TW202121908A - 用於耳戴式播放裝置之音頻系統及信號處理方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於耳戴式播放裝置(HP)的音頻系統(AS)，包含補償濾波器(C)以及誤差補償單元(ECU)，該補償濾波器(C)組構成藉由施加濾波器操作到音頻訊號(IN)而產生第三補償訊號(CS3)，該誤差補償單元(ECU)組構成基於第三補償訊號(CS3)以及來自誤差麥克風(FB_MIC)的干擾音頻訊號(E)而產生補償誤差訊號(EM)。該音頻系統(AS)進一步包含第一噪聲濾波器(F)以及偵測單元(DET)，該第一噪聲濾波器(F)組構成基於該補償誤差訊號(EM)而被調適，該偵測單元(DET)組構成基於該第一噪聲濾波器(F)或是基於該干擾音頻訊號(E)與音頻輸出訊號來估算聲學洩漏(acoustic leakage)情況。該補償濾波器(C)係組構成基於聲學洩漏情況而被調適。

Description

用於耳戴式播放裝置之音頻系統及信號處理方法
本揭露係關於音頻系統以及信號處理方法，各用於包含揚聲器之耳戴式播放裝置，例如頭戴式耳機。
現今，包含耳機(earphones)在內的大量頭戴式耳機(headphones)採用增強使用者聽覺體驗的技術，像是噪聲消除技術。舉例來說，這種噪聲消除技術被稱為主動噪聲控制或是環境噪聲消除，兩者均簡稱為ANC。ANC通常使用所記錄的環境噪聲來進行處理，以產生抗噪信號(anti-noise signal)，然後將其與有用的音頻信號進行結合，以在頭戴式耳機的揚聲器上播放。ANC也可使用在其他音頻裝置，像是手機(handset)或是行動電話。
各種ANC方法都使用反饋、FB、麥克風、前饋、FF、麥克風或是反饋與前饋麥克風的組合。有效的FF與FB的ANC可基於系統的給定聲學而藉由調諧濾波器或是藉由調整音頻信號(例如，經由等化器)來達成。
混合噪聲消除頭戴式耳機係廣泛已知的。例如，將麥克風放置在直接以聲學方式耦合到耳膜的體積裡面，該體積通常靠近頭戴式耳機驅動器的前部。這稱為反饋(FB)麥克風。第二麥克風，即前饋(FF)麥克風，可以放置在頭戴式耳機的外部，以使其與頭戴式耳機驅動器在聲學上解耦。
為了使每個系統有效地工作，頭戴式耳機較佳為接近完美地密合使用者的耳朵/頭，該密合在配戴該裝置時不會改變，並且對任何使用者而言都是一致的。由於不良的貼合(fit)而導致這種密合有任何的變化都會改變聲學效果而最終影響ANC的效能。這種密合通常在耳墊與使用者的頭部之間，或者是在耳機的橡膠尖端與耳道壁(ear canal wall)之間。
對於大多數的噪聲消除頭戴式耳機以及耳機，在配戴時以及對於不同的使用者之間要努力保持一致的貼合度，以確保頭戴式耳機的聲學特性沒有改變並且始終與噪聲濾波器有良好的匹配。然而，「洩漏式(leaky)」的耳機與頭戴式耳機在耳墊/尖端與耳朵之間並沒有做到密合，在由不同人配戴時，聲學上會有很大的差異。除此之外，由於典型的日常頭部運動，當耳機在他們的耳朵中移動時，聲學效果可能因使用者而有所不同。因此，對於任何洩漏式的頭戴式耳機或是耳機，都需要進行一些調適來確保濾波器始終與聲學匹配。
要實現的目標係提供一種用於將主動噪聲控制演算法調整為耳戴式播放裝置(如頭戴式耳機、耳機或是行動電話)的聲學洩漏情況的改進概念。
此目的係使用獨立項的標的來達成。在附屬項中定義改進概念的實施例與發展。
改進概念係基於以下思想：根據其範圍來估算聲學洩漏情況，即，在所述耳戴式播放裝置的常規使用期間，確定耳戴式播放裝置與使用者的耳道之間的聲學洩漏程度。因此，此洩漏情況被用來增強使用者的聲音體驗，例如，藉由透過噪聲控制演算法去除傳輸到使用者耳道的聲音信號的不需要部分。所述的不需要部分可以是環境噪聲，其程度取決於例如聲學洩漏的程度。為了在沒有衰減所需信號(例如像是音樂信號之類的音頻信號)的情況下實現足夠的噪聲控制，改進的概念進一步地使用補償濾波器，該補償濾波器使驅動器與耳戴式播放裝置的FB麥克風響應傳遞函數相匹配，從而可以執行有效的信號減法(signal subtraction)以取得最佳的噪聲控制結果。
相比之下，例如在ANC裝置的生產過程中或是生產結束時，藉由例如測量裝置的聲學特性，對於傳統耳機和頭戴式耳機的噪聲控制濾波器(例如前饋與反饋濾波器)的調諧只進行一次。特別是，在校準過程中使用某些測量夾具(像是在人造頭的耳道中帶有麥克風的人造頭)進行調諧。包含播放某些測試聲音在內的測量係從某種處理裝置(可為個人電腦或是之類)進行協調。為了使所生產的每個ANC裝置達到最佳的ANC效能，必須在處理裝置的控制下對每個ANC裝置執行專門的測量，這非常耗時，特別是在要校準大量ANC裝置的情況下。
在下文中，將解釋改進概念，有時將頭戴式耳機或是耳機當作播放裝置的例子。然而，應該了解，這個例子並非限制性的，並且對於 其他類型的播放裝置，本領域技術人員也將理解該例子，其中在使用者的使用期間可能發生不同的聲學洩漏情況。一般來說，術語「播放裝置」應該包含所有類型的音頻再生裝置。
在根據改進概念之音頻系統的實施例中，該音頻系統將用於諸如頭戴式耳機、耳機、行動電話、手機或類似的耳戴式播放裝置，此系統包含揚聲器，該揚聲器組構成基於音頻輸出信號產生揚聲器信號。該系統進一步包含誤差麥克風，該誤差麥克風組構成基於環境噪聲與揚聲器信號而產生干擾音頻信號。該音頻系統的另一麥克風係組構成基於環境噪聲而產生噪聲信號。該音頻系統進一步包含第一噪聲濾波器，該第一噪聲濾波器係組構成藉由施加濾波器操作到噪聲信號而產生第一補償信號，並且基於補償誤差信號而被調適。
根據改進概念的音頻系統進一步包含第一混頻器(mixer)，其被組構成藉由疊加音頻信號、第一補償信號以及第二補償信號來產生音頻輸出信號。音頻系統的補償濾波器係組構成藉由施加濾波器操作到音頻訊號而產生第三補償信號，並且基於聲學洩漏情況而被調適。第二噪聲濾波器係組構成藉由施加濾波器操作到中間補償信號來產生第二補償信號，該中間補償信號係藉由從干擾音頻信號減去第三補償信號而產生。
音頻系統進一步包含誤差補償單元，該誤差補償單元係組構成基於干擾音頻信號以及第三補償信號而產生補償誤差信號。除此之外，該音頻系統進一步包含偵測單元，該偵測單元係組構成基於第一噪聲濾波器或是干擾音頻信號與音頻輸出信號的響應來估算聲學洩漏情況。
舉例來說，音頻系統的揚聲器係配置在播放裝置的殼體中， 使得第一體積係配置在揚聲器聲音發射的優先側。殼體可以具有用於將第一體積耦合至使用者的耳道體積的開口。殼體可進一步包含前通氣孔(vent)，該前通氣孔係用聲學電阻器覆蓋著，並且將第一體積耦合至周圍環境。由於耳機不完美地貼合到使用者的耳朵，因此前體積會透過聲學洩漏而耦合到周圍環境。這個聲學洩漏因人而異，且取決於耳機在特定時間的入耳方式。誤差麥克風係例如配置在第一體積內的反饋誤差麥克風，使得該反饋誤差麥克風偵測從揚聲器輸出的聲音以及環境聲音(即，環境噪聲)。舉例來說，其配置成靠近開口。
除此之外，第二體積係配置在殼體內在揚聲器的背對聲音發射的優先側的一側上。第二體積透過殼體的後通氣口而聲學地耦合至周圍環境，該後通氣口也可用聲學電阻器覆蓋著。另一麥克風可以例如是前饋麥克風，其例如配置在後體積的外部，即，配置在殼體的外部，以便主要地感測環境噪聲。
第一噪聲濾波器係例如前饋噪聲濾波器，並且被組構成藉由對來自前饋麥克風的噪聲信號進行濾波來產生第一補償信號。前饋主動噪聲控制FF ANC演算法透過前饋麥克風偵測頭戴式耳機外部的環境噪聲，並透過第一噪聲濾波器對其進行處理，並向揚聲器提供抗噪聲信號(第一補償信號)，從而使抗噪聲信號與噪聲信號的疊加出現在耳朵的位置，以便消除噪聲。詳細而言，在耳朵及/或誤差麥克風的位置之殘餘噪聲ERR可由下列方程式特徵化
Err=AE-AFFM．F．DE
其中，AE係環境至耳朵的聲學傳遞函數，AFFM係環境至FF麥克風 的傳遞函數，F係FF濾波器，而DE係驅動器到耳朵的聲學傳遞函數。
為了最小化殘餘噪聲，有效的FF ANC需要使第一噪聲濾波器F與目標聲學響應匹配：
Figure 109133320-A0202-12-0006-1
第二噪聲濾波器係反饋噪聲濾波器，並且舉例來說，係組構成藉由對中間補償信號進行濾波而產生第二補償信號，該中間補償信號可對應為從干擾音頻訊號減去所需信號(即，音頻信號)或是從所需信號導出的信號(即，第三補償信號)。換句話說，中間補償信號主要(如果不是排他性的話)由干擾音頻信號的一部分組成，干擾音頻信號的該部分係由環境噪聲藉助於誤差麥克風來產生，以下來稱作為噪聲部分。
第一混頻器係組構成藉由疊加音頻信號、第一補償信號與第二補償信號而產生提供給揚聲器的音頻輸出信號。在這種情況下，第一與第二補償信號對應於破壞性地干擾介於揚聲器與誤差麥克風及/或耳戴式播放裝置的使用者的耳道之間的環境噪聲的信號。
補償濾波器係舉例來說類似於US2017/0140746 A1中所描述的濾波器。根據改進概念，在本揭露中的補償濾波器具有雙重目的。出於這兩個目的，補償濾波器施加濾波器操作到音頻信號來產生第三補償信號，以此方式，使得第三補償信號係主要地或只有由干擾音頻信號中從揚聲器信號產生並由誤差麥克風偵測的部分組成，以下稱作為揚聲器部分。
首先，這提供了音樂補償機制，可以補償被反饋主動噪聲控制FB ANC演算法衰減的音頻信號，因為在這種情況下，第二噪聲濾波器主要地或只有將濾波器功能施加到干擾音頻信號的噪聲部分。詳細而言， 提供給第二噪聲濾波器的中間補償信號係主要地或只有由干擾音頻信號的噪聲部分組成，而揚聲器部分(如果有的話)可以忽略不計。
其次，對於音樂去除機制而言，第三補償信號係提供給誤差補償單元，該誤差補償單元從干擾音頻信號以及第三補償信號中產生補償誤差信號。舉例來說，誤差補償單元使第三補償信號調適，以使該第三補償信號與干擾音頻信號的揚聲器部分匹配。詳細而言，誤差補償單元產生補償誤差信號，該補償誤差信號包含干擾音頻信號的噪聲部分，且最多僅是揚聲器部分的貢獻可忽略。
因此，補償誤差信號被用來藉助於偵測單元或是調諧單元來調適第一噪聲濾波器的響應，使得由另一麥克風所偵測到的環境噪聲(即，由誤差麥克風所偵測到的信號)可以藉由例如如上所述的前饋主動噪聲控制演算法(FF ANC)而以更有效的方式從干擾音頻信號去除。為此，為了有效的FF ANC，第一噪聲濾波器的響應的精確匹配因此需要接近完美的補償誤差信號，該補償誤差信號僅包含干擾音頻信號的噪聲貢獻。
實際上，聲學傳遞函數會根據頭戴式耳機的貼合情況而改變。對於具有高度可變的洩漏的洩漏式耳機，其將前體積與周圍環境聲學耦合，其傳遞函數AE、DE以及驅動器至誤差麥克風的聲學傳遞函數DFBM會實質上發生改變，因此有必要去調適至少第一噪聲濾波器以及視需要地調適第二噪聲濾波器，以使誤差最小化。
根據第一噪聲濾波器的調適響應或是從驅動器到誤差麥克風傳遞函數，可藉由偵測單元來偵測及估算聲學洩漏情況。舉例來說，偵測單元係組構成比較音頻輸出信號與干擾音頻信號，然後基於比較的結果 (例如，基於兩個信號之間的偏差)來估算聲學洩漏情況。
可替代地或另外，偵測單元係組構成監視第一噪聲濾波器的響應，然後基於所述響應來估算聲學洩漏情況。舉例來說，偵測單元係組構成比較第一噪聲濾波器的響應與預定響應來估算聲學洩漏情況。
因此，使用聲學洩漏情況來調適補償濾波器。舉例來說，補償濾波器的響應係根據電流或改變的聲學洩漏而被調適。舉例來說，補償濾波器的響應係組構成匹配揚聲器與誤差麥克風之間的聲學洩漏依賴之驅動器響應(acoustic leakage dependent driver response)。藉此方法，可以實現如上所述的有效的噪聲控制演算法，以便增強耳戴式播放裝置之使用者的聲音體驗。
在某些實施例中，誤差補償單元包含第二混頻器，該第二混頻器係組構成藉由從干擾音頻信號減去基於第三補償信號的去除信號而產生補償誤差信號。
為了使第三補償信號盡可能接近地匹配干擾音頻信號的噪聲部分，在這些實施例中的誤差補償單元係組構成進一步調整第三補償信號，以更佳地匹配驅動器到誤差麥克風的響應，舉例來說，藉由施加另外的濾波器功能。
在某些實施例中，誤差補償單元進一步包含濾波器元件，該濾波器元件係組構成從第三補償信號產生去除信號。除此之外，為了產生去除信號，濾波器元件可被組構成施加濾波器操作到第三補償信號。替代地或除此之外，為了產生去除信號，誤差補償單元可被組構成根據第三補償信號以及補償誤差信號來控制濾波器元件的可調增益。
舉例來說，誤差補償單元包含反饋迴路，該反饋迴路係組構成基於補償誤差信號與第三補償信號之間的偏差來控制濾波器元件，例如濾波器元件的可調增益及/或響應。這使得第三補償信號能與干擾音頻信號的揚聲器部分有效匹配。以此方式，干擾音頻信號的噪聲部分可被有效地隔離作為補償誤差信號。
在某些實施例中，誤差補償單元係組構成藉由將誤差最小化演算法(特別是最小均方演算法(least mean squares algorithm))應用到第三補償信號與補償誤差信號來控制可調增益。
在確定的洩漏情況不精確的情況下，例如，在音頻系統的調適過程期間或之前，補償濾波器的濾波器參數可能會部分不精確。誤差最小化演算法尤其可以在這些情況下導致更高的精確性及/或更快的調適性。
在某些實施例中，第二噪聲濾波器係進一步組構成基於洩漏情況而被調適。
在這些實施例中，第二噪聲濾波器(即，反饋濾波器)的響應也基於電流或基於變化的聲學洩漏情況來調適。這可以進一步提高主動噪聲控制的效率，因為FB ANC的效能也可高度地取決於聲學洩漏情況。
在某些實施例中，偵測單元係組構成如果揚聲器信號與環境噪聲之間的比率超過設定閾值，則基於干擾音頻信號與音頻輸出信號來估算洩漏情況。除此之外，這些實施例中的偵測單元係組構成基於第一噪聲濾波器(特別是第一噪聲濾波器的濾波器參數)來估算洩漏情況。
取決於揚聲器信號的聲音壓力等級，並因此取決於干擾音頻信號中的環境噪聲的貢獻，聲學洩漏的確定可能以一種方式比另一種方式 更為準確。舉例來說，如果從揚聲器以高聲音壓力等級輸出音頻信號，則與環境噪聲等級相比，透過驅動器響應確定聲學洩漏情況會比從揚聲器輸出低等級(或沒有)音頻信號的情形更為準確。在後面的情況中，透過第一濾波器的響應之洩漏確定係更準確。在這些實施例中的偵測單元係因此組構成確定揚聲器信號與環境噪聲之間的比率，並且基於此確定，按照相應方法來估算聲學洩漏情況。
在某些實施例中，洩漏情況使播放裝置的環境與一體積之間的聲學洩漏特徵化，該體積係由使用者的耳道與播放裝置的空腔所定義。於此，該空腔係配置在揚聲器聲音發射的優先側。
在某些實施例中，估算洩漏情況包含確定洩漏值。
描述聲學洩漏情況的一種方便的方法係確定實際洩漏值，該值將目前存在的聲學洩漏情況量化。舉例來說，將洩漏值計算為介於0跟1之間的正規化值(normalized value)，以將確定的聲學洩漏縮放到預定的最大及/或最小聲學洩漏。洩漏值為0表示可能發生的最小聲學洩漏或是無洩漏，洩漏值為1則表示最大可接受的聲學洩漏，即，如果播放裝置的前體積與周圍環境之間的洩漏很大的話。
在某些實施例中，補償濾波器係基於洩漏情況與在查找表(lookup table)中的參考洩漏情況的比較而被調適。
舉例來說，查找表包含許多預定的聲學洩漏情況，例如，在與補償濾波器的參數相關的不同聲學洩漏情況下測得的校準洩漏值。偵測單元或是調諧單元可包含具有所述查找表的記憶體，且係組構成藉由根據所估算的聲學洩漏情況而設定其中一個相關參數來調適補償濾波器的響 應。
查找表可以是粗略的，舉例來說，其包含五個預定的聲學洩漏情況。然後偵測單元或是調諧單元可被組構成如果所估算的洩漏情況位在兩個預定的聲學洩漏情況之間便從查找表的兩個相鄰點內插補償濾波器的參數。對於音樂補償機制，此過程已經足夠。
然而，對於音樂去除機制，必須對干擾音頻信號的噪聲部分進行更高等級的隔離。因此，針對音樂去除機制採用誤差補償單元，以減小補償濾波器的響應與驅動器響應之間的明顯誤差。這顯著地改進了在補償誤差信號的產生期間從干擾音頻信號去除音樂信號的準確性。
誤差補償單元用於音樂補償與音樂去除機制兩者(例如透過補償濾波器本身的可調增益)，對於高度最佳化的音樂補償以及音樂去除濾波器似乎明顯，然而，實際上是不利的。詳細來說，音樂補償濾波器的任何調適(例如，透過調適一增益)需要誤差信號來反饋與目標響應的任何偏差，如上文針對某些實施例所述者。如果可調增益是補償濾波器自己本身的增益，被組構為減少揚聲器部分以產生補償誤差信號的反饋迴路的操作可能會導致補償濾波器之增益的所需調適，以便匹配驅動器響應，從而有效地從干擾音頻信號中盡可能多地去除揚聲器信號。然而，反饋迴路的操作也可以導致補償濾波器之增益的減小，以便減少到達第二噪聲濾波器的音頻信號的量。作為音頻信號(例如音樂)，這是不期望的效果，從使用者的角度來看，音樂將會大大地衰減。
所提出的用於音樂補償機制的查找表的解決方案因此消除了這個衝突，並且簡化了處理，因為操作調適性過程需要額外的計算步驟 來實現確保穩定性的安全措施。音樂補償機制的查找表誤差很小，例如1dB，由於沒有直接參考，因此1dB是可接受的。也就是說，當噪聲消除關閉時，使用者會感覺到來自頭戴式耳機的聲音頻譜(spectrum)相對於驅動器響應會略有不同，然而，這種差異很小，在一般操作中幾乎無法察覺，而且相較於由於洩漏的變化所導致的頻譜差異也很小。
相反地，如果在干擾音頻信號的噪聲部分與第三補償信號之間的音樂去除機制中存在類似的小誤差，則用來產生補償誤差信號的揚聲器信號的衰減或去除將被大大地降低。由於要從干擾音頻信號減去第三補償信號，意即直接與之比較，因此需要接近完美的匹配以實現良好的衰減。
因此，由誤差補償單元實現的額外調適性級(adaptive stage)係被用於音樂去除機制。
該目的係藉由包括根據上述其中一個實施例的音頻系統的耳戴式播放裝置來進一步解決。舉例來說，耳戴式播放裝置係頭戴式耳機或耳機。一般來說，術語「播放裝置」包含所有種類的音頻再生裝置。應當理解，在指定術語「音樂」時表示此術語可包含任何已知信號，例如，錄音。
該目的還透過一種用於耳戴式播放裝置的信號處理方法來解決，該耳戴式播放裝置具有揚聲器、另一麥克風以及誤差麥克風，一該揚聲器基於音頻輸出信號而產生揚聲器信號，該另一麥克風係組構成基於環境噪聲而產生噪聲信號，該誤差麥克風係組構成基於該揚聲器信號和該環境噪聲而產生干擾音頻信號。該方法包含：藉由將第一噪聲濾波器的濾波器操作施加到噪聲信號來產生第一補償信號；藉由疊加音頻信號、第一 補償信號以及第二補償信號來產生音頻輸出信號；以及藉由將補償濾波器的濾波器操作施加到音頻信號來產生第三補償信號。該方法進一步包含藉由將第二噪聲濾波器的濾波器操作施加到中間補償信號來產生第二補償信號，該中間補償信號係藉由從干擾音頻信號減去第三補償信號來產生。
該方法進一步包含：基於干擾音頻信號與第三補償信號來產生補償誤差信號；在基於第一噪聲濾波器或是基於干擾音頻信號以及音頻輸出信號來估算洩漏情況；基於補償誤差信號而調適第一噪聲濾波器；以及基於洩漏情況而調適補償濾波器。
透過上述音頻系統的實施例，信號處理方法的另外的實施例對於本領域的技術人員而言會變得顯而易見。
AS:音頻系統
HP:頭戴式耳機
HS:殼體
SP:揚聲器
FB_MIC:誤差麥克風、反饋噪聲麥克風
FF_MIC:前饋麥克風、環境噪聲麥克風
F:第一噪聲濾波器
B:第二噪聲濾波器
C:補償濾波器
ADP:調適單元
CTRL:控制單元
DET:偵測單元
EC:耳道
ECU:誤差補償單元
ED:耳膜
M1:第一混頻器
M2:第二混頻器
M3:第三混頻器
TU:調諧單元
X:可調濾波器元件
DFBM:驅動器至誤差麥克風的聲學傳遞函數、第一聲學傳遞函數
DE:驅動器到耳朵的聲學傳遞函數、第二聲學傳遞函數
AE:環境至耳朵的聲學傳遞函數、第三聲學傳遞函數
AFBM:環境至反饋響應函數、第四聲學傳遞函數
AFFM:環境至FF麥克風的傳遞函數、第五聲學傳遞函數
NOISE:環境噪聲
MP:行動電話
CS1:第一補償信號
CS2:第二補償信號
CS3:第三補償信號
E:干擾音頻信號
EM:補償誤差信號
IN:輸入信號
N:噪聲信號
SPS:揚聲器信號
下面將藉助於附圖更詳細地描述改進的概念。在整個附圖中，具有相同或相似功能的元件具有相同的元件符號。因此，接下來的附圖的描述中不必重複它們的描述。
圖1顯示頭戴式耳機的示意圖；
圖2顯示一般的調適性ANC系統的方塊圖；
圖3顯示”洩漏式”類型的耳機的範例代表；
圖4顯示由使用者配戴而具有來自環境聲音源的多個聲音路徑(sound paths)的範例頭戴式耳機。
圖5顯示ANC致能手機的範例代表；以及
圖6顯示用於根據改進概念的耳戴式播放裝置的音頻系統之例示性實施例的方塊圖。
圖1顯示頭戴式耳機HP形式的ANC致能(enabled)播放裝置的示意圖，該頭戴式耳機HP在此例子中被設計為耳罩式(over-ear)或頭罩式(circumaural)耳機。僅顯示出頭戴式耳機HP的一部分，對應於單個音頻通道。然而，對熟練的讀者而言，伸展成立體聲頭戴式耳機將是顯而易見的。頭戴式耳機HP包含帶有揚聲器SP之殼體HS、反饋噪聲麥克風或是誤差麥克風FB_MIC以及環境噪聲麥克風或是前饋麥克風FF_MIC。誤差麥克風FB_MIC係特別地定向或是配置成使得它記錄環境噪聲以及揚聲器SP上播放的聲音。視需要地，誤差麥克風FB_MIC的位置靠近揚聲器，舉例來說，靠近揚聲器SP的邊緣或是靠近揚聲器的薄膜。可替代地，誤差麥克風FB_MIC可被配置成靠近頭戴式耳機HP之使用者的耳道。特別地，對環境噪聲/前饋麥克風FF_進行定向或配置，使得它主要記錄來自耳戴式耳機HP外部的環境噪聲。
誤差麥克風FB_MIC可以根據改進的概念來使用，以在使用者配戴頭戴式耳機HP時提供誤差信號，該誤差信號是確定頭戴式耳機HP的佩戴狀況或聲學洩漏狀況的基礎。
在圖1的實施例中，根據改進概念的調適單元(adaption unit)ADP位於頭戴式耳機HP內以用於執行各種信號處理操作，調適單元ADP可包含偵測單元DET、調諧單元TU及/或誤差補償單元ECU，其範 例將於下列公開內容中描述。調諧單元TU、偵測單元DET以及誤差補償單元ECU可被配置為單一單元或是分開來配置。調諧單元TU、偵測單元DET以及誤差補償單元ECU也可放置在頭戴式耳機外部，例如，在位於行動手機或是電話或是在頭戴式耳機HP的纜線內的外部裝置中。
圖2顯示一般的調適性(adaptive)ANC系統的方塊圖。該系統包含誤差麥克風FB_MIC以及前饋麥克風FF_MIC，兩者皆提供它們的輸出信號至調適單元ADP。用前饋麥克風FF_MIC記錄的噪聲信號進一步提供給前饋濾波器F以產生經由揚聲器SP輸出的抗噪聲信號。在誤差麥克風FB_MIC處，從揚聲器SP輸出的聲音與環境噪聲結合，然後被記錄為誤差信號，該誤差信號包含在ANC之後的環境噪聲的剩餘部分。聲音調適單元ADP使用此誤差信號來調整前饋濾波器的濾波器響應。
圖3顯示”洩漏式”類型的耳機之範例表示，即，在周圍環境與耳道EC之間具有一些洩漏的耳機。特別地，在周圍環境與耳道EC之間存在一聲音路徑(sound path)，在圖中表示為“聲學洩漏”。
圖4顯示具有數個聲音路徑的由使用者配戴的頭戴式耳機的範例組構。圖4所示的頭戴式耳機HP表示為噪聲消除致能的音頻系統AS的耳戴式播放裝置的例子，且可例如包含塞耳式(in-ear)頭戴式耳機或耳機、貼耳式(on-ear)頭戴式耳機或是耳罩式頭戴式耳機。代替頭戴式耳機，耳戴式播放裝置也可以是行動電話或是類似的裝置。
在這個例子中，頭戴式耳機HP具有揚聲器(loudspeaker)SP、反饋噪聲麥克風FB_MIC以及(視需要的)環境噪聲麥克風FF_MIC(例如被設計成前饋噪聲消除麥克風)。為了更佳的概要，此處未顯示頭戴式耳 機HP的內部處理細節。
在圖4中所示的配置中，存在多個聲音路徑，每個聲音路徑可以由各自的聲學響應函數或是聲學傳遞函數表示。舉例來說，第一聲學傳遞函數DFBM代表揚聲器SP與反饋噪聲麥克風FB_MIC之間的聲音路徑，並且可被稱為驅動器-反饋(driver-to-feedback)響應函數。第一聲學傳遞函數DFBM可包含揚聲器SP自己本身的響應。第二聲學傳遞函數DE代表頭戴式耳機的揚聲器SP之間的聲學聲音路徑，潛在地包含揚聲器SP自己本身的響應，使用者的耳膜ED暴露於揚聲器SP，且可稱為驅動器-耳朵(driver-to-ear)響應函數。第三聲學傳遞函數AE代表環境聲音源與通過使用者的耳道EC之耳膜ED之間的聲學聲音路徑，且可稱為環境-耳朵(ambient-to-ear)響應函數。第四聲學傳遞函數AFBM代表環境聲音源與反饋噪聲麥克風FB_MIC之間的聲學聲音路徑，且可稱為環境至反饋(ambient-to-feedback)響應函數。本文中的驅動器響應是由第一聲學傳遞函數DFBM與第四聲學傳遞函數AFBM所產生的，即，由誤差麥克風FB_MIC所偵測到的總聲音信號。
關於環境噪聲麥克風FF_MIC，第五聲學傳遞函數AFFM代表環境聲音源與環境噪聲麥克風FF_MIC之間的聲學聲音路徑，且可稱為環境至前饋(ambient-to-feedforward)響應函數。
頭戴式耳機HP的響應函數或傳遞函數，特別是介於麥克風FB_MIC和FF_MIC與揚聲器SP之間，可以與反饋濾波器函數B與前饋濾波器函數F一起使用，在操作期間可以將反饋濾波器函數B與前饋濾波器函數F參數化(parameterize)為噪聲消除濾波器。
為了更好的概述，在圖4中省略了對麥克風信號的任何處理或是任何信號傳輸。但是，為了執行ANC，對麥克風信號的處理可以在位於頭戴式耳機或是其他耳戴式播放裝置中的處理器中、或是在專用處理單元中的頭戴式耳機外部實現。處理器或是處理單元係可稱為調適單元。如果處理單元被整合到播放裝置中，則播放裝置本身可形成噪聲消除致能的音頻系統AS。如果在外部執行處理，則外部裝置或是處理器與播放裝置一起可以形成噪聲消除致能音頻系統AS。舉例來說，可以在有線或無線的頭戴式耳機所連接的行動裝置(像是行動電話或是行動音頻播放器)中執行處理。
在不同的實施例中，FB或是誤差麥克風FB_MIC可位在專屬空腔中，詳細的例子在ams申請案EP17208972.4中。
現在參考圖5，示出噪聲消除致能音頻系統AS的另一個例子。在此示範實施方式中，系統係由像是行動電話MP之類的行動裝置形成，行動裝置包含具有揚聲器SP的播放裝置、反饋或誤差麥克風FB_MIC、環境噪聲或前饋麥克風FF_MIC以及調適單元ADP，以用來執行ANC及/或在操作期間的其他信號處理。
在未示出的另一實施方式中，例如顯示於圖1或是圖4的頭戴式耳機HP可以連接至行動電話MP，其中來自麥克風FB_MIC、FF_MIC的信號係從頭戴式耳機傳送到行動電話MP，特別是行動電話之處理器PROC，用來產生在頭戴式耳機之揚聲器上播放的音頻信號。舉例來說，根據頭戴式耳機是否連接至行動電話，使用手機的內部組件(即，揚聲器與麥克風)或是頭戴式耳機的揚聲器與麥克風執行ANC，從而在各種情況下使 用不同組的濾波器參數。
在下文中，將配合特定的使用情況來描述改進概念的數種實施方式。然而，對本領域技術人員顯而易見的是，為實作所描述的細節仍然可以應用於其他實作中。
圖6顯示根據改進概念的混合ANC音頻系統AS的區塊圖。音頻系統AS包含誤差麥克風FB_MIC與前饋麥克風FF_MIC。來自前饋麥克風FF_MIC的噪聲信號N被提供給前饋型第一噪聲濾波器F，以產生作為抗噪聲信號的第一補償信號CS1，該第一補償信號CS1被提供給第一混頻器M1。在誤差麥克風FB_MIC處，揚聲器信號SPS與環境噪聲NOISE結合在一起，並記錄為干擾音頻信號E，其中包含在ANC之後的環境噪聲的其餘部分。
干擾音頻信號E係提供給第三混頻器M3，其執行音樂補償處理，即，從所述干擾音頻信號E減去第三補償信號CS3，然後將得到的中間補償信號提供給反饋型第二噪聲濾波器B，以產生另一個抗噪聲信號，第二補償信號CS2。對於減法，第三混頻器M3可以是例如在其輸入之一上包括信號反相器的加法混頻器(additive mixer)。第二補償信號CS2係例如與音頻信號IN(例如音樂信號)以及第一補償信號CS1藉著第一混頻器M1來疊加，用於產生音頻輸出信號，音頻輸出信號係藉著揚聲器SP轉換為揚聲器信號SPS。
第三補償信號CS3係藉由補償濾波器C從音頻信號IN產生。除了用於音樂去除處理(music removal process)的誤差補償單元ECU之外，第三補償信號CS3還被提供給如上所述的第三混頻器M3。詳細地， 誤差補償單元ECU被組構成調整第三補償信號CS3，使得其與干擾音頻信號E的揚聲器部分匹配。誤差補償單元ECU的第二混頻器M2藉由從干擾音頻信號E減去調整過的補償信號來產生補償誤差信號EM，使得補償誤差信號EM僅或是實質上僅包含干擾音頻信號E的噪聲部分。
藉由將可調濾波器元件X的濾波操作施加到第三補償信號CS3，從第三補償信號CS3產生調整過後的補償信號。舉例來說，可調濾波器元件X係可調整增益，並且藉由包含控制單元CTRL的反饋迴路來調整，控制單元CTRL比較第三補償信號CS3與補償誤差信號EM，然後基於此比較來調整可調濾波器元件X的增益。為此，舉例來說，控制單元CTRL應用誤差最小化演算法，例如，最小均方演算法。
根據補償誤差信號EM來調整第一噪聲濾波器F的響應，使得藉由第一補償信號CS1，即，藉助於FF ANC，更有效地去除干擾音頻信號E中的殘留噪聲部分。
偵測單元DET係組構成根據第一噪聲濾波器的響應或是根據干擾音頻信號E與音頻輸出信號來估算聲學洩漏情況。如果音頻信號IN的位準相對於環境噪聲NOISE或是噪聲N的位準超過預定閾值，則偵測單元DET會根據驅動器響應(即，干擾音頻信號E與音頻輸出信號)來估算聲學洩漏情況，否則就根據第一噪聲濾波器F的響應來估算聲學洩漏情況。為了確定是否超過所述閾值，舉例來說，偵測單元係可組構成例如測量音頻部分相對於干擾音頻信號E的噪聲部分的位準。
關於透過驅動器響應的聲學洩漏情況的估算，偵測單元係可組構成將音頻輸出信號與干擾音頻信號進行比較，然後基於比較的結果來 估算聲學洩漏情況，例如，基於兩個信號之間的偏差。
關於透過第一噪聲濾波器F的響應來估算聲學洩漏情況，偵測單元係可組構成監視第一噪聲濾波器F的可調響應並且基於所述響應來估算聲學洩漏情況。舉例來說，偵測單元係組構成將第一噪聲濾波器F的響應與預定響應進行比較，以估算聲學洩漏情況。
偵測引擎DET係可組構成產生用來量化耳機實際的洩漏情況的洩漏值。因此，將洩漏值提供給調諧單元TU來調整補償濾波器C的響應，使得其匹配驅動器響應(即，從揚聲器SP到誤差麥克風FB_MIC的傳遞函數)。舉例來說，調諧單元TU包含具有查找表的記憶體，查找表包含多個參考洩漏值以及個別相關的濾波器響應。然後，調諧單元TU係組構成藉由根據從偵測單元DET接收到的洩漏值來設置其中一個相關聯的濾波器響應，而調整補償濾波器C的響應。如果從偵測單元DET接收到的洩漏值在兩個參考洩漏值之間，則調諧單元TU還可以被組構成內插(interpolate)補償濾波器C的調適。
除此之外，調諧單元TU還可被組構成根據從偵測單元DET接收到的洩漏值，例如，基於第二查找表，來調整第二噪聲濾波器B的響應。
舉例來說，調諧單元TU、偵測單元DET以及誤差補償單元ECU的組合基本上構成了圖1、2以及5中所示的調適單元ADP，並且可配置為在單一封裝中的組合特殊應用積體電路(ASIC)。
圖6中所示的音頻系統AS的實施例實現ANC，其包含FB ANC以及調適性FF ANC，並將補償濾波器C匹配到驅動器響應，從而可 以執行音樂補償與音樂去除處理兩者來實現增強的ANC，其考慮到聲學洩漏而不衰減所需的輸入信號IN。視需要地，FB ANC係基於洩漏情況而同樣可以是調適性的。
AS:音頻系統
SP:揚聲器
FB_MIC:誤差麥克風、反饋噪聲麥克風
FF_MIC:前饋麥克風、環境噪聲麥克風
F:第一噪聲濾波器
B:第二噪聲濾波器
C:補償濾波器
CTRL:控制單元
DET:偵測單元
ECU:誤差補償單元
M1:第一混頻器
M2:第二混頻器
M3:第三混頻器
TU:調諧單元
X:可調濾波器元件
NOISE:環境噪聲
CS1:第一補償信號
CS2:第二補償信號
CS3:第三補償信號
E:干擾音頻信號
EM:補償誤差信號
IN:輸入信號
N:噪聲信號
SPS:揚聲器信號

Claims (17)

  1. 一種用於耳戴式播放裝置(HP)的音頻系統(AS)，包括：
    揚聲器(SP)，組構成基於音頻輸出信號而產生揚聲器信號(SPS)；
    誤差麥克風(FB_MIC)，組構成基於環境噪聲(NOISE)以及該揚聲器信號(SPS)而產生干擾音頻信號(E)；
    另一麥克風(FF_MIC)，組構成基於該環境噪聲(NOISE)而產生噪聲信號(N)；
    第一噪聲濾波器(F)，組構成：
    藉由施加濾波器操作到該噪聲信號(N)而產生第一補償信號(CS1)；以及
    基於補償誤差信號(EM)而被調適；
    第一混頻器(M1)，組構成藉由疊加音頻信號(IN)、該第一補償信號(CS1)以及第二補償信號(CS2)而產生該音頻輸出信號；
    補償濾波器(C)，組構成：
    藉由施加濾波器操作到該音頻信號(IN)而產生第三補償信號(CS3)；以及
    基於聲學洩漏情況而被調適；
    第二噪聲濾波器(B)，組構成藉由施加濾波器操作到中間補償信號而產生該第二補償信號(CS2)，該中間補償信號係藉由從該干擾音頻信號(E)減去該第三補償信號(CS3)而產生；
    誤差補償單元(ECU)，組構成基於該干擾音頻信號(E)以及該第三補償信號(CS3)而產生該補償誤差信號(EM)；以及
    偵測單元(DET)，組構成基於該第一噪聲濾波器(F)或是基於該干擾音頻信號(E)以及該音頻輸出信號而估算該聲學洩漏情況。
  2. 如請求項1所述的音頻系統(AS)，其中，該補償濾波器(C)係組構成匹配介於該揚聲器(SP)與該誤差麥克風(FB_MIC)之間的洩漏依賴驅動器響應。
  3. 如請求項1或2所述的音頻系統(AS)，其中，該誤差補償單元(ECU)包含第二混頻器(M2)，該第二混頻器(M2)組構成藉由從該干擾音頻信號(E)減去基於該第三補償信號(CS3)的去除信號而產生該補償誤差信號(EM)。
  4. 如請求項3所述的音頻系統(AS)，其中，該誤差補償單元(ECU)進一步包含濾波器元件(X)，該濾波器元件(X)組構成從該第三補償信號(CS3)產生該去除信號。
  5. 如請求項4所述的音頻系統(AS)，其中，為了產生該去除信號，該濾波器元件(X)係組構成施加濾波器操作到該第三補償信號(CS3)。
  6. 如請求項4或5所述的音頻系統(AS)，其中，為了產生該去除信號，該誤差補償單元(ECU)係組構成根據該第三補償信號(CS3)以及該補償誤差信號(EM)來控制該濾波器元件(X)的可調增益。
  7. 如請求項6所述的音頻系統(AS)，其中，該誤差補償單元(ECU)係組構成藉由反饋迴路來控制該可調增益。
  8. 如請求項6所述的音頻系統(AS)，其中，該誤差補償單元(ECU)係組構成藉由將誤差最小化演算法，特別是最小均方演算法，應用到該第三補償信號(CS3)以及該補償誤差信號(EM)，來控制該可調增益。
  9. 如請求項1或2所述的音頻系統(AS)，其中，該第二噪聲濾波器(B)係進一步組構成基於該洩漏情況而被調適。
  10. 如請求項1或2所述的音頻系統(AS)，其中，該偵測單元(DET)係組構成估算該洩漏情況：
    如果該揚聲器信號(SPS)與該環境噪聲(NOISE)之間的比率超過設定的閾值，便基於該干擾音頻信號(E)與該音頻輸出信號；以及
    否則，便基於該第一噪聲濾波器(F)，特別是該第一噪聲濾波器(F)的濾波器參數。
  11. 如請求項1或2所述的音頻系統(AS)，其中，該洩漏情況使該播放裝置的環境與由使用者的耳道以及該播放裝置的空腔所定義的體積之間的聲學洩漏特徵化，其中，該空腔係配置在該揚聲器(SP)發出聲音的優先側。
  12. 如請求項1或2所述的音頻系統(AS)，其中，估算該洩漏情況包含決定洩漏值。
  13. 如請求項1或2所述的音頻系統(AS)，其中，該補償濾波器(C)係基於該洩漏情況與查找表中之參考洩漏情況的比較而被調適。
  14. 如請求項1或2所述的音頻系統(AS)，其中，
    為了產生該補償誤差信號(EM)，將可調增益施加到該第三補償信號(CS3)；以及
    為了產生該中間補償信號，該可調增益係沒有施加到該第三補償信號(CS3)。
  15. 如請求項1或2所述的音頻系統(AS)，其中，該偵測單元(DET)係組構成基於該第一噪聲濾波器(F)以及基於該干擾音頻信號(E)與該音頻輸出信號而估算該聲學洩漏情況。
  16. 一種耳戴式播放裝置(HP)，包含如請求項1或2所述的音頻系統(AS)。
  17. 一種用於耳戴式播放裝置(HP)的信號處理方法，該耳戴式播放裝置(HP)具有揚聲器(SP)、另一麥克風(FF_MIC)以及誤差麥克風 (FB_MIC)，該揚聲器(SP)基於音頻輸出信號而產生揚聲器信號(SPS)，該另一麥克風(FF_MIC)組構成基於環境噪聲(NOISE)而產生噪聲信號(N)，該誤差麥克風(FB_MIC)組構成基於該揚聲器信號(SPS)與該環境噪聲(NOISE)而產生干擾音頻信號(E)，該方法包括：
    藉由將第一噪聲濾波器(F)的濾波器操作施加到該噪聲信號(N)而產生第一補償信號(CS1)；
    藉由疊加音頻信號(IN)、該第一補償信號(CS1)以及第二補償信號(CS2)而產生該音頻輸出信號；
    藉由將補償濾波器(C)的濾波器操作施加到該音頻信號(IN)而產生第三補償信號(CS3)；以及
    藉由將第二噪聲濾波器(B)的濾波器操作施加到中間補償信號而產生該第二補償信號(CS2)，該中間補償信號係藉由從該干擾音頻信號(E)減去該第三補償信號(CS3)而產生；
    基於該干擾音頻信號(E)與該第三補償信號(CS3)而產生補償誤差信號(EM)；
    基於該第一噪聲濾波器(F)或是基於該干擾音頻信號(E)以及該音頻輸出信號而估算洩漏情況；
    基於該補償誤差信號(EM)而調適該第一噪聲濾波器(F)；以及
    基於該洩漏情況而調適該補償濾波器。
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