JP2019511878A - アクティブノイズコントロールシステムにおける２次経路の適応モデル化 - Google Patents

アクティブノイズコントロールシステムにおける２次経路の適応モデル化 Download PDF

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Abstract

本明細書に記載された技術は、1つまたは複数の処理デバイスによって、アクティブノイズコントロールシステムにおける不安定状態の開始を検出するステップを含む、コンピュータ実装方法で具体化することができる。方法は、不安定状態の開始の検出に応答して、アクティブノイズコントロールシステムの2次経路の伝達関数を表すように構成される、システム識別フィルタについての更新したフィルタ係数を取得するステップも含む。更新したフィルタ係数は、複数のサブバンド適応フィルタのセットを使用して生成され、セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数は、アクティブノイズコントロールシステムにおける潜在的な不安定状態に関連する周波数範囲の対応部分における変化に適合するように構成される。方法は、アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすように、更新した係数でシステム識別フィルタをプログラムするステップも含む。

Description

本開示は、一般に、ヘッドセットにおけるアクティブノイズコントロールに関する。
アクティブノイズコントロールは、アンチノイズと呼ばれることが多い実質的に反対の信号を生成することによって不要なノイズをキャンセルすることを含む。
Merchedら、「A New Delayless Subband Adaptive Filter Structure」、IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 47, No. 6、1999年6月
一態様では、本文書は、1つまたは複数の処理デバイスによって、アクティブノイズコントロールシステムにおける不安定状態の開始を検出するステップを含む、コンピュータ実装方法を特徴とする。方法は、不安定状態の開始の検出に応答して、アクティブノイズコントロールシステムの2次経路の伝達関数を表すように構成されるシステム識別フィルタについての更新したフィルタ係数を取得するステップも含む。更新したフィルタ係数は、複数のサブバンド適応フィルタのセットを使用して生成され、セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数は、アクティブノイズコントロールシステムにおける潜在的な不安定状態に関連する周波数範囲の対応部分における変化に適合するように構成される。方法は、アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすように、更新した係数でシステム識別フィルタをプログラムするステップも含む。
別の態様では、本文書は、アクティブノイズコントロールシステムの2次経路の伝達関数を表すように構成されるシステム識別フィルタと、アクティブノイズコントロールエンジンとを含むアクティブノイズコントロールシステムを特徴とする。アクティブノイズコントロールエンジンは、1つまたは複数のプロセッサを含み、アクティブノイズコントロールシステムにおける不安定状態の開始を検出するように構成される。不安定状態の開始の検出に応答して、アクティブノイズコントロールエンジンは、システム識別フィルタについての更新したフィルタ係数を取得する。更新したフィルタ係数は、複数のサブバンド適応フィルタのセットを使用して生成され、セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数は、アクティブノイズコントロールシステムにおける潜在的な不安定状態に関連する周波数範囲の対応部分における変化に適合するように構成される。アクティブノイズコントロールエンジンは、アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすように、更新した係数でシステム識別フィルタをプログラムするようにも構成される。
別の態様では、本文書は、1つまたは複数のプロセッサに様々な動作を実施させるためのコンピュータ可読命令をその上に符号化した、機械可読記憶デバイスを特徴とする。動作は、アクティブノイズコントロールシステムにおける不安定状態の開始を検出することを含む。動作は、不安定状態の開始の検出に応答して、アクティブノイズコントロールシステムの2次経路の伝達関数を表すように構成されるシステム識別フィルタについての更新したフィルタ係数を取得することも含む。更新したフィルタ係数は、複数のサブバンド適応フィルタのセットを使用して生成され、セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数は、アクティブノイズコントロールシステムにおける潜在的な不安定状態に関連する周波数範囲の対応部分における変化に適合するように構成される。動作は、アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすように、更新した係数でシステム識別フィルタをプログラムすることも含む。
上の態様の実装は、以下のうちの1つまたは複数を含むことができる。
不安定状態の開始を検出するステップは、アクティブノイズコントロールシステムの2次発生源および誤差センサからの信号間の相関を計算するステップと、相関が閾値条件を満足すると決定したときに不安定状態の開始を検出するステップとを含むことができる。セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数を取得することができ、システム識別フィルタについての更新したフィルタ係数は、複数のサブバンド適応フィルタのフィルタ係数の組合せとして生成することができる。セットの2つのサブバンド適応フィルタに関連する周波数範囲の対応部分は、少なくとも部分的にオーバーラップしない場合がある。セットの中の各サブバンドフィルタについてのフィルタ係数は、対応するサブバンドフィルタに関連する周波数範囲の部分における信号対雑音比(SNR)に基づいて更新される。アクティブノイズコントロールシステムは、ヘッドセットの中に配設することができる。アクティブノイズコントロールシステムは、広帯域ノイズをキャンセルするように構成することができる。2次経路は、アクティブノイズコントロールシステムに関連する、音響変換器と誤差センサとの間の電気-音響経路を含むことができる。アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすことは、不安定状態の影響を減らすことを含むことができる。
本明細書に記載される様々な実装形態は、以下の利点のうちの1つまたは複数を提供することができる。アクティブノイズコントロール(ANC)システムの2次経路を適応モデル化することによって、2次経路における変化からもたらされる任意の不安定性を、そのような不安定性の開始から短い時間内に、減少させること、またはいくつかの場合にはなくすことができる。不安定性が顕在化する1つまたは複数の周波数をトラッキングすること、および2次経路をモデル化するために対応するサブバンドフィルタを使用することによって、いくつかの場合に2次経路の正確で効果的なモデル化を可能にすることができる。ANCヘッドセットまたはイヤフォンにおいて本技術を使用することによって、ヘッドセットまたはイヤフォンを、対応する2次経路を潜在的に変える可能性があるアクセサリー(たとえば、異なるタイプのイヤバドまたは先端部)と互換性をもたせることができる。本技術は、ANCシステムの2次経路を変える事象を識別するステップで使用することもできる。たとえば、ANCヘッドセットまたはイヤフォン中に配備すると、2次経路中で検出された相違を、1人のユーザを別のユーザから識別するステップ、またはヘッドセットまたはイヤフォンがユーザに着用されていないときを検出するステップで使用することができる。
この概要セクションで記載されるものを含む、本開示で記載される2つ以上の特徴を組み合わせて、本明細書で明示的に記載されない実装形態を形成することができる。
1つまたは複数の実装形態の詳細が、添付図面および以下の説明中に記載される。他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、また請求項から明らかとなるであろう。
アクティブノイズコントロール(ANC)システムの例のブロック図である。 ヘッドセットの中に配備されたANCシステムの例を示す図である。 例示的なフィードフォワード適応ANCシステムのブロック図である。 ANCシステムの2次経路をモデル化するための適応フィルタの例のブロック図である。 適応フィルタがサブバンドフィルタのバンクを含むANCシステムのブロック図である。 ANCシステム中の2次経路のモデルを表すシステム識別フィルタをプログラムするための例示的なプロセスのフローチャートである。 本明細書に記載される技術によるANCシステム中のシステム識別フィルタを使用した結果を図示するプロットである。 本明細書に記載される技術によるANCシステム中のシステム識別フィルタを使用した結果を図示するプロットである。 本明細書に記載される技術によるANCシステム中のシステム識別フィルタを使用した結果を図示するプロットである。
本文書は、アクティブノイズコントロール(ANC)システムの2次経路を適応モデル化するための技法を記載する。たとえば、文書は、ANCシステムの2次経路における変化からもたらされる不安定状態の開始を検出し、不安定状態に対処するため2次経路のモデルを適応更新するための技法を記載する。これは、たとえば、システム識別モードにおいて適応フィルタを使用することによって行うことができる。そのようなフィルタは、本明細書ではシステム識別フィルタと呼ばれ、不安定状態が顕在化する可能性がある周波数帯域の異なる部分にその各々が対応するサブバンド適応フィルタのバンクを含むことができる。不安定状態に関連する周波数帯域を検出することによって、2次経路のモデルは、対応するサブバンドフィルタの係数を更新することによって更新することができる。このようにして、いくつかの場合に、不安定状態は、1つのフルレンジ適応フィルタを使用するモデルを更新するよりもより正確で効果的に低減することができる。
不要な、または好ましくないノイズをキャンセルまたは減少させるために、音響ノイズコントロールシステムが使用される。たとえば、そのようなノイズコントロールシステムは、環境ノイズの影響を減少させるために、ヘッドセットおよびイヤフォンなどの携帯音響デバイスで使用することができる。音響ノイズコントロールシステムは、たとえば、機械的な振動またはエンジンの高調波によって生成される不要なノイズをキャンセルまたは減衰するため、自動車または他の交通システム(たとえば、車、トラック、バス、航空機、ボート、または他の車両)で使用することもできる。
いくつかの場合では、アクティブノイズコントロール(ANC)システムを、不要なノイズを減衰またはキャンセルするために使用することができる。いくつかの場合に、ANCシステムは、重ね合わせの原理に基づいて、不要なノイズ(1次ノイズと呼ばれることが多い)のうちの少なくとも一部をキャンセルするように構成することができる電気音響または電気機械システムを含むことができる。これは、1次ノイズの振幅および位相を識別すること、ならびにほぼ等しい振幅および反対の位相の別の信号(アンチノイズと呼ばれることが多い)を生成することによって行うことができる。適切なアンチノイズ信号は、両方が実質的にキャンセルされる(たとえば、仕様内に、または容認できる許容差にキャンセルされる)ように、1次ノイズと組み合わせる。この点に関連して、本明細書に記載される例示的な実装形態では、ノイズを「キャンセルすること」とは、「キャンセルした」ノイズを、指定されるレベルにまたは容認できる許容差内に減少させることを含むことができ、すべてのノイズの完全なキャンセルを必要としない。ANCシステムは、パッシブノイズコントロールシステムを使用して容易に減衰することができない、たとえば、広帯域ノイズおよび/または低周波数ノイズを含む、広い範囲のノイズ信号を減衰することに使用することができる。いくつかの場合に、ANCシステムは、サイズ、重さ、体積、および費用の点で実現可能なノイズコントロールメカニズムを提供する。
図1は、ノイズ源105によって生成されるノイズをキャンセルするための、アクティブノイズコントロールシステム100の例を示す。このノイズは、1次ノイズと呼ぶことができる。ノイズキャンセルヘッドフォンまたはイヤフォンなどの携帯音響デバイスでは、1次ノイズは環境ノイズであってよい。たとえば自動車に配備されるANCシステムといった他のシステムでは、1次ノイズは、自動車のエンジンによって生成されるノイズであってよい。1次ノイズの性質は、ある応用例と別のもので変わってよい。たとえば、ノイズキャンセルヘッドセットまたはイヤフォンに配備されるANCシステムでは、1次ノイズは広帯域ノイズであってよい。別の例で、自動車に配備されるANCシステムでは、1次ノイズは、高調波ノイズなどの狭帯域ノイズであってよい。
いくつかの実装形態では、システム100は、ノイズ源105からのノイズを検出し、(たとえば、デジタル信号x(n)として)ANCエンジン120に信号を提供する基準センサ110を含む。ANCエンジン120は、(たとえば、デジタル信号y(n)として)2次発生源125に提供されるアンチノイズ信号を生成する。2次発生源125は、1次ノイズの影響をキャンセルまたは減少させる信号を生成する。たとえば、1次ノイズが音響信号であるとき、2次発生源125は、音響1次ノイズの影響をキャンセルまたは減少させる音響アンチノイズを生成するように構成することができる。誤差センサ115によって、何らかのキャンセル誤差を検出することができる。誤差センサ115は、誤差を減少または除去するため、それに応じてアンチノイズ生成プロセスをANCエンジンが変更できるように、(たとえば、デジタル信号e(n)として)ANCエンジン120に信号を提供する。たとえば、ANCエンジン120は、適応フィルタを含むことができ、その係数は、1次ノイズ中の相違に基づいて適応的に変えることができる。
ANCエンジン120は、2次発生源125に提供される信号を生成するため、基準センサ110および誤差センサ115によって検出された信号を処理するように構成することができる。ANCエンジン120は、様々なタイプのものであってよい。いくつかの実装形態では、ANCエンジン120はフィードフォワード制御に基づき、その場合、1次ノイズが基準センサ110によって検知され、その後、ノイズが2次発生源125などといった2次発生源に到達する。いくつかの実装形態では、ANCエンジン120はフィードバック制御に基づき、その場合、ANCエンジン120は、基準センサ110の助けなく誤差センサ115によって検出される残留ノイズに基づいて1次ノイズをキャンセルする。いくつかの実装形態では、フィードフォワードおよびフィードバック制御の両方が使用される。ANCエンジン120は、様々な周波数帯域でノイズを制御するように構成することができる。いくつかの実装形態では、ANCエンジン120は、ホワイトノイズなどといった広帯域ノイズを制御するように構成することができる。いくつかの実装形態では、ANCエンジン120は、車両のエンジンからの高調波ノイズなどといった狭帯域ノイズを制御するように構成することができる。
いくつかの実装形態では、ANCエンジン120は、適応デジタルフィルタを含み、その係数は、たとえば、1次ノイズ中の相違に基づいて調整することができる。いくつかの実装形態では、ANCエンジンはデジタルシステムであり、その場合、(たとえば、電気音響または電気機械変換器といった)基準および誤差センサからの信号は、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、マイクロコントローラ、またはマイクロプロセッサなどといった処理デバイスを使用してサンプリングおよび処理される。そのような処理デバイスは、ANCエンジン120によって使用される適応信号処理技法を実装するために使用することができる。
図2は、ヘッドセット150の中に配備されたANCシステムの例を示す。ヘッドセット150は両側にイヤカップ152を含み、イヤカップ152は、ユーザの耳に接して、または耳を覆って装着される。イヤカップ152は、ユーザの耳を覆う快適な装着のため、(たとえば、柔軟な発泡体といった)柔軟な材料の層154を含むことができる。ヘッドセット150上のANCシステムは、環境ノイズを検出するためイヤカップの外側に配設される外部マイクロフォン156を含む。外部マイクロフォン156は、ANCシステムのための基準センサ(たとえば、図1のブロック図に示される基準センサ110)として機能することができる。ANCシステムは、誤差センサ(たとえば、図1のブロック図中の誤差センサ115)として機能することができる内部マイクロフォン158も含む。内部マイクロフォン158は、ユーザの外耳道および/または2次発生源125の近傍(たとえば、数ミリメートル以内)に配設することができる。2次発生源125は、ヘッドセット150が接続されている音源デバイスからの音声信号を発する音響変換器であってよい。外部マイクロフォン156、内部マイクロフォン158、および2次発生源125は、図2に示されるように、アクティブノイズコントロールエンジン120に接続される。図2はANCエンジン120をヘッドセット150に対して外部のブロックとして示しているが、ANCエンジン120は、ヘッドセット150の一部に(たとえば、イヤカップ152の中に)配備することができる。いくつかの実装形態では、ANCエンジン120は、ヘッドセット150に対して外部の場所に(たとえば、ヘッドセット150が接続される発生源デバイス中に)配備することもできる。図2はヘッドセット中に配備されるANCシステムを示しているが、そのようなANCシステムは、イヤフォンまたは補聴器などの他の携帯音響デバイスに配備することもできる。別段に記載されない限り、ヘッドセットに関する任意の記載は、そのようなデバイスに適用可能である。
再び図1を参照して、ノイズ源と誤差センサ115との間の音響経路は、1次経路130と呼ぶことができ、2次発生源125と誤差センサ115との間の音響経路は、2次経路135と呼ぶことができる。図2の例では、外部マイクロフォン156と内部マイクロフォンとの間の音響経路が1次経路の一部を形成することができ、2次発生源125と内部マイクロフォン158との間の音響経路が2次経路を形成することができる。いくつかの実装形態では、1次経路130および/または2次経路135は、ANCシステムまたはANCシステムが配備される環境の構成要素などの追加構成要素を含むことができる。たとえば、2次経路は、ANCエンジン120、2次発生源125、および/または誤差センサ115(たとえば、内部マイクロフォン158)のうちの1つまたは複数の構成要素を含むことができる。いくつかの実装形態では、2次経路は、1つまたは複数のデジタルフィルタ、増幅器、デジタル-アナログ(D/A)変換器、アナログ-デジタル(A/D)変換器、およびデジタルシグナルプロセッサなどといった、ANCエンジン120および/または2次発生源125の電子構成要素を含むことができる。いくつかの実装形態では、2次経路は、2次発生源125に関連する電気音響応答(たとえば、周波数応答ならびに/または振幅および位相応答)、2次発生源125に関連する音響経路、および誤差センサ115に関連する強弱を含むこともできる。
いくつかの実装形態では、ANCシステムは、アンチノイズ信号の生成で、2次経路のモデル(たとえば、2次経路を表す音響伝達関数)を使用することができる。したがって、2次経路のモデルに対する何らかの変化が、ANCシステムの性能に影響を及ぼす場合がある。たとえば、ヘッドセットが1人のユーザから別の人へと移動したときに、ヘッドセット150の2次経路が変わる可能性がある。2次経路は、ヘッドセットまたはイヤフォンの1つまたは複数の部分が変わった場合にも変わる可能性がある。たとえば、クッション層154が除去された、または異なるクッション層と交換された場合、ヘッドセット150の2次経路が変わる場合がある。ユーザの外耳道内に位置決めするためのイヤチップまたはイヤバドを含むイヤフォン中にANCシステムが配備される実装形態では、2次経路は、そのようなイヤチップの除去または交換で変えることができる。
いくつかの実装形態では、2次経路中の相違を考慮するため2次経路のモデルが更新されない限り、対応するANCシステムを不安定と表現することができる。いくつかの場合では、ノイズをキャンセルする代わりに、ANCシステムが不安定性に起因してさらなるノイズを加える可能性がある。ヘッドセットまたはイヤフォンにとって、これは、たとえば、ユーザ体験を劣化させる金切り音によって顕在化する場合がある。いくつかの場合では、2次経路における変化に起因する悪影響は、プリセットモデルのセットから2次経路についての異なるモデルまたは伝達関数を選択することによって低減することができる。しかし、いくつかの場合では、特に、相違の性質が事前にわからない場合、異なる変化についてのプリセットモデルが利用不可能な場合がある。たとえば、ANCイヤフォンが、サードパーティにより製造されるイヤチップと互換性があるように作られる場合、結果として得られる2次経路のプリセットモデルは、ANCイヤフォンの生産期間には入手可能でない可能性がある。本明細書に記載される技法は、適応フィルタを使用して2次経路のモデルを更新することを可能にする。たとえば、1つまたは複数の適応フィルタを、2次経路のモデルを更新するために、システム識別モードで動かすことができる。いくつかの場合では、このことが、2次経路における広い範囲の相違に対応することを可能にすることができる。そのような広い範囲に対応することは、2次経路について限られた数のプリセットモデルを使用するANCヘッドセットまたはイヤフォンにとって、困難または不可能とさえいえる可能性がある。
図3Aおよび図3Bは、本明細書に記載される技術による例示的なANCシステム300の実装の詳細を示すブロック図である。具体的には、図3は、例示的なフィードフォワード適応ANCシステムのブロック図であり、図4は、図3のANCシステムにおける2次経路をモデル化するため使用することができる例示的な適応フィルタのブロック図である。図3を参照して、ANCシステム300は、z領域でP(z)で表される未知の環境305に適応する適応フィルタを含む。本文書では、周波数領域関数は、それらのz領域表現によって表すことができ、対応する時間領域(またはサンプリング領域)表現は、nの関数である。この例では、2次経路315の伝達関数は、S(z)と表される。適応フィルタ310(W(z)と表される)は、環境305の時間的相違をトラッキングするように構成することができる。いくつかの実装形態では、適応フィルタ310は、残留誤差信号e(n)を減少させる(たとえば、実質的に最小化する)ように構成することができる。したがって、適応フィルタ310は、適応フィルタ310の目標出力y(n)が2次経路によって処理されると1次ノイズd(n)に実質的に等しいように構成される。出力は、2次経路によって処理されると、y'(n)と表すことができる。1次ノイズd(n)は、この例では、未知の環境305によって処理される発生源信号x(n)である。図3を(図2に示されるような)ヘッドセット150の中に配備されたANCシステムの例と比較すると、2次経路315は、2次発生源125および/または2次発生源125と内部マイクロフォン158との間の音響経路をしたがって含むことができる。d(n)とy(n)を組み合わせたとき、残留誤差e(n)は、完全なキャンセルではゼロにほぼ等しく、不完全なキャンセルでは非ゼロである。
いくつかの実装形態では、ANCシステム300は、適応エンジン320を含む。適応エンジン320は、たとえば、1次ノイズ中の変化に従って、適応フィルタ310のフィルタ係数を計算および更新するように構成することができる。いくつかの実装形態では、適応エンジン320は、アクティブノイズコントロールシステム300の2次経路315をモデル化するように構成されるフィルタ325の出力に基づいて、適応フィルタ310についての更新した係数を生成する。フィルタ325は、本明細書ではシステム識別フィルタと呼ばれ、その係数は、少なくとも近似的に、2次経路315の伝達関数を表すことができる。いくつかの実装形態では、図4に示されるように、ANCシステム300は、2次経路315における相違に従ってシステム識別フィルタ325の係数を更新するための第2の適応フィルタ330を含むことができる。いくつかの実装形態では、第2の適応フィルタ330の係数は、適応エンジン320が更新することができる。いくつかの実装形態では、第2の適応フィルタ330の係数を更新するために、別個の適応エンジンを設けることができる。
いくつかの実装形態では、適応フィルタ310および/または第2の適応フィルタ330のフィルタ係数を、適応エンジン320を使用して実装された適応プロセスに基づいて更新することができる。適応エンジン320は、DSP、マイクロコントローラ、またはマイクロプロセッサなどといった処理デバイスを使用して実装することができ、1つまたは複数の入力信号に基づいて、適応フィルタ310および/または第2の適応フィルタ330の係数を更新するように構成することができる。いくつかの実装形態では、適応エンジン320は、誤差信号e(n)、およびシステム識別フィルタ325が処理するような、発生源信号のバージョンに基づいてフィルタ310の係数を更新するように構成することができる。発生源信号のバージョンは、次式のように表すことができる。
上式で、
は、2次経路インパルス応答のM次推定値であり、
は、対応するz領域表現である。
適応エンジン320は、様々な方法で適応フィルタ係数を更新するように構成することができる。たとえば、適応エンジン320は、フィルタ係数を更新するために、最小2乗平均(LMS)プロセス(または、正規化最小2乗平均(NLMS)プロセス)を実装するように構成することができる。フィルタ310について、フィルタ係数のベクトルは次式のように更新することができる。
上式で、μは、ステップサイズについてのスカラー量、すなわち、各繰り返しで、どれだけ係数を目標に向かって調整するのかを制御する変数を表し、
ξ(n)≡E[e2(n)]
は、平均2乗誤差であり、
さらに、
e(n)=d(n)-WT(n)x(n)
であるため、フィルタ係数のベクトルは、次式のように更新することができる。
W(n+1)=W(n)+-μx(n)e(n)
いくつかの実装形態では、適応エンジン320は、アフィン射影を使用するフィルタX-LMS(FxLMS)プロセスを実装するように構成することができる。このプロセスでは、適応エンジン320は、将来の係数を決定するために過去のデータを使用するように構成することができる。いくつかの実装形態では、FxLMSプロセスを使用して、フィルタ係数のベクトルを次式のように決定することができる。
W(n+1)=W(n)+-μXap(n)eap(n)
上式で、Xapは、係数に関係する履歴データを表す行列であり、列の数が履歴サンプルの数に等しく、行の数が適応係数の数に等しい。eapは、対応する履歴誤差データを表すベクトルである。たとえば、2タップのフィルタおよび5つの履歴サンプルでは、Xapが2つの行および5つの列を有する行列であり、eapが5つの要素のベクトルである。いくつかの実装形態では、適応エンジン320により使用される履歴サンプルの数は、経験的に決定すること、または理論的基準に基づいて決定することができる。上に記載されたプロセスを、第2の適応フィルタ330の係数の生成に使用することもできる。
いくつかの実装形態では、システム識別フィルタ325の係数は、第2の経路315における動的な変化を考慮するため、第2の適応フィルタ330の係数を使用して更新される。たとえば、システム識別フィルタ325の係数は、ANCシステム300における不安定状態を決定すると更新することができる。いくつかの実装形態では、システム識別フィルタ325の係数は、たとえば、周期的な間隔で、場合によっては何らかの不安定状態が検出されるかどうかにかかわらず、間欠的に更新することができる。第2の適応フィルタ330は、システム識別フィルタの更新とは別個に更新することができる。たとえば、第2の適応フィルタ330は、ほぼ連続的に更新することができ、システム識別フィルタ325は、たとえばANCシステム300における不安定状態の検出の際に、第2の適応フィルタ330の係数を使用して更新することができる。
システム識別フィルタ325は、複数のタップまたは係数を有することができる。たとえば、ANCシステム300において潜在的な不安定状態が顕在化され得る全周波数範囲を考慮するために、128タップのフィルタをシステム識別フィルタとして使用することができる。しかし、多くの実際の用途では、ANCシステム300における所与の不安定状態は、システム識別フィルタのすべてのタップによって表される全周波数範囲よりはるかに狭い周波数の範囲にわたり顕在化する。たとえば、ヘッドセットまたはイヤフォンの中に配備されるANCシステムでは、特定の不安定状態は、ヘッドセットまたはイヤフォンにおける他の不安定状態が顕在化し得る全周波数範囲の部分集合である、狭い周波数範囲にわたる可聴音として顕在化する場合がある。そのような場合では、はるかに狭い周波数範囲にわたる変化を考慮するためにフルレンジフィルタ(たとえば、この例における全128個のタップ)を適応するのは、不正確な適応および/または他の不安定状態の開始さえもたらす可能性がある。たとえば、不安定状態が顕在化する周波数範囲が、システム識別フィルタ325のたった2つまたは3つのタップに対応する場合、フルレンジ(この例における128個のタップ)に適応するのは、非効率で不正確な場合がある。いくつかの場合では、タップまたは係数のそのような不正確な適応が、システムにおける他の不安定状態をもたらす場合もある。いくつかの場合では、高次フルレンジフィルタの収束が遅く、したがって、速い変化に適応するには潜在的に不適切な場合もある。
いくつかの実装形態では、上で言及した問題は、複数のサブバンド適応フィルタのセットとして、第2の適応フィルタ330を実装することによって低減することができる。複数のサブバンド適応フィルタの各々は、より少ない数の係数を有し、アクティブノイズコントロールシステム300における潜在的な不安定状態に関連する周波数範囲の対応部分を表すことができる。そのような場合では、ANCシステム300における所与の不安定状態が、所与の不安定状態のより狭い周波数範囲に関連する1つまたは複数のサブバンドだけの係数に対する更新をトリガーすることができる。このようにして、いくつかの場合では、実質的に影響を及ぼさない周波数帯域に対応するサブバンドフィルタは、不安定状態に適応するように試みることがなく、このことが、今度は、第2の適応フィルタ330のすべてのタップにわたり不正確に適応する可能性の減少をもたらすことができる。いくつかの場合では、そのようなフィルタの速い収束によって、フィルタを、速い変化に適応するのに好適とすることができる。
図5は、適応フィルタ530がサブバンドフィルタ532a〜532n(一般的に、532)のバンクを含むANCシステム500のブロック図である。フィルタ532のフィルタ係数は、適応エンジン520によって生成することができる。サブバンドフィルタ532の係数を組み合わせて、システム識別フィルタ325についての更新した係数を生成することができる。サブバンドフィルタ532の各々は、アクティブノイズコントロールシステム500における潜在的な不安定状態に関連する全周波数範囲の対応部分における変化に適応するように構成することができる。いくつかの実装形態では、連続するサブバンドフィルタ532(たとえば、サブバンドフィルタ532aと532b)に関連する周波数範囲は、部分的にオーバーラップしてよい。
いくつかの実装形態では、所与のサブバンドフィルタ532は、対応する周波数範囲における不安定状態を考慮するために、更新することができる。このために、誤差信号e(n)を帯域通過フィルタ527のフィルタバンク525を通過させて、誤差信号を複数の構成要素へと分割することができる。このプロセスを、誤差信号の多相分解と呼ぶことができる。フィルタバンク525中の個別の帯域通過フィルタ527の通過帯域は、誤差信号が異なる周波数帯域に対応する構成要素へと分割されるように、少なくとも部分的にオーバーラップしないようにされる。図5の例では、誤差信号の各構成要素が、次いで、適応エンジン520に提供されて、周波数範囲の対応部分に関連する適応フィルタについての係数を生成する。
(ANCシステムの2次発生源によって生成される)入力信号x(n)は、帯域通過フィルタ527のフィルタバンク525を使用してやはり分解される。入力信号は、したがって、異なる周波数範囲に対応する複数の構成要素へとやはり分割され、適応エンジン520に提供されて、周波数範囲の対応部分に関連する適応フィルタについての係数を生成する。いくつかの実装形態では、誤差信号および入力信号の個別の構成要素がダウンサンプリングされて、たとえば、適応エンジン520にとっての処理の負担を減少させる。
いくつかの実装形態では、適応エンジン520は、入力信号x(n)および誤差信号e(n)の対応する構成要素に基づいて、個別のサブバンド適応フィルタ532についての係数を生成するように構成することができる。いくつかの実装形態では、適応エンジン520は、入力信号x(n)および誤差信号e(n)の対応する構成要素間の相関を計算し、相関が閾値条件を満たすという決定に基づいて、対応する適応フィルタの係数を更新するように構成することができる。たとえば、相関値が閾値を満たす場合、適応エンジン520は、その特定の周波数帯域における入力と出力との間のコヒーレンスが高いと決定し、それに応じて、そのようなコヒーレンスを減少させるようにフィルタ係数を更新することができる。更新は、周波数領域で実施することができ、これは、次いで、たとえば、逆高速フーリエ変換(IFFT)などといった変換演算を介して、サブバンドフィルタ532についてのフィルタ係数値に変換される。いくつかの実装形態では、異なるサブバンドフィルタ532のフィルタ係数値を(たとえば、重畳加算または重畳保留プロセスを介して)組み合わせて、システム識別フィルタ325に提供することができる。たとえば、ANCシステム500において不安定状態を検出した際、サブバンドフィルタの係数を組み合わせて、システム識別フィルタ325についてのフィルタ係数としてコピーすることができる。
図5は、本明細書に記載される技術で使用することができるフィルタ構造の、1つの特定の例を図示する。サブバンドフィルタを使用する他の構造を使用することもできる。そのようなフィルタ構造のさらなる例は、その全内容が参照によって本明細書に組み込まれる、Merchedら、「A New Delayless Subband Adaptive Filter Structure」、IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 47, No. 6、1999年6月という出版物に記載されている。
いくつかの実装形態では、サブバンドフィルタ532のトラッキング精度は、対応するフィルタ係数を生成するため、適応エンジン520によって処理される追加のスペクトル情報を提供することによって改善することができる。これは、たとえば、誤差信号の対応する構成要素がサブバンドフィルタに関連する周波数範囲の比較的狭い部分を占有するときに有用な場合がある。そのような場合では、対応する適応サブバンドフィルタの精度および/または収束は、サブバンドフィルタに関連する周波数範囲についての追加のスペクトル内容/情報を人為的に提供することによって改善することができる。いくつかの実装形態では、そのような情報は、不安定状態の検出の際に、ANCシステムの2次発生源の出力に成形したホワイトノイズを加えることによって、提供することができる。ホワイトノイズの成形は、たとえば、不安定状態の顕在化の性質に依存することができる。いくつかの場合では、そのような追加のスペクトル内容は、サブバンドフィルタによってシステム識別が実施される周波数範囲を広げる働きをすることができる。スペクトル内容は、サブバンドフィルタを含まないフルレンジ適応フィルタについての更新した係数の生成において加えることもできる。
いくつかの実装形態では、変換器(たとえば、図2に図示されたヘッドセットの中に配設される音響変換器125)からの音響出力を、システム識別のために使用することもできる。たとえば、音響出力は、サブバンドフィルタ(または、フルレンジ適応フィルタ)の係数の更新で使用することができ、これを今度は、システム識別フィルタの係数の更新で使用する。音響変換器を通して再生される内容(たとえば、音楽)が、時々、スペクトル的に疎である場合があるが、そのような内容は、時々、2次経路の少なくとも近似的な推定を迅速に生成するのに適切であり、それに応じて、ANCシステムの性能を改善するためシステム識別フィルタを調整することができる。
図6は、ANCシステムの2次経路に対する変化を考慮するためにシステム識別フィルタの係数を更新するための、例示的なプロセス600のフローチャートを示す。いくつかの実装形態では、プロセスの少なくとも一部は、適応エンジン(たとえば、上で記載されたような、ANCエンジン120、または適応エンジン320、または520)で実行される。プロセス600の例示的な動作は、ANCシステムにおける不安定状態の開始を検出するステップを含む(610)。ANCシステムが不安定になり始めると、誤差センサ(たとえば、図2における内部マイクロフォン158)における信号が、ANCシステムの2次発生源の出力によって支配される場合がある。そのような場合では、不安定状態の開始を検出するステップは、アクティブノイズコントロールシステムの2次発生源および誤差センサからの信号間の相関を計算するステップと、相関が閾値条件を満たすと決定したときに不安定状態の開始を検出するステップとを含むことができる。これは図7Aに図示されており、図7Aは、プロット705により表される背景ノイズをキャンセルするように試みるANCシステムに関連するプロットを図示する。
具体的には、図7Aは、広帯域、フィードフォワードFxLMS適応フィルタの5秒のシミュレーションの結果を示す。プロット710は、誤差センサが受け取った信号を表し、プロット715は、2次センサの出力と、誤差センサが受け取った信号との間の相関を表す。例では、相関プロット715は、0.2sの周りにピークを示している。この点で、誤差センサが受け取った信号は、2次発生源の出力と高い相関となり、このことは、システムにおける不安定状態の開始を表していた。不安定状態を検出した際、システム識別フィルタが再プログラムされた。
図6を再び参照して、プロセス600は、アクティブノイズコントロールシステムの2次経路の伝達関数を表すように構成されるシステム識別フィルタについての更新したフィルタ係数を取得するステップも含む(620)。これは、たとえば、不安定状態の開始の検出に応じて行うことができる。いくつかの実装形態では、更新したフィルタ係数は、複数のサブバンド適応フィルタのセットを使用して生成することができ、ここで、セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数は、アクティブノイズコントロールシステムにおける潜在的な不安定状態に関連する周波数範囲の対応部分における変化に適合するように構成される。いくつかの実装形態では、これは、セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数を取得するステップと、システム識別フィルタについての更新したフィルタ係数を、複数のサブバンド適応フィルタのフィルタ係数の組合せとして生成するステップとを含むことができる。いくつかの実装形態では、セットの2つのサブバンド適応フィルタに関連する周波数範囲の対応部分は、少なくとも部分的にオーバーラップしない。いくつかの実装形態では、セットの中の各サブバンドフィルタについてのフィルタ係数は、対応するサブバンドフィルタに関連する周波数範囲の部分における信号対雑音比(SNR)に基づいて更新される。たとえば、2次発生源の出力を信号と考えると、高いSNRとは、暴走状態、したがって潜在的な不安定状態を意味する場合がある。いくつかの実装形態では、サブバンドフィルタの係数は、対応する周波数範囲におけるSNRが閾値を超える場合にだけ更新される。閾値は、経験的に決定することができる。
プロセス600の動作は、アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすように、更新した係数でシステム識別フィルタをプログラムするステップも含む(630)。アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすことは、不安定状態の影響を減らすステップを含むことができる。これは、図7Aおよび図7Bに示されるプロットを介して図示される。図7Aの例では、不安定状態を検出した際、システム識別フィルタが、サブバンドフィルタから取得された係数で再プログラムされた。これは、(プロット710の時間変動によって示されるような)誤差の減少、ならびに、(プロット715の時間変動によって示されるような)2次センサの出力と誤差センサが受け取った信号との間の相関の減少をもたらした。さらに、図7Bは、システム識別フィルタの再プログラムの際の、ノイズ信号725の電力スペクトル密度(PSD)と比較した誤差信号720のPSDの減少を図示する。図7Cは、2次経路の伝達関数が、どのようにシステム識別フィルタの伝達関数によってトラッキングされるかを示す。図7Cの例では、プロット730が基準2次経路の振幅応答を図示する一方、プロット735は、本明細書に記載される技術に従って実装されたシステム識別フィルタの振幅応答を図示する。図7Cから明らかなように、システム識別フィルタの振幅応答は、基準2次経路の振幅応答に近接してトラッキングすることが見いだされた。
本明細書に記載される機能性、またはその部分、およびその様々な変形形態(以降は「機能」)は、たとえば、プログラム可能プロセッサ、1つのコンピュータ、複数のコンピュータ、および/またはプログラム可能論理構成要素といった、1つもしくは複数のデータ処理装置が実行するため、または1つもしくは複数のデータ処理装置の動作を制御するために、1つもしくは複数の非一時的機械可読媒体または記憶デバイスといった情報担体に有形に具現化されるたとえばコンピュータプログラムといったコンピュータプログラム製品を介して、少なくとも部分的に実装することができる。
コンピュータプログラムは、コンパイル型またはインタープリター型言語を含む、任意の形式のプログラミング言語で書くことができ、スタンドアロンプログラムでまたはモジュール、構成要素、サブルーチン、もしくはコンピューティング環境で使用するのに好適な他の単位を含む、任意の形式で配備することができる。コンピュータプログラムは、1つの場所で、または複数の場所に分散されネットワークにより相互接続される、1つのコンピュータまたは複数のコンピュータ上で実行するように配備することができる。
機能のすべてまたは部分を実装することに関連する行為を、1つまたは複数のコンピュータプログラムを実行する1つまたは複数のプログラム可能プロセッサが実施して、較正プロセスの機能を実施することができる。機能のすべてまたは部分は、たとえば、FPGAおよび/またはASIC(特定用途向け集積回路)といった、専用論理回路として実装することができる。
コンピュータプログラムの実行に好適なプロセッサとしては、例として、汎用マイクロプロセッサと専用マイクロプロセッサの両方、および任意の種類のデジタルコンピュータのうちの任意の1つまたは複数のプロセッサが挙げられる。一般的に、プロセッサは、読取り専用メモリまたはランダムアクセスメモリまたは両方から、命令およびデータを受け取ることになる。コンピュータの構成要素は、命令を実行するためのプロセッサと、命令およびデータを記憶するための1つまたは複数のメモリデバイスとを含む。
本明細書に具体的に記載されない他の実施形態および応用例は、やはり、以下の特許請求の範囲内である。たとえば、本明細書に記載された技術を、個々のユーザについての係数のカスタマイズしたセットを生成するために使用し、それによって、ANCヘッドセットの個別化を高めることを可能にすることができる。さらに、2次経路の異常なまたは歪んだ伝達関数は破損した製品(または特に異常な条件)を表す場合があるために、システム識別フィルタについて生成した係数を、たとえば、ハードウェアの診断および/または異常または好ましくない条件の低減に使用することができる。本明細書に記載される異なる実装形態の要素を組み合わせて、上で具体的に記載されない他の実施形態を形成することができる。要素は、本明細書に記載される構造の動作に悪影響を及ぼすことなく、本明細書に記載される構造から除外してよい。さらに、様々な別の要素を1つまたは複数の個別の要素へと組み合わせて、本明細書に記載された機能を実施することができる。
100 システム
105 ノイズ源
110 基準センサ
115 誤差センサ
120 アクティブノイズコントロールエンジン、ANCエンジン
125 2次発生源
130 1次経路
135 2次経路
150 ヘッドセット
152 イヤカップ
154 柔軟な材料の層、クッション層
156 外部マイクロフォン
158 内部マイクロフォン
300 ANCシステム
305 環境
310 適応フィルタ
315 2次経路
320 適応エンジン
325 システム識別フィルタ
330 第2の適応フィルタ
500 アクティブノイズコントロールシステム、ANCシステム
520 適応エンジン
525 フィルタバンク
527 帯域通過フィルタ
530 適応フィルタ
532 サブバンドフィルタ、サブバンド適応フィルタ
532a サブバンドフィルタ
532n サブバンドフィルタ
600 プロセス
705 プロット
710 プロット
715 相関プロット
720 誤差信号
725 ノイズ信号
730 プロット
735 プロット

Claims (20)

1つまたは複数の処理デバイスによって、アクティブノイズコントロールシステムにおける不安定状態の開始を検出するステップと、
前記不安定状態の前記開始の検出に応答して、前記アクティブノイズコントロールシステムの2次経路の伝達関数を表すように構成されるシステム識別フィルタについての更新したフィルタ係数を取得するステップであって、前記更新したフィルタ係数が複数のサブバンド適応フィルタのセットを使用して生成され、前記セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数が前記アクティブノイズコントロールシステムにおける潜在的な不安定状態に関連する周波数範囲の対応部分における変化に適合するように構成される、ステップと、
前記アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすように、前記更新した係数で前記システム識別フィルタをプログラムするステップと
を含む、コンピュータ実装方法。
前記不安定状態の前記開始を検出するステップが、
前記1つまたは複数の処理デバイスによって、前記アクティブノイズコントロールシステムの2次発生源および誤差センサからの信号間の相関を計算するステップと、
前記相関が閾値条件を満たすと決定したときに前記不安定状態の前記開始を検出するステップと
を含む、請求項1に記載の方法。
前記セットの中の各サブバンド適応フィルタの前記フィルタ係数を取得するステップと、
前記システム識別フィルタについての前記更新したフィルタ係数を、複数のサブバンド適応フィルタのフィルタ係数の組合せとして生成するステップと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
前記セットの2つのサブバンド適応フィルタに関連する前記周波数範囲の前記対応部分が、少なくとも部分的にオーバーラップしない、請求項1に記載の方法。
前記セットの中の各サブバンドフィルタについてのフィルタ係数が、前記対応するサブバンドフィルタに関連する前記周波数範囲の前記部分における信号対雑音比(SNR)に基づいて更新される、請求項1に記載の方法。
前記アクティブノイズコントロールシステムがヘッドセットの中に配設される、請求項1に記載の方法。
前記アクティブノイズコントロールシステムが広帯域ノイズをキャンセルするように構成される、請求項1に記載の方法。
前記2次経路が、前記アクティブノイズコントロールシステムに関連する、音響変換器と誤差センサとの間の電気-音響経路を備える、請求項1に記載の方法。
前記アクティブノイズコントロールシステムの前記動作に影響を及ぼすことが、前記不安定状態の影響を減らすことを含む、請求項1に記載の方法。
アクティブノイズコントロールシステムの2次経路の伝達関数を表すように構成されるシステム識別フィルタと、
1つまたは複数のプロセッサを含むアクティブノイズコントロールエンジンとを備え、前記アクティブノイズコントロールエンジンが、
前記アクティブノイズコントロールシステムにおける不安定状態の開始を検出することと、
前記不安定状態の前記開始の検出に応答して前記システム識別フィルタについての更新したフィルタ係数を取得することであって、前記更新したフィルタ係数が複数のサブバンド適応フィルタのセットを使用して生成され、前記セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数が前記アクティブノイズコントロールシステムにおける潜在的な不安定状態に関連する周波数範囲の対応部分における変化に適合するように構成される、取得することと、
前記アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすように、前記更新した係数で前記システム識別フィルタをプログラムすることと
を行うように構成される、アクティブノイズコントロールシステム。
前記不安定状態の前記開始を検出することが、
前記アクティブノイズコントロールシステムの2次発生源および誤差センサからの信号間の相関を計算することと、
前記相関が閾値条件を満たすと決定したときに前記不安定状態の前記開始を検出することと
を含む、請求項10に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
前記アクティブノイズコントロールエンジンが、
前記セットの中の各サブバンド適応フィルタの前記フィルタ係数を取得し、
前記システム識別フィルタについての前記更新したフィルタ係数を、複数のサブバンド適応フィルタのフィルタ係数の組合せとして生成する
ようにさらに構成される、請求項10に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
前記セットの2つのサブバンド適応フィルタに関連する前記周波数範囲の前記対応部分が、少なくとも部分的にオーバーラップしない、請求項10に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
前記セットの中の各サブバンドフィルタについてのフィルタ係数が、前記対応するサブバンドフィルタに関連する前記周波数範囲の前記部分における信号対雑音比(SNR)に基づいて更新される、請求項10に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
前記アクティブノイズコントロールシステムがヘッドセットの中に配設される、請求項10に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
前記アクティブノイズコントロールシステムが広帯域ノイズをキャンセルするように構成される、請求項10に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
前記2次経路が、前記アクティブノイズコントロールシステムに関連する、音響変換器と誤差センサとの間の電気-音響経路を備える、請求項10に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
前記アクティブノイズコントロールシステムの前記動作に影響を及ぼすことが、前記不安定状態の影響を減らすことを含む、請求項10に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
1つまたは複数のプロセッサに、
アクティブノイズコントロールシステムにおける不安定状態の開始を検出するステップと、
前記不安定状態の前記開始の検出に応答して、前記アクティブノイズコントロールシステムの2次経路の伝達関数を表すように構成されるシステム識別フィルタについての更新したフィルタ係数を取得するステップであって、前記更新したフィルタ係数が複数のサブバンド適応フィルタのセットを使用して生成され、前記セットの中の各サブバンド適応フィルタのフィルタ係数が前記アクティブノイズコントロールシステムにおける潜在的な不安定状態に関連する周波数範囲の対応部分における変化に適合するように構成される、ステップと、
前記アクティブノイズコントロールシステムの動作に影響を及ぼすように、前記更新した係数で前記システム識別フィルタをプログラムするステップと
を含む動作を実施させるためのコンピュータ可読命令をその上に符号化した、機械可読記憶デバイス。
前記不安定状態の前記開始を検出するステップが、
前記アクティブノイズコントロールシステムの2次発生源および誤差センサからの信号間の相関を計算するステップと、
前記相関が閾値条件を満たすと決定したときに前記不安定状態の前記開始を検出するステップと
を含む、請求項19に記載の機械可読記憶デバイス。
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