TW202037077A - 雙二階前饋式主動抗噪系統及處理器 - Google Patents

雙二階前饋式主動抗噪系統及處理器 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種雙二階前饋式主動抗噪系統，包括一基準收訊裝置、一誤差收訊裝置、一音訊輸出裝置、以及一處理器。該基準收訊裝置接收一基準音源訊號。該誤差收訊裝置接收一誤差音源訊號。該處理器係連接至該基準收訊裝置、誤差收訊裝置、以及該音訊輸出裝置。該處理器包括一自適應運算器、以及一雙二階濾波器，該自適應運算器係依據該基準音源訊號及該誤差音源訊號更新該雙二階濾波器的濾波器係數，該雙二階濾波器係依據更新後的濾波器係數將該基準收訊裝置的基準訊號進行濾波後輸出一反向訊號至該音訊輸出裝置。

Description

雙二階前饋式主動抗噪系統及處理器
本發明有關於一種主動抗噪系統及其處理器，特別是指一種利用雙二階濾波器取代傳統最小均方濾波器的主動抗噪系統及其處理器。
主動抗噪技術(Active Noice Control,ANC)是一種能夠把指定的噪音隔除，而其他的聲音卻不受影響的裝置。主要的原理為根據聲源接收裝置接受指定的噪音，並利用聲音發送裝置送出相位完全相反的聲波，讓兩種聲波得以互相抵銷，從而把該噪音予以濾除的技術。目前主動抗噪技術已被廣泛應用在飛機、戰機的隔音喇叭、以及降噪耳機上。
傳統前饋式的主動抗噪技術主要係透過有限脈衝響應濾波器(FIR filter)將接收到的音源訊號轉換為對應的反向訊號，藉以濾除噪聲。然而，傳統的一個有限脈衝響應濾波器(FIR filter)需要64個以上的taps(乘法器)，增加了產品的製作成本以及體積。
本發明的主要目的，在於提供一種雙二階前饋式主動抗噪系統，包括一基準收訊裝置、一誤差收訊裝置、一音訊輸出裝置、以及一處理器。該基準收訊裝置接收一基準音源訊號。該誤 差收訊裝置接收一誤差音源訊號。該處理器係連接至該基準收訊裝置、誤差收訊裝置、以及該音訊輸出裝置。該處理器包括一自適應運算器、以及一雙二階濾波器，該自適應運算器係依據該基準音源訊號及該誤差音源訊號更新該雙二階濾波器的濾波器係數，該雙二階濾波器係依據更新後的濾波器係數將該基準收訊裝置的基準訊號進行濾波後輸出一反向訊號至該音訊輸出裝置。
本發明的另一目的，在於提供一種處理器，包括至少一基準訊號輸入埠、至少一誤差訊號輸入埠、至少一降噪訊號輸出埠、一自適應運算器以及一雙二階濾波器。該基準訊號輸入埠接收一基準音源訊號。該誤差訊號輸入埠接收一誤差音源訊號。該自適應運算器依據該基準音源訊號及該誤差音源訊號更新該雙二階濾波器的濾波器係數，該雙二階濾波器係依據更新後的濾波器係數將該基準收訊裝置的基準訊號進行濾波後輸出一反向訊號至該降噪訊號輸出埠。
是以，本發明係比起習知技術具有以下優勢功效： 本發明利用雙二階濾波器取代傳統的最小均方濾波器，所耗乘法器數量明顯比一般有限脈衝響應濾波器的數量要少許多。傳統前饋式的有限脈衝響應濾波器可能需要64個以上的乘法器，但新設計的雙二階濾波器於包括3個BiQs的狀況下僅需要15個乘法器便具有跟傳統前饋式的有限脈衝響應濾波器相似的效能，相較於傳統的主動抗噪系統顯然具有進步性。
100‧‧‧雙二階前饋式主動抗噪系統
10‧‧‧基準收訊裝置
11‧‧‧基準麥克風
12‧‧‧前置放大器
13‧‧‧抗混疊濾波器
14‧‧‧類比-數位轉換器
20‧‧‧誤差收訊裝置
21‧‧‧誤差麥克風
22‧‧‧前置放大器
23‧‧‧抗混疊濾波器
24‧‧‧類比-數位轉換器
30‧‧‧音訊輸出裝置
31‧‧‧揚聲器
32‧‧‧功率放大器
33‧‧‧重建濾波器
34‧‧‧數位-類比轉換器
40‧‧‧處理器
41‧‧‧自適應運算器
42‧‧‧雙二階濾波器
43‧‧‧次級路徑濾波器
50‧‧‧主要路徑
NS‧‧‧環境噪聲
P1‧‧‧基準訊號輸入埠
P2‧‧‧誤差訊號輸入埠
P3‧‧‧降噪訊號輸出埠
圖1，為本發明雙二階前饋式主動抗噪系統的方塊示意圖。
圖2，為本發明中處理器的方塊示意圖。
圖3，為本發明雙二階前饋式主動抗噪系統的控制邏輯示意圖。
圖4，為本發明中雙二階濾波器的方塊示意圖(一)。
圖5，為本發明中雙二階濾波器的方塊示意圖(二)。
有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下。再者，本發明中之圖式，為說明方便，其比例未必照實際比例繪製，該等圖式及其比例並非用以限制本發明之範圍，在此先行敘明。
本發明之實施例可實施於包括有線頭戴式耳機、智慧型電話手機、無線耳機或其他頭部佩戴式音訊裝置的個人收聽系統中之降噪裝置或降噪控制器，於本發明中不予以限制。於本發明中所述的處理器或其他控制器可以由單一晶片或複數晶片所構成，於另一實施例中，該處理器或其他控制器可以為音訊裝置提供的晶片(例如行動裝置)，或是為整合或分離於無線耳機、頭戴式裝置的音訊晶片所構成，該等變化非屬本發明所欲限制的範圍。
本發明中所述之處理器例如可以是微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)等或其他類似裝置或這些裝置的組合，於本發明中不予以限制。
以下係舉一具體實施例就本發明的技術內容提出詳細的說明，請一併參閱「圖1」，係為本發明雙二階前饋式主動抗噪 系統的方塊示意圖，如圖所示：本實施態樣係揭示一種雙二階前饋式主動抗噪系統100，該主動抗噪系統100主要包括基準收訊裝置10、誤差收訊裝置20、音訊輸出裝置30、以及處理器40。
所述的基準收訊裝置10主要係用於接收基準音源訊號，該基準音源訊號主要為環境噪聲NS。該基準收訊裝置10於一實施例中可以為麥克風、拾音器、或是其他可以用以接收環境音波並進一步轉換為類比、數位音訊的裝置。於一實施例中，該基準收訊裝置10依序包括基準麥克風11、前置放大器12、抗混疊濾波器13、以及類比-數位轉換器14。其中，該前置放大器12連接於該基準麥克風11的後端，該抗混疊濾波器13連接於該前置放大器12的後端，該類比-數位轉換器14連接於該抗混疊濾波器13的後端，最終連接至該處理器40的基準訊號輸入埠P1。
所述的誤差收訊裝置20主要係用於接收誤差音源訊號，該誤差收訊裝置20一般係設置於抗噪區域範圍內的基準位置，誤差收訊裝置20所接收到的音訊相當於基準音訊與揚聲器輸出的反向訊號之間的差值，在此定義為誤差音源訊號。該誤差收訊裝置20於一實施例中例如可以為麥克風、拾音器、或是其他可以用以接收環境音波並進一步轉換為類比、數位音訊的裝置。於一實施例中，該誤差收訊裝置20係包括誤差麥克風21、前置放大器22、抗混疊濾波器23、以及類比-數位轉換器24。其中，該前置放大器22連接於該誤差麥克風21的後端，該抗混疊濾波器23連接於該前置放大器22的後端，該類比-數位轉換器24連接於該抗混疊濾波器23的後端，最終連接至該處理器40的誤差訊號輸入埠P2。
所述的音訊輸出裝置30主要係用於輸出反向訊號，用以抵銷環境中的噪聲雜訊。該音訊輸出裝置30於一實施例中例如可以為揚聲器、喇叭或其他類此的裝置用以輸出反向訊號抵消音波。於一實施例中，該音訊輸出裝置30係包括揚聲器31、功率放大器32、重建濾波器33、以及數位-類比轉換器34。其中該功率放大器32係連接於該揚聲器的前端，重建濾波器33連接於該功率放大器32的前端，該數位-類比轉換器34連接於該重建濾波器33的前端，最終連接至該處理器40的降噪訊號輸出埠P3。
所述的處理器40主要係用以處理接收到的音源訊號進行，藉以輸出對應的反向訊號達成降噪效果。請一併參閱「圖2」，係本發明中處理器的方塊示意圖，如圖所示：該處理器40係包括至少一基準訊號輸入埠P1、至少一誤差訊號輸入埠P2、至少一降噪訊號輸出埠P3、一自適應運算器41、一雙二階濾波器42、以及一次級路徑濾波器43。該處理器40經由該基準訊號輸入埠P1連接至該基準收訊裝置10、經由該誤差訊號輸入埠P2連接至該誤差收訊裝置20、並經由該降噪訊號輸出埠P3連接至該音訊輸出裝置30。
以下係針對處理器40所執行的演算法進行詳細的說明，請一併參閱「圖3」及「圖4」，係本發明雙二階前饋式主動抗噪系統的控制邏輯示意圖以及雙二階濾波器的方塊示意圖(一)，如圖所示：該次級路徑濾波器43係用以預先對基準訊號進行濾波，藉此得到可參考的訊號波型。自適應運算器41係依據該基準音源訊號(於本實施例中係先經由次級路徑濾波器43預先處理)及該 誤差音源訊號更新該雙二階濾波器42的濾波器係數，在實施有源噪聲控制系統之前，必須估計次級路徑的脈衝響應。雙二階濾波器42係依據更新後的濾波器係數將該基準收訊裝置10的基準訊號進行濾波後輸出反向訊號至該音訊輸出裝置30。主要路徑50係為基準收訊裝置10至誤差收訊裝置20之間的傳輸路徑。
其中，該雙二階濾波器42係依據下列的式子對該基準訊號進行濾波：
Figure 108108915-A0101-12-0006-2
(b 0 x[n]+b 1 x[n-1]+b 2 x[n-2]-a 1 y[n-1]-a 2 y[n-2])；於上面的計算式中，x[n]、x[n-1]、x[n-2]係為於不同時點(時點n、時點n-1、及時點n-2)所接收到的基準音源訊號，y[n]、y[n-1]、y[n-2]係為不同時點(時點n、時點n-1、及時點n-2)輸出至揚聲器的反向訊號，b 0、b 1、b 2、a 0、a 1、a 2係為時點(n)的濾波器係數。
在此必須先行敘明的是，於本實施例中雖揭示BiQs=3的實施態樣，然而該等模組亦可以視需求調整BiQs的數量，此部分非屬本發明所欲限制的範圍。此外，為了避免用BiQs所產生的不穩定性，本實施例在適應性演算法中僅更新BiQs的分子(b 0,b 1,b 2)，分母(a 0,a 1,a 2)的部分則不予以更新，藉此避免無限脈衝響應濾波器(IIR)產生的不穩定問題
在每次進行濾波前，自適應運算器41依據前面時點所接收到的基準音源訊號及誤差音源訊號更新雙二階濾波器42的濾波器係數，其中，該濾波器係數係依據下列式子進行修正：b[n]=[b 0[n],b 1[n],b 2[n]]T；X[n]=[x’[n],x’[n-1],x’[n-2]]T；b[n]=b[n-1]+μe[n]X[n]； 於上面的計算式中，x’[n]、x’[n-1]、x’[n-2]係為於不同時點(時點n、時點n-1、及時點n-2)經次級路徑濾波器濾波過後的基準音源訊號，b 0[n]、b 1[n]、b 2[n]係為時點(n)的濾波器係數，e[n]係為時點(n)的誤差音源訊號，μ係為最小均方濾波器的收斂步長(step size)。
於另一實施例中，該雙二階濾波器亦可以透過以下的計算式對基準訊號進行濾波。請一併參閱「圖5」，係本發明雙二階濾波器的方塊示意圖(二)，如圖所示： 於本實施例中，係數a 0可以正規化為數值1降低運算的難度，修正後的計算式如下：y[n]=b 0 x[n]+b 1 x[n-1]+b 2 x[n-2]-a 1 y[n-1]-a 2 y[n-2]；其中，x[n]、x[n-1]、x[n-2]係為於不同時點(時點n、時點n-1、及時點n-2)所接收到的基準音源訊號，y[n]、y[n-1]、y[n-2]係為不同時點(時點n、時點n-1、及時點n-2)輸出至揚聲器的反向訊號，b 0、b 1、b 2、a 1、a 2係為時點(n)的濾波器係數。
同第一實施例，該濾波器係數可以透過相同的計算式更新濾波器係數，計算式如下：b[n]=[b 0[n],b 1[n],b 2[n]]T；X[n]=[x’[n],x’[n-1],x’[n-2]]T；b[n]=b[n-1]+μe[n]X[n]；其中，x’[n]、x’[n-1]、x’[n-2]係為於不同時點(時點n、時點n-1、及時點n-2)經次級路徑濾波器濾波過後的基準音源訊號，b 0[n]、b 1[n]、b 2[n]係為時點(n)的濾波器係數，e[n]係為時點(n)的誤差音源訊號，μ係為最小均方濾波器的收斂步長(step size)。
綜上所述，本發明利用雙二階濾波器取代傳統的最 小均方濾波器，所耗乘法器數量明顯比一般有限脈衝響應濾波器的數量要少許多。傳統前饋式的有限脈衝響應濾波器可能需要64個以上的乘法器，但新設計的雙二階濾波器於包括3個BiQs(b 0、b 1、b 2)的狀況下僅需要15個乘法器便具有跟傳統前饋式的有限脈衝響應濾波器相似的效能，相較於傳統的主動抗噪系統顯然具有進步性。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。
100‧‧‧雙二階前饋式主動抗噪系統
10‧‧‧基準收訊裝置
11‧‧‧基準麥克風
12‧‧‧前置放大器
13‧‧‧抗混疊濾波器
14‧‧‧類比-數位轉換器
20‧‧‧誤差收訊裝置
21‧‧‧誤差麥克風
22‧‧‧前置放大器
23‧‧‧抗混疊濾波器
24‧‧‧類比-數位轉換器
30‧‧‧音訊輸出裝置
31‧‧‧揚聲器
32‧‧‧功率放大器
33‧‧‧重建濾波器
34‧‧‧數位-類比轉換器
40‧‧‧處理器
41‧‧‧自適應運算器
42‧‧‧雙二階濾波器
43‧‧‧次級路徑濾波器
NS‧‧‧環境噪聲

Claims (15)

  1. 一種雙二階前饋式主動抗噪系統，包括：一基準收訊裝置，接收一基準音源訊號；一誤差收訊裝置，接收一誤差音源訊號；一音訊輸出裝置；以及一處理器，係連接至該基準收訊裝置、誤差收訊裝置、以及該音訊輸出裝置，該處理器係包括一自適應運算器、以及一雙二階濾波器，該自適應運算器係依據該基準音源訊號及該誤差音源訊號更新該雙二階濾波器的濾波器係數，該雙二階濾波器係依據更新後的濾波器係數將該基準收訊裝置的基準訊號進行濾波後輸出一反向訊號至該音訊輸出裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的雙二階前饋式主動抗噪系統，其中，該處理器包括一次級路徑濾波器連接於該自適應運算器的前端用以預先對基準訊號進行濾波。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的雙二階前饋式主動抗噪系統，其中，該基準收訊裝置係包括一基準麥克風、一連接於該基準麥克風後端的前置放大器、一連接於該前置放大器後端的抗混疊濾波器、以及一連接於該抗混疊濾波器後端的類比-數位轉換器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的雙二階前饋式主動抗噪系統，其中，該誤差收訊裝置係包括一誤差麥克風、一連接於該誤差麥 克風後端的前置放大器、一連接於該前置放大器後端的抗混疊濾波器、以及一連接於該抗混疊濾波器後端的類比-數位轉換器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的雙二階前饋式主動抗噪系統，其中，該音訊輸出裝置係包括一揚聲器、一連接於該揚聲器前端的功率放大器、一連接於該功率放大器前端的重建濾波器、以及一連接於該重建濾波器前端的數位-類比轉換器。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的雙二階前饋式主動抗噪系統，其中，該雙二階濾波器係依據下列的式子對該基準訊號進行濾波：
    Figure 108108915-A0101-13-0002-3
    (b 0 x[n]+b 1 x[n-1]+b 2 x[n-2]-a 1 y[n-1]-a 2 y[n-2])；其中，x[n]、x[n-1]、x[n-2]係為於不同時點所接收到的基準音源訊號，y[n]、y[n-1]、y[n-2]係為不同時點輸出至揚聲器的反向訊號，b 0、b 1、b 2、a 0、a 1、a 2係為時點(n)的濾波器係數。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的雙二階前饋式主動抗噪系統，其中，該濾波器係數係依據下列式子進行修正：b[n]=[b 0[n],b 1[n],b 2[n]]T；X[n]=[x’[n],x’[n-1],x’[n-2]]T；b[n]=b[n-1]+μe[n]X[n]；其中，x’[n]、x’[n-1]、x’[n-2]係為於不同時點經次級路徑濾波器濾波過後的基準音源訊號，b 0[n]、b 1[n]、b 2[n]係為時點(n) 的濾波器係數，e[n]係為時點(n)的誤差音源訊號，μ係為最小均方濾波器的收斂步長(step size)。
  8. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的雙二階前饋式主動抗噪系統，其中，該雙二階濾波器係依據下列的式子對該基準訊號進行濾波：y[n]=b 0 x[n]+b 1 x[n-1]+b 2 x[n-2]-a 1 y[n-1]-a 2 y[n-2]；其中，x[n]、x[n-1]、x[n-2]係為於不同時點所接收到的基準音源訊號，y[n]、y[n-1]、y[n-2]係為不同時點輸出至揚聲器的反向訊號，b 0、b 1、b 2、a 1、a 2係為時點(n)的濾波器係數。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的雙二階前饋式主動抗噪系統，其中，該濾波器係數係依據下列式子進行修正：b[n]=[b 0[n],b 1[n],b 2[n]]T；X[n]=[x’[n],x’[n-1],x’[n-2]]T；b[n]=b[n-1]+μe[n]X[n]；其中，x’[n]、x’[n-1]、x’[n-2]係為於不同時點經次級路徑濾波器濾波過後的基準音源訊號，b 0[n]、b 1[n]、b 2[n]係為時點(n)的濾波器係數，e[n]係為時點(n)的誤差音源訊號，μ係為最小均方濾波器的收斂步長(step size)。
  10. 一種處理器，包括：至少一基準訊號輸入埠，接收一基準音源訊號；至少一誤差訊號輸入埠，接收一誤差音源訊號； 至少一降噪訊號輸出埠；一自適應運算器以及一雙二階濾波器，該自適應運算器依據該基準音源訊號及該誤差音源訊號更新該雙二階濾波器的濾波器係數，該雙二階濾波器係依據更新後的濾波器係數將該基準收訊裝置的基準訊號進行濾波後輸出一反向訊號至該降噪訊號輸出埠。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的處理器，其中，該處理器包括一次級路徑濾波器連接於該自適應運算器的前端用以預先對基準訊號進行濾波。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的處理器，其中，該雙二階濾波器係依據下列的式子對該基準訊號進行濾波：
    Figure 108108915-A0101-13-0004-4
    (b 0 x[n]+b 1 x[n-1]+b 2 x[n-2]-a 1 y[n-1]-a 2 y[n-2])；其中，x[n]、x[n-1]、x[n-2]係為於不同時點所接收到的基準音源訊號，y[n]、y[n-1]、y[n-2]係為不同時點輸出至揚聲器的反向訊號，b 0、b 1、b 2、a 0、a 1、a 2係為時點(n)的濾波器係數。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的處理器，其中，該濾波器係數係依據下列式子進行修正：b[n]=[b 0[n],b 1[n],b 2[n]]T；X[n]=[x’[n],x’[n-1],x’[n-2]]T；b[n]=b[n-1]+μe[n]X[n]；其中，x’[n]、x’[n-1]、x’[n-2]係為於不同時點經次級路徑濾波 器濾波過後的基準音源訊號，b 0[n]、b 1[n]、b 2[n]係為時點(n)的濾波器係數，e[n]係為時點(n)的誤差音源訊號，μ係為最小均方濾波器的收斂步長(step size)。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的處理器，其中，該雙二階濾波器係依據下列的式子對該基準訊號進行濾波：y[n]=b 0 x[n]+b 1 x[n-1]+b 2 x[n-2]-a 1 y[n-1]-a 2 y[n-2]；其中，x[n]、x[n-1]、x[n-2]係為於不同時點所接收到的基準音源訊號，y[n]、y[n-1]、y[n-2]係為不同時點輸出至揚聲器的反向訊號，b 0、b 1、b 2、a 1、a 2係為時點(n)的濾波器係數。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的處理器，其中，該濾波器係數係依據下列式子進行修正：b[n]=[b 0[n],b 1[n],b 2[n]]T；X[n]=[x’[n],x’[n-1],x’[n-2]]T；b[n]=b[n-1]+μe[n]X[n]；其中，x’[n]、x’[n-1]、x’[n-2]係為於不同時點經次級路徑濾波器濾波過後的基準音源訊號，b 0[n]、b 1[n]、b 2[n]係為時點(n)的濾波器係數，e[n]係為時點(n)的誤差音源訊號，μ係為最小均方濾波器的收斂步長(step size)。
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