CN117198303A - 一种音频编解码器及音频编解码系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种音频编解码器及音频编解码系统；包括模数转换单元、ANC降噪处理单元、数据处理传输单元、混音单元、数模转换单元和音频接口；模拟输入信号经过模数转换单元后得到音频输入信号；数据处理传输单元对音频输入信号进行处理后经音频接口传输；数据处理传输单元将通过音频接口输出的多媒体声音进行处理后得到的数字音频信号传输至ANC降噪处理单元和混音单元；ANC降噪处理单元接收并对音频输入信号和数字音频信号进行处理得到反向噪声；混音单元对反向噪声和数字音频信号进行混音叠加处理得到混合音频信号；数模转换单元对混合音频信号进行处理后输出模拟输出信号。本发明通过纯硬件实现ANC降噪，能够简化系统架构设计，简化用户使用复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及音频技术领域，特别是涉及一种音频编解码器及音频编解码系统。
背景技术
随着社会的进步，科技的发展，越来越多的的噪声出现在人们的生活中。这些噪声不仅影响了我们的正常工作和生活，使我们在嘈杂的环境中无法听清楚电话另一端人的声音，也不利于我们的身心健康，如经常处于噪声环境中生活或者工作的人，会产生愤怒、焦急、易怒暴躁等不好的情绪，严重者甚至失眠。并且，随着消费水平的提高，消费意识的转变，人们对音乐质量、通话质量的要求越来越高，而噪声的存在，降低了用户体验，一味的提升音量，不但会损伤我们的听力，“变清晰”的问题也并没有得到实质的解决。
噪声消除技术分为两类：主动降噪和被动降噪。这两种技术的原理不同，被动降噪的原理是通过材料吸收或者阻挡的方式，将噪声信号挡在耳朵外或者吸收掉，从而实现部分噪声的消除，但这种技术只解决部分波长较短的高频噪声信号，对于波长较长的低频噪声信号却无能为力。主动降噪是通过降噪装置主动发出和噪声信号幅度相同，相位相反的“反向噪声”，利用声波叠加原理，抵消噪声信号，从而实现主动降噪的效果。
目前主动降噪的方案是使用DSP运行主动降噪算法，第一种方式为如图1所示在主处理器内内置DSP的架构；从图1中可以看到，主处理器内置DSP方案的系统延时路径很长，包括信号采集进来的延时，编解码器对音频流的转换、缓存等处理延时，还包括芯片间数据接口的传输延时，主处理器内部总线路由、仲裁，数据搬运等延时，DSP业务切换、软件调度延时，DSP运行算法延时，数据传回编解码器数据接口延时，编解码器对音频流的缓存、转换的处理延时，最后声音信号发出的延时等，总的系统延迟一般在百毫秒以上。第二种方式为如图2所示在音频编码器内内置DSP架构；编解码器内置DSP的系统延时相比主处理器内置DSP方案，少了芯片之间数据交互的延迟，以及主处理器中总线路由、仲裁、数据搬运等其他不确定的延时，但这个方案延时依然包含DSP业务切换，软件调度延时，通路上数据格式转换、数据缓存、数据搬运等延时，总的系统延时一般在十几毫秒。
对于音频编解码系统延时与降噪性能的对应关系如图3所示，可以看到延时越小，降噪性能越好，延迟越大，降噪性能越差，甚至到高频出现反弹，意味着噪声与反向噪声正向叠加，增大了噪声信号，这是不期望出现的。根据主动降噪原理，反向噪声应该尽早的产生出来，以便抵消达到最好的效果，因此，电学路径的系统总延时应越小越好，否则对抵消效果减小，降噪性能随之降低。
上述两种方案，目前可行的优化是将DSP、数据搬运模块，数据传输接口等可能设涉及多模块共同使用的模块，均单独给主动降噪专用，其他业务在ANC业务开启后，不得占用，避免抢占资源，这样减少了软件调度、总线仲裁等延时。但这种优化方案存在以下缺点：芯片面积、成本增加；系统架构也更为复杂、系统功耗也随之增加。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种音频编解码器及音频编解码系统，用于解决现有技术中音频编解码成本高、延时长的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种音频编解码器，至少包括模数转换单元、ANC降噪处理单元、数据处理传输单元、混音单元、数模转换单元和音频接口；
所述模数转换单元连接模拟输入信号，所述模数转换单元对所述模拟输入信号进行处理得到音频输入信号；
所述数据处理传输单元的第一输入端连接所述模数转换单元的输出端，所述数据处理传输单元的第一输出端连接所述音频接口的输入端；所述数据处理传输单元对所述音频输入信号进行处理后经所述音频接口传输；
所述数据处理传输单元的第二输入端连接所述音频接口的输出端，所述数据处理传输单元的第二输出端连接所述ANC降噪处理单元和所述混音单元的第二输入端；所述数据处理传输单元将通过所述音频接口输出的多媒体声音进行处理后得到的数字音频信号传输至所述ANC降噪处理单元和所述混音单元；
所述ANC降噪处理单元连接所述模数转换单元的输出端；所述ANC降噪处理单元接收所述音频输入信号和所述数字音频信号，并对所述音频输入信号和所述数字音频信号进行处理得到反向噪声；
所述混音单元的第一输入端连接所述ANC降噪处理单元的输出端，所述混音单元对所述反向噪声和所述数字音频信号进行混音叠加处理得到混合音频信号；
所述数模转换单元的输入端连接所述混音单元的输出端，所述数模转换单元对所述混合音频信号进行处理后输出模拟输出信号。
优选地，所述数据传输处理单元包括第一数据匹配模块和第二数据匹配模块；
所述第一数据匹配模块的输入端连接所述模数转换单元的输出端，所述第一数据匹配模块的输出端连接所述音频接口的输入端；所述第一数据匹配模块将所述音频输入信号进行格式转换后经所述音频接口传输；
所述第二数据匹配模块的输入端连接所述音频接口的输出端，所述第二数据匹配模块的输出端为所述数据处理传输单元的输出端；所述第二数据匹配模块将所述多媒体声音进行格式转换后得到的数字音频信号进行传输。
优选地，第一数据匹配模块和第二数据匹配模块进行格式转换至少包括采样率的匹配和信号位宽的匹配。
优选地，所述数据传输处理单元还包括第一数据缓存模块和第二数据缓存模块；
所述第一数据缓存模块的输入端连接所述第一数据匹配模块的输出端，所述第一数据缓存模块的输出端连接所述音频接口的输入端；所述第一数据匹配模块输出的信号经所述音频接口进行缓存；
所述第二数据缓存模块的输入端连接所述音频接口的输出端，所述第二数据缓存模块的输出端连接所述第二数据匹配模块的输入端；所述第二数据缓存模块将所述多媒体声音进行缓存后传输至所述第二数据匹配模块。
优选地，所述反向噪声与所述音频输入信号具有相位相反、幅度相同的关系。
优选地，所述模拟输入信号至少包括参考音频流和误差音频流，相对应的，经过模数转换之后的音频输入信号包括参考音频信号和误差音频信号。
优选地，所述ANC降噪处理单元包括前馈支路、反馈支路和混音模块；
所述前馈支路输入连接所述参考音频信号，所述前馈支路输出连接所述混音模块的第一输入端；所述前馈支路对所述参考音频信号进行自适应滤波处理得到前馈反向噪声信号；
所述反馈支路输入连接所述误差音频信号和所述数字音频信号，所述反馈支路输出连接所述混音模块的第二输入端；所述反馈支路对所述误差音频信号和所述数字音频信号进行自适应滤波处理得到反馈反向噪声信号；
所述混音模块接收所述前馈反向噪声信号和所述反馈反向噪声信号，并对所述前馈反向噪声信号和所述反馈反向噪声信号进行处理得到所述反向噪声。
优选地，所述前馈支路包括第一数据转换模块和前馈处理模块；
所述第一数据转换模块输入连接所述参考音频信号，所述第一数据转换模块输出连接所述前馈处理模块的输入端，所述前馈处理模块的输出端连接所述混音模块的第一输入端；
所述第一数据转换模块对所述参考音频信号进行转换处理后经所述前馈处理模块的自适应滤波处理得到所述前馈反向噪声信号。
优选地，所述反馈支路包括第二数据转换模块、补偿模块、混音子模块和反馈处理模块；
所述第二数据转换模块输入连接所述误差音频信号，所述第二数据转换模块输出连接所述混音子模块的第一输入端；所述补偿模块输入连接所述数字音频信号，所述补偿模块输出连接所述混音子模块的第二输入端；
其中，所述第二数据转换模块对所述误差音频信号进行转换处理后的信号和所述补偿模块对所述数字音频信号进行补偿处理后的信号传输至所述混音子模块中进行混音处理；
所述混音子模块的输出端连接所述反馈处理模块的输入端，所述反馈处理模块对混音处理后的信号进行自适应滤波处理得到所述反馈反向噪声信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种音频编解码系统，包括主处理器、音频输入设备、音频输出设备和如上述的音频编解码器；所述音频输入设备用于采集模拟输入信号；所述音频编解码器的输入端连接所述音频输入设备，所述音频编解码器的输出端连接所述音频输出设备；所述音频编解码器的控制接口和数据接口均连接所述主处理器；所述音频编解码器对所述模拟输入信号进行处理得到所述模拟输出信号，所述模拟输出信号通过所述音频输出设备进行输出。
如上所述，本发明的音频编解码器及音频编解码系统，具有以下有益效果：
本发明的音频编解码系统包括主处理器、音频输入设备、音频输出设备和音频编解码器；音频编码器至少包括模数转换单元、ANC降噪处理单元、数据处理传输单元、混音单元、数模转换单元和音频接口；模拟输入信号经过模数转换单元后得到音频输入信号；数据处理传输单元对音频输入信号进行处理后经音频接口传输；数据处理传输单元将通过音频接口输出的多媒体声音进行处理后得到的数字音频信号传输至ANC降噪处理单元和混音单元；ANC降噪处理单元接收并对音频输入信号和数字音频信号进行处理得到反向噪声；混音单元对反向噪声和数字音频信号进行混音叠加处理得到的混合音频信号进行数模转换处理后输出模拟输出信号。本发明通过在音频编解码器的ANC降噪处理单元，对音频信号进行硬件编解码的同时能够基于模拟输入信号产生反向噪声，最后输出的模拟输出信号用于与耳麦的噪声进行叠加抵消，即通过纯硬件实现ANC降噪，不需要通过内置DSP核运行复杂的降噪算法，能够简化系统架构设计及用户使用的复杂度；同时也节省了软件调度延迟，减小了整个降噪系统的处理延时，提升了降噪性能和降噪宽带。
附图说明
图1显示为现有技术中使用DSP运行主动降噪的第一种实现方式的结构示意图。
图2显示为现有技术中使用DSP运行主动降噪的第二种实现方式的结构示意图。
图3显示为音频编解码系统延时与降噪性能的对应关系示意图。
图4显示为本发明音频编解码器的结构示意图。
图5显示为本发明音频编解码器中ANC降噪处理单元的硬件结构示意图。
图6显示为本发明音频编解码系统的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图4-6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明旨在设计一个具有主动降噪功能的音频编解码器及音频编解码系统，即对模拟输入信号进行自适应滤波处理后输出反向噪声，然后与编解码器的其他音频码流混音后发出，实现主动降噪的效果，并且通过音频编解码器的硬件进行音频信号编解码的同时能够通过纯硬件实现ANC降噪，不需要通过内置DSP核运行复杂的降噪算法，能够简化系统架构设计，简化用户使用的复杂度。
如图4所示为本发明音频编解码器的结构示意图，图5为本发明音频编解码器中ANC降噪处理单元的硬件结构示意图。现结合图4和图5对本发明的音频编解码器进行详细介绍。
本发明的一种音频编解码器至少包括模数转换单元、ANC降噪处理单元、数据处理传输单元、混音单元、数模转换单元和音频接口；
所述模数转换单元连接模拟输入信号，所述模数转换单元对所述模拟输入信号进行处理得到音频输入信号；
所述数据处理传输单元的第一输入端连接所述模数转换单元的输出端，所述数据处理传输单元的第一输出端连接所述音频接口的输入端；所述数据处理传输单元对所述音频输入信号进行处理后经所述音频接口传输；
所述数据处理传输单元的第二输入端连接所述音频接口的输出端，所述数据处理传输单元的第二输出端连接所述ANC降噪处理单元和所述混音单元的第二输入端；所述数据处理传输单元将通过所述音频接口输出的多媒体声音进行处理后得到的数字音频信号传输至所述ANC降噪处理单元和所述混音单元；
所述ANC降噪处理单元连接所述模数转换单元的输出端；所述ANC降噪处理单元接收所述音频输入信号和所述数字音频信号，并对所述音频输入信号和所述数字音频信号进行处理得到反向噪声；
所述混音单元的第一输入端连接所述ANC降噪处理单元的输出端，所述混音单元对所述反向噪声和所述数字音频信号进行混音叠加处理得到混合音频信号；
所述数模转换单元的输入端连接所述混音单元的输出端，所述数模转换单元对所述混合音频信号进行处理后输出模拟输出信号。
本发明采用ANC降噪(Active Noise Control，主动降噪)，主动降噪功能就是通过降噪系统产生与外界噪音相等的反向声波，将噪音中和，从而实现净噪音(降噪)的效果；最终人耳听到的声音是：环境噪音+反相的环境噪音，两种噪音叠加从而实现感官上的噪音降低，简单来说工作原理就是声波的干扰，从而保护使用者的耳朵。
本发明通过在音频编解码器内增设ANC降噪处理单元，通过硬件的音频编解码器对音频信号进行编解码的同时能够基于模拟输入信号产生反向噪声，最后产生的模拟输出信号用于在耳麦处与噪声进行叠加实现降噪的效果，即通过纯硬件实现ANC降噪，不需要通过内置DSP核运行复杂的降噪算法，能够简化系统架构设计，简化用户使用的复杂度；同时也节省了软件调度延迟，减小了整个降噪系统的处理延时，提升了降噪性能和降噪宽带；另外不要使用很高的时钟频率，能够节省整个音频编解码系统的功耗。
本发明中，模数转换单元对模拟输入信号进行采样、量化处理得到音频输入信号。
具体的，采样处理为
x(n)＝x(nT),-∞<n<∞
xq(n)＝Q[x(n)]
采样过程是将输入的模拟连续信号x(t)(模拟连续信号即模拟输入信号)按采样周期T进行离散时间采样，输出x(n)；
具体的，量化过程是将采样过程的输出x(n)经量化函数Q将幅度进行离散，输出xq(n)。
本发明的模数转换单元经过采样、量化处理两个过程，实现将模拟连续信号(即模拟输入信号)转换成输出的数字离散信号(音频输入信号)。
本发明的数据传输处理单元包括第一数据匹配模块和第二数据匹配模块；
所述第一数据匹配模块的输入端连接所述模数转换单元的输出端，所述第一数据匹配模块的输出端连接所述音频接口的输入端；所述第一数据匹配模块将所述音频输入信号进行格式转换后经所述音频接口传输；
所述第二数据匹配模块的输入端连接所述音频接口的输出端，所述第二数据匹配模块的输出端为所述数据处理传输单元的输出端；所述第二数据匹配模块将所述多媒体声音进行格式转换后得到的数字音频信号进行传输。
本发明中，数据传输处理单元中的第一数据匹配模块和第二数据匹配模块进行格式转换至少包括采样率的匹配和信号位宽的匹配。
以对音频输入信号进行格式转换进行示例性说明，音频输入信号进行滤波和采样率变换的过程为
式中，x(n)为模数转换单元输出的音频输入信号，M为降采样变化因子，I为升采样变化因子，h(k)是单位冲击响应函数，输出为yd(n)或yu(n)。
音频输入信号进行信号位宽的匹配
信号位宽的匹配是根据移位位宽B的正负性，决定位宽匹配是左移放大还是右移缩小。
本发明的数据传输处理单元还包括第一数据缓存模块和第二数据缓存模块；
所述第一数据缓存模块的输入端连接所述第一数据匹配模块的输出端，所述第一数据缓存模块的输出端连接所述音频接口的输入端；所述第一数据匹配模块输出的信号经所述音频接口进行缓存；
所述第二数据缓存模块的输入端连接所述音频接口的输出端，所述第二数据缓存模块的输出端连接所述第二数据匹配模块的输入端；所述第二数据缓存模块将所述多媒体声音进行缓存后传输至所述第二数据匹配模块。
本发明中数据缓存实质是在音频接口缓存一定量的数据，避免因为音频接口两侧系统时钟设计缺陷引入的抖动导致音频数据被重复采样或丢失(即多媒体声音重复采样或音频输入信号丢失)，其中，通过第一数据匹配模块和第一数据缓存模块缓存至音频接口的音频输入信号，是供主处理器参考音频输入信号对ANC降噪处理单元产生相应的控制指令。
本发明中，多媒体声音为远端音频信号或本地播放音频；其中，远端音频信号指音频接口远端传输进来的音频信号，示例性的描述为，通话场景，从远端另一个设备(例如手机B)通过无线协议传输到本地设备(例如手机A)上的声音；本地播放音频指与音频接口连接的储存器中预先存储的音频文件。本发明对多媒体声音进行处理后传输至ANC降噪处理单元用于降噪补偿算法。
本发明的ANC降噪处理单元经过降噪算法处理之后产生的反向噪声与音频输入信号具有相位相反、幅度相同的关系。
具体的，本发明的混音单元将反向噪声信号与数字音频信号进行混音叠加。
式中，有M个输入的数字音频信号x`(n)，将他们累加后，得到输出混音后的混合音频信号y(n)。
本发明的数模转换单元将混合音频信号进行处理的过程包括插值处理和信号转换；
插值处理为：
具体通过插值过程将采样率升到模拟处理采样率，并且数字样点之间插值拟合。
v＝ky(t)
具体将输入数字离散信号y(n)即混合音频信号乘以比例因子k，得到输出模拟电压信号v(t)即模拟输出信号，实现离散数字信号转成连续模拟信号的功能。
本发明的模拟输入信号可以仅有一个，为误差音频流或参考音频流；也可以有多个参考音频流和多个误差音频流。
作为一种优选实现方式，所述模拟输入信号至少包括参考音频流和误差音频流，相对应的，经过模数转换之后的音频输入信号包括参考音频信号和误差音频信号。本发明以模拟输入信号包括一个参考音频流和一个误差音频流为例进行说明。
本发明中模拟输入信号输出的音频输入信号为ANC算法提供所需的参考源和误差源，参考源和误差源可以为单个，也可以为多个。当模拟输入信号包括参考音频流和误差音频流时，通过ANC降噪处理单元进行降噪的效果更好，输出的音频效果更佳。
本发明的ANC降噪处理单元是音频编解码器的核心，即通过硬件电路实现ANC降噪。如图5所示为本发明ANC降噪处理单元的硬件连接结构示意图。那么ANC降噪处理单元包括前馈支路、反馈支路和混音模块；
所述前馈支路输入连接所述参考音频信号，所述前馈支路输出连接所述混音模块的第一输入端；所述前馈支路对所述参考音频信号进行自适应滤波处理得到前馈反向噪声信号；
所述反馈支路输入连接所述误差音频信号和所述数字音频信号，所述反馈支路输出连接所述混音模块的第二输入端；所述反馈支路对所述误差音频信号和所述数字音频信号进行自适应滤波处理得到反馈反向噪声信号；
所述混音模块接收所述前馈反向噪声信号和所述反馈反向噪声信号，并对所述前馈反向噪声信号和所述反馈反向噪声信号进行处理得到所述反向噪声。
具体的，本发明的所述前馈支路包括第一数据转换模块和前馈处理模块；
所述第一数据转换模块输入连接所述参考音频信号，所述第一数据转换模块输出连接所述前馈处理模块的输入端，所述前馈处理模块的输出端连接所述混音模块的第一输入端；
所述第一数据转换模块对所述参考音频信号进行转换处理后经所述前馈处理模块的自适应滤波处理得到所述前馈反向噪声信号。
具体的，本发明的所述反馈支路包括第二数据转换模块、补偿模块、混音子模块和反馈处理模块；
所述第二数据转换模块输入连接所述误差音频信号，所述第二数据转换模块输出连接所述混音子模块的第一输入端；所述补偿模块输入连接所述数字音频信号，所述补偿模块输出连接所述混音子模块的第二输入端；
其中，所述第二数据转换模块对所述误差音频信号进行转换处理后的信号和所述补偿模块对所述数字音频信号进行补偿处理后的信号传输至所述混音子模块中进行混音处理；
所述混音子模块的输出端连接所述反馈处理模块的输入端，所述反馈处理模块对混音处理后的信号进行自适应滤波处理得到所述反馈反向噪声信号。
具体的，本发明中第一数据转换模块将参考音频信号转换成主动降噪算法所需要的格式，第二数据转换模块将误差音频信号转换成主动降噪算法所需要的格式，同时第一数据转换模块和第二数据转换模块还进行直流补偿处理、信号增益处理等。
将参考音频信号或误差音频信号转换成主动降噪算法所需要的格式为采样率匹配，支持升采样率和降采样率。
具体的，降采样率为
式中，yd(n)是降采样率输出，x(k)为输入参考音频信号或误差音频信号，为来自模数转换模块输出音频输入信号，M为降采样变化因子，h(k)为低通滤波器的单位样本响应。
具体的，升采样率为
式中，yu(n)是升采样率输出，x(k)为输入参考音频信号或误差音频信号，I为升采样变化因子。
具体的，直流补偿处理为
ydc(n)＝yd(n)±dccp或
其中，输入为采样率变换的输出yd(n)或yu(n)，输出为dccp为补偿值
具体的，增益处理为
其中，输入为直流补偿的输出ydc(n)，输出为yg(n)，为增益系数。
在本发明的前馈支路中，前馈处理模块包括多个滤波器，滤波器进行级联。在本发明中级联的滤波器至少有12个；作为其他方式，级联的个数可以更多，级联个数越多，算法调节粒度更细，效果更好。
其中，yB(n)＝a0x0(n)+a1x0(n-1)+a2x0(n-2)-b1y(n-1)-b2y(n-2)；x0是一个滤波器的输入，来自于数据转换单元的输出，a1，a2，a3，b1，b2是滤波器的系数，来自于控制接口，yB(n)是一个滤波器的输出；是级联M个滤波器的功能，前面加上负号表示，产生的是反向信号，级联M个滤波器的总输出yff(n)即前馈反向噪声信号。
在本发明的反馈支路中，补偿模块对数字音频信号的补偿值被当成误差残留噪声的误差源和误差音频信号经过混音处理后同时送入反馈处理模块中进行处理自适应滤波处理。其中，补偿模块与前馈处理模块结构相似，包括级联的滤波器，区别在于滤波器的系数和实际输入不同，补偿模块输出的补偿信号。
在本发明的反馈支路中，反馈处理与前馈处理模块结构相似，包括级联的滤波器，区别在于滤波器的系数和实际输入不同，级联的滤波器至少有12个，当然级联个数越多，算法调节粒度更细，效果更好。
具体的，反馈处理模块输出的反馈反向噪声信号xfb(n)为误差信号和补偿信号的差值。
本发明中，混音模块将前馈反向噪声信号和反馈反向噪声信号叠加一起，混音输出作为反向噪声作为ANC降噪处理单元的总输出。
其中，y(n)为反向噪声，yff(n)为前馈反向噪声信号，为反馈反向噪声信号。
本发明的音频编解码器还包括接口转换单元；所述接口转换单元的连接所述ANC降噪处理单元；所述接口转换单元将控制接口的协议格式转换成内部寄存器访问格式，用于对控制指令进行格式转换并传输至所述ANC降噪处理单元，以控制ANC降噪处理单元的运行模式。
本发明中，接口协议可以为I2C、Soundwire、Slimbus、HDA等接口协议。
本发明的所述接口转换单元还用于对编解码器进行参数配置和状态读取；
本发明的音频编解码器通过ANC降噪处理单元实现硬件电路的自适应滤波处理，不需要额外的DSP处理器，简化了用户使用的复杂度。
实施例二
本发明还提供一种音频编解码系统，包括主处理器、音频输入设备、音频输出设备和音频编解码器；所述音频输入设备用于采集模拟输入信号；所述音频编解码器的输入端连接所述音频输入设备，所述音频编解码器的输出端连接所述音频输出设备；所述音频编解码器的控制接口和数据接口均连接所述主处理器；所述音频编解码器对所述模拟输入信号进行处理得到所述模拟输出信号，所述模拟输出信号通过所述音频输出设备进行输出。
具体的，音频输入设备配置为数字麦克风、模拟麦克风、传感器，或者其他形式的声电转换器件，可以是单通道也可以是多通道，完成将声信号转换成电信号的功能。其输入是声波信号，输出为电压信号。
具体的，所述音频编解码器是对音频数据进行编码/解码的器件，将音频数据以一种格式转换成另一种格式，以降低数据计算、传输和存储成本。其基本结构一般包括三部分，第一部分是上行(录音)通路，包括模数转换单元，数据格式转换单元，数据缓存单元，数据接口；第二部分是下行(播放)通路，包括数据缓存单元，数据格式转换单元，混音单元(多个音频流)，数模转换单元；第三部分是控制接口。本发明的音频编解码系统是在常规音频编解码系统的架构上，增加了主动降噪处理单元，形成一个具有主动降噪功能的音频编解码系统。其中，主动降噪处理单元对音频输入采集的实时模拟输入信号进行自适应滤波处理，输出反向噪声，反向噪声和编解码器件其他音频码流混音后发出，实现主动降噪的效果。
对于音频编解码器已在实施例一中详细介绍，此处不再展开赘述。
本发明中，控制接口连接主处理器和音频编解码器，主处理器给音频编解码下发的控制指令通过控制接口传输至音频编解码器，相应的，音频编解码器通过控制控制接口向主处理器反馈其状态的通道，具体支持I2C、Soundwire、Slimbus、HDA等接口协议。
本发明中，数据接口是主处理器和音频编解码器之间音频数据交互的通道，如原始的模拟输入信号进行处理后通过数据接口传输至主处理器，主处理器将多媒体声音(远端音频信号或本地播放音频)通过该数据接口传输给音频编解码器，数据接口可以支持I2S/PCM/TDM、Soundwire、Slimbus、HDA等接口协议。
本发明的主处理器是指SOC(System On Chip)处理芯片，负责设备的主控功能，接收并处理音频编解码上行的音频数据，或者将音频数据传输给音频编解码器下行通道，进行进一步处理。同时，通过控制接口，监控音频编解码器的状态，或者给其下发参数配置。在ANC业务开启时，还会对接收到的参考音频信号进行特殊噪声类型的检测和分类，以控制编解码系统在不同噪声场景时，切换ANC降噪单元的不同工作模式，如降噪模式、通透模式、关闭模式等。降噪模式是使ANC处理单元产生反向噪声和噪声叠加抵消噪声；通透模式是使ANC处理单元放大噪声信号(有益噪声信号)以补偿被音频设备(如耳机)的被动降噪导致的噪声信号变小的情况；关闭模式是一些特殊噪声会导致ANC系统不稳定，可能产生影响用户听感的非期望声音，比起降噪效果，更希望减小这种噪声对系统、用户的影响，因此会关闭ANC。
本发明的音频输出设备配置为听筒、喇叭或耳机；具体可以为一种或多种的组合，可以是单通道也可以是多通道，完成将电信号转换成声信号的功能。模拟输出信号以电压信号的形式输入至音频输出设备，模拟输出信号以声波信号的形式通过音频输出设备输出。
为更好的理解音频编解码系统，以下结合一个具体示例对音频编解码系统进行描述。
在本发明实施例中，音频输入设备配置为耳机的麦克风，麦克风采集周围的模拟输入信号(噪声信号)，将模拟输入信号传输至音频编解码系统中进行自适应滤波处理生成反向噪声；主处理器通过数据接口将多媒体声音(远端音频信号或本地播放音频)发送至音频编解码器，音频编解码器将多媒体声音和反向噪声进行混音，经音频编解码器输出的模拟音频信号通过耳机的喇叭发出，此时与外部的噪声叠加，具体噪声与模拟音频信号中的反向噪声叠加抵消后仅剩多媒体声音最终发送到耳朵中被用户听到。
更具体的，音频编解码系统的工作流程包括：
S1，实时获取模拟输入信号；
本发明的通过耳机外侧的麦克风实时采集周围的模拟输入信号(模拟输入信号可以仅为噪声，也可以为噪声和语音音频)，将模拟输入信号转成模拟电压信号后输入至音频编解码器；
S2，对所述模拟输入信号进行处理得到音频输入信号；
本发明的音频编解码器接收到模拟电压信号的音频输入信号进行采样、量化处理得到音频输入信号。
S3，将多媒体声音进行处理得到数字音频信号；
本发明中多媒体声音为远端音频信号或本地播放音频；其中，远端音频信号指音频接口远端传输进来的音频信号，本地播放音频指预先存储的音频文件。本发明对多媒体声音进行数据缓存和数据匹配处理后传输至ANC降噪处理单元用于ANC降噪补偿算法。
S4，对所述数字音频信号和所述音频输入信号进行自适应滤波处理得到反向噪声；
在本发明中，对所述数字音频信号和所述音频输入信号进行自适应滤波处理得到反向噪声包括如下步骤：
S41，对音频输入信号中的参考音频信号进行处理得到前馈反向噪声信号；
具体的，参考音频信号进行转换后的信号送入前馈处理模块的滤波器进行处理，生成前馈反向噪声信号。
S42，将数字音频信号与音频输入信号中的误差音频信号进行处理得到反馈反向噪声信号；
由于耳机喇叭处放置的误差麦克风会采集到残留的噪声和音乐信号混在一起的信号，需要将音乐信号剔除，仅根据残留噪声信号生成反向噪声，因此需要提前对音乐信号做补偿。具体的，对数字音频信号进行补偿得到补偿信号；补偿后的多媒体信号和误差麦克风录取的喇叭信号混音，相当于从喇叭出来的信号，减去音乐信号，仅剩残留信号。
对误差音频信号进行转换处理得到误差信号；将误差信号和补偿信号进行混音处理后送入反馈处理模块的滤波单元进行自适应滤波处理得到反馈反向噪声信号。
S43，将所述前馈反向噪声信号和所述反馈反向噪声信号进行混音处理得到所述反向噪声。
本发明实施例中，对前馈和反馈自适应滤波处理后的信号(即前馈反向噪声信号和反馈反向噪声信号)进行混音处理得到总的反向噪声信号(即反向噪声)。
S5，对所述反向噪声和所述数字音频信号进行混音叠加处理得到混合音频信号；
本发明将ANC降噪单元处理完的反向噪声与数字音频信号进行混合叠加处理后得到混合音频信号。
S6，对混合音频信号进行处理输出所述模拟输出信号。
本发明对混合音频信号进行采样率提升和数模转换，具体是把将数字形式的混合音频信号的采样率提升至6.144MHz格式，然后转换成模拟形式的模拟输出信号，模拟形式的模拟输出信号通过音频输出设备(即喇叭)喇叭发出。该模拟输出信号包括反向噪声和多媒体声音，在耳朵处反向噪声和噪声信号叠加，噪声信号被抵消，剩余纯净音乐信号被用户听到。
本发明中，音频编解码系统的工作流程还包括：对所述音频输入信号进行处理并通过音频接口进行传输。
具体的，将音频输入信号进行格式转换，转换成192KHz、24bit的数据格式，然后通过音频接口传输并缓存至主处理器。
本发明中，音频编解码系统的工作流程还包括：对音频输入信号进行处理判断噪声类型，并根据噪声类型产生不同的控制指令，控制指令用于控制ANC降噪处理单元的工作模式。
本发明的主处理器通过数据接口获取音频输入信号的参考噪声信号，运行噪声场景检测算法，判断噪声类型；针对不同的场景噪声，通过控制接口给音频编解码器中ANC降噪处理单元下发不同的滤波器参数，使其产生的反向噪声特性匹配当前环境噪声，带来更好的降噪体验。
本发明的音频编解码系统支持噪声通透模式，主处理器根据判断后下发通透模式的参数对应发控制指令给ANC降噪处理单元，ANC降噪处理单元通过平滑前后两组参数，实现模式平滑切换，对用户听感的影响降到最小。
本发明提出的音频编解码系统，支持配合主处理器实现更灵活的降噪方案，编解码器将音频输入信号中的参考音频信号通过数据接口送到主处理器，主处理器运行噪声类型检测算法，以便检测特殊噪声，比如风噪、突发脉冲噪声等，当检测到不同的场景噪声主处理器通过控制接口给编解码器下发不同的指令，比如风噪、突发脉冲等特殊噪声发生时，关闭主动降噪系统，以免可能因反馈处理单元所在的通路处理不当、不及时发生啸叫引起用户听感不适。
本发明的音频编解码系统通过在音频编解码器中增设ANC降噪处理单元实现通过硬件电路实现ANC降噪，具体是通过ANC降噪处理单元的硬件电路以及主处理器的联合处理实现。
本发明不需要内置DSP核运行降噪算法，简化音频编解码系统的架构设计、简化用户使用复杂度；且无需提供很高的时钟频率给DSP，能够简化芯片时钟方案，节省芯片功耗；且在不要内置DSP的同时会减少DSP附属模块的设置，进一步直接减少芯片面积、节约成本。
本发明省去了DSP，纯硬件实现，系统延时仅有数据采集延时和ANC降噪处理延时、数传输延时等，大大降低了音频编解码系统总延时，一般低于三十微妙即拥有最短的系统处理延时；而延时越小，电学路径产生的反向噪声的相位越能更好的匹配声学路径的噪声，更好的抵消噪声信号，即噪声和“反向噪声”两种声波的相位可以最大程度匹配(反向)，对ANC降噪性能有较大的提升。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种音频编解码器，其特征在于，至少包括模数转换单元、ANC降噪处理单元、数据处理传输单元、混音单元、数模转换单元和音频接口；
所述模数转换单元连接模拟输入信号，所述模数转换单元对所述模拟输入信号进行处理得到音频输入信号；
所述数据处理传输单元的第一输入端连接所述模数转换单元的输出端，所述数据处理传输单元的第一输出端连接所述音频接口的输入端；所述数据处理传输单元对所述音频输入信号进行处理后经所述音频接口传输；
所述数据处理传输单元的第二输入端连接所述音频接口的输出端，所述数据处理传输单元的第二输出端连接所述ANC降噪处理单元和所述混音单元的第二输入端；所述数据处理传输单元将通过所述音频接口输出的多媒体声音进行处理后得到的数字音频信号传输至所述ANC降噪处理单元和所述混音单元；
所述ANC降噪处理单元连接所述模数转换单元的输出端；所述ANC降噪处理单元接收所述音频输入信号和所述数字音频信号，并对所述音频输入信号和所述数字音频信号进行处理得到反向噪声；
所述混音单元的第一输入端连接所述ANC降噪处理单元的输出端，所述混音单元对所述反向噪声和所述数字音频信号进行混音叠加处理得到混合音频信号；
所述数模转换单元的输入端连接所述混音单元的输出端，所述数模转换单元对所述混合音频信号进行处理后输出模拟输出信号。
2.根据权利要求1所述的音频编解码器，其特征在于，所述数据传输处理单元包括第一数据匹配模块和第二数据匹配模块；
所述第一数据匹配模块的输入端连接所述模数转换单元的输出端，所述第一数据匹配模块的输出端连接所述音频接口的输入端；所述第一数据匹配模块将所述音频输入信号进行格式转换后经所述音频接口传输；
所述第二数据匹配模块的输入端连接所述音频接口的输出端，所述第二数据匹配模块的输出端为所述数据处理传输单元的输出端；所述第二数据匹配模块将所述多媒体声音进行格式转换后得到的数字音频信号进行传输。
3.根据权利要求2所述的音频编解码器，其特征在于，第一数据匹配模块和第二数据匹配模块进行格式转换至少包括采样率的匹配和信号位宽的匹配。
4.根据权利要求2或3所述的音频编解码器，其特征在于，所述数据传输处理单元还包括第一数据缓存模块和第二数据缓存模块；
所述第一数据缓存模块的输入端连接所述第一数据匹配模块的输出端，所述第一数据缓存模块的输出端连接所述音频接口的输入端；所述第一数据匹配模块输出的信号经所述音频接口进行缓存；
所述第二数据缓存模块的输入端连接所述音频接口的输出端，所述第二数据缓存模块的输出端连接所述第二数据匹配模块的输入端；所述第二数据缓存模块将所述多媒体声音进行缓存后传输至所述第二数据匹配模块。
5.根据权利要求1所述的音频编解码器，其特征在于，所述反向噪声与所述音频输入信号具有相位相反、幅度相同的关系。
6.根据权利要求1所述的音频编解码器，其特征在于，所述模拟输入信号至少包括参考音频流和误差音频流，相对应的，经过模数转换之后的音频输入信号包括参考音频信号和误差音频信号。
7.根据权利要求6所述的音频编解码器，其特征在于，所述ANC降噪处理单元包括前馈支路、反馈支路和混音模块；
所述前馈支路输入连接所述参考音频信号，所述前馈支路输出连接所述混音模块的第一输入端；所述前馈支路对所述参考音频信号进行自适应滤波处理得到前馈反向噪声信号；
所述反馈支路输入连接所述误差音频信号和所述数字音频信号，所述反馈支路输出连接所述混音模块的第二输入端；所述反馈支路对所述误差音频信号和所述数字音频信号进行自适应滤波处理得到反馈反向噪声信号；
所述混音模块接收所述前馈反向噪声信号和所述反馈反向噪声信号，并对所述前馈反向噪声信号和所述反馈反向噪声信号进行处理得到所述反向噪声。
8.根据权利要求7所述的音频编解码器，其特征在于，所述前馈支路包括第一数据转换模块和前馈处理模块；
所述第一数据转换模块输入连接所述参考音频信号，所述第一数据转换模块输出连接所述前馈处理模块的输入端，所述前馈处理模块的输出端连接所述混音模块的第一输入端；
所述第一数据转换模块对所述参考音频信号进行转换处理后经所述前馈处理模块的自适应滤波处理得到所述前馈反向噪声信号。
9.根据权利要求7所述的音频编解码器，其特征在于，所述反馈支路包括第二数据转换模块、补偿模块、混音子模块和反馈处理模块；
所述第二数据转换模块输入连接所述误差音频信号，所述第二数据转换模块输出连接所述混音子模块的第一输入端；所述补偿模块输入连接所述数字音频信号，所述补偿模块输出连接所述混音子模块的第二输入端；
其中，所述第二数据转换模块对所述误差音频信号进行转换处理后的信号和所述补偿模块对所述数字音频信号进行补偿处理后的信号传输至所述混音子模块中进行混音处理；
所述混音子模块的输出端连接所述反馈处理模块的输入端，所述反馈处理模块对混音处理后的信号进行自适应滤波处理得到所述反馈反向噪声信号。
10.一种音频编解码系统，其特征在于，包括主处理器、音频输入设备、音频输出设备和如权利要求1-9任一项所述的音频编解码器；
所述音频输入设备用于采集模拟输入信号；
所述音频编解码器的输入端连接所述音频输入设备，所述音频编解码器的输出端连接所述音频输出设备；所述音频编解码器的控制接口和数据接口均连接所述主处理器；
所述音频编解码器对所述模拟输入信号进行处理得到所述模拟输出信号，所述模拟输出信号通过所述音频输出设备进行输出。
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