关闭ANR信号流动路径(例如，前馈路径或反馈路径)中的补偿的设备相比，可改善总体用户体验。除了或独立于一个ANR信号流动路径(例如前馈路径)中的处理之外，可将可调谐滤波器设置在相同或另一ANR信号流动路径(例如反馈路径)中，以减轻由于由对应麦克风(例如，该特定示例中的反馈麦克风)检测到的低频刺激引起的过载状况。在一些情况下，可调谐滤波器(其可被实现为高通或陷波滤波器)可通过减少由于例如下颌运动或行走导致的驱动器的低频位移来改善用户体验和驱动器寿命。在一些具体实施中，通过提供与可调谐滤波器在信号流动路径(例如，反馈路径或前馈路径)中串联设置的可变增益放大器(VGA)，可自适应地平衡ANR设备的降噪性能与其过载特性。例如，在一些情况下，増加VGA的増益可导致更好的信噪比(SNR)，但代价是动态范围减小和/或被驱动至过载状态的可能性増大。因此，VGA和可调谐滤波器两者的自动和同时调整可用于使ANR设备适应各种不同的环境，从而改善总体用户体验。
本公开中所述的两个或更多个特征，包括本发明内容部分中所述的那些，可组合以形成在本文未具体描述的实施方式。一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中论述。其他特征、对象和优点在说明书、附图和权利要求书中将是显而易见的。
附图说明
图1示出了入耳式主动降噪(ANR)耳机。
图2是ANR设备的框图。
图3A是具有前馈压缩的ANR设备的框图的示例。
图3B是具有并联前馈压缩的ANR设备的框图的示例。
图4是示出由于使用密封的入耳式耳机的用户的下颌运动引起的耳道中的压力变化的曲线图。
图5A是反馈路径滤波器的框图，该反馈路径滤波器包括被配置为减轻由于低频刺激引起的过载状况的可调谐滤波器。
图5B是设置在ANR设备的信号流动路径中的可变增益放大器(VGA)和可调谐滤波器的示例性组合的框图。
图6A至图6C是不同的可调谐高通滤波器的幅值响应。
图7是可用作ANR信号流动路径中的可调谐滤波器的示例性双二阶陷波滤波器的框图。
图8A示出了对于滤波器系数的不同组合的图7的双二阶陷波滤波器的幅值和相位响应。
图8B示出了双二阶陷波滤波器的极点和零点相对于调谐参数n的变化。
图8C和图8D示出了双二阶陷波滤波器的系数值相对于调谐参数n的变化。
图9A示出了不具有可调谐滤波器的示例性ANR设备的反馈路径环路增益的幅值和相位响应。
图9B示出了图9A的但在具有可调谐滤波器的情况下的反馈路径环路增益的幅值和相位响应。
图10A示出了不具有可调谐滤波器的示例性ANR设备的反馈路径的灵敏度。
图10B示出了图10A的但在具有可调谐滤波器的情况下的反馈路径的灵敏度。
图11示出了对于串联连接的可调谐滤波器的调谐参数的各种值的反馈补偿器的输出电压的变化。
图12A示出了可用作ANR信号流动路径中的可调谐滤波器的陷波滤波器的另一示例的幅值响应。
图12B示出了图12A所示的陷波滤波器的系数值的变化。
图13是根据本文所述技术的用于实现并联前馈压缩的示例性过程的流程图。
图14是根据本文所述技术的用于实现ANR设备的反馈路径中的可调谐滤波器的示例性过程的流程图。
图15是用于实现ANR设备的信号流动路径中可变增益放大器(VGA)与可调谐滤波器的组合的示例性过程的流程图。
具体实施方式
一种主动降噪(ANR)设备可包括可配置的数字信号处理器(DSP)，该处理器可用于实现各种信号流拓扑和滤波器配置。此类DSP的示例在美国专利8,073,150和8,073,151中有所描述，这些专利全文以引用方式并入本文。美国专利9,082,388(同样全文以引用方式并入本文)描述了如图1所示的入耳式主动降噪(ANR)耳机的声学实现。该耳机100包括前馈麦克风102、反馈麦克风104、输出换能器106(其也可称为电声换能器或声换能器)以及耦接到两个麦克风和输出换能器以基于在两个麦克风处检测到的信号向输出换能器提供抗噪声信号的降噪电路(未示出)。电路的附加输入(图1中未示出)提供附加音频信号，诸如音乐或通信信号，以独立于降噪信号在输出换能器106上回放。
在本文中与术语“头戴式耳机”可互换使用的术语“耳机”包括各种类型的个人声学设备，诸如入耳式、环耳式或包耳式头戴式耳机、耳机和助听器。头戴式耳机或耳机可包括用于每个耳部的耳塞或耳罩。耳塞或耳罩可彼此物理地系在一起，例如通过绳索、头戴桥接部或头带或头后保持结构。在一些具体实施中，耳机的耳塞或耳罩可经由无线链路彼此连接。
可在ANR设备中实现各种信号流拓扑，以实现诸如音频均衡、反馈噪声消除、前馈噪声消除等功能。例如，如图2中的ANR设备200的示例性框图所示，信号流拓扑可包括前馈降噪路径110，该前馈降噪路径驱动输出换能器106生成抗噪声信号(例如使用前馈补偿器112)以减小由前馈麦克风102拾取的噪声信号的影响。又如，信号流拓扑可包括反馈降噪路径114，该反馈降噪路径驱动输出换能器106生成抗噪声信号(使用例如反馈补偿器116)以减小由反馈麦克风104拾取的噪声信号的影响。信号流拓扑还可包括音频路径118，该音频路径包括用于处理输入音频信号108诸如音乐或通信信号以在输出换能器106上回放的电路(例如均衡器120)。
在大多数操作条件下，ANR设备尝试减小的声学噪声能量足够小以使得系统硬件保持在容量内。然而，在一些情况下，由前馈或反馈麦克风拾取的离散声学信号或低频压力干扰(例如，大声爆裂声、爆炸声、门砰声等)可使降噪电路在试图减小所产生的噪声时超出电子器件或输出换能器106的容量，从而产生可令一些用户反感的听觉伪像。在本文中被称为过载状况的这些状况可通过例如放大器的削波、声驱动器或换能器的硬性偏移限制或引起声学响应的充分变化从而引起振荡的偏移水平来体现。在小外形ANR设备(诸如入耳式耳机)中过载状况的问题可能尤其严重。例如，为了补偿低频压力干扰(例如，公共汽车经过坑洼、门砰声或飞机起飞的声音)，前馈补偿器可生成需要声换能器超过对应物理偏移限制的信号。由于声泄漏，产生给定压力的偏移或驱动器位移通常随频率减小而増大。例如，特定的声换能器可能需要位移1mm才能生成针对100Hz噪声的抗噪信号，位移2mm才能生成针对50Hz噪声的抗噪信号，依此类推。许多声换能器，尤其是用于小外形ANR设备中的小换能器，在物理上不能产生此类大的位移。在此类情况下，补偿器对高位移的需求可使得换能器生成引起听觉伪像的声音，这可导致令人反感的用户体验。听觉伪像可包括振荡、可能令人反感的瞬态声音(例如“重击声”、“断裂声”，“爆裂声”或“咔嗒声”)或劈啪/蜂鸣声。
在一些情况下，可通过暂时降低沿信号处理路径的所选部分的增益(在本文中也称为“抑制”)来减少此类伪像，使得与所要处理的伪像相比，由增益降低引起的噪声的瞬时增加可能不会引起用户的反感。例如，如图3A中的示例性ANR设备300的框图所示，前馈路径110可包括可变增益放大器(VGA)125，在检测到可潜在地使输出换能器106过载的信号时其增益可减小(被抑制)。例如，这可使用侧链滤波器128来完成，该滤波器是应用于从主信号流采样的信号以生成用于确定是否抑制VGA 125的增益的测试信号的滤波器。例如，VGA125的输出可通过连接至前馈路径110的侧链滤波器128(其传递函数表示为Ksc_ff)，并且(例如，使用比较器130)将侧链滤波器的输出与预定阈值Tff 132进行比较，以判断是否存在过载状况。比较器130的输出被提供给可变増益放大器(VGA)125。如果比较器130检测到滤波后的输出信号大于阈值Tff，则调整VGA 125的増益以抑制前馈路径110中的信号以减轻过载状况。虽然图3A示出了仅用于前馈路径的侧链滤波器，但也可在反馈路径中实现类似的侧链滤波器。另外，侧链滤波器可在前馈或反馈路径中分别设置在对应的主补偿器112或116之前或之后。
在一些情况下，减小整个前馈或反馈路径的増益也可生成一些不期望的听觉伪像和/或噪声调制。例如，如果引起过载状况的噪声具有低频和高频下的显著能量，则关闭或显著减小前馈补偿器的增益可允许噪声通过而不衰减，并且可能使一些用户产生不适或令人反感的体验。本文所述的技术通过在检测到过载状况时允许仅在所选择的频率范围内进行增益调整，同时允许在所选择的范围之外的频率下生成补偿信号，从而可改善用户在此类情况下的体验。例如，由于频谱下端(例如，低于100Hz)的降噪补偿通常是产生过载状况的主要原因，因此前馈补偿可仅在频谱的低频部分被抑制，同时允许对其他频率继续进行前馈补偿。这可为用户提供改善的心理声学体验，因为在检测到低频干扰时，前馈补偿仅在频率范围的所选择的部分中暂时中止。如果所选择的频率范围在低于100Hz的区域中，则对于大多数用户而言，用户体验没有显著下降，因为人耳通常对该频率范围内的噪声不太敏感。
图3B是具有并联前馈压缩的ANR设备350的示例的框图，其中在工作频率范围内检测到过载状况时仅在该频率范围的一部分中抑制前馈补偿。设备350在前馈路径110中包括至少两个并联路径，每条路径处理工作频率范围的不同部分。例如，前馈路径110可包括主前馈补偿器133(由传递函数KffM表示)，该主前馈补偿器处理基本上排除预期发生过载状况的频率的频率范围。前馈路径110还包括并联连接到主前馈补偿器133的辅助前馈补偿器134(由传递函数KffP表示)。辅助前馈补偿器134处理预期发生过载状况的频率范围。VGA125、侧链滤波器128和比较器130连接到辅助补偿器134的输出，以在检测到过载状况时抑制对应频率范围内的补偿。然而，即使当VGA 125抑制辅助补偿器134的前馈补偿时，主前馈补偿器133仍继续在相应的频率范围内提供补偿。例如，辅助补偿器可被配置为处理仅在低于100Hz的范围中的信号，以便使用VGA 125来抑制由于低频压力干扰引起的前馈补偿。即使当由辅助补偿器134进行的前馈补偿被抑制时，主前馈补偿器133(其可被配置为处理高于100Hz的信号)仍继续提供前馈补偿以减小对应频率范围内的噪声。在一些具体实施中，这改善了对应ANR设备的总体降噪性能，同时限制了可能由低频压力干扰引起的听觉伪像。
可以各种方式确定与比较器130相关联的阈值132。在一些具体实施中，可基于输出换能器的特性来确定阈值132。例如，阈值132可被设定为电压参考点，以防止由VGA 125输出的驱动电压导致输出换能器106达到机械极限，或者达到其中由于机械、磁性或电气特性引起的声音失真被认为是不期望的驱动水平。在一些情况下，这些限制可与耳道中的等效压力水平有关。例如，当输出换能器的尺寸变小时，这些限制可在耳道中较低的等效压力水平下发生。
在一些具体实施中，主前馈补偿器133和辅助前馈补偿器134可包括用于隔离对应工作频率范围的滤波器。例如，辅助补偿器134可包括具有基本上等于100Hz的通带截止频率的低通滤波器。主前馈补偿器133可包括例如具有基本上等于100Hz的阻带截止频率的高通滤波器。还可根据例如对应的应用程序使用其他配置。例如，主前馈补偿器133可包括带通滤波器，以隔离排除期望发生过载状况的频率的频率范围。在一些具体实施中，主前馈补偿器和辅助前馈补偿器的通带可部分重叠。虽然图3B仅描述了前馈路径110中的滤波器拓扑，但也可在反馈路径中使用类似的并联拓扑。
在一些具体实施中，多个侧链滤波器可与辅助补偿器134结合使用。例如，侧链滤波器可被实现为滤波器组，其中基于ANR设备的操作模式来选择特定的侧链滤波器。例如，如果ANR设备在允许一些环境声音(例如人的声音)通过的模式下使用，则所选择的侧链滤波器可不同于在其中对整个工作频率范围执行前馈补偿的模式下所选择的侧链滤波器。在一些具体实施中，可使用DSP来实现滤波器组，其中基于所识别的操作模式为侧链滤波器选择不同的一组滤波器系数和/或阈值。在一些具体实施中，只要前馈麦克风102的信号没有被削波，则主前馈补偿器133可被配置为提供对应频率范围内的噪声衰减。在一些具体实施中，侧链滤波器可基于来自一个或多个附加传感器的输入来操作。例如，加速度计可用于识别可能引起过载状况的用户的运动(例如，跑步、慢跑等)。在一些具体实施中，关于用户行为的历史信息可用于预测可能引起过载状况的事件。例如，如果已知用户每天早晨7:30进入汽车，并且每天下午5点再次进入汽车，并且每次车门的砰击声导致过载状况，则可使用此信息来启用前馈信号路径的低频部分的主动抑制。
在一些具体实施中，可将与用于一只耳朵的声换能器对应的ANR信号流动路径(例如，前馈路径或反馈路径)中的补偿与用于另一只耳朵的声换能器对应的信号流动路径中的补偿进行协调。例如，如果用户同时佩戴耳机的两个耳塞，则对应信号流动路径之间的此类协调可确保两只耳朵中的ANR性能基本上类似。在一些具体实施中，可基于确定用户是否正佩戴耳机的两个耳塞来调整信号流动路径的侧链滤波器。可用于该目的的传感器包括例如设置在耳塞或耳罩上的电容传感器或红外传感器，以确定用户是否佩戴了耳塞或耳罩。
上文讨论主要相对于前馈路径110描述了声换能器的过载问题。由于反馈麦克风104拾取的刺激，电声换能器106也可被驱动至过载状态。例如，就紧密密封在耳道中的入耳式ANR耳机而言，如下颌运动的低频刺激可产生大的压力变化，而这些变化会被反馈麦克风104拾取。图4是示出在两秒时间段内耳道中的压力变化的曲线图，该压力变化由反馈麦克风检测到。在一些情况下，对于紧密密封的入耳式耳机，当用户在坚硬的表面上行走时，可能会产生低频压力变化(大约15Hz)。当被反馈麦克风104检测到时，此类高幅值的低频压力变化可使反馈补偿器116生成将声换能器驱动至过载状态的反馈补偿信号。这继而可使得声换能器106生成听觉伪像并降低ANR设备的性能。尽管在本文中以用户在坚硬的表面上行走(其产生约15Hz的低频变化)作为示例，但其他事件可引起不同频率的低频变化。本文所述的技术通常适用于引起低频变化的事件，这种低频变化可能导致过载状况，而与特定频率无关。
在一些具体实施中，由于耳道中的低频压力变化而生成的听觉伪像可通过使用反馈补偿器中的可调谐滤波器来减轻。图5A是此类反馈补偿器500的示例的框图，其包括被配置为减轻由于反馈麦克风104拾取的低频刺激而引起的过载状况的可调谐滤波器502。反馈补偿器500还包括被配置为生成换能器106的反馈补偿信号的固定滤波器504。在一些具体实施中，在检测到高幅值低频刺激时(例如，由于下颌运动或行走而引起)，可调谐滤波器502可被配置为从提供给固定滤波器504的输入信号中滤除此类刺激以生成反馈补偿信号。根据此类信号流方案，即使在存在高幅值低频刺激的情况下，反馈补偿器也可继续生成用于降噪的反馈补偿信号而不会被驱动至过载状态。
可调谐滤波器的参数可例如由参数选择器模块508来选择，该参数选择器模块基于估计器506的输出来确定适当的一组参数。在一些具体实施中，估计器506根据由固定滤波器504生成的反馈补偿信号来确定反馈补偿信号是否可能潜在地将声换能器106驱动至过载状态。基于估计器506的输出，参数选择器模块508可被配置为为可调谐滤波器502选择一个或多个参数(或一组滤波器系数)，使得可调谐滤波器502滤除导致生成较大反馈补偿信号的刺激。参数选择器模块508可被配置为基于由估计器506报告的驱动器位移的程度来访问查找表，以为可调谐滤波器502选择一个或多个参数(或一组滤波器系数)。在一些具体实施中，估计器可被配置为监测固定滤波器504的输出，以降低输出电压超过阈值条件的可能性，该阈值条件与例如将输出换能器106驱动至不可接受的高位移或对电气输出进行削波有关。
在一些具体实施中，参数选择器模块508可被配置为选择一个或多个参数或可调谐滤波器502的系数，使得可调谐滤波器502充当高通滤波器。图6A至图6C示出了由参数a参数化的不同的可调谐高通滤波器的幅值响应。与图6A对应的滤波器的传递函数由以下给出：
与图6B对应的滤波器的传递函数由以下给出：
与图6C对应的滤波器的传递函数由以下给出：
对于上述每个传递函数，选择a的值等于1会得到全通滤波器。然而，在检测到将声换能器驱动至过载状态的低频刺激时，可根据期望的幅值响应来选择a的值(或所得的一组滤波器系数)，该期望的幅值响应将滤除低频刺激。
在一些具体实施中，参数选择器模块508可被配置为选择一个或多个参数或可调谐滤波器502的滤波器系数，使得可调谐滤波器502充当陷波滤波器。例如，当引起过载状况的压力变化在较窄的频率范围内时，这可能是有用的。例如，当用户佩戴紧密密封的入耳式耳机在坚硬的表面上行走时，可能会发生约15Hz的高幅值压力变化。在这种情况下，陷波滤波器可用于防止此类压力变化生成可能将声换能器驱动至过载的反馈信号。因为使用陷波滤波器仅抑制了较窄的频率范围，所以此类滤波器可能只是显著降低ANR设备的反馈补偿性能。
虽然到目前为止的描述使用的是在前馈信号流动路径中使用并联压缩(图3B)、在反馈信号路径中使用可调谐滤波器(图5A)的示例，但这些技术中的每一种都可用于其他信号流动路径中。例如，前馈压缩技术可用于反馈ANR信号流动路径中，而可调谐滤波器可用于前馈ANR信号流动路径中。图5B示出了可用于前馈或反馈ANR信号流动路径中的任一者的另一系统的框图。具体地，图5B为示例性系统550的框图，该示例性系统使用设置在ANR设备的信号流动路径中的可变増益放大器(VGA)552和可调谐滤波器554的组合。在一端包括传感器(例如，麦克风557和/或非麦克风传感器555)并且在另一端包括声换能器106的信号流动路径可包括例如ANR设备的反馈路径或前馈路径。如果系统550设置在其中的信号流动路径是前馈路径，则可调谐滤波器554可被称为前馈补偿器。如果系统550设置在其中的信号流动路径是反馈路径，则可调谐滤波器554可被称为反馈补偿器。
在一些具体实施中，可通过基于ANR设备的环境自适应地调整VGA 552和可调谐滤波器554来平衡ANR设备的降噪性能与其过载性能。在一些具体实施中，可通过增加VGA 552的增益来改善降噪性能。例如，ANR设备可引入系统生成的噪声(例如，由设置在信号流动路径中的电子设备产生的噪声)，其可表现为由声换能器106生成的基本上恒定的可听见的“嘶嘶声”。在此类情况下，增加VGA 552的增益可在一些情况下改善信噪比(SNR)，并减少由声换能器106生成的不期望的嘶嘶声。这也可称为降低“噪声基底”，并且改善用户体验，尤其是在低噪声环境中。然而，预先放大VGA 552的増益会增强使用麦克风557(例如，反馈麦克风和/或前馈麦克风)捕获的任何信号，这在一些情况下可能导致输入信号的削波。例如，如果增大VGA 552的增益以降低噪声基底，则系统的动态范围也可能减小，从而使得系统(例如，信号流动路径的电子器件和/或声换能器106)更容易过载。在一些情况下，此类过载状况可能导致声换能器106产生可听见的爆裂声和咔嗒声，这继而可能影响由于降低噪声基底所带来的改善的用户体验。
图5B中示出的信号流动路径是可用于平衡ANR设备的降噪性能与过载性能的系统的示例。例如，在其中低频干扰(例如，由环境中的低频压力变化引起的干扰)的可能性较低的安静环境中，可将VGA的增益调整到一个相对较高的值以降低可听见的噪声基底。这继而可使ANR设备更有可能被驱动至过载状态。因此，一旦估计器556检测到过载状况，或者当ANR设备移动到低频压力变化的可能性更高的环境中时，参数选择器558可被配置为将VGA的增益调整至一个较低的值以降低系统被驱动至过载状态的可能性。在一些情况下，如果在嘈杂的环境中减小VGA增益，则增加噪声基底所产生的心理声学效果可能不会对用户造成显著的影响。然而，VGA 552增益的自适应减小可导致可听到的爆裂声和咔嗒声减轻，否则可由于发生过载状况而降低用户体验。
在一些具体实施中，当将VGA 552的增益调整到特定水平时，可调谐滤波器554的滤波器系数也被相应地调整以补偿VGA 552的增益变化。例如，如果参数选择器558将VGA552的增益增大6dB，则参数选择器558还可被配置成为可调谐滤波器554选择合适的一组滤波器系数，使得可调谐滤波器的幅值响应减小约6dB，以补偿VGA 552的增大的增益。在一些情况下，VGA和可调谐滤波器的此类同时调整确保了信号流动路径的总体増益基本上恒定，并且用户体验基本上一致。
VGA 552被配置为处理由一个或多个传感器(诸如麦克风557和/或非麦克风传感器555)捕获的信号。麦克风557可以是各种类型，可能取决于例如系统550设置在其中的信号流动路径。例如，如果系统550被设置在前馈ANR路径中，则麦克风557可包括ANR设备的前馈麦克风，诸如上述麦克风102。又如，如果系统550被设置在反馈ANR路径中，则麦克风557可包括反馈麦克风，诸如上述麦克风104。传感器555也可以是各种类型。在一些具体实施中，非麦克风传感器555可包括例如压力传感器、加速度计或陀螺仪。此类非麦克风传感器555可例如用于检测压力变化或活动，这些压力变化或活动可提示VGA 552和/或可调谐滤波器554的设置发生变化。例如，基于设置在ANR耳机中的加速度计的输出，可确定用户正在跑步或慢跑，这继而可产生在特定频率下的低频压力变化。基于此类确定，参数选择器558可被配置为调整与VGA相关联的增益和可调谐滤波器554的滤波器系数。虽然图5B中示出的系统550包括非麦克风传感器555和麦克风557两者，但仅包括麦克风557或仅包括非麦克风传感器555的系统也是可能的。
在一些具体实施中，可基于预测特定事件的开始来对VGA 552的增益和可调谐滤波器554的滤波器系数进行调整。在一些具体实施中，用户的环境可基于全球定位系统(GPS)(例如，设置在ANR设备中或连接到ANR设备的移动电话中的全球定位系统)的输出来确定，并且VGA 552和可调谐滤波器554的设置可根据该确定来调整。例如，如果确定ANR设备的用户在图书馆或办公室，则参数选择器558可被配置为根据通常在安静环境中使用的情形来调整ANR设备的设置。相反，如果确定用户在通勤时间期间在火车上，则参数选择器558可被配置为根据通常在嘈杂环境中使用的情形来调整ANR设备的设置。在一些具体实施中，可基于在ANR设备和/或连接至ANR设备的移动设备上执行的一个或多个应用程序来检测用户的环境。例如，在确定用户刚刚启动了一个跟踪用户跑步步数的应用程序后，即可推断该用户即将开始跑步。因此，参数选择器558可被配置为调整VGA 552和可调谐滤波器554，以考虑ANR设备中的对应的预期低压变化。在一些具体实施中，可使用关于用户的环境和活动两者的信息来确定VGA 552的操作参数和可调谐滤波器的滤波器系数。
参数选择器558可被配置为以各种方式选择VGA 552和可调谐滤波器554的操作参数。在一些具体实施中，参数选择器可被配置为访问计算机可读存储设备，该计算机可读存储设备存储查找表的表示，该查找表存储了链接到VGA 552的不同增益值的可调谐滤波器554的不同的滤波器系数组。在一些具体实施中，参数选择器可被配置为基于与所选择的增益值的预定义关系来计算可调谐滤波器554的滤波器系数。可根据一个或多个传感器诸如压力传感器或麦克风的输出，根据经验确定或计算将在不同环境中使用的增益值。在一些具体实施中，也可基于经由用户界面接收的用户输入来改变VGA 552的增益水平。用户界面可以是诸如设置在ANR设备上的开关、旋钮或刻度盘等的控件，或显示在显示设备上的基于软件的图形用户界面，诸如显示在连接的移动设备上的图形用户界面。
估计器556可被配置为确定是否需要对VGA 552和/或可调谐滤波器554进行任何调整。因此，估计器556可被配置为向参数选择器558发信号以调整VGA 552和可调谐滤波器554中的一者或两者。在一些具体实施中，估计器556基本上类似于上文参考5A所述的估计器506。在一些具体实施中，估计器556可以是位移估计器，其被配置为估计用于声换能器的驱动信号是否可潜在地使换能器超过其偏移限制。在一些具体实施中，估计器556可包括被配置为检测环境中发生压力干扰的压力估计器。
系统550可以各种模式操作。在一些具体实施中，系统550可在一些实施方式中被配置为在初始化时基本上连续地运行。例如，如果系统550被设置在ANR耳机的前馈或反馈路径中，则当耳机的ANR功能被激活时，系统可被初始化，并且随后被允许在耳机的操作期间内运行。然而，在一些情况下，此类操作模式可能导致多次弹出和点击，这可能在一定程度上降低用户体验。在一些具体实施中，系统550可包括基于用户输入而停用/激活系统550的控件(例如，按钮)。在一些具体实施中，系统550可被配置为使得参数选择器558根据当前环境调整VGA 552和可调谐滤波器554并且随后关闭或进入待机模式，而不是在激活时执行连续调整。可基于指示环境已经改变或者以其他方式需要重新调整的用户输入来重新激活系统。在一些具体实施中，系统550或其部署在其中的ANR设备可包括用于选择系统550的操作模式的一个或多个控件(例如，呈现在用户界面上的硬件按钮和/或软件控件)。
在其中系统550自动调整VGA 552的増益和可调谐滤波器554的滤波器系数的操作模式中，可以各种方式执行调整。在一些具体实施中，基本上周期性地执行调整。例如，可以约100ms或更长的时间周期执行调整。例如，可根据经验来选择调整的频率，以允许系统550适当地调整以适应变化的环境。在一些具体实施中，可在检测到环境变化时执行调整。例如，如果估计器556检测到指示环境变化(例如，发生低频压力事件)的信号，则估计器可向参数选择器558发信号以相应地调整VGA 552和可调谐滤波器554。
在一些具体实施中，为了防止系统550调整得过于频繁，可将决策阈值与调整相关联。在一些具体实施中，仅当VGA 552的増益的所需变化量超过阈值量时，才可进行调整。例如，仅当増益调整为2.25dB或更高时，才可进行调整。阈值量可根据经验确定，例如以防止调整过于频繁。
可以各种方式执行VGA 552的増益水平的调整。在一些具体实施中，调整可以单个步骤进行。在一些具体实施中，调整可作为一系列的多个步骤来进行。例如，如果需要进行6dB的调整，则调整可作为6dB的单步变化进行，或作为一系列六个步骤来实现，每个步骤实施1dB变化，或步骤的另一组合。步长可根据经验来确定，例如，基于对由步骤变化生成的任何相关联的听觉伪像的容忍度。在一些具体实施中，还可调整步骤之间的时间间隙，例如，以减少多个听觉伪像合并成单个更大听觉伪像的可能性。然而，増加这些步骤之间的间隙也会増加总调整时间。因此，可根据调整时间与可容忍的听觉伪像之间的目标折衷来依据经验选择步骤之间的间隔。
图7是可用作ANR信号流动路径中的可调谐滤波器的示例性双二阶陷波滤波器的框图。滤波器的传递函数由下式给出：
在实施过程中，可将多个双二阶陷波滤波器级联以实现期望的抑制水平。图8A示出了对于滤波器系数的不同组合的单个双二阶陷波滤波器(如图7所示)的幅值和相位响应。滤波器系数由参数n参数化。具体地，曲线802、804、806和808分别表示对于参数值n＝1、n＝2、n＝3和n＝4的幅值响应。曲线810、812、814和816分别表示对于参数值n＝1、n＝2、n＝3和n＝4的相位响应。图8B示出了在频率和双二阶奇点Q方面双二阶陷波滤波器的极点和零点相对于调谐参数n的变化。Q也被称为品质因数。在图8B中，描述根据调谐变化的极点和零点频率以及Qs的曲线表明，陷波清晰度和陷波中心频率是耦合的。为了保持期望的反馈ANR性能，陷波深度随频率的增加而增加。
图8C和图8D示出了双二阶陷波滤波器的滤波器系数值相对于调谐参数n的变化。在图8C和图8D所示的特定示例中，系数b1和a1的值在2附近，系数b2和a2的值在一附近。这与使用每秒384000个样本的采样率的特定具体实施有关，该采样率大于期望的15Hz陷波频率。在一些具体实施中，可将滤波器系数值(例如，在本示例中为b1、b2、a1和a2)存储在查找表中，或者从诸如图8B所示的频率/Q映射的映射规则导出。
图9A至图9B和图10A至图10B示出了在反馈路径中可调谐滤波器的性能。具体地，图9A和图9B分别示出了在不具有可调谐滤波器和具有可调谐滤波器的情况下反馈路径的环路增益(被提供为驱动器电压与反馈麦克风电压传递函数和反馈补偿器传递函数Kfb的乘积)的幅值和相位响应。在该示例中使用的特定可调谐滤波器包括十二个级联的双二阶陷波滤波器，每个滤波器基本上类似于图7所示的双二阶陷波滤波器。如图9B所示，可调谐滤波器保持稳定，并且对于调谐参数n的各种值表现出一致的环路增益行为。此外，如图10A和图10B所示，其示出了在不具有可调谐滤波器(图10A)和具有可调谐滤波器(图10B)的情况下示例性ANR设备的反馈路径的灵敏度，这些滤波器的灵敏度对于调谐参数的各种值也保持一致。
图11示出了针对调谐参数n的各种值的反馈补偿器116的输出电压的变化。具体地，曲线1102、1104、1106和1108分别表示对于参数值n＝1、n＝2、n＝3和n＝4的反馈补偿器输出的变化。如这些曲线所示，可调整参数值以在期望的15Hz频率周围获得不同的抑制水平，而不会显著影响其他频率下的反馈补偿器输出。
图12A示出了可用作反馈路径中的可调谐滤波器的陷波滤波器的另一示例的幅值响应。该陷波滤波器是另一单双二阶陷波滤波器，诸如图7所示的陷波滤波器，但其中系数a1和a2保持恒定。在该示例中，复极点和零点的频率相等，并且零点的Q发生变化以改变陷波深度，这仅导致系数b1和b2发生变化。系数的此类变化在图12B中示出。
图13是根据上述技术的用于实现并联前馈压缩的示例性过程1300的流程图。可使用一个或多个处理设备(诸如美国专利8,073,150和8,073,151中所述的DSP，这些专利全文以引用方式并入本文)来实现过程1300的至少一部分。过程1300的操作包括接收表示由ANR设备诸如ANR耳机的前馈麦克风捕获的音频的输入信号(1302)。在一些具体实施中，ANR设备可以是入耳式耳机，诸如参考图1所述的耳机。在一些具体实施中，ANR设备可包括例如环耳式耳机、包耳式耳机、敞开式耳机、助听器或其他个人声学设备。在一些具体实施中，前馈麦克风可以是麦克风阵列的一部分。
过程1300的操作还包括处理输入信号的第一频率范围以生成用于ANR耳机的声换能器的第一前馈信号(1304)。这可使用设置在ANR设备中的第一前馈补偿器以生成抗噪信号以减少或消除由前馈麦克风拾取的噪声信号来完成。在一些具体实施中，生成第一前馈信号包括：由第一滤波器处理输入信号以生成第一滤波信号，并且由第一前馈补偿器处理第一滤波信号以生成第一前馈信号。第一滤波器可以是具有包括第一频率范围的通带的高通或带通滤波器。第一前馈信号表示被配置为减少第一滤波信号中的噪声信号的抗噪声信号。
过程1300还包括处理输入信号的第二频率范围以生成用于声换能器的第二前馈信号(1306)。这可例如由与第一前馈补偿器并联设置的第二前馈补偿器来完成。在一些具体实施中，第一频率范围包括高于第二频率范围中的频率的频率。例如，第二频率范围的上限可基本上等于100Hz，而第一频率范围的下限可大于或基本上等于100Hz。在一些具体实施中，第一频率范围可包括第二频率范围的至少一部分。在一些具体实施中，生成第二前馈信号包括：由第二滤波器处理输入信号以生成第二滤波信号，并且由第二前馈补偿器处理第二滤波信号以生成第二前馈信号。第二滤波器可具有包括第二频率范围的通带，并且第二前馈信号可表示被配置为减少第二滤波信号中的噪声信号的抗噪声信号。
过程1300的操作还包括检测第二前馈信号是否满足阈值条件(1308)。这可包括例如确定表示第二前馈信号的电压电平是否达到或超过阈值以指示电声换能器的过驱动状况。这还可包括例如使用数字滤波器对第二前馈信号进行滤波，并将滤波后的第二前馈信号与阈值条件相关联的值进行比较。数字滤波器的一组系数可基于ANR耳机的操作模式来选择。
过程1300的操作还包括响应于确定第二前馈信号满足阈值条件而衰减第二前馈信号(1310)。例如，如果第二前馈信号满足阈值条件，则确定第二前馈信号将驱动声换能器或相关电子设备的其他部分至过载，并因此调整第二前馈信号的信号路径中的可变增益放大器以衰减第二前馈信号。
该过程的操作还可包括，例如通过将第二前馈信号与第一前馈信号相加或者通过将衰减后的第二前馈信号与第一前馈信号相加来生成用于声换能器的组合前馈信号。然后可部分地使用组合的前馈信号来驱动声换能器。
上述所有各种信号拓扑和滤波器设计均可在引用专利中所述的可配置数字信号处理器中实现。这些拓扑和滤波器设计也可使用常规电路设计技术在模拟电路中或在模拟电路和数字电路的组合中实现，但所得的产品可能比使用集成可配置数字信号处理器实现的产品更大或更不灵活。
图14是根据上述技术用于在ANR设备的反馈路径中实现可调谐滤波器的示例性过程1400的流程图。可使用一个或多个处理设备(诸如美国专利8,073,150和8,073,151中所述的DSP，这些专利全文以引用方式并入本文)来实现过程1400的至少一部分。过程1400的操作包括接收表示由ANR设备诸如ANR耳机的反馈麦克风捕获的音频的输入信号(1402)。在一些具体实施中，ANR设备可以是入耳式耳机，诸如参考图1所述的耳机。在一些具体实施中，ANR设备可包括例如环耳式耳机、包耳式耳机、敞开式耳机、助听器或其他个人声学设备。在一些具体实施中，反馈麦克风可以是麦克风阵列的一部分。
过程1400的操作还包括由反馈补偿器并且基于输入信号生成第一信号(1404)。在一些具体实施中，反馈补偿器可基本上类似于上文参考图5A描述的固定滤波器504。例如，第一信号可包括响应于由反馈麦克风检测到的噪声而生成的抗噪声信号，其中该抗噪声信号被配置为消除或至少减小噪声的影响。
过程1400的操作包括确定第一信号的一个或多个特性(1406)。例如，这可使用基本上类似于上文参考图5A描述的估计器506的模块来完成。该一个或多个特性可包括第一信号的电压电平，该电压电平指示对应的声换能器106的偏移或驱动器位移的量。在一些具体实施中，该一个或多个特性可指示在其中检测到底层噪声的输入信号的频率或频率范围。
过程1400的操作还包括基于第一信号的一个或多个特性选择与反馈补偿器串联设置的数字滤波器的多个滤波器系数(1408)。该多个滤波器系数可例如根据数字滤波器的目标频率响应来选择。例如，如果第一信号的一个或多个特性指示第一信号的电压电平可潜在地将对应的声换能器驱动至过载状态，并且输入信号中的底层噪声在15Hz附近，则可选择多个系数以将数字滤波器配置作为高通或陷波滤波器，以抑制或衰减15Hz左右的输入信号的分量。在一些具体实施中，可通过访问预存储的查找表来选择多个系数，该查找表包括用于针对第一信号确定的一个或多个特性的各种组合的数字滤波器的参数或系数值。在一些具体实施中，数字滤波器基本上类似于上文参考图5A和图5B描述的可调谐滤波器。
数字滤波器可与反馈补偿器串联设置在ANR设备的反馈路径中，并且设置在反馈补偿器之前或之后。在一些具体实施中，数字滤波器可与反馈补偿器以组合的系数组的形式集成在一起。例如，参考图5A，可调谐滤波器502和固定滤波器504可以提供反馈补偿的统一滤波器的形式组合。数字滤波器可以各种形式实现，包括例如作为无限脉冲响应(IIR)滤波器或有限脉冲响应(FIR)滤波器。
过程1400的操作还包括通过使用数字滤波器的多个滤波器系数处理输入信号来生成用于ANR耳机的声换能器的反馈补偿信号(1410)。在一些具体实施中，一旦输入信号由具有所选择的系数的数字滤波器处理，则导致产生范围外的反馈补偿信号的输入信号的一部分可被衰减，从而防止声换能器中任何潜在的过载状况。在一些具体实施中，这可通过避免由此类过载状况以其他方式生成的听觉伪像来改善用户体验。
图15是根据上述技术的用于在ANR设备的信号流动路径中实现可变增益放大器(VGA)与可调谐滤波器的组合的示例性过程1500的流程图。可使用一个或多个处理设备(诸如美国专利8,073,150和8,073,151中所述的DSP，这些专利全文以引用方式并入本文)来实现过程1500的至少一部分。过程1500的操作包括接收由与ANR设备诸如ANR耳机相关联的一个或多个传感器捕获的输入信号(1502)。在一些具体实施中，该一个或多个传感器可包括ANR耳机的前馈麦克风和反馈麦克风中的一者或多者。在一些具体实施中，该一个或多个传感器包括被配置为感测电声换能器的偏移量的压力传感器、加速度计和位移传感器中的一者或多者。
过程1500的操作还包括确定输入信号的第一部分的一个或多个特性(1506)。在一些具体实施中，输入信号的第一部分的一个或多个特性指示与ANR耳机的外部环境相关联的噪声基底。在一些具体实施中，确定输入信号的第一部分的一个或多个特性包括：处理输入信号的第一部分以生成用于ANR耳机的电声换能器的第一输出信号，以及基于第一输出信号的一个或多个特性来确定输入信号的第一部分的一个或多个特性。例如，基于第一输出信号的一个或多个特性来确定输入信号的第一部分的一个或多个特性可包括确定第一输出信号被削波。在一些具体实施中，输入信号的第一部分的一个或多个特性指示由ANR信号流动路径处理输入信号的第一部分所产生的输出信号将被削波的可能性。在一些具体实施中，确定输入信号的第一部分的一个或多个特性包括确定输入信号的第一部分与第一输出信号之间的非线性关系。例如，非线性关系可通过使声换能器生成听觉伪像(诸如爆裂声或咔嗒声)的输出信号来体现。
过程1500的操作还包括基于输入信号的第一部分的一个或多个特性自动调整设置在ANR信号流动路径中的可变增益放大器(VGA)的增益(1508)。在一些具体实施中，在ANR耳机的操作期间周期性地调整VGA的増益。调整的时间段可根据经验确定，并且可例如为至少约100ms。在一些具体实施中，响应于确定输入信号的第一部分或第一输出信号的一个或多个特性满足阈值条件来调整VGA的增益。阈值条件可包括例如所需的増益调整量。例如，仅当所需的调整至少为2.25dB时，才可调整VGA的增益。
过程1500的操作还包括根据VGA的增益为设置在ANR信号流动路径中的可调谐数字滤波器选择一组系数(1510)。例如，如果将VGA的増益调整特定量(例如5dB)，则可选择用于可调谐数字滤波器的一组系数，使得由所选择的系数引起的滤波器的幅值响应补偿VGA的增益调整。例如，这样做可使信号流动路径的总增益保持基本上不变。
过程1500的操作还包括使用调整后的增益和所选择的一组系数处理ANR信号流动路径中输入信号的第二部分，以生成用于ANR耳机的电声换能器的第二输出信号(1512)。在一些具体实施中，与第一输出信号相比，第二输出信号降低了系统550被驱动至过载状态的可能性。因此，过程1500可用于减轻ANR耳机的前馈或反馈路径中的过载状况。
本文所述的功能或其部分，以及其各种修改(下文称为“功能”)可至少部分地经由计算机程序产品实现，例如在信息载体中有形实施的计算机程序，诸如一个或多个非暂态机器可读介质或存储设备，用于由一个或多个数据处理装置执行，或控制一个或多个数据处理装置例如可编程处理器、计算机、多个计算机和/或可编程逻辑部件的操作。
计算机程序可以任何形式的编程语言被写入，包括编译或解释语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程、或适于在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可被部署在一个计算机上或在一个站点或多个站点分布以及在通过网络互联的多个计算机上执行。
与实现全部或部分功能相关联的动作可由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以执行校准过程的功能。功能的全部或部分可被实现为专用目的逻辑电路，例如FPGA和/或ASIC(专用集成电路)。在一些具体实施中，功能的至少一部分还可在浮点或固定点数字信号处理器(DSP)上执行，诸如由模拟设备公司(Analog DevicesInc)开发的超级哈佛架构单片机(SHARC)。
适用于执行计算机程序的处理器例如包括通用微处理器和专用微处理器两者，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般来讲，处理器将接收来自只读存储器或随机存取存储器或两者的指令和数据。计算机的部件包括用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。
本文中未具体描述的其他实施方案和应用也在以下权利要求书的范围内。例如，并联前馈补偿可与反馈路径中的可调谐数字滤波器组合。又如，前馈路径中的可调谐数字滤波器可与反馈路径中的并联补偿方案组合。在一些具体实施中，可在ANR设备的ANR信号流动路径(例如，反馈路径或前馈路径)中使用并联补偿技术、可调谐滤波器技术和VGA技术的各种组合。在一些具体实施中，ANR信号流动路径可包括可调谐数字滤波器以及并联补偿方案，以衰减在频率范围的特定部分中生成的控制信号。
本文所述的不同实施方式的元件可组合以形成上文未具体阐述的其他实施方案。可从本文所述的结构去除一些元件而不会不利地影响它们的操作。此外，可将各种独立的元件组合到一个或多个单独的元件中以执行本文所述的功能。

Claims (45)

1.一种方法，包括：
接收表示由主动降噪(ANR)耳机的一个或多个传感器捕获的音频的输入信号；
由设置在所述ANR耳机的ANR信号流动路径中的补偿器并且基于所述输入信号，生成第一信号；
确定所述第一信号的一个或多个特性；
基于所述第一信号的所述一个或多个特性，根据数字滤波器的目标频率响应，为在所述ANR信号流动路径中与所述补偿器串联设置的所述数字滤波器选择多个滤波器系数；
通过使用所述数字滤波器的所述多个滤波器系数处理所述输入信号来生成用于所述ANR耳机的电声换能器的反馈控制信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字滤波器在信号流动路径中设置在所述补偿器之后。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字滤波器在信号流动路径中设置在所述补偿器之前。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述一个或多个特性，确定所述输入信号在特定频率范围内的部分正在使所述第一信号触发所述电声换能器中的过载状况；以及
选择所述多个滤波器系数，使得所选择的所述滤波器系数将所述数字滤波器配置为衰减所述输入信号在所述特定频率范围内的所述部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个特性包括电压电平。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述反馈控制信号来驱动所述电声换能器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字滤波器是高通滤波器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字滤波器是陷波滤波器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字滤波器是无限脉冲响应(IIR)滤波器。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述ANR信号流动路径包括设置在所述ANR耳机的前馈麦克风与所述电声换能器之间的前馈路径。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述ANR信号流动路径包括设置在所述ANR耳机的反馈麦克风与所述电声换能器之间的反馈路径。
12.一种主动降噪(ANR)设备，包括：
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为生成指示所述ANR设备的外部环境的输入信号；
补偿器，所述补偿器设置在所述ANR设备的ANR信号流动路径中，所述补偿器被配置为基于所述输入信号生成第一信号；
可调谐数字滤波器，所述可调谐数字滤波器与所述补偿器串联设置在所述ANR信号流动路径中，其中所述可调谐数字滤波器被配置为生成用于所述ANR设备的电声换能器的控制信号；和
一个或多个处理设备，所述一个或多个处理设备被配置为：
确定所述第一信号的一个或多个特性，以及
基于所述第一信号的所述一个或多个特性，根据所述可调谐数字滤波器的目标频率响应，为所述可调谐数字滤波器选择多个滤波器系数。
13.根据权利要求12所述的ANR设备，其中所述可调谐数字滤波器在信号流动路径中设置在所述补偿器之后。
14.根据权利要求12所述的ANR设备，其中所述数字滤波器在信号流动路径中设置在所述补偿器之前。
15.根据权利要求12所述的ANR设备，其中所述一个或多个处理设备被进一步配置为：
基于所述一个或多个特性，确定所述输入信号在特定频率范围内的部分正在使所述第一信号触发所述电声换能器中的过载状况；以及
选择所述多个滤波器系数，使得所选择的所述滤波器系数将所述可调谐数字滤波器配置为衰减所述输入信号在所述特定频率范围内的所述部分。
16.根据权利要求12所述的ANR设备，其中所述一个或多个特性包括电压电平。
17.根据权利要求12所述的ANR设备，其中所述可调谐数字滤波器是以下中的一项：高通滤波器或陷波滤波器。
18.根据权利要求12所述的ANR设备，其中所述ANR信号流动路径包括设置在所述ANR设备的前馈麦克风与所述电声换能器之间的前馈路径。
19.根据权利要求12所述的ANR设备，其中所述ANR信号流动路径包括设置在所述ANR设备的反馈麦克风与所述电声换能器之间的反馈路径。
20.一个或多个机器可读存储设备，所述一个或多个机器可读存储设备在其上编码有用于使一个或多个处理设备执行操作的计算机可读指令，所述操作包括：
接收表示由主动降噪(ANR)耳机的一个或多个传感器捕获的音频的输入信号；
使设置在所述ANR耳机的ANR信号流动路径中的补偿器基于所述输入信号生成第一信号；
确定所述第一信号的一个或多个特性；
基于所述第一信号的所述一个或多个特性，根据所述数字滤波器的目标频率响应，为在所述ANR信号流动路径中与所述补偿器串联设置的数字滤波器选择多个滤波器系数；以及
通过使所述数字滤波器使用所述多个滤波器系数处理所述输入信号，生成用于所述ANR耳机的电声换能器的反馈控制信号。
21.一种方法，包括：
接收由与ANR耳机相关联的一个或多个传感器捕获的输入信号；
由ANR信号流动路径中的一个或多个处理设备，确定所述输入信号的第一部分的一个或多个特性；
由所述一个或多个处理设备基于所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性，自动调整设置在所述ANR信号流动路径中的可变增益放大器(VGA)的增益；
由所述一个或多个处理设备为设置在所述ANR信号流动路径中的可调谐数字滤波器选择一组系数，其中所述一组系数根据所述VGA的所述增益被选择；以及
使用调整后的所述增益和所选择的一组系数处理所述ANR信号流动路径中的所述输入信号的第二部分，以生成用于所述ANR耳机的电声换能器的第二输出信号。
22.根据权利要求21所述的方法，其中确定所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性包括：
处理所述输入信号的所述第一部分，以生成用于所述ANR耳机的电声换能器的第一输出信号；以及
基于所述第一输出信号的一个或多个特性来确定所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述一个或多个传感器包括所述ANR耳机的前馈麦克风。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述一个或多个传感器包括所述ANR耳机的反馈麦克风。
25.根据权利要求21所述的方法，其中所述一个或多个传感器包括压力传感器、加速度计、以及被配置为感测所述电声换能器的偏移量的位移传感器中的一项或多项。
26.根据权利要求21所述的方法，其中所述ANR信号流动路径包括设置在所述ANR耳机的前馈麦克风与所述电声换能器之间的前馈路径。
27.根据权利要求21所述的方法，其中所述ANR信号流动路径包括设置在所述ANR耳机的反馈麦克风与所述电声换能器之间的反馈路径。
28.根据权利要求21所述的方法，还包括响应于由所述ANR耳机的输入设备接收的第一用户输入而停用VGA増益调整。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括响应于由所述ANR耳机的所述输入设备接收的第二用户输入而重新激活VGA增益调整。
30.根据权利要求21所述的方法，其中在所述ANR耳机的操作期间，所述VGA的所述増益被周期性地调整。
31.根据权利要求21所述的方法，其中所述VGA的所述增益响应于确定所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性满足阈值条件而被调整。
32.根据权利要求21所述的方法，其中所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性指示所述ANR耳机的外部环境的噪声基底。
33.根据权利要求22所述的方法，其中基于所述第一输出信号的一个或多个特性来确定所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性包括确定所述第一输出信号被削波。
34.根据权利要求21所述的方法，其中所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性指示由所述ANR信号流动路径处理所述输入信号的所述第一部分所产生的输出信号将被削波的可能性。
35.一种主动降噪(ANR)设备，包括：
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为生成指示所述ANR设备的外部环境的输入信号；
设置在所述ANR设备的ANR信号流动路径中的可变增益放大器(VGA)和可调谐数字滤波器，其中所述ANR信号流动路径连接至所述ANR设备的电声换能器；和
一个或多个处理设备，所述一个或多个处理设备被配置为：
确定所述输入信号的第一部分的一个或多个特性，
基于所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性，自动调整所述VGA的増益，
为所述可调谐数字滤波器选择一组系数，其中所述一组系数根据所述VGA的所述増益被选择。
36.根据权利要求35所述的ANR设备，其中确定所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性包括：
处理所述输入信号的所述第一部分，以生成用于所述ANR设备的电声换能器的第一输出信号；以及
基于所述第一输出信号的一个或多个特性，确定所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性。
37.根据权利要求35所述的ANR设备，其中所述一个或多个传感器包括以下中的一项或多项：前馈麦克风、反馈麦克风、压力传感器、加速度计、以及被配置为感测所述电声换能器的偏移量的位移传感器。
38.根据权利要求35所述的ANR设备，其中所述ANR信号流动路径包括设置在所述ANR设备的前馈麦克风与所述电声换能器之间的前馈路径。
39.根据权利要求35所述的ANR设备，其中所述ANR信号流动路径包括设置在所述ANR设备的反馈麦克风与所述电声换能器之间的反馈路径。
40.根据权利要求35所述的ANR设备，还包括被配置为接收第一用户输入的输入设备，其中所述一个或多个处理设备被进一步配置为响应于所述第一用户输入而停用VGA増益调整。
41.根据权利要求40所述的ANR设备，其中所述输入设备被配置为接收第二用户输入，其中所述一个或多个处理设备被进一步配置为响应于所述第二用户输入而重新激活VGA増益调整。
42.根据权利要求35所述的ANR设备，其中所述一个或多个处理设备被配置为在所述ANR设备的操作期间周期性地调整所述VGA的所述増益。
43.根据权利要求35所述的ANR设备，其中所述一个或多个处理设备被配置为响应于确定所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性满足阈值条件而调整所述VGA的所述増益。
44.根据权利要求35所述的ANR设备，其中所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性指示所述ANR设备的外部环境的噪声基底。
45.一个或多个机器可读存储设备，所述一个或多个机器可读存储设备在其上编码有用于使一个或多个处理设备执行操作的计算机可读指令，所述操作包括：
接收由与主动降噪(ANR)设备相关联的一个或多个传感器捕获的输入信号；
确定所述输入信号的第一部分的一个或多个特性；
基于所述输入信号的所述第一部分的所述一个或多个特性，自动调整设置在所述ANR设备的ANR信号流动路径中的可变增益放大器(VGA)的增益；
为设置在所述ANR信号流动路径中的可调谐数字滤波器选择一组系数，其中所述一组系数根据所述VGA的所述增益被选择；以及
使用调整后的所述增益和所选择的一组系数处理所述ANR信号流动路径中的所述输入信号的第二部分，以生成用于所述ANR耳机的电声换能器的第二输出信号。
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