KR101655003B1 - 능동 노이즈 소거 적응형 필터를 위한 사전-성형 직렬 필터 - Google Patents

능동 노이즈 소거 적응형 필터를 위한 사전-성형 직렬 필터 Download PDF

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Abstract

휴대용 오디오 디바이스에서 사용하기 위한 피드 포워드 능동 노이즈 소거(ANC) 시스템은 적응형 디지털 필터 및 레퍼런스 마이크로폰을 갖는다. 비-적응형 사전-성형 디지털 필터는 레퍼런스 마이크로폰에 연결된 입력을 갖고, 적응형 필터의 앞에 그와 직렬로 있다. 사전-성형 필터는 최소 위상이고, 높은 오디오 주파수 대역에 대해서보다 낮은 오디오 주파수 대역에 대해서 2 dB 이상만큼 더 많은 이득을 나타낸다. 이것은 낮은 주파수 대역 곤란을 보상하는 것을 도울 수 있으며, 이에 의해 하이 엔드에 대한 악영향이 없이 로우 엔드에서 ANC 대역폭을 확장시킬 수 있다. 다른 실시예들이 또한 기술 및 청구된다.

Description

능동 노이즈 소거 적응형 필터를 위한 사전-성형 직렬 필터{PRE-SHAPING SERIES FILTER FOR ACTIVE NOISE CANCELLATION ADAPTIVE FILTER}
관련 사항
본 출원은 2012년 3월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/618,432호의 보다 앞선 출원일의 이익을 주장한다.
본 발명의 실시예는 스마트폰과 같은 휴대용 오디오 디바이스에서 발견되는 능동 노이즈 소거(active noise cancellation) 프로세스 또는 회로에 관련된다. 다른 실시예가 또한 기술된다.
이동 전화는 그의 사용자가 상이한 음향 환경들 - 이들 중 일부 환경은 상대적으로 조용한 반면, 다른 환경은 상당히 시끄러움 - 에서 대화를 나누는 것을 가능하게 한다. 부적당한 음향 환경, 즉 이동 전화 주위의 주변 음향 노이즈 또는 원치 않는 사운드(본 명세에서 백그라운드 사운드(background sound) 또는 백그라운드 노이즈(background noise)로도 지칭됨)가 특히 높은 환경에 있는, 예를 들어 붐비는 거리에 또는 공항이나 기차역 부근에 있는 근단 사용자(near-end user)로의 원단 사용자(far-end user)의 음성의 명료성(intelligibility)을 개선하기 위해, 능동 노이즈 소거(ANC)로 공지된 오디오 신호 프로세싱 기술이 이동 전화에 구현될 수 있다. ANC의 목적은 백그라운드 사운드를 (음향학적으로) 소거하도록 설계된 안티-노이즈 신호(anti-noise signal)를 생성함으로써 근단 사용자에 의해, 예를 들어 핸드셋의 이어피스(earpiece)에 밀착되거나 이어폰을 착용 중인 그의 귀를 통해 청취되는 백그라운드 사운드를 소거하거나 적어도 감소시키는 것이다. 전형적으로, 안티-노이즈 신호는 원하는 오디오를 생성하는 데 사용되고 있는 이어피스 스피커를 통해 구동된다. ANC 회로는 사용자의 귀와 이어피스 쉘(shell)의 내부 사이에 형성되는 공동(cavity) 내부에 배치되는 "에러 마이크로폰(error microphone)"으로 지칭되는 마이크로폰을 사용한다. 에러 마이크로폰은 이어피스 스피커로부터 방출되고 있는 원하는 사운드에 더하여, 공동 내로 누설되는 백그라운드 사운드를 픽업한다. 또한, 백그라운드 사운드를 직접 검출하기 위해, 레퍼런스 마이크로폰(reference microphone)이 전형적으로 이어피스 쉘의 외부에 배치된다. 이어서, 적응형 디지털 필터(adaptive digital filter)(W)가 레퍼런스 마이크로폰과 에러 마이크로폰 사이의 미지의 음향 응답을 추정하는 데 사용되어, 적응형 필터(W)의 출력이 사용자에 의해 청취되고 있는 (그리고 에러 마이크로폰에 의해 픽업된 바와 같은) 백그라운드 사운드를 소거하도록 의도되는 안티-노이즈 신호를 생성한다. 에러 마이크로폰에 의해 픽업된 바와 같은 백그라운드 사운드와 안티-노이즈 간의 "에러"가 가능한 한 많이 감소되도록 (예컨대, 전화 통화 또는 다른 오디오 재생 세션 동안) 시간 경과에 따라 필터(W)를 적응시키기 위해, 적응형 디지털 필터 제어기는 레퍼런스 마이크로폰으로부터의 신호뿐만 아니라, 음향학적으로 조합된 안티-노이즈와 에러 마이크로폰에 의해 픽업된 백그라운드 사운드의 표현을 입력으로서 사용한다.
적응형 필터(W) 및 적응형 필터 제어기를 구현하는 데 사용될 수 있는 오디오 신호 프로세싱 집적 회로가 개발되었다. 그러한 시스템에서, 적응형 필터(W)는 128개의 탭(tap), 및 (레퍼런스 마이크로폰의 출력을 샘플링하기 위한) 약 48 ㎑의 유효 샘플링 레이트(effective sampling rate)를 갖는 유한 임펄스 응답(finite impulse response, FIR) 디지털 필터로서 구현되었다.
본 발명자들은 여기서 적응형 필터(W)의 레퍼런스 마이크로폰 입력의 앞에 그와 직렬로 배치된 사전-성형 필터(pre-shaping filter)(바이어싱(biasing) 또는 트위크(tweak) 필터(T)로도 지칭됨)를 적절히 구성함으로써 ANC 프로세스의 결과가, ANC 프로세스가 구동되고 있는 휴대용 오디오 디바이스의 사용자에 의해 인지되는 노이즈 감소의 개선된 품질 면에서, 개선될 수 있음을 알아냈다. 사전-성형 필터(T)는 적응형 필터(W)가 약 375 ㎐ 미만의 오디오 주파수 대역에서의 노이즈를 감소시키기 위한 필요한 안티-노이즈 신호를 생성하기에 충분한 주파수 정밀도를 갖지 않는 상황에서 특히 효과적일 수 있다. 250 ㎐ 미만의 이어피스 스피커의 응답에서의 롤 오프(roll off)와 결부된, 400 ㎐ 미만의 제약된 적응형 필터(W)의 정밀도의 결여는 낮은 주파수 대역에서의 ANC 프로세스의 효과에 대한 문제를 나타낸다. 따라서, 적응형 필터(W)에 대한 제한된 FIR 필터 크기를 비롯한 다른 제약들을 충족시킬 수 있으면서, 400 ㎐ 미만의 상당히 효과적인 안티-노이즈 신호를 생성하도록 충분한 낮은 주파수 분해능(low frequency resolution)을 갖는 ANC 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 실시예에 따르면, ANC 회로는 입력이 레퍼런스 마이크로폰의 샘플링된 출력에 연결되는 비-적응형 디지털 사전-성형 필터(T)의 추가에 의해 향상되며, 여기서 필터(T)는 적응형 디지털 필터(W)의 앞에 그와 직렬로 있다. 필터(W)는 휴대용 오디오 디바이스의 사용자에 의해 청취되는 백그라운드 사운드를 제어하기 위해 필터(W)가 이어피스 스피커에 입력되는 안티-노이즈 신호를 생성하는 동안 원하는 오디오 신호, 레퍼런스 마이크로폰, 및 에러 마이크로폰으로부터의 입력에 기초하여 적응형 필터 제어기에 의해 조정되는 것이다. 필터(T)는 최소 위상이도록, 그리고 높은 오디오 주파수 대역에 대해서보다 낮은 오디오 주파수 대역에 대해서 2 dB 이상만큼 더 많은 이득을 나타내도록 구성된다. 일 실시예에서, 여분의 이득은 2 dB 내지 15 dB, 및 보다 구체적으로는 2 dB 내지 10 dB로 제약된다.
일 실시예에서, 필터(T)는 약 300 ㎐ 내지 5 ㎑인 높은 주파수 오디오 대역에 대해서보다 약 10 ㎐ 내지 100 ㎐인 낮은 주파수 오디오 대역에 대해서 보다 많은 이득을 나타낸다. 다른 실시예에서, 2 dB 내지 15 dB 또는 2 dB 내지 10 dB의 제약된 이득 증가는 약 1 ㎑ 내지 4 ㎑의 높은 주파수 대역에 비해, 약 10 ㎐ 내지 250 ㎐의 낮은 주파수 대역에서이다.
또한, 10 ㎐ 내지 5 ㎑ 대역에 대한 필터(T)의 위상 응답은 90° 미만, 그리고 또한 일 실시예에서 45° 미만의 위상 변화를 나타낸다. 필터(T)는, 예컨대 종래의 바이-쿼드 디지털 필터 구조(bi-quad digital filter structure)를 사용하여, 예를 들어 2차 최소 위상 필터(minimum phase filter)로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 바이-쿼드를 구성하기 위한 필터 계수에 대한 소정 제한이 존재할 수 있는 경우, 필터(T)는 적어도 2개의 1차 필터들 - 이들의 계수는 1 미만인 절대값을 갖고, 이들 둘 모두는 최소 위상임 - 의 직렬 또는 캐스케이드 접속으로서 구현될 수 있으며, 여기서 이들 중 하나는 낮은 주파수 쉘빙 필터(shelving filter)이고 다른 것은 높은 주파수 쉘빙 필터이다.
시뮬레이션 결과는 사전-성형 필터(T)가 하이 엔드(high end)에서의 특성을 악화시킴이 없이 로우 엔드(low end)에서 ANC 프로세스의 유효 오디오 대역폭을 확장시킨다는 것을 보여 준다. 필터(T)는 ANC 프로세스를 "바이어싱"하는 것으로 여겨질 수 있어서, 크기(magnitude) 면에서, 그것은 예를 들어 낮은 오디오 주파수 대역, 예컨대 10 ㎐ 내지 100 ㎐에서 이득 부스트(gain boost) 또는 포지티브 이득(positive gain)을 나타냄으로써 스피커의 롤 오프를 상쇄시키는 컴포넌트를 갖는다. 동시에, 필터(T)는 레퍼런스 마이크로폰으로부터 스피커로 그리고 이어서 사용자의 귀(또는 에러 마이크로폰)로의 신호 프로세싱 경로에서 가능한 한 적은 위상 변화(지연)를 도입한다. 이러한 경로는 레퍼런스 마이크로폰과 사용자의 귀 사이의 짧은 물리적 거리로 인해 비-인과적(non-causal)인 것에 가깝고, 이런 이유로 안티-노이즈를 생성함에 있어서 긴 지연을 용인하지 않을 수 있다.
상기의 요약은 본 발명의 모든 태양들의 총망라한 목록을 포함하지는 않는다. 본 발명이 상기에 요약된 다양한 태양들의 모든 적합한 조합들로부터 실시될 수 있는 모든 시스템들 및 방법들뿐만 아니라, 하기의 상세한 설명에 개시되고 본 출원서와 함께 제출된 특허청구범위에서 특별히 지적된 것들을 포함한다는 것이 고려된다. 그러한 조합들은 상기의 요약에 구체적으로 언급되지 않은 특정 이점들을 갖는다.
본 발명의 실시예들은 첨부 도면의 도면들에서 제한이 아닌 예로서 예시되며, 첨부 도면에서 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 지시한다. 본 명세서에서 본 발명의 "일" 또는 "하나의" 실시예에 대한 언급들은 반드시 동일한 실시예에 대한 것은 아니며, 이들은 적어도 하나를 의미한다는 것에 유의해야 한다.
<도 1>
도 1은 부적당한 음향 환경에서 사용자에 의해 사용 중인 이동 통신 디바이스를 도시한 도면.
<도 2>
도 2는 능동 노이즈 소거 프로세스에 관련된 컴포넌트들을 포함한, 휴대용 오디오 디바이스의 일부의 블록 다이어그램.
<도 3>
도 3은 예시적인 비-적응형 필터(T)에 대한 크기 응답(magnitude response) 및 그의 구성 컴포넌트들의 크기 응답들의 플롯(plot).
<도 4>
도 4는 도 3의 예에서의, 필터(T)의 위상 응답의 플롯.
<도 5>
도 5는 필터(T)의 구성 컴포넌트일 수 있는 1차 필터의 폴 제로 플롯(pole zero plot).
<도 6>
도 6은 필터(T)의 구성 컴포넌트일 수 있는 다른 1차 필터의 폴 제로 플롯.
<도 7>
도 7은 예시적인 필터(T)의 크기 응답, 및 스피커의 응답을 포함한 추정된 크기 응답(F)과 조합된 때의 그의 효과를 도시한 도면.
<도 8>
도 8은 도 7에서의 예시적인 필터(T)의 위상 응답을 도시한 도면.
이제 본 발명의 여러 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 설명된다. 많은 상세사항들이 기재되지만, 본 발명의 일부 실시예들은 이들 상세사항이 없이 실시될 수 있다는 것이 이해된다. 다른 예에서, 본 설명의 이해를 어렵게 하지 않도록 주지된 회로, 구조 및 기술들은 상세히 나타내지 않았다.
도 1은 부적당한 음향 환경에서 근단 사용자에 의해 사용 중인 휴대용 오디오 디바이스(2) - 여기서는 이동 통신 디바이스 - 를 도시한다. 근단 사용자는 원단 사용자와 대화를 나누는 동안 휴대용 오디오 디바이스(2), 및 특히 이어피스 스피커(6)를 그의 귀에 맞대어 유지하고 있다. 대화는 일반적으로 근단 사용자의 디바이스(2)와 원단 사용자의 디바이스(4)(이 예에서는, 무선 헤드셋임) 사이에서, 통화로 지칭되는 것에서 발생한다. 이러한 경우에서의 통화 또는 통신 접속 또는 채널은 무선 세그먼트를 포함하며, 여기서 기지국(5)이 예를 들어 셀룰러 폰 프로토콜을 이용하여 근단 사용자의 디바이스(2)와 통신한다. 일반적으로, 본 명세서에 기술되는 ANC 회로 및 프로세스는 핸드헬드, 배터리-전원형 오디오 디바이스, 및 유선 및 무선 헤드셋과 같은 다른 유형의 휴대용 디바이스에 적용가능하다. 이들 오디오 디바이스는 무선 셀룰러 및 무선 근거리 통신망, POTS(plain old telephone system), PSTN(public switch telephone network), 및 아마도 (예컨대, VOIP(voice over Internet protocol)를 사용하는) 고속 인터넷 접속을 통한 하나 이상의 세그먼트와 관련한 것들을 포함한 다양한 공지된 유형의 네트워크(3)를 통한 양방향 라이브 또는 실시간 통신에 사용될 수 있다. 추가의 대안으로서, 본 명세서에 기술된 ANC 회로는, 예를 들어 근단 사용자가 오디오 디바이스(2)에 의해 재생되고 있는 음악을 청취하거나 영화를 보는 중인 일방향 오디오 세션 동안 유용할 수 있다.
통화 또는 음악 재생 동안, 근단 사용자는 그 주위의 백그라운드 사운드 중 일부를 청취할 수 있는데, 여기서 그러한 노이즈는 사용자의 귀와 쉘 또는 하우징 - 이의 후방에 이어피스 스피커 또는 이어폰(6)이 위치됨 - 사이에 생성된 공동으로 새어 들어올 수 있다. 이러한 단청 배열(monaural arrangement)에서, 근단 사용자는 도면에 도시된 바와 같이 그의 왼쪽 귀로 원단 사용자의 음성을 청취하는 것이 가능할 수 있지만, 추가로 그의 왼쪽 귀 옆의 공동으로 새어 들어온 백그라운드 사운드 중 일부를 또한 청취할 수 있다. 이 경우에 근단 사용자의 오른쪽 귀는 백그라운드 사운드에 완전히 노출된다.
상기에 설명된 바와 같이, 오디오 디바이스(2) 내에서 동작하는 ANC 프로세스는 사용자의 왼쪽 귀에 도달하는, 그리고 그렇지 않으면 주된 오디오 콘텐츠(예컨대, 통화 동안의 원단 사용자의 음성)를 손상시킬 원치 않는 사운드를 감소시킬 수 있다. ANC 프로세스의 성능은, 사용자에 의해 청취될 수 있는 원치 않는 노이즈를 억제하는 그의 능력 면에서, 낮은 오디오 주파수 대역뿐만 아니라 높은 오디오 주파수 대역 둘 모두에서 적절해야 한다. 일부 경우에, ANC는 특히 보다 높은 오디오 주파수 대역에서 사용자에 의해 청취될 수 있는 가청 아티팩트(audible artifact)를 유도한다. 또한, ANC의 성능은 적응형 필터(W)에 의한 아마도 불충분한 정밀도로 인해, 발명의 내용 단락에서 상기에 설명된 바와 같이, 낮은 주파수 대역에서 충분하지 않을 수 있다. 휴대용 오디오 디바이스(2)와 관련하여 ANC 프로세스를 동조시키는 데 있어서의 어려움은, 레퍼런스 마이크로폰(9)과 에러 마이크로폰(8) 사이의 물리적 거리가 비교적 짧아서, 필터(W)에 의해 제공되는 디지털 신호 프로세싱이 사용자의 귀 바로 바깥쪽의 새어 들어온 백그라운드 노이즈와 파괴적으로 간섭할 수 있을 필요한 보정(안티-노이즈)을 생성할 시간이 매우 적다는 것이다.
이제, 도 2를 참조하면, 디바이스 내에서 구동 중인 개선된 ANC 프로세스에 관련된 구성 컴포넌트를 포함한, 휴대용 디바이스(2)의 일부의 블록 다이어그램이 도시된다. 상기에 소개된 바와 같이, 휴대용 디바이스(2)는 스피커(6)를 포함하고, 스피커(6) 가까이에는 에러 마이크로폰(8)이 위치된다. 에러 마이크로폰(8)은 사용자의 귀 바로 바깥쪽의 사운드를 픽업하는데, 이러한 사운드는 오디오 신호(s(k)), 안티-노이즈 신호(an(k)), 및 백그라운드 음향 노이즈(n(k))로부터의 기여를 포함한다. 도 2에 도시된 블록들에 의해 임의의 오디오 신호에 대해 수행되는 신호 프로세싱 동작들이 불연속 시간 도메인(discrete time domain) 내에 있기 때문에, 심볼들은 불연속 값들의 시간 시퀀스들을 나타낸다. 보다 일반적으로, 이들 기능 단위 블록들 중 일부를 아날로그 형태(연속 시간 도메인)로 구현하는 것이 가능하다. 또한, 디지털 신호 프로세싱의 일부는 주파수 도메인 또는 다른 서브-대역 코딩 표현으로의 불연속 시간 시퀀스의 변환 또는 코딩을 수반할 수 있다.
사용자의 귀에 맞대어 형성되는 음향 공동과 함께 스피커(6)와 에러 마이크로폰(8)의 조합은 본 명세서에서 플랜트(plant)(F)로 지칭된다. 크기 및 위상 응답을 포함한, 이러한 비공지된 시스템의 주파수 응답은 오프-라인 프로세스(off-line process)(도시되지 않음)에 의해 또는 온-라인 프로세스(on-line process)에 의해 추정될 수 있고, 전달 함수(F')로 표지된다. 시스템 또는 플랜트(F)를 모델링하는 디지털 필터는 그러한 주파수 응답(F')을 갖는 것으로 기술된다. 이것의 일 예는 에러 마이크로폰에 의해 픽업될 바와 같은 주된 또는 원하는 오디오 신호(s'(k))의 추정을 제공하는 필터(17)로서 나타난다. 스마트폰 또는 위성-기반 이동 전화와 같은 소정 실시예에서, 플랜트(F)는 사용자가 휴대용 오디오 디바이스, 특히 이어피스 영역을 그의 귀에 맞대어 유지하고 있는 방식 및 그의 귀에 맞대어 유지하고 있는지 여부에 따라 크게 다르다는 것에 주목한다. 따라서, 전달 함수(F')에 대한 고정 모델은 ANC 프로세스에서 작동하지 않을 수 있어서, 전달 함수(F')는 ANC 프로세스의 동작 동안에 지속적으로 업데이트될 필요가 있을 수 있다. 적응형 필터 기술을 포함한 종래의 기술이 F'의 그러한 업데이팅을 수행하는 데 이용될 수 있다.
도 2에 도시된 프로세스는 또한 오디오 디바이스(2)의 하우징 내에 또한 통합될 수 있는 레퍼런스 마이크로폰(9)을 사용한다. 그것은 주로 백그라운드 음향 노이즈를 픽업하고 근단 사용자(화자(talker))의 음성 또는 스피커(6)로부터 방출될 수 있는 임의의 사운드를 그만큼 많지 않게 픽업하도록 위치 및 배향되어야 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스마트폰의 경우에, 레퍼런스 마이크로폰(9)은 외향으로 배향된 스마트폰 하우징의 배면(back face)에 위치될 수 있고; 대안으로서, 그것은 하우징의 측면에 위치될 수 있다. 레퍼런스 마이크로폰(9)은 핸드셋 하우징의 저부를 향해 위치된 것으로 도 1에 도시된 화자 마이크로폰(9)과는 상이할 수 있다.
도 2에 도시된 ANC 회로는 또한 이러한 예에서 FIR 필터인 것으로 표지된 필터(W)(필터(16)), 예컨대 1 내지 fs/f0개의 탭을 갖는 필터를 포함하며, 여기서 fs는 샘플링 주파수이고 f0은 효과적인 ANC 제어를 위한 최저의 관심 주파수이다. 그의 출력은 직렬 접속된 사전-성형 필터(T)(필터(29))를 통해, 레퍼런스 마이크로폰(9)에 연결된 그의 입력에 기초하여, 안티-노이즈 신호(an(k))를 생성한다. 필터(W)는 그의 계수가 적응형 필터 제어기(19)에 의해 통화 동안 반복적으로 그리고 지속적으로 업데이트될 수 있다는 점에서 적응형이지만, 이는 비-적응형일 수 있는 필터(T)에 대해서는 필요하지 않다. 적응형 필터 제어기(19)는 사용자의 귀에서 생성되는 파괴적 음향 간섭에서 에러를 최소화하는 필터(W)의 계수를 찾기 위해, 예를 들어 최소(가장 작은) 제곱 평균(least(smallest) mean squared, LMS) 에러 추정 알고리즘을 실행하는, 종래 기술에 따른 것일 수 있다. 그러한 알고리즘으로의 입력은 사전-성형 필터(T)(필터(29))를 통과한 후의 레퍼런스 마이크로폰(9)의 출력 신호 및 전달 함수(F')(필터(20))의 인스턴스(instance)와, 에러 마이크로폰(8)의 출력과 (필터(17)를 통한) 오디오 신호의 추정치 사이의 차이에 의해 주어지는 에러의 추정치를 포함할 수 있다. 따라서, 적응형 필터 제어기(19)는 최소 에러를 야기하는 필터(W)의 필요한 계수, 예를 들어 합계(an'(k) + n'(k))를 찾으려고 시도한다.
도 2에 도시된 것, 및 특히 필터(W)가 그의 FIR 구조의 탭들의 개수에 있어서 제약을 갖는 경우와 같은, 피드포워드(feedforward) ANC 프로세스의 낮은 오디오 주파수 대역 성능을 확장시키는 것을 돕기 위해, 사전-성형 필터(T)가 직렬로 추가되어 (레퍼런스 마이크로폰(9)의 출력을 수신하고) 그의 출력을 필터(W)의 입력에 제공한다. 적응형 필터 제어기(19)는 또한 도시된 바와 같이 사전-성형 필터(T)의 출력을 이용할 수 있으며, 여기서 사전-성형된 신호는 이어서 전달 함수(F')(필터(20))의 인스턴스를 통과한다.
필터(T)의 일 실시예는 낮은 주파수 대역에서 포지티브 이득을 제공하는, 필터(1)로 지칭되는, 낮은 쉘프 또는 낮은 주파수 쉘프를 포함할 수 있다. 하나의 그러한 필터의 주파수 응답이, 예로서, 도 3의 진폭/크기 응답으로, 그리고 도 4의 위상 응답으로 도시된다. 예를 들어, 도 3에서, 필터(1)는 약 4 dB 내지 5 dB의 낮은 주파수 대역에서의 이득을 갖지만, 그 이득은 300 ㎐ 초과에서 -5 dB 미만으로 감소한다. 필터(1)는 (낮은 주파수 대역에서) 포지티브 이득을 갖는 1차 낮은 쉘프일 수 있다. 필터(1)의 폴-제로 플롯이 도 5에 도시된다. 필터(1)는 도시된 바와 같은 1차 구배를 가지며, 1-샘플 지연 디지털 필터 구조에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 2차 계수를 0으로 적절히 설정함으로써 바이-쿼드가 그러한 1차 구조로 구성될 수 있다. 1차 계수는 필터가 또한 최소 위상을 나타내도록 선택되어야 한다. 이 경우에, 이제 도 5에서의 폴 제로 플롯을 참조하면, 필터(1)의 폴은 순 실수(real)이다. 또한, 필터(1)의 계수는 +1과 -1 사이에 있도록 제한될 수 있어서, 기존의 디지털 필터 블록을 잘 활용할 수 있다.
필터(T)는 필터(1)와 직렬로 된 제2 스테이지 필터(2)를 또한 포함할 수 있다. 이것은 낮은 주파수 대역에서보다 높은 주파수 대역에서 더 많은 이득을 제공하는 높은 쉘프 또는 높은 주파수 쉘프일 수 있다. 이는 도 3의 크기 응답으로 도시되며, 여기서 필터(2)의 이득은 3 ㎑ 내지 200 ㎐에서 5 dB만큼 감소한다. 필터(2)에 대한 폴-제로 플롯이 도 6에 도시되며, 여기서 폴이 또한 이 경우에 순 실수인 것을 알 수 있다.
도 4에 도시된 위상 응답들에 관하여, 이들은 또한 10 ㎐ 내지 5 ㎑ 초과의 전체 오디오 대역에 대해 90° 미만 및 특히 45° 미만의 1차 구배를 갖는다. 따라서, 2개의 필터(1, 2)는 상당히 짧은 지연 또는 최소 위상 필터인 것으로 간주된다. 필터(T)의 시간 도메인 특성을 고려하면, 일 실시예에서, 필터(1, 2)들 중 하나 또는 둘 모두는 각각 약 .7 및 바람직하게는 0.5 미만의 Q를 가질 수 있어, 필터(T)의 지연을 감소시키는 것을 돕는 오버 댐핑 응답(over damped response)을 야기한다. 이것은 레퍼런스 마이크로폰(9)과 에러 마이크로폰(8) 사이의 경로(도 2)가 비-인과적인 것에 가깝고 그에 따라 안티-노이즈 신호 시퀀스를 생성함에 있어서 과도한 레이턴시를 용인하지 않을 것이기 때문에 바람직하다.
도 7은 (상기에 기술된 ANC 시스템에서, 레퍼런스 마이크로폰(9)과 스피커(6) 사이의 ANC 경로에 대한) 예시적인 필터(T)의 크기 응답, 스피커(6)의 응답(F)의 추정된 크기, 및 바람직한 결과적 응답인 그들의 조합을 도시한다. 관련 위상 응답이 도 8에 주어진다. F 크기 응답은 도 7에 도시된 바와 같이 낮은 주파수 롤 온(roll on) 또는 램프(ramp)일 수 있다. 적응형 FIR 필터, 특히 48 ㎑의 샘플링 주파수에서 단 128개의 탭을 갖는 필터는 이러한 종류의 크기 기울기를 모델링할 수 없다. 그러한 FIR 필터 단독으로는 필요한 전달 함수(F-1), 즉 주파수 응답(F)의 역을 생성하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 그러나, 제한적 크기의 적응형 FIR 필터 앞에의 필터(T)의 추가는 적응형 필터(W)가 필요한 전달 함수(T.F)의 역을 생성하는 것을 도울 수 있다. 도 7은 F 단독과 비교해 T.F를 사용하면 크기 및 위상의 변화율이 낮은 주파수에서 감소된다는 것을 보여주며, 이는 적응형 필터(W) 상의 부하를 감소시킨다.
도 2에 도시된 배열은 마이크로폰 신호의 아날로그-디지털 변환, 샘플링, 디지털-아날로그 변환 및 사전-증폭과 같은 여러 다른 오디오 관련 기능을 수행할 수 있는, 코덱 칩(codec chip)으로도 지칭되는, 오디오 코더/디코더 통합 회로 다이 내에 구현될 수 있다. 다른 실시예들에서, 도 2의 배열은 믹싱, 음향 에코 소거, 노이즈 억제, 음성 채널 자동 이득 제어, 압신(companding), 확장, 및 등화(equalization)를 포함할 수 있는 (이동 양방향 무선 통신에 적합한) 다운링크 및 업링크 음성 향상 프로세싱과 같은 기능을 포함할 수 있는 디지털 신호 프로세싱 코덱으로 구현될 수 있다.
상기에 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 필터링, 믹싱, 추가, 도치, 비교, 및 의사결정을 비롯한 상기에 기술된 디지털 오디오 프로세싱 동작들을 수행하도록 하나 이상의 데이터 프로세싱 컴포넌트(본 명세서에서 "프로세서"로 총칭됨)를 프로그래밍하는 명령어들이 저장된 기계-판독가능 매체(예를 들면, 마이크로전자 메모리)일 수 있다. 다른 실시예에서, 이러한 동작들 중 일부는 하드웨어 내장 로직(hardwired logic)을 포함하는 특정 하드웨어 컴포넌트(예컨대, 전용 디지털 필터 블록)에 의해 수행될 수 있다. 이들 동작은 대안적으로 프로그래밍된 데이터 프로세싱 컴포넌트와 고정된 하드웨어 내장 회로 컴포넌트의 임의의 조합에 의해 수행될 수 있다.
소정 실시예들이 기술되고 첨부 도면에 도시되었지만, 그러한 실시예들은 광범위한 본 발명에 대한 제한이 아닌 단지 그의 예시이며, 다양한 다른 수정들을 당업자가 떠올릴 수 있기 때문에 본 발명은 도시 및 기술된 특정 구성들 및 배열들로 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 에러 마이크로폰(8)이 스마트폰 하우징의 측면에 또는 후면에 위치될 수 있지만, 그것은 대안적으로 스마트폰, 데스크톱 컴퓨터, 또는 홈 엔터테인먼트 시스템과 같은 오디오 신호의 로컬 소스에 접속된 유선 또는 무선 헤드셋의 하우징 내에 위치될 수 있다. 따라서, 본 설명은 제한하는 것 대신에 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (23)

  1. 휴대용 개인 청취 오디오 디바이스로서,
    오디오 신호를 수신하기 위한 입력부를 갖는 이어피스 스피커(earpiece speaker);
    상기 디바이스 외부의 백그라운드 음향 노이즈(background acoustic noise)를 픽업하기 위한 레퍼런스 마이크로폰(reference microphone);
    상기 이어피스 스피커로부터 방출되는 사운드를 픽업하기 위한 에러 마이크로폰(error microphone); 및
    입력이 상기 레퍼런스 마이크로폰에 연결되고 출력이 적응형 디지털 필터(adaptive digital filter)의 앞에 직렬로 있는 사전-성형 디지털 필터(pre-shaping digital filter)를 갖는 능동 노이즈 소거(active noise cancellation, ANC) 회로 - 상기 적응형 디지털 필터는 상기 디바이스의 사용자에 의해 청취되는 상기 백그라운드 음향 노이즈를 제어하기 위해 안티-노이즈 신호(anti-noise signal)를 상기 이어피스 스피커의 입력부에 제공하도록 a) 상기 오디오 신호, b) 상기 레퍼런스 마이크로폰, 및 c) 상기 에러 마이크로폰으로부터의 입력에 기초하여 적응형 필터 제어기에 의해 조정되는 것임 - 를 포함하며,
    상기 사전-성형 디지털 필터는 최소 위상이도록, 그리고 제1 오디오 주파수 대역에 대해서보다 제2 오디오 주파수 대역에 대해서 2 dB 이상 15 dB 이하만큼 더 많은 이득을 나타내도록 구성되고, 상기 제1 오디오 주파수 대역은 상기 제2 오디오 주파수 대역보다 높은, 휴대용 오디오 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 휴대용 오디오 디바이스가
    (i) 상기 이어피스 스피커가 상기 레퍼런스 마이크로폰 및 상기 에러 마이크로폰과 함께 수신기로서 설치된 이동 전화 핸드셋 하우징 또는
    (ii) 상기 이어피스 스피커가 상기 에러 마이크로폰 및 상기 레퍼런스 마이크로폰과 함께 통합된 이어폰 하우징
    을 추가로 포함하며,
    상기 사전-성형 디지털 필터는 300 ㎐ 내지 5 ㎑인 상기 제1 오디오 주파수 대역에 대해서보다 10 ㎐ 내지 100 ㎐인 상기 제2 오디오 주파수 대역에 대해서 더 많은 이득을 나타내는 것인, 휴대용 오디오 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 10 ㎐ 내지 5 ㎑ 대역에 대한 상기 사전-성형 디지털 필터의 위상 응답은 90도 미만의 위상 변화를 나타내는, 휴대용 오디오 디바이스.
  4. 제2항에 있어서, 상기 사전-성형 디지털 필터의 위상 응답은 10 ㎐ 내지 5 ㎑ 대역에 대해서 45도 미만의 위상 변화를 나타내는, 휴대용 오디오 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 사전-성형 디지털 필터는 제2의 1차 필터와 직렬로 된 제1의 1차 필터를 포함하며, 상기 필터들 각각은 최소 위상 쉘빙 필터(minimum phase shelving filter)이도록 구성되는, 휴대용 오디오 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 사전-성형 디지털 필터는 제2의 1차 필터와 직렬로 된 제1의 1차 필터를 포함하고, 상기 제1의 1차 필터는 상기 제1 오디오 주파수 대역에 대해서보다 상기 제2 오디오 주파수 대역에 대해서 2 dB 이상만큼 더 많은 이득을 나타내며, 상기 제2의 1차 필터는 상기 제2 오디오 주파수 대역에 대해서보다 상기 제1 오디오 주파수 대역에 대해서 더 많은 이득을 나타내고, 상기 제2 오디오 주파수 대역은 10 ㎐ 내지 100 ㎐이고, 상기 제1 오디오 주파수 대역은 300 ㎐ 내지 5 ㎑인, 휴대용 오디오 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 사전-성형 디지털 필터는 0.5 미만의 Q를 갖는 로우 패스 필터(low pass filter)인, 휴대용 오디오 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적응형 디지털 필터는 1 내지 fs/f0개의 탭(tap) - 여기서 fs는 상기 적응형 디지털 필터로의 입력 신호의 샘플링 주파수이고 f0은 ANC 제어를 위한 최저의 관심 주파수임 - 을 갖는 적응가능 FIR 필터인, 휴대용 오디오 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 사전-성형 디지털 필터는 IIR 필터인, 휴대용 오디오 디바이스.
  10. 제5항에 있어서, 상기 사전-성형 디지털 필터는 상기 제1의 1차 필터 및 상기 제2의 1차 필터로 구성된 제1 및 제2 직렬 접속 프로그래밍가능 바이-쿼드(series connected programmable bi-quad)들을 포함하는, 휴대용 오디오 디바이스.
  11. 이어피스 스피커를 갖는 휴대용 개인 청취 오디오 디바이스에서의 능동 노이즈 소거(ANC)를 위한 방법으로서,
    최소 위상이고 제1 오디오 주파수 대역에 비해 제2 오디오 주파수 대역에 대해서 2 dB 이상 15 dB 이하의 이득을 나타내는 전달 함수에 따라 디지털 기준 신호를 사전-성형하는 단계 - 상기 제1 오디오 주파수 대역은 상기 제2 오디오 주파수 대역보다 높음 -;
    상기 사전-성형된 디지털 기준 신호에 응답하여, ANC 시스템의 일차 경로 모델링 적응형 필터를 사용하여 안티-노이즈 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 사전-성형된 디지털 기준 신호의 필터링된 버전에 응답하여 상기 일차 경로 모델링 적응형 필터를 적응시키는 단계 - 상기 필터링된 버전은 상기 ANC 시스템의 이차 경로 모델링 적응형 필터에 의해 생성됨 - 를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전달 함수는 300 ㎐ 내지 5 ㎑인 상기 제1 오디오 주파수 대역에 대해서보다 10 ㎐ 내지 100 ㎐인 상기 제2 오디오 주파수 대역에 대해서 더 많은 이득을 나타내는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전달 함수는 90도 미만의 위상 변화를 나타내는, 10 ㎐ 내지 5 ㎑ 대역에 대한 위상 응답을 갖는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 위상 응답은 상기 10 ㎐ 내지 5 ㎑ 대역에 대해서 45도 미만의 위상 변화를 나타내는, 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제2 오디오 주파수 대역은 10 ㎐ 내지 100 ㎐이고, 상기 제1 오디오 주파수 대역은 300 ㎐ 내지 5 ㎑인, 방법.
  16. 휴대용 개인 청취 오디오 디바이스로서,
    안티-노이즈 신호에 따라 안티-노이즈 사운드를 생성하기 위한 수단;
    디지털 기준 신호로서 백그라운드 음향 노이즈를 픽업하기 위한 수단;
    상기 디지털 기준 신호를 사전-성형하기 위한 수단; 및
    상기 사전-성형된 디지털 기준 신호를 사용하여 상기 안티-노이즈 신호를 생성하기 위한 디지털 적응형 필터 수단을 포함하며,
    상기 사전-성형 수단은 제1 오디오 주파수 대역에 비해 제2 오디오 주파수 대역에서 2 dB 이상 10 dB 이하의 증가된 이득을 제공하는 로우-쉘프 필터(low-shelf filter)를 포함하고, 상기 제1 오디오 주파수 대역은 제2 오디오 주파수 대역보다 높은,
    오디오 디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 사전-성형 수단은 300 ㎐ 내지 5 ㎑인 상기 제1 오디오 주파수 대역에 대해서보다 10 ㎐ 내지 100 ㎐인 상기 제2 오디오 주파수 대역에 대해서 더 많은 이득을 나타내는 전달 함수를 갖는, 오디오 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전달 함수는 90도 미만의 위상 변화를 나타내는, 10 ㎐ 내지 5 ㎑ 대역에 대한 위상 응답을 갖는, 오디오 디바이스.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제2 오디오 주파수 대역은 10 ㎐ 내지 100 ㎐이고, 상기 제1 오디오 주파수 대역은 300 ㎐ 내지 5 ㎑인, 오디오 디바이스.
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