TW202207207A - 雙二階錯誤量整型主動抗噪系統 - Google Patents

雙二階錯誤量整型主動抗噪系統 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，包括一基準收訊裝置、一誤差收訊裝置、一音訊輸出裝置、一錯誤整形器、以及一處理器。該基準收訊裝置接收一基準音源訊號並輸出一基準訊號。該誤差收訊裝置接收一誤差音源訊號並輸出一誤差訊號。該音訊輸出裝置輸出一音訊訊號。該錯誤整形器的輸入端連接至該誤差收訊裝置以接收該誤差訊號，該錯誤整形器將該誤差訊號的高頻雜訊進行消除並輸出一錯誤整形訊號。該處理器的輸入端連接至該基準收訊裝置以及該錯誤整形器，該處理器將該錯誤整型訊號降噪並輸出一降噪訊號至該音訊輸出裝置。

Description

雙二階錯誤量整型主動抗噪系統
本發明提供一種雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，尤其是指一種能提升降噪效果的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統。
主動抗噪技術（Active Noise 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消，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藉由濾波器（FIR filter）將接收到的誤差訊號轉換為對應的反向訊號，藉以濾除噪聲。然而，所輸入誤差訊號的高頻有可能使位於濾波器（FIR filter）前端的自適應運算發散，導致降噪的效果不佳。
為解決上述問題，本發明提供一種雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，包括一基準收訊裝置、一誤差收訊裝置、一音訊輸出裝置、一錯誤整形器、以及一處理器。該基準收訊裝置接收一基準音源訊號並輸出一基準訊號。該誤差收訊裝置接收一誤差音源訊號並輸出一誤差訊號。該音訊輸出裝置輸出一音訊訊號。該錯誤整形器的輸入端連接至該誤差收訊裝置以接收該誤差訊號，該錯誤整形器包括一雜訊頻寬偵測器、一輸入端連接至該雜訊頻寬偵測器的係數修正器、以及輸入端連接至該係數修正器的1至N階雙二階濾波器。該雜訊頻寬偵測器計算該誤差訊號的頻寬。該係數修正器依據該誤差訊號的頻寬修正該1至N階雙二階濾波器的係數。該1至N階雙二階濾波器依據修正後的係數將下一取樣的該誤差訊號的高頻雜訊進行消除並由該1至N階雙二階濾波器輸出一錯誤整型訊號。該處理器的輸入端連接至該基準收訊裝置以及該錯誤整形器。該處理器的輸出端連接至該音訊輸出裝置。該處理器包括一LMS運算器、以及一輸入端連接至該LMS運算器的自適應濾波器。該LMS運算器依據所接收到的該基準訊號與該錯誤整型訊號更新該自適應濾波器的權係數。該自適應濾波器依據更新後的權係數輸出一降噪訊號至該音訊輸出裝置。
是以，本發明相較於先前技術能降低誤差訊號的高頻雜訊，並且能根據需求調整消除的高頻雜訊之外，進一步地避免自適應濾波器的運算發散而導致降噪效果降低。
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。
本發明於一實施例中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「裝置」、「器」及其對應執行的功能，可以由單一晶片或複數個晶片的組合協同執行，該等晶片配置的數量非屬本發明所欲限定的範圍。此外，所述的晶片可以為但不限定於處理器（Processor）、中央處理器（Central Processing Unit, CPU）、微處理器（Microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor, DSP）、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits, ASIC） 、可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device, PLD）等裝置的組合，於本發明中不予以限制。本發明另一實施例中，該「裝置」、「器」或其組合可以為音訊裝置（例如行動裝置、穿戴式裝置）提供的晶片，或是為整合或分離於有線耳機、無線耳機、或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。
以下針對本發明的其中一實施例進行說明，請參閱「圖1」，為本發明雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，如圖所示：
請參酌「圖1」，本實施例揭示雙二階錯誤量整型主動抗噪系統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、錯誤整形器40、以及處理器50。
所述的基準收訊裝置10主要用於接收基準音源訊號，基準音源訊號主要包括環境噪聲NS。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，基準收訊裝置10依序包括基準麥克風12、一連接於基準麥克風12後端的前置放大器14、一連接於前置放大器14後端的抗混疊濾波器16、以及連接於抗混疊濾波器16後端的類比-數位轉換器18。最終，類比-數位轉換器18輸出基準訊號至處理器50。
所述的誤差收訊裝置20主要用於接收誤差音源訊號，誤差收訊裝置20一般設置於抗噪區域範圍內的位置，誤差收訊裝置20所接收到的音訊相當於基準音源訊號與揚聲器所輸出的反向訊號之間的差值，在此定義為誤差音源訊號。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，誤差收訊裝置20包括一誤差麥克風22、一連接於誤差麥克風22後端的前置放大器24、一連接於前置放大器24後端的抗混疊濾波器26、以及一連接於抗混疊濾波器26後端的類比-數位轉換器28。最後，類比-數位轉換器28輸出誤差訊號至錯誤整形器40。
所述的音訊輸出裝置30主要用於輸出反向訊號，用以抵消環境中的環境噪聲NS。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，在此將前述反向訊號定義為音訊訊號。於一實施例中，音訊輸出裝置30依序包括一揚聲器38、一連接於揚聲器38前端的功率放大器36、一連接於功率放大器36前端的重建濾波器34、以及一連接於重建濾波器34前端的數位-類比轉換器32。其中，數位類比轉換器32接收處理器50的降噪訊號。
所述的錯誤整形器40主要用以降低誤差訊號的高頻雜訊，並將降低高頻雜訊後的誤差訊號定義為錯誤整形訊號。請一併參閱「圖2」、「圖3」、「圖4」，係本發明中錯誤整形器40的方塊示意圖、雙二階濾波器、1至N階雙二階濾波器階層配置的方塊示意圖，如圖所示：
所述的錯誤整形器40的輸入端連接至誤差收訊裝置20以接收誤差訊號。於一實施例中，錯誤整形器40依序包括一雜訊頻寬偵測器42、一輸入端連接至雜訊頻寬偵測器42的係數修正器44、以及輸入端連接至係數修正器44的1至N階雙二階濾波器46。其中，雜訊頻寬偵測器42的輸入端連接至誤差收訊裝置20的輸出端；係數修正器44的另一輸入端連接至基準麥克風12，於係數修正器44與基準麥克風12之間設置有一頻率偵測器（Frequency Detector）（圖未示）；1至N階雙二階濾波器46的1階雙二階濾波器461的另一輸入端連接至誤差收訊裝置20。最後，由1至N階雙二階濾波器46的N階雙二階濾波器46N輸出錯誤整形訊號至處理器50（前述的1至N階雙二階濾波器46中各別雙二階濾波器濾波器的結構如「圖3」所示）。
前述的1至N階雙二階濾波器46的階層配置如下，請參酌「圖4」：1階雙二階濾波器461的輸出端連接至2階雙二階濾波器462的另一輸入端；2階雙二階濾波器462的輸出端連接至3階雙二階濾波器463的另一輸入端，依此類推，N-1階雙二階濾波器46N-1的輸出端連接至N階雙二階濾波器46N的另一輸入端。
所述的處理器50的其中一輸入端連接至基準收訊裝置10，另一輸入端則連接至錯誤整形器40，用以將所接收的基準訊號與錯誤整形訊號進行自適應運算並達到降噪效果，在此定義處理器50所輸出用於抵消環境噪聲NS的訊號為降噪訊號。請一併參酌「圖5」，於一實施例中，處理器50包括LMS運算器52、以及輸入端連接至LMS運算器52的自適應濾波器54。其中，LMS運算器52的輸入端連接至錯誤整形器40、LMS運算器52的另一輸入端連接至基準收訊裝置10；自適應濾波器54的另一輸入端連接至基準收訊裝置10、自適應濾波器54的輸出端連接至音訊輸出裝置30。於本實施例中，基準收訊裝置10與LMS運算器52之間具有一次級路徑濾波器56用以預先對基準訊號進行濾波，次級路徑濾波器56作為估測實際上路徑的轉移函數，使LMS運算器52調整自適應濾波器54係數後能產生與環境噪聲NS大小相同、相位相反的降噪訊號至音訊輸出裝置30。
以上針對本發明硬體架構的一具體實施例進行說明，有關於本發明的運作將於下面進行更進一步的說明，請一併參閱「圖3」、「圖4」、「圖5」、「圖6」，為本發明雙二階濾波器、1至N階雙二階濾波器階層配置的方塊圖及雙二階錯誤量整型主動抗噪系統的控制邏輯示意圖、流程示意圖，如圖所示：
首先，環境噪聲NS藉由基準收訊裝置10的基準麥克風12接收，經由基準收訊裝置10將環境噪聲NS轉換成數位音訊的基準訊號；基準麥克風12接收的環境噪聲NS經過主要路徑60傳送至誤差收訊裝置20（步驟S201）。其中，主要路徑60為基準收訊裝置10至誤差收訊裝置20之間的傳輸路徑。
誤差收訊裝置20接收誤差音源訊號，並將誤差音源訊號轉換成數位音訊的誤差訊號至錯誤整形器40（步驟S202）。其中，誤差音源訊號為基準訊號與音訊輸出裝置30所輸出的音訊訊號之間的差值。
錯誤整形器40的雜訊頻寬感測器42偵測誤差訊號的頻寬並輸出一與誤差訊號的中心頻率相同頻寬的雜訊頻寬訊號至係數修正器44（步驟S203）。所述的中心頻率係由該雜訊頻寬偵測器42依據下列的式子經由誤差訊號獲得：
Figure 02_image001
Figure 02_image003
其中，
Figure 02_image005
為n階段由該誤差收訊裝置20輸入的誤差訊號，
Figure 02_image007
為該雜訊頻寬偵測器42輸出的該中心頻率，
Figure 02_image009
共有M個輸出，M為預設的輸出數量。
係數修正器44接收基準麥克風訊號與雜訊頻寬訊號，並計算一用於調整雙二階濾波器係數的係數修正訊號至1至N階雙二階濾波器46，使1至N階雙二階濾波器46依據誤差訊號的頻寬修正係數（步驟S204）。換句話說，本發明1至N階雙二階濾波器46的係數能由係數修正器44修正而調整所需修正的高頻雜訊。請參閱「圖3」，所述的係數修正器44依據下列式子修正各別雙二階濾波器461-46N的係數：
Figure 02_image011
Figure 02_image013
Figure 02_image015
Figure 02_image017
Figure 02_image019
其中，
Figure 02_image021
為中心角頻率數值，
Figure 02_image023
為固有頻率參數，
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
、
Figure 02_image031
、
Figure 02_image033
為各別雙二階濾波器461-46N的係數。
前述的中心角頻率數值以及該固有頻率參數由該係數修正器44依據下列的式子獲得：
Figure 02_image035
Figure 02_image037
其中，
Figure 02_image007
為由該雜訊頻寬偵測器42輸入的中心頻率，
Figure 02_image039
為由該基準麥克風12輸入的頻率，Q為預設的品質參數，
Figure 02_image021
為中心角頻率數值，
Figure 02_image023
為固有頻率參數。前述提及的品質參數Q基於品質因素而決定；固有頻率參數
Figure 02_image023
基於固有頻率因子而決定。
該1至N階雙二階濾波器46依據接收到的誤差訊號的頻寬修正係數，並依據修正後的係數將下一取樣的該誤差訊號的高頻雜訊進行消除後(
Figure 02_image041
、
Figure 02_image043
視為已知參數)，由該N階雙二階濾波器46N輸出一錯誤整形訊號（步驟S205）。所述的各別雙二階濾波器461-46N係依據下列的式子對該誤差訊號進行濾波：
Figure 02_image045
； 其中，
Figure 02_image047
、
Figure 02_image049
、
Figure 02_image051
係為第
Figure 02_image053
階、第
Figure 02_image055
階、及第
Figure 02_image057
階時點所接收到的誤差訊號，
Figure 02_image059
、
Figure 02_image061
、
Figure 02_image063
係為第
Figure 02_image053
階、第
Figure 02_image055
階、及第
Figure 02_image057
階時點輸出的該錯誤整型訊號，
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
、
Figure 02_image031
、
Figure 02_image033
係為各別雙二階濾波器461-46N的係數。
接續，處理器50的LMS運算器52接收錯誤整形訊號與經由次級路徑濾波器56的基準訊號更新自適應濾波器54的權係數，使自適應濾波器54將接收到的基準訊號調整成與環境躁聲NS大小相同、相位相反的降噪訊號，並輸出降噪訊號至音訊輸出裝置30（步驟S206）。
最後，音訊輸出裝置30將接收到的降噪訊號轉換輸出成類比音訊的音訊訊號，並藉由音訊訊號將環境躁聲NS進行消除（步驟S207）。
綜上所述，比起習知技術，本發明相較於先前技術能降低誤差訊號的高頻雜訊，並且能根據需求調整消除的高頻雜訊之外，進一步地避免自適應濾波器的運算發散而導致降噪效果降低。
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:雙二階錯誤量整型主動抗噪系統 10:基準收訊裝置 12:基準麥克風 14:前置放大器 16:抗混疊濾波器 18:類比-數位轉換器 20:誤差收訊裝置 22:誤差麥克風 24:前置放大器 26:抗混疊濾波器 28:類比-數位轉換器 30:音訊輸出裝置 32:數位-類比轉換器 34:重建濾波器 36:功率放大器 38:揚聲器 40:錯誤整型器 42:雜訊頻寬偵測器 44:係數修正器 46:1至N階雙二階濾波器 461-46N:雙二階濾波器 50:處理器 52:LMS運算器 54:自適應濾波器 56:次級濾波器 60:主要路徑 S201-207:步驟
圖1，為本發明雙二階錯誤量整型主動抗噪系統的方塊示意圖。
圖2，為本發明錯誤整形器的方塊示意圖。
圖3，為本發明雙二階濾波器的方塊示意圖。
圖4，為本發明1至N階雙二階濾波器階層配置的方塊示意圖。
圖5，為本發明雙二階錯誤量整型主動抗噪系統的控制邏輯示意圖。
圖6，為本發明雙二階錯誤量整型主動抗噪系統的流程示意圖。
10:基準收訊裝置
20:誤差收訊裝置
30:音訊輸出裝置
40:錯誤整型器
50:處理器
52:LMS運算器
54:自適應濾波器
56:次級濾波器
60:主要路徑

Claims (10)

  1. 一種雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，包括： 一基準收訊裝置，接收一基準音源訊號，並輸出一基準訊號； 一誤差收訊裝置，接收一誤差音源訊號，並輸出一誤差訊號； 一音訊輸出裝置，輸出一音訊訊號； 一錯誤整形器，其輸入端連接至該誤差收訊裝置以接收該誤差訊號，該錯誤整形器包括一雜訊頻寬偵測器、一輸入端連接至該雜訊頻寬偵測器的係數修正器、以及輸入端連接至該係數修正器的1至N階雙二階濾波器，該雜訊頻寬偵測器計算該誤差訊號的頻寬，該係數修正器依據該誤差訊號的頻寬修正該1至N階雙二階濾波器的係數，該1至N階雙二階濾波器依據修正後的係數將下一取樣的該誤差訊號的高頻雜訊進行消除並由該1至N階雙二階濾波器輸出一錯誤整型訊號；以及 一處理器，其輸入端連接至該基準收訊裝置以及該錯誤整形器，該處理器的輸出端連接至該音訊輸出裝置，該處理器包括一LMS運算器、以及一輸入端連接至該LMS運算器的自適應濾波器，該LMS運算器依據所接收到的該基準訊號與該錯誤整型訊號更新該自適應濾波器的權係數，該自適應濾波器依據更新後的權係數輸出一降噪訊號至該音訊輸出裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，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。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，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。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，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。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，其中，該雜訊頻寬偵測器的輸入端連接至該誤差收訊裝置以偵測該誤差訊號的頻寬並輸出一與該誤差訊號的中心頻率相同頻寬的雜訊頻寬訊號； 其中，該係數修正器的輸入端連接至該基準麥克風以接收一基準麥克風訊號，並依據該基準麥克風訊號及該雜訊頻寬訊號運算輸出一用於調整雙二階濾波器係數的係數修正訊號至該1至N階雙二階濾波器； 其中，該1階雙二階濾波器的輸入端連接至該誤差收訊裝置以接收該誤差訊號，該1至N階雙二階濾波器根據該係數修正訊號更新係數並根據更新後的係數修正下一取樣的該誤差訊號後由該N階雙二階濾波器輸出該錯誤整型訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，其中，各別該雙二階濾波器係依據下列的式子對該誤差訊號進行濾波：
    Figure 03_image065
    ； 其中，
    Figure 03_image047
    、
    Figure 03_image049
    、
    Figure 03_image051
    係為第
    Figure 03_image053
    階、第
    Figure 03_image055
    階、及第
    Figure 03_image057
    階時點所接收到的誤差訊號，
    Figure 03_image059
    、
    Figure 03_image061
    、
    Figure 03_image063
    係為第
    Figure 03_image053
    階、第
    Figure 03_image055
    階、及第
    Figure 03_image057
    階時點輸出的該錯誤整型訊號，
    Figure 03_image025
    、
    Figure 03_image027
    、
    Figure 03_image029
    、
    Figure 03_image031
    、
    Figure 03_image033
    係為各別雙二階濾波器的係數。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，其中，該係數修正器依據下列式子修正各別該雙二階濾波器的係數：
    Figure 03_image011
    Figure 03_image013
    Figure 03_image015
    Figure 03_image017
    Figure 03_image019
    其中，
    Figure 03_image021
    為中心角頻率數值，
    Figure 03_image023
    為固有頻率參數，
    Figure 03_image025
    、
    Figure 03_image027
    、
    Figure 03_image029
    、
    Figure 03_image031
    、
    Figure 03_image033
    為各別該雙二階濾波器的係數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，其中，該中心角頻率數值以及該固有頻率參數由該係數修正器依據下列的式子獲得：
    Figure 03_image067
    Figure 03_image037
    其中，
    Figure 03_image007
    為由該雜訊頻寬偵測器輸入的中心頻率，
    Figure 03_image039
    為由該基準麥克風輸入的頻率，Q為預設的品質參數，
    Figure 03_image021
    為中心角頻率數值，
    Figure 03_image023
    為固有頻率參數。
  9. 如申請專利範圍第8項中的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，其中，該中心頻率係由該雜訊頻寬偵測器依據下列的式子經由該誤差訊號獲得：
    Figure 03_image001
    Figure 03_image003
    其中，
    Figure 03_image005
    為n階段由該誤差收訊裝置輸入的誤差訊號，
    Figure 03_image007
    為該雜訊頻寬偵測器輸出的該中心頻率，
    Figure 03_image009
    共有M個輸出，M為預設的輸出數量。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的雙二階錯誤量整型主動抗噪系統，其中，所述的品質參數基於品質因素而決定，所述的固有頻率參數基於固有頻率因子而決定。
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