KR102400710B1

KR102400710B1 - 잡음 제거 시스템, 잡음 제거 가능 오디오 장치 및 잡음 제거 방법

Info

Publication number: KR102400710B1
Application number: KR1020207004823A
Authority: KR
Inventors: 피터 맥커천; 로버트 알콕
Original assignee: 에이엠에스 아게
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2022-05-23
Also published as: US10937408B2; KR20200034751A; EP3451327B1; EP3451327A1; CN111052226A; CN111052226B; WO2019042930A1; US20200265826A1

Abstract

잡음 제거 가능 오디오 장치를 위한 잡음 제거 시스템은 각각이 잡음 신호를 처리하도록 설계되는 제1 잡음 필터(HLF) 및 제2 잡음 필터(LLF), 결합기(CMB) 및 적응 엔진(ADP)을 포함한다. 제1 잡음 필터(HLF)는 오디오 장치의 높은 누설 상태에 매칭되는 제1 고정 주파수 응답을 갖는다. 제2 잡음 필터(LLF)는 오디오 장치의 낮은 누설 상태에 매칭되는 제2 고정 주파수 응답을 갖는다. 결합기(CMB)는 제1 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제1 잡음 필터의 출력 및 제2 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제2 잡음 필터의 출력의 조합(combination)에 기초하여 보상 신호(cm)를 제공하도록 구성된다. 적응 엔진(ADP)은 에러 잡음 신호(nerr)에 기초하여 오디오 장치의 누설 상태를 추정하고 추정된 누설 상태에 기초하여 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 중 적어도 하나를 조정하도록 구성된다.

Description

잡음 제거 시스템, 잡음 제거 가능 오디오 장치 및 잡음 제거 방법

본 개시는 잡음 제거 시스템, 그러한 시스템을 갖는 잡음 제거 헤드폰 및 잡음 제거 방법에 관한 것이다.

요즘, 이어폰들을 포함하는 상당한 수의 헤드폰들은 잡음 제거 기술들을 장착한다. 예를 들어, 그러한 잡음 제거 기술들은 능동 잡음 제거 또는 주변 잡음 제거로서 언급되며, 둘 다는 ANC로 약칭된다. ANC는 일반적으로 잡음 방지(anti-noise) 신호를 생성하기 위해 처리되는 주변 잡음을 기록하는 것을 이용하며, 이는 그 다음, 헤드폰의 스피커를 통해 재생될 유용한 오디오 신호와 결합된다. ANC는 또한 핸드셋들 또는 휴대폰들과 같은 다른 오디오 장치들에 이용될 수 있다.

다양한 ANC 접근법들은 피드백, FB, 마이크로폰들, 피드포워드, FF, 마이크로폰들 또는 피드백 및 피드포워드 마이크로폰들의 조합을 이용한다.

각각의 시스템이 효과적으로 작동하기 위해, 헤드폰은 바람직하게는 장치가 착용되는 동안 변하지 않고 임의의 사용자에 대해 일정한 이어/헤드(ear/head)에 대한 거의 완벽한 밀봉(seal)을 형성한다. 불충분한 맞춤(poor fit)의 결과로서 이 밀봉의 임의의 변화는 음향들 및 궁극적으로 ANC 성능을 변화시킬 것이다. 이 밀봉은 전형적으로 이어 쿠션과 사용자의 헤드 사이, 또는 이어폰의 고무 팁과 외이도(ear canal) 벽 사이에 있다.

대부분의 잡음 제거 헤드폰들 및 이어폰들의 경우, 노력은 헤드폰 음향들이 변하지 않고 항상 필터에 대한 양호한 정합(match)을 갖는 것을 보장하기 위해 착용되고 있을 때 그리고 사용자간에 일관된 맞춤을 유지시키기 위해 들어간다. 그러나, 이어 쿠션/팁들 및 이어 사이를 밀봉하지 않는 "누설(leaky)" 이어폰들 및 헤드폰들은 상이한 사람들에 의해 착용될 때 음향들에서 큰 변형을 갖는다. 더욱이, 음향들은 이어폰이 전형적인 매일의 헤드 움직임들의 결과로서 그들의 이어(ear)에서 움직이는 동안 사용자에 대해 변할 수 있다. 따라서, 누설된 임의의 헤드폰들 또는 이어폰들의 경우, 일부 적응은 필터가 항상 음향들과 일치하는 것을 보장하기 위해 요구된다.

가장 유명한 적응형 알고리즘들은 필터 계수들을 직접 변경시킴으로써 필터 응답을 변경시키도록 작동한다. 과거에 적응형 잡음 제거를 다루기 위해 사용되었던 코어 최소 평균 제곱(Least-Mean-Square), LMS, 알고리즘의 많은 변형들이 존재한다. 이들은 필터링된-u LMS 및 필터링된-x LMS를 포함한다. 그러나, LMS 알고리즘이 IIR 필터에 적용될 때, 제한들은 그것이 불안정해지는 것을 방지하기 위해 알고리즘 상에 배치되어야만 한다. 이들 제한들은 적응의 성공을 제한하고 그것을 감소시킬 수 있다.

본 개시는 잡음 감소 성능을 향상시키는 헤드폰 또는 핸드셋과 같은 오디오 장치에서 잡음 제거를 위한 향상된 신호 처리 개념을 제공하는 것이다.

향상된 신호 처리 개념은 조정가능한 필터 특성들을 구비한 단일 필터를 갖는 대신에, 각각, 둘 다 동일한 잡음 신호를 처리하는 고정된 주파수 응답을 갖는 2개 이상의 필터들이 존재한다는 사상에 기초한다. 이들 필터들의 출력은 오디오 장치의 실제 누설 상태에 기초하여 조정되는 각각의 조정가능한 이득 계수들(gain factors)과 결합된다. 누설 상태는 에러 잡음 신호에 기초하여 추정 또는 결정될 수 있다.

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향상된 신호 처리 개념은 예를 들어 2개 이상의 고정된 ANC 필터들을 병렬로 구현함으로써 달성된다. 그것의 가장 단순한 형태로서 이는 2개의 필터들일 것이다. 하나는 가장 누설 가능한 위치에 착용될 때, 오디오 장치, 예를 들어 이어폰의 음향들과 매칭하기 위해 튜닝된다. 다른 것은 그것의 가장 밀봉 가능한 위치에 착용될 때 이어폰의 음향들과 매칭하기 위해 튜닝된다. 이들 2개의 위치들은 이어폰들이 누군가에 의해 착용될 수 있는 극단들을 나타낸다.

그 다음, 2개의 필터들은 2개의 필터 형상들 사이에서 선형 보간하기 위해 믹싱된다. 이들 2개의 필터들의 믹스(mix)를 조정함으로써, 이들 2개의 극단들 사이의 임의의 누설 설정과 매칭할 수 있는 새로운 결과 필터 형상이 달성된다. 이들 2개의 필터들의 믹스는 바람직하게는 오디오 장치의 스피커의 정면에 위치되는 에러 마이크로폰에서 신호를 최소화하기 위해 조정된다.

장점은 넓은 범위의 누설들에 대한 양호한 잡음 제거 성능이다. 이는 누설 이어폰들 및 핸드셋들이 잡음 제거를 구현할 수 있다는 것을 의미한다. 그것은 또한 낮은 공차 성분들(tolerance components) 및 제조 프로세스들을 구현하기 위한 예산을 갖지 않는 저가의(low end) 이어폰들 및 헤드폰들이 사람마다 더 양호한 잡음 제거 성능 및 더 신뢰가능한 잡음 제거 성능을 가질 수 있다는 것을 의미한다.

향상된 신호 처리 개념은 병렬로 배열되는 2개의 필터들 사이의 보간이 수개의 상이한 누설들에 대해 이어폰의 음향 응답과 매칭할 수 있다는 새로운 이해에 기초한다.

이 접근법은 오디오 장치의 하나 이상의 각각의 중간 누설 상태들에 매칭되는, 더 다수의 잡음 필터들로 쉽게 확장될 수 있다. 그 경우, 보간은 결정된 실제 누설 상태에 가장 가까이 매칭되는 그들 필터들 사이에 이루어질 수 있다.

필터들의 출력이 각각의 이득 계수들에 의해 선형으로만 변화됨에 따라, 필터들은 재귀 필터들(recursive filters)이 이용되는 경우에도, 불안정하게 되지 않을 수 있다. 따라서, 향상된 신호 처리 개념은 안정된 ANC를 가능하게 한다.

헤드폰, 이어폰, 휴대폰, 핸드셋 등등과 같은 잡음 제거 가능 오디오 장치를 위해 사용될 향상된 신호 처리 개념에 따른 잡음 제거 시스템의 일 실시예에서, 시스템은 제1 및 제2 잡음 필터, 결합기 및 적응 엔진(adaptation engine)을 포함한다. 제1 잡음 필터는 오디오 장치의 높은 누설 상태(high leakage condition)에 매칭되는 제1 고정 주파수 응답을 갖고 잡음 신호를 처리하도록 설계된다. 제2 잡음 필터는 오디오 장치의 낮은 누설 상태(low leakage condition)에 매칭되는 제2 고정 주파수 응답을 갖고 제1 잡음 필터와 동일한 잡음 신호를 처리하도록 설계된다. 결합기는 제1 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 제1 잡음 필터의 출력 및 제2 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 제2 잡음 필터의 출력의 조합에 기초하여 보상 신호를 제공하도록 구성된다. 적응 엔진은 에러 잡음 신호에 기초하여 오디오 장치의 누설 상태를 추정하고 추정된 누설 상태에 기초하여 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 중 적어도 하나를 조정하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 둘 다의 설정이 이루어지며, 각각 조정된다. 예를 들어, 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 중 적어도 하나의 조정은 잡음 제거 시스템의 동작 동안 이루어진다.

이하에서, 향상된 개념이 설명될 것이며, 때때로 오디오 장치의 일 예로서 헤드폰 또는 이어폰을 언급한다. 그러나, 이 예는 제한적이지 않고 또한 상이한 누설 상태들이 사용자에 의한 사용 동안 발생할 수 있는 다른 종류들의 오디오 장치들에 대해 당업자에 의해 이해될 것으로 이해되어야 한다. 일반적으로, 용어 오디오 장치는 모든 타입들의 오디오 재생 장치들을 포함해야 한다.

예를 들어, 제1 잡음 필터는 예를 들어 표준 ANC 필터 매칭 기술들을 사용하여, 사전 정의된 최고 누설 상태에서 이어폰의 ANC 타겟 기능과 매칭하도록 미리튜닝된다. 따라서, 제2 잡음 필터는 다시 표준 기술들을 사용하여, 사전 정의된 최저 누설 상태에서 이어폰의 ANC 타겟 기능과 매칭하도록 미리튜닝된다. 최저 누설 및 최고 누설 상태들은 이어폰이 착용될 가능성이 있는 최저 가능 및 최고 가능 누설을 나타낸다. 최저 누설은 전형적으로 완전한 밀봉이다. 이들 상태들에 대한 타겟 기능은 예를 들어, 헤드 및 몸통 시뮬레이터 상에 맞춤형 누설 어댑터를 사용함으로써 획득되거나, 엄선한 시험 대상들에 대해 측정함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 잡음 필터의 고정 주파수 응답들의 결정은 향상된 신호 처리 개념 자체의 주제는 아니다.

에러 잡음 신호는 오디오 장치의 스피커에 근접하여 위치되는 피드백 잡음 마이크로폰에 의해 기록되는 피드백 잡음 신호일 수 있다. 따라서, 에러 잡음 신호는 스피커를 통해 재생되는 오디오 신호에서 잡음 부분들에 대한 정보를 포함한다.

ANC의 타입에 따라, 제1 및 제2 잡음 필터에 의해 처리될 잡음 신호는 피드포워드 ANC 구현의 경우 주변 잡음 마이크로폰에 의해 기록되는 신호이거나 피드백 ANC 구현의 경우 에러 잡음 신호 또는 추가 피드백 잡음 신호일 수 있다.

예를 들어, 적응 엔진은 하나 이상의 별개의 주파수들 또는 주파수 범위들에서 에러 잡음 신호의 잡음 평가에 기초하여 누설 상태를 추정하도록 구성된다. 예를 들어, 이들 주파수들 또는 주파수 범위들에서의 잡음 기여는 현재 누설 상태를 나타낸다.

일부 구현들에서, 적응 엔진은 에러 잡음 신호의 필터링된 버전에 기초하여 누설 상태를 추정하도록 구성된다.

잡음 신호의 평가는 아날로그 도메인 뿐만 아니라 디지털 도메인에서 수행될 수 있다. 에러 잡음 신호의 평가는 예를 들어 하나 이상의 통과 대역들을 갖는 대역통과 필터들을 사용함으로써, 시간 도메인에서, 또는 예를 들어 FFT 알고리즘들 사용하여, 주파수 도메인에서 수행될 수 있다.

일부 구현들에서, 적응 엔진은 추정된 누설 상태와 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수 사이의, 매핑 함수(mapping function), 특히 다항식(polynomial) 매핑 함수를 사용하여 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수(gain factor)를 조정하도록 구성된다. 다항식 매핑은 선형 함수들 및 비-선형 함수들 둘 다를 포함한다.

일부 구현들에서, 적응 엔진은 외부 입력, 예를 들어 사용자 입력에 더 기초하여 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수를 조정하도록 구성된다. 예를 들어, 외부 입력은 누설 상태와 이득 계수들 사이의 매핑 함수를 결정 또는 조작한다. 그러나, 외부 입력은 또한 에러 잡음 신호의 평가에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 외부 입력은 누설 상태를 추정하는 방식을 선택할 수 있으며, 그것에 의해 예를 들어 이득 계수들의 추정 및 설정의 속도에 영향을 미친다. 외부 입력은 ANC 시스템을 포함하는 장치 상에서 실행되는 애플리케이션 (application)을 통해 사용자에 의해 제공될 수 있다.

다양한 구현들에서, 결합기에서 수행되는 조합은 합 또는 가중(weighted) 합이다. 예를 들어, 제1 및 제2 잡음 필터로 처리되는 신호들은 그들을 함께 합치기 전에 각각의 가중치로 보상 신호에 기여한다.

일부 구현들에서, 결합기는 보충(supplementary) 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 조합에 기초하여 보상 신호를 제공하도록 더 구성된다. 그러한 구현에서, 적응 엔진은 추정된 누설 상태에 기초하여 보충 조정가능한 이득 계수를 조정하도록 더 구성된다. 예를 들어, 합 또는 가중 합은 보충 조정가능한 이득 계수와 승산된다.

이전에 언급된 바와 같이, 제1 및 제2 잡음 필터인, 각각의 잡음 제거 시스템은 피드포워드 타입 또는 피드백 타입 ANC 중 어느 하나일 수 있다.

따라서, 일부 구현들에서 제1 잡음 필터 및 제2 잡음 필터는 각각 피드포워드 잡음 제거 타입이다. 그러한 구현들에서, 잡음 신호는 특히 오디오 장치의 주변 잡음 마이크로폰에 의해 기록되는, 주변 잡음 신호이다. 일부 구현들에서, 에러 잡음 신호는 피드백 잡음 신호이다. 예를 들어, 피드백 잡음 신호는 오디오 장치의 스피커에 근접하여 위치되는 피드백 잡음 마이크로폰에 의해 기록된다.

그러한 구현들 중 일부에서, 적응 엔진은 하나 이상의 별개의 주파수들 또는 주파수 범위들에서 에러 잡음 신호와 잡음 신호 사이의 비율에 기초하여 누설 상태를 추정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이는 주변 잡음 신호에 존재하는 특정 주파수들에서의 얼마나 많은 잡음 기여들이 또한 에러 잡음 신호에 존재하는지 결정하는 것을 허용한다. 예를 들어, 누설 상태가 낮을수록, 에러 잡음 신호에서의 기여는 더 낮고 그 역도 또한 마찬가지다.

일부 다른 구현들에서, 제1 잡음 필터 및 제2 잡음 필터는 각각 피드백 잡음 제거 타입이다. 그러한 구현에서, 제1 및 제2 잡음 필터에 대한 입력으로서의 잡음 신호는 에러 잡음 신호이며, 이는 바람직하게는 위에 설명된 바와 같은 피드백 잡음 신호이다.

일부 구현들에서, 잡음 제거 시스템은 또한 피드포워드 ANC 필터들 및 피드백 ANC 필터들 둘 다를 갖는 하이브리드 ANC 시스템으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 그러한 구현은 위에 설명된 피드포워드 구현에 기초할 수 있고 제3 잡음 필터 및 제4 잡음 필터를 더 포함하며, 각각은 피드백 잡음 제거 타입이고 에러 잡음 신호를 처리하도록 설계된다. 제3 잡음 필터는 높은 누설 상태에 매칭되는 제3 고정 주파수 응답을 갖고, 제4 잡음 필터는 오디오 장치의 낮은 누설 상태에 매칭되는 제4 고정 주파수 응답을 갖는다. 피드포워드 잡음 제거 타입인 제1 및 제2 잡음 필터들로부터 결합기(combiner)에 의해 생성되는 보상 신호는 피드포워드 보상 신호이다. 결합기는 제3 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 제3 잡음 필터의 출력 및 제4 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 제4 잡음 필터의 출력의 조합에 기초하여 피드백 보상 신호를 제공하도록 더 구성된다. 적응 엔진은 추정된 누설 상태에 기초하여 제3 및 제4 조정가능한 이득 계수들을 조정하도록 더 구성된다.

위에 설명된 다양한 실시예들에서, 보상 신호인, 각각의 피드포워드 보상 신호 또는 피드백 보상 신호는 유용한 오디오 신호 및 각각의 보상 신호 또는 신호들에 기초하여 스피커를 통해 재생될 결과 오디오 신호를 생성하는 오디오 프로세서에 의해 더 처리될 수 있다. 피드백 ANC가 적용되는 경우, 또한 피드백 필터들에 제공되는 피드백 에러 신호는 피드백 에러 신호에 유용한 오디오 신호의 부분들을 고려하기 위해, 유용한 오디오 신호에 기초하여 오디오 프로세스에 의해 사전-처리될 수 있다. 입력으로서 필터링된 잡음 신호들을 갖는 그러한 오디오 프로세서의 특정 구현은, 피드포워드 ANC 및 피드백 ANC 둘 다에 대해, 당업자에게 잘 공지되어 있고 따라서 본원에서 더 상세히 논의되지 않는다.

일부 구현들에서, 잡음 제거 시스템은 하나 이상의 추가 잡음 필터들을 더 포함하며, 각각은 오디오 장치의 별개의 매체 누설 상태에 정합되는 추가 고정 주파수 응답을 갖고 잡음 신호를 처리하도록 설계된다. 결합기는 제1 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 제1 잡음 필터의 출력, 제2 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 제2 잡음 필터의 출력 및 각각의 추가 조정가능한 이득 계수로 각각 증폭되는 하나 이상의 추가 잡음 필터들의 각각의 출력들의 조합에 기초하여 보상 신호를 제공하도록 구성된다. 적응 엔진은 추정된 누설 상태에 기초하여 각각의 추가 조정가능한 이득 계수들을 조정하도록 더 구성된다. 일부 매체 누설 상태들에 매칭되는 그러한 추가적인 잡음 필터들은 피드포워드 구현들 또는 피드백 구현들에 모두 적용되거나 심지어 하이브리드 구현에 적용될 수 있다. 후자의 경우, 피드포워드 및 피드백을 위한 필터들의 수는 심지어 상이할 수 있다.

향상된 신호 처리 개념에 따르면, 잡음 제거 가능 오디오 장치, 예를 들어 헤드폰, 이어폰, 휴대폰, 핸드셋 등등은 위에 설명된 실시예들 중 하나에 따른 잡음 제거 시스템, 스피커 및 에러 잡음 신호를 제공하기 위해 스피커에 근접하여 위치되는 피드백 잡음 마이크로폰을 포함한다. 일반적으로, 잡음 제거 가능 장치 대신에, 또한 오디오 플레이어는 위에 설명된 실시예들 중 하나에 따른 잡음 제거 시스템 가능 오디오 장치를 포함할 수 있을 것이다.

향상된 신호 처리 개념에 따라, 또한 잡음 제거 가능 오디오 장치를 위한 잡음 제거 방법이 개시된다. 방법은 오디오 장치의 높은 누설 상태에 매칭되는 제1 고정 주파수 응답을 갖는 제1 잡음 필터로 잡음 신호를 처리하는 단계, 및 오디오 장치의 낮은 누설 상태에 매칭되는 제2 고정 주파수 응답을 갖는 제2 잡음 필터로 잡음 신호를 처리하는 단계를 포함한다. 보상 신호는 제1 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 제1 잡음 필터의 출력 및 제2 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 제2 잡음 필터의 출력의 조합에 기초하여 생성된다. 오디오 장치의 누설 상태는 에러 잡음 신호에 기초하여 추정된다. 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 중 적어도 하나는 추정된 누설 상태에 기초하여 조정된다. 예를 들어, 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 둘 다의 설정이 이루어지며, 각각 조정된다. 예를 들어, 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 중 적어도 하나는 잡음 제거 시스템의 동작 동안 조정된다.

잡음 제거 시스템의 다양한 실시예들에 대해 위에 논의된 바와 같이, 제1 및 제2 잡음 필터들은 둘 다 피드포워드 잡음 제거 타입 또는 피드백 잡음 제거 타입일 수 있으며, 그들의 입력들로서 각각 연관된 잡음 신호들을 갖는다. 잡음 제거 방법의 다양한 추가 실시예들은 잡음 제거 시스템에 대해 위에 설명된 다양한 실시예들로부터 숙련된 독자에 대해 명백해진다.

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향상된 신호 처리 개념은 도면들의 도움으로 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다. 동일한 또는 유사한 기능을 갖는 요소들은 도면들 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호들을 지닌다. 따라서, 그들의 설명은 이하의 도면들에서 반드시 반복될 필요는 없다.
도면들에서:
도 1은 헤드폰의 개략도이다.
도 2 내지 도 6은 잡음 제거 시스템의 상이한 구현 예들을 도시한다.

도 1은 이 예에서 오버-이어(over-ear) 또는 덮개식(circumaural) 헤드폰으로 설계되는 ANC 가능 헤드폰(HP)의 개략도를 도시한다. 헤드폰(HP)의 일부만 도시되며, 단일 오디오 채널에 대응한다. 그러나, 스테레오 헤드폰으로의 확장은 숙련된 독자에게 명백할 것이다. 헤드폰(HP)은 스피커(SP), 피드백 잡음 마이크로폰(FB_MIC) 및 주변 잡음 마이크로폰(FF_MIC)을 운반하는 하우징(HS)을 포함한다. 피드백 잡음 마이크로폰(FB_MIC)은 특히 그것이 주변 잡음 및 스피커(SP)를 통해 재생되는 사운드 둘 다를 기록하도록 지향되거나 배열된다. 바람직하게는, 피드백 잡음 마이크로폰(FB_MIC)은 스피커에 가까이 근접하여, 예를 들어 스피커(SP)의 에지 또는 스피커의 멤브레인(membrane)에 가까이 배열된다. 주변 잡음 마이크로폰(FF_MIC)은 특히 그것이 주로 헤드폰(HP)의 외부로부터의 주변 잡음을 기록하도록 지향 또는 배열된다.

수행될 ANC의 타입에 따라, 주변 잡음 마이크로폰(FF_MIC)은 피드백 ANC만이 수행되는 경우, 생략될 수 있다. 피드백 잡음 마이크로폰(FB_MIC)은 헤드폰(HP)이 사용자에 의해 착용될 때, 헤드폰(HP)의 착용 상태인, 각각 누설 상태의 결정을 위한 기초인 에러 잡음 신호를 제공하기 위해 향상된 신호 처리 개념에 따라 사용될 수 있다.

ANC 성능은 ANC 필터의 필터 특성들이 특정 상태로 편리하게 트리밍되기 때문에 이 착용 상태에 의존한다. 예를 들어, 이 상태는 오디오 장치들에 대한 일 예로서 취해지는 헤드폰(HP)이 얼마나 단단히 또는 밀봉되어 사용자에 대해 위치되는지를 결정한다. 헤드폰(HP)이 이동되는 경우, 이 상태는 변하고 따라서 음향 특성들(acoustic properties)도 그렇다. 특히, 헤드폰은 소량의 주변 잡음만이 헤드폰으로 들어가고 피드백 마이크로폰(FB_MIC)에 도달할 수 있는, 낮은 누설 상태에서 착용될 수 있다. 다른 착용 상태인, 높은 누설 상태에서, 주변 잡음은 헤드폰 내부 및 피드백 마이크로폰(FB_MIC)에 도달할 수 있다. 다양한 상태들은 이들 두 극단들 사이에 존재한다.

이제, 도 2를 참조하면, 향상된 신호 처리 개념의 일 예시적 구현의 개략적인 블록도가 도시된다. 구현은 제1 잡음 필터(HLF) 및 제2 잡음 필터(LLF)를 포함하며, 이는 둘 다잡음 신호(n0)를 입력 받음으로써, 두 필터들은 동일한 신호를 처리한다. 제1 잡음 필터(HLF)는 오디오 장치, 예를 들어 헤드폰(HP)의 높은 누설 상태에 매칭되는 제1 고정 주파수 응답을 갖는다. 제2 잡음 필터는 오디오 장치의 낮은 누설 상태에 매칭되는 제2 고정 주파수 응답을 갖는다. 따라서, 제1 잡음 필터(HLF)의 출력은 오디오 장치가 높은 누설 상태에 있는 경우 ANC 처리를 위해 단독으로 사용될 수 있을 것이다. 유사하게, 오디오 장치가 낮은 누설 상태에 있는 경우, 제2 잡음 필터(LLF)의 출력은 ANC 처리 단독을 위해 사용될 수 있을 것이다.

구현은 제1 조정가능한 이득 계수(G1) 및 제2 조정가능한 이득 계수(G2) 각각으로 증폭되는 제1 및 제2 잡음 필터(HLF, LLF)의 출력들을 조합하는 결합기(CMB)를 더 포함한다. 예를 들어, 조합(combination)은 필터 출력 신호들의 증폭된 버전들(versions)을 합산함으로써 수행된다. 이 합은 보상 신호(cm)로서 직접 사용되거나 선택적으로 보충 이득 계수(GS)로 증폭될 수 있다. 그 다음, 보상 신호(cm)는 구현된 ANC 구조에 따라 보상 신호(cm)와 유용한 오디오 신호(s0)를 결합시키는 오디오 프로세서(AUD)에 의해 사용될 수 있다. 또한 증폭기들 등을 포함할 수 있는 오디오 프로세서(AUD)의 출력은 그 다음, 오디오 장치의 스피커(SP)로 출력된다.

이득 계수들(G1 및 G2) 및, 선택적으로, GS는 피드백 마이크로폰(FB_MIC)에 의해 제공되는 에러 잡음 신호(nerr)에 기초하여 오디오 장치의 누설 상태를 추정하도록 구성되는 적응 엔진(ADP)에 의해 조정된다. 적응 엔진(ADP)은 추정된 누설 상태에 기초하여, 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수(G1, G2) 및, 선택적으로, GS를 조정한다. 예를 들어, 조정가능한 이득 계수들(G1, G2) 및, 선택적으로, GS 중 적어도 하나의 조정은 잡음 제거 장치(arrangement) 또는 장치를 포함하는 오디오 장치의 동작 동안 이루어진다.

위에 언급된 바와 같이, 실제 누설 상태와 잡음의 양, 특히 오디오 장치에 들어가고 피드백 마이크로폰(FB_MIC)에 도달할 수 있는 주변 잡음의 양 사이에 관계가 존재한다. 따라서, 적응 엔진은 바람직하게는 예를 들어 하나 이상의 주파수들 또는 주파수 범위들에서, 에러 잡음 신호(nerr)의 잡음 평가를 수행한다. 예를 들어, 선택된 주파수들은 주변 잡음에 대해 중요하다. 위에 설명된 바와 같이, 평가는 각각의 신호 처리 접근법들로 시간 도메인 뿐만 아니라 주파수 도메인에서 수행될 수 있다.

적응 엔진(ADP)은 추정된 누설 상태와 조정가능한 이득 계수들(G1, G2 및 GS) 사이의 매핑 함수, 특히 다항식 매핑 함수를 사용할 수 있다. 예를 들어, 누설 상태가 높을수록, 제1 잡음 필터에 대한 이득 계수(G1)가 더 높은 반면 제2 잡음 필터에 대한 제2 이득 계수(G2)는 따라서 감소할 것이다. 유사하게, 누설 상태가 더 낮을 것으로 추정될수록, 제2 이득 계수(G2)는 제1 이득 계수(G1)를 감소시키면서 더 크게 될 것이다.

적응 엔진(ADP)은 선택적으로 사용자 입력일 수 있는, 외부 입력(extu)에 더 기초하여 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들(G1, G2)을 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 외부 입력(extu)은 누설 상태와 이득 계수들(G1, G2 및 GS) 사이의 매핑 함수를 결정 또는 조작한다. 그러나, 외부 입력(extu)은 또한 에러 잡음 신호(nerr)의 평가에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 외부 입력(extu)은 누설 상태를 추정하는 방식을 선택할 수 있으며, 그것에 의해 이득 계수들(G1, G2 및 GS)의 추정 및 설정의 속도에 영향을 미친다.

따라서, 2개의 필터들(HLF, LLF)의 믹스를 제어함으로써, 결과 필터가 생산되며 이는 2개의 필터들(HLF, LLF)의 믹스이다. 실제 누설 상태는 헤드폰 예의 경우, 사용자의 헤드의 움직임으로 이해 계속 변할 것이며, 따라서 결과 필터 응답도 또한 그러하다. 언제나, 결과 필터 응답은 2개의 잡음 필터들의 선형 보간이다.

도 2와 함께 설명되었던 향상된 신호 처리에 대한 일반적인 개념은 이제 도 3의 피드포워드 잡음 제거 시스템들, 도 4의 피드백 잡음 제거 시스템 및 도 6의 하이브리드 잡음 제거 시스템에 대해 보다 상세히 설명될 것이다. 도 5는 도 2에 도시된 개념의 일반적인 확장을 도시한다. 이들 도면들과 함께, 도 2의 구현에 대한 차이들만이 설명될 수 있다. 이하의 도면들에서 생략된 도 2로부터의 특징들은 그럼에도 불구하고 이들 도면들에서 사용될 수 있다.

이제, 피드포워드 잡음 제거 시스템을 도시하는 도 3을 참조하면, 잡음 신호(n0)는 예를 들어 도 1에 도시되고 유일한 주변 잡음 신호를 제공하는 일반적인 목적을 수행하는 바와 같은, 피드포워드 마이크로폰(FF_MIC)에 의해 제공된다. 따라서, 오디오 프로세서(AUD)는 피드포워드 ANC를 수행하기 위해 적절히 적응된다.

주변 잡음 신호(n0)는 선택적으로 적응 엔진(ADP)에 제공될 수 있으며, 이는 그러한 구성에서 하나 이상의 별개의 주파수들 또는 주파수 범위들에서 에러 잡음 신호(nerr)와 잡음 신호(n0) 사이의 비율에 기초하여 누설 상태를 추정하도록 구성될 수 있다. 이는 또한 주변 잡음 마이크로폰으로 칭하여 질 수 있는 마이크로폰(FF_MIC)으로 기록되는 주변 잡음이 얼마나 많이 또한 에러 잡음 신호(nerr)에 존재하는지 결정하는 것을 허용한다. 따라서, 누설 상태는 별개의 주파수들에서 절대값 대신 상대값에 기초하여 추정될 수 있어서, 향상된 추정 성능을 초래한다.

이제, 도 4를 참조하면, 피드백 ANC 시스템이 도시되며, 여기서, 에러 잡음 신호(nerr)는 또한 제1 및 제2 잡음 필터들(HLF, LFF)에 대한 입력으로서 사용된다. 이 구현의 오디오 프로세서(AUD)는 결합된 필터 출력에 기초하여 피드백 ANC를 수행하기 위해 적절히 적응된다. 이를 위해, 또한 피드백 필터들에 제공되는 피드백 에러 신호(nerr)는 피드백 에러 신호(nerr)에서 유용한 오디오 신호(s0)의 부분들을 고려하기 위해, 유용한 오디오 신호(s0)에 기초하여 오디오 프로세서(AUD)에 의해 사전-처리될 수 있다.

피드백 ANC만이 수행되지만, 마이크로폰(FF_MIC)과 같은 주변 잡음 마이크로폰이 존재하는 경우에도, 누설 상태에 대한 추정은 또한 도 3에 대해 위에 설명된 바와 같이, 주변 잡음 마이크로폰에 의해 제공되는 잡음 신호와 에러 잡음 신호(nerr) 사이의 잡음 비율들을 사용하여 수행될 수 있을 것이다.

이제, 도 5를 참조하면, 도 2에 도시된 기본 개념은 오디오 장치의 매체 누설 상태에 매칭되는 추가 고정 주파수 응답을 갖는 추가 잡음 필터(MLF)를 사용함으로써 확장된다. 매체 누설 상태는 특히 높은 누설 상태와 낮은 누설 상태 사이의 어딘가에 있다. 따라서, 보상 신호(cm)는 조정가능한 이득 계수(GM)로 증폭되는 추가 잡음 필터(MLF)의 출력을 추가적으로 합산함으로써 결합기(CMB)에서 형성된다.

따라서, 이 구현의 적응 엔진(ADP)은 추정된 누설 상태에 기초하여 제1 및 제2 이득 계수(G1, G2) 뿐만 아니라, 이득 계수(GM)를 조정하도록 더 구성된다. 예를 들어, 이득 계수들(G1 및 G2) 중 하나는 추정된 누설 상태가 추가 잡음 필터(MLF)와 연관되는 누설 상태와 각각의 다른 극단 누설 상태 사이에 있는 경우 제로로 설정될 수 있음으로써, 그것은 단지 실제 누설 상태에 가장 가까이 매칭되는 2개의 잡음 필터들 사이에 보간된다.

추가 잡음 필터들은 각각의 별개의 누설 상태들에 매칭된다. 더욱이, 3개 이상의 잡음 필터들에 대한 확장은 피드포워드 ANC 및 피드백 ANC에 모두 적용될 수 있다.

이제, 도 6을 참조하면, 도 2와 함께 설명되는 일반적인 개념은 피드포워드 및 피드백 ANC 둘 다를 이용하는 하이브리드 ANC 구현에 적용된다. 따라서, 이 구현에서, 2개의 필터 쌍들이 존재하며, 하나는 피드포워드 부분을 위한 것이고 하나는 피드백 부분을 위한 것이다. 특히, 피드포워드 부분은 높은 누설 상태에 매칭되는 제1 피드포워드 잡음 필터(HLF_FF) 및 낮은 누설 상태에 매칭되는 제2 피드포워드 필터(LLF_FF)를 포함한다. 유사하게, 피드백 부분에 대해, 높은 누설 상태에 매칭되는 하나의 필터(HLF_FB) 및 낮은 누설 상태에 매칭되는 필터(LLF_FB)가 존재한다. 4개의 필터들 각각은 피드포워드 부분에 대해 G1, G2 및 피드백 부분에 대해 G3, G4인 각각의 조정가능한 이득 계수와 연관되며, 각각은 위에 설명되는 개념에 따른 적응 엔진(ADP)에 의해 조정된다. 오디오 프로세서(AUD)는 하이브리드 ANC를 구현하기 위해 피드포워드 부분에 의해 생산되는 보상 신호(cmff) 및 피드백 보상 신호(cmfb)를 사용한다. 도 4에 대해 위해 설명된 바와 같이, 또한, 피드백 필터들에 제공되는 피드백 에러 신호(nerr)는 피드백 에러 신호(nerr)에서 유용한 오디오 신호(s0)의 부분들을 고려하기 위해, 유용한 오디오 신호(s0)에 기초하여 오디오 프로세서(AUD)에 의해 사전-처리될 수 있다.

이전 구현들에서 도시된 보충 이득 계수(GS)는 도 6의 예시적 구현으로부터 생략되었다. 그러나, 피드포워드 부분 및 피드백 부분 중 하나 또는 둘 다는 각각의 보충 이득 계수를 또한 사용할 수 있다.

위에 설명된 모든 구현들에서, 마이크로폰들(FF_MIC, FB_MIC)도 스피커(SP)도 향상된 신호 처리 개념에 따른 잡음 제거 시스템의 본질적인 부분들이 아니라는 점이 주목되어야 한다. 심지어 오디오 프로세서(AUD)는 외부에 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 그러한 잡음 제거 시스템은 예를 들어 신호 프로세서에서, 하드웨어 및 소프트웨어 둘 다로 구현될 수 있을 것이다. 잡음 제거 시스템은 휴대폰, MP3 플레이어, 태블릿 컴퓨터 등등과 같은, 임의의 종류의 오디오 플레이어에 위치될 수 있다. 그러나, 잡음 제거 시스템은 또한 오디오 장치, 예를 들어 모바일 핸드셋 또는 헤드폰, 이어폰 등등 내에 위치될 수 있을 것이다.

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Claims

잡음 제거 가능 오디오 장치를 위한 잡음 제거 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
- 상기 오디오 장치의 높은 누설 상태에 매칭되는 제1 고정 주파수 응답을 갖고 잡음 신호(n0)을 처리하도록 설계되는 제1 잡음 필터(HLF);
- 상기 오디오 장치의 낮은 누설 상태에 매칭되는 제2 고정 고주파 응답을 갖고 상기 잡음 신호(n0)를 처리하도록 설계되는 제2 잡음 필터(LLF);
- 제1 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제1 잡음 필터(HLF)의 출력 및 제2 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제2 잡음 필터(LLF)의 출력의 조합(combination)에 기초하여 보상 신호(cm)를 제공하도록 구성되는 결합기(CMB); 및
- 에러 잡음 신호(nerr)에 기초하여 상기 오디오 장치의 누설 상태를 추정하고 상기 추정된 누설 상태에 기초하여 상기 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 중 적어도 하나를 조정하도록 구성되는 적응 엔진(ADP)을 포함하고,
- 상기 에러 잡음 신호는 상기 오디오 장치의 스피커(SP)에 근접하여 위치되는 피드백 잡음 마이크로폰(FB_MIC)에 의해 기록되는 피드백 잡음 신호이고,
- 상기 제1 잡음 필터(HLF) 및 상기 제2 잡음 필터(LLF)는 각각 동일한 잡음 제거 타입이고, 상기 잡음 제거 타입은
- 상기 잡음 신호가 상기 오디오 장치의 주변 잡음 마이크로폰(FF_MIC)에 의해 기록되는 주변 잡음 신호인 피드포워드 잡음 제거 타입; 및
- 상기 잡음 신호가 상기 에러 잡음 신호인 피드백 잡음 제거 타입
중 어느 하나인, 잡음 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적응 엔진(ADP)은 상기 잡음 제거 시스템의 동작 동안 상기 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 중 적어도 하나를 조정하도록 구성되는, 잡음 제거 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 적응 엔진(ADP)은 하나 이상의 별개의 주파수들 또는 주파수 범위들에서 상기 에러 잡음 신호(nerr)의 잡음 평가에 기초하여 상기 누설 상태를 추정하도록 구성되는, 잡음 제거 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 적응 엔진(ADP)은 상기 에러 잡음 신호(nerr)의 필터링된 버전에 기초하여 상기 누설 상태를 추정하도록 구성되는, 잡음 제거 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 적응 엔진(ADP)은 상기 추정된 누설 상태와 상기 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수 사이의 매핑 함수를 사용하여 상기 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수를 조정하도록 구성되는, 잡음 제거 시스템.
제5항에 있어서,
상기 추정된 누설 상태와 상기 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수 사이의 매핑 함수는 다항식 매핑 함수인, 잡음 제거 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 적응 엔진(ADP)은 외부 입력에 더 기초하여 상기 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수를 조정하도록 구성되는, 잡음 제거 시스템.
제7항에 있어서,
상기 외부 입력은 사용자 입력인, 잡음 제거 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 결합기(CMB)는 보충 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 조합에 기초하여 상기 보상 신호(cm)를 제공하도록 더 구성되고 상기 적응 엔진(ADP)은 상기 추정된 누설 상태에 기초하여 상기 보충 조정가능한 이득 계수를 조정하도록 더 구성되는, 잡음 제거 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 제1 잡음 필터(HLF) 및 상기 제2 잡음 필터(LLF)는 각각 피드포워드 잡음 제거 타입이고, 상기 적응 엔진(ADP)은 하나 이상의 별개의 주파수들 또는 주파수 범위들에서 상기 에러 잡음 신호와 상기 잡음 신호 사이의 비율에 기초하여 상기 누설 상태를 추정하도록 구성되는, 잡음 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 잡음 필터(HLF) 및 상기 제2 잡음 필터(LLF)는 각각 피드포워드 잡음 제거 타입이고, 상기 시스템은
- 피드백 잡음 제거 타입이고, 상기 오디오 장치의 상기 높은 누설 상태에 정합되는 제3 고정 주파수 응답을 갖고 상기 에러 잡음 신호를 처리하도록 설계되는 제3 잡음 필터;
- 피드백 잡음 제거 타입이고, 상기 오디오 장치의 상기 낮은 누설 상태에 매칭되는 제4 고정 주파수 응답을 갖고 상기 에러 잡음 신호를 처리하도록 설계되는 제4 잡음 필터를 더 포함하며;
- 상기 보상 신호는 피드포워드 보상 신호(cmff)이고;
- 상기 결합기(CMB)는 제3 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제3 잡음 필터의 출력 및 제4 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제4 잡음 필터의 출력의 조합에 기초하여 피드백 보상 신호(cmfb)를 제공하도록 구성되고;
- 상기 적응 엔진(ADP)은 상기 추정된 누설 상태에 기초하여 상기 제3 및 제4 조정가능한 이득 계수들을 조정하도록 더 구성되는, 잡음 제거 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시스템은,
- 각각이 상기 제1 잡음 필터(HLF) 및 상기 제2 잡음 필터(LLF)와 동일한 잡음 제거 타입인 하나 이상의 추가 잡음 필터들(MLF)로서, 상기 오디오 장치의 별개의 매체 누설 상태에 매칭되는 추가 고정 주파수 응답을 갖고 상기 잡음 신호를 처리하도록 설계되는, 상기 하나 이상의 추가 잡음 필터들(MLF)를 더 포함하며; 여기서,
- 상기 결합기(CMB)는 상기 제1 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제1 잡음 필터(HLF)의 상기 출력, 상기 제2 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제2 잡음 필터(LLF)의 상기 출력 및 각각의 추가 조정가능한 이득 계수로 각각 증폭되는 상기 하나 이상의 추가 잡음 필터들(MLF)의 각각의 출력들에 기초하여 상기 보상 신호(cm)를 제공하도록 구성되고;
- 상기 적응 엔진(ADP)은 상기 추정된 누설 상태에 기초하여 상기 각각의 추가 조정가능한 이득 계수들을 조정하도록 더 구성되는, 잡음 제거 시스템.
제1항 또는 제2항에 따른 잡음 제거 시스템, 스피커(SP) 및 에러 잡음 신호(nerr)를 제공하기 위해 상기 스피커(SP)에 근접하여 위치되는 피드백 잡음 마이크로폰(FB_MIC)을 포함하는, 잡음 제거 가능 오디오 장치.
제14항에 있어서,
상기 잡음 제거 가능 오디오 장치는,
헤드폰(HP) 또는 핸드셋인,
잡음 제거 가능 오디오 장치.
제1항 또는 제2항에 따른 잡음 제거 시스템을 포함하는 오디오 디스플레이.
잡음 제거 가능 오디오 장치를 위한 잡음 제거 방법에 있어서, 상기 방법은,
- 상기 오디오 장치의 높은 누설 상태에 정합되는 제1 고정 주파수 응답을 갖는 제1 잡음 필터(HLF)로 잡음 신호(n0)를 처리하는 단계;
- 상기 오디오 장치의 낮은 누설 상태에 정합되는 제2 고정 주파수 응답을 갖는 제2 잡음 필터(LLF)로 잡음 신호(n0)를 처리하는 단계;
- 제1 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제1 잡음 필터(HLF)의 출력 및 제2 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제2 잡음 필터(LLF)의 출력의 조합에 기초하여 보상 신호(cm)를 생성하는 단계;
- 에러 잡음 신호(nerr)에 기초하여 상기 오디오 장치의 누설 상태를 추정하는 단계; 및
- 상기 추정된 누설 상태에 기초하여 상기 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하고,
- 상기 에러 잡음 신호는 상기 오디오 장치의 스피커(SP)에 근접하여 위치되는 피드백 잡음 마이크로폰(FB_MIC)에 의해 기록되는 피드백 잡음 신호이고,
- 상기 제1 잡음 필터(HLF) 및 상기 제2 잡음 필터(LLF)는 각각 동일한 잡음 제거 타입이고, 상기 잡음 제거 타입은
- 상기 잡음 신호가 상기 오디오 장치의 주변 잡음 마이크로폰(FF_MIC)에 의해 기록되는 주변 잡음 신호인 피드포워드 잡음 제거 타입; 및
- 상기 잡음 신호가 상기 에러 잡음 신호인 피드백 잡음 제거 타입
중 어느 하나인, 방법.
제17항에 있어서,
상기 제1 및 제2 조정가능한 이득 계수들 중 상기 적어도 하나는 상기 잡음 제거 가능 오디오 장치의 동작 동안 조정되는, 방법.
제11항에 있어서,
상기 시스템은
- 피드백 잡음 제거 타입이고, 상기 오디오 장치의 상기 높은 누설 상태에 정합되는 제3 고정 주파수 응답을 갖고 상기 에러 잡음 신호를 처리하도록 설계되는 제3 잡음 필터;
- 피드백 잡음 제거 타입이고, 상기 오디오 장치의 상기 낮은 누설 상태에 매칭되는 제4 고정 주파수 응답을 갖고 상기 에러 잡음 신호를 처리하도록 설계되는 제4 잡음 필터를 더 포함하며;
- 상기 보상 신호는 피드포워드 보상 신호(cmff)이고;
- 상기 결합기(CMB)는 제3 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제3 잡음 필터의 출력 및 제4 조정가능한 이득 계수로 증폭되는 상기 제4 잡음 필터의 출력의 조합에 기초하여 피드백 보상 신호(cmfb)를 제공하도록 구성되고;
- 상기 적응 엔진(ADP)은 상기 추정된 누설 상태에 기초하여 상기 제3 및 제4 조정가능한 이득 계수들을 조정하도록 더 구성되는, 잡음 제거 시스템.
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