TWI381370B - Active noise reduction system - Google Patents

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TWI381370B TW099104372A TW99104372A TWI381370B TW I381370 B TWI381370 B TW I381370B TW 099104372 A TW099104372 A TW 099104372A TW 99104372 A TW99104372 A TW 99104372A TW I381370 B TWI381370 B TW I381370B
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張政元
李聖庭
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私立中原大學
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/007—Protection circuits for transducers

Description

主動式減噪系統
本發明係關於一種減噪系統，尤指一種主動式減噪系統。
隨著科技的快速進步，mp3隨身聽已經到了人手一台的程度，再加上大部分的行動電話也已經具有播放mp3的功能，使得使用者可以隨時隨地的享受音樂。但是，由於大多數的使用者都是在通勤或是外出時才使用mp3隨身聽，在這樣的環境中音樂常常會受到外在背景噪音的干擾，而造成音樂的品質受到影響。
而許多使用者是透過將音樂的播放音量提高來降低噪音與音樂的比例，如此一來，反而使得耳朵長時間處於高分貝的環境之下，容易使身心受到影響，嚴重時更可能造成聽力受損。
因此，有許多研究皆是為了減低噪音的程度所發展而出，一般來說，減噪方式可以分為兩大類，其中之一為被動式減噪，另一則為主動式減噪。被動式減噪是利用外在的材料來吸收與隔絕噪音，舉例而言，傳統耳機的耳罩會利用外殼的硬質材料來做隔音的動作，並且利用內部的軟質材料來做吸音動作。
而主動式減噪則是運用數位處理的原理，藉由輸出與噪音同樣頻率，但相位相反且振幅相同之波形來抵消噪音。而針對主動式減噪所發展出的演算法有很多種，較為大眾所知的即是運用適應性演算法做控制的方式，而其中又以最小均方(Least-Mean-Square；LMS)演算法最為廣泛使用。
但是習知技術在應用LMS演算法時發現，實際上噪音源與揚聲器和用以接收噪音之麥克風之間包含了第二路徑，如果不考慮第二路徑中的轉移函數的影響，而直接利用傳統的LMS演算法來做運算，可能會導致系統的不穩定，因此，習知技術發展出了回授濾波型最小均方(Feedback Filtered-X Least-Mean-Square；FFXLMS)演算法以應用於主動式減噪系統。
請參閱第一圖與第二圖，第一圖係為主動式減噪系統之示意圖。第二圖係為應用回授濾波型最小均方演算法之主動式減噪系統之架構。習知技術之主動式減噪系統100靠著接收音頻輸入信號a(n)與噪音干擾信號d(n)，並依據回授濾波型最小均方演算法來計算出音頻播放信號y(n)。其中，主動式減噪系統100具有一麥克風3用以接收該噪音干擾信號d(n)，並具有一揚聲器2用以播放該音頻播放信號y(n)。更進一步，音頻輸入信號a(n)係由一電子裝置4所發出並輸入至主動式減噪系統100。
這種主動式減噪系統100包含：一第一運算單元11，係用以接收該音頻輸入信號a(n)與該音頻播放信號y(n)，並解析出一第一參考信號y2(n)，其解析函數係為y2(n)=y(n)+a(n)；一第一誤差運算單元12，係用以接收該噪音干擾信號d(n)與該音頻播放信號y(n)，並解析出一第一誤差信號e(n)，其解析函數係為；一第二誤差運算單元13，係用以接收該第一誤差信號e(n)與該音頻輸入信號a(n)，並解析出一第二誤差信號e2(n)，其解析函數係為；一第二運算單元14，係用以接收該第二誤差信號e2(n)與該音頻播放信號y(n)，並解析出一第一預測噪音信號x(n)，其解析函數係為；一第一適應性運算單元15，係用以接收該第一預測噪音信號x(n)，並解析出該音頻播放信號y(n)，其解析函數係為；以及一第二適應性運算單元16，係用以接收該第一預測噪音信號x(n)，並解析出一第二預測噪音信號x’(n)，其解析函數係為；其中，S 'm 與Wl 係為最小均方演算法函數，其定義分別為S 'm (n +1)=S 'm (n )+μa (n -m )e 2(n ),m =0,1,...,M -1以及Wl (n +1)=Wl (n )+μx '(n -l )e 2(n ),l =0,1,...,L -1，其中，μ係為一收斂因子(convergence factor)。
但是，由於收斂因子μ通常是一個小於1的浮點數，故習知的主動式減噪系統100必須要使用較為強大的控制器，如DSP或ASIC，否則將會花資相當長的時間在做虛擬浮點運算。
舉例而言，若利用傳統運用回授濾波型最小均方的主動式減噪系統100來做處理，且控制器選用較為簡單且便宜的微處理器(Microcontroller Unit；MCU)，請參閱第三圖，第三圖係為MCU控制器對於基本浮點運算以及基本整數運算所需工作週期之示意表。
其中，以工作頻率為40MHz之MCU作為舉例，其一個工作週期是0.025uS，而基本浮點運算中所需工作週期最短的則為浮點運算乘法，其所需時間為109*0.025uS=2.75uS，若主動式減噪系統100採用10kHz的音頻採樣頻率，則每一個運算迴圈僅有1/10kHz=100uS的運算時間，也就是僅能做36次的浮點數運算。
接著就習知主動式減噪系統100而言，若使用之主動式減噪系統100為一n階之主動式減噪系統，那麼需要利用S 'm 函數做運算的第二誤差運算單元13、第二運算單元14與第二適應性運算單元16於每一次運算迴圈中，為了運算出S 'm 函數中的收斂因子μ，就必須做n次的整數除法。
而需要利用Wl 函數做運算的第一適應性運算單元15於每一次運算過程中，為了運算出Wl 函數中的收斂因子μ，亦必須做n次的整數除法。
可以清楚的發現，若是採用簡單的控制器如MCU於習知技術運用傳統回授濾波型最小均方的主動式減噪系統100中，則僅能採用非常低階數的最小均方演算法S 'm 與Wl 來做運算，但也因此造成主動式減噪系統100的減噪效果不佳。
綜觀以上所述，習知技術利用傳統回授濾波型最小均方的主動式減噪系統100於運算時，由於收斂因子μ通常是一個小於1的浮點數，造成運算時需要使用大量的浮點數運算，而使用較強大的控制器如DSP與ASIC雖然可以直接對浮點數運算做處理，但是其價格較為昂貴，導致主動式減噪系統100之成本升高。
反之，若採用較便宜的控制器如MCU雖然可以降低成本，但是這類的控制器無法直接對浮點數做運算，必須利用除法來間接產生所需之浮點數，進而造成運算時間過長，而僅能使用低階數的最小均方演算法，也因此導致主動式減噪系統100之減噪效果不佳。
緣此，本發明之主要目的係提供一種減噪系統，尤指一種主動式減噪系統。此主動式減噪系統之主要目的係為減少所使用之回授濾波型最小均方演算法中之浮點數運算量，藉以在主動式減噪系統採用無浮點數運算功能之控制器時，縮短控制器之運算時間。
一種主動式減噪系統係用以接收一音頻輸入信號與一噪音干擾信號，並依據回授濾波型最小均方演算法計算出一音頻播放信號。其中，本發明之主動式減噪系統對所使用之回授濾波型最小均方演算法之收斂因子(convergence factor)μ作最佳化，藉以減少主動式減噪系統於運算處理時所作除法運算之次數，進而增加主動式減噪系統之運算速度。
相較於習知之主動式減噪系統，本發明之主動式減噪系統對所使用之回授濾波型最小均方演算法之收斂因子μ作最佳化，藉以減少主動式減噪系統於運算處理時所作浮點數運算之次數。因此，在主動式減噪系統採用無浮點數運算功能之控制器時，得以減少控制器之運算時間，進而增加最小均方演算法之階數，達到更好的減噪效果。
換以言之，本發明之主動式減噪系統得以採用無浮點數運算功能之控制器，達到降低成本之功效。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
本發明係關於一種減噪系統，尤指一種主動式減噪系統。以下茲列舉二較佳實施例以說明本發明，然熟習此項技藝者皆知此僅為二舉例，而並非用以限定發明本身。有關此較佳實施例之內容詳述如下。
請繼續參閱第二圖，本發明之主動式減噪系統100係對所使用之回授濾波型最小均方演算法之收斂因子μ作最佳化。第一較佳實施例之主動式減噪系統100係用以接收音頻輸入信號a(n)與噪音干擾信號d(n)，並依據回授濾波型最小均方演算法(Feedback Filtered-X Least-Mean-Square；FFXLMS)計算出音頻播放信號y(n)，其中，當該音頻輸入信號a(n)=0時，該主動式減噪系統係僅針對該噪音干擾信號d(n)做減噪之動作。
此主動式減噪系統100包含第一運算單元11、第一誤差運算單元12、第二誤差運算單元13、第二運算單元14、第一適應性運算單元15以及第二適應性運算單元16。
第一運算單元11係用以接收音頻輸入信號a(n)與音頻播放信號y(n)，並解析出第一參考信號y2(n)，其解析函數係為y2(n)=y(n)+a(n)。其中，第一運算單元11係為一加法器。
第一誤差運算單元12係用以接收噪音干擾信號d(n)與音頻播放信號y2(n)，並解析出第一誤差信號e(n)，其解析函數係為。其中，第一誤差運算單元12係具有至少一減法器、至少一加法器與至少一乘法器。
第二誤差運算單元13係用以接收第一誤差信號e(n)與音頻輸入信號a(n)，並解析出第二誤差信號e2(n)，其解析函數係為。其中，第二誤差運算單元13係具有至少一加法器與至少一乘法器。
第二運算單元14係用以接收第二誤差信號e2(n)與音頻播放信號y(n)，並解析出第一預測噪音信號x(n)，其解析函數係為。其中，第二運算單元14係具有至少一加法器與至少一乘法器。
第一適應性運算單元15係用以接收第一預測噪音信號x(n)，並解析出音頻播放信號y(n)，其解析函數係為，其中，μ為最小均方演算法之收斂因子(convergence factor)。其中，第一適應性運算單元15係具有至少一加法器與至少一乘法器。
第二適應性運算單元16係用以接收第一預測噪音信號x(n)，並解析出第二預測噪音信號x’(n)，其解析函數係為。其中，第二適應性運算單元16係具有至少一加法器與至少一乘法器。
其中，S 'm 與Wl 係為最小均方演算法函數，其定義分別為S 'm (n +1)=S 'm (n )+μa (n -m )e 2(n )以及。
可以清楚發現，於本發明之主動式減噪系統100中，第一適應性運算單元15所運用之解析函數為，若本發明所使用之主動式減噪系統100為一n階之主動式減噪系統，那麼需要利用函數做運算的第一適應性運算單元15於每一次運算迴圈中，為了運算收斂因子μ，僅需要做1次的整數除法。
再與前述習知技術運用傳統回授濾波型最小均方的主動式減噪系統100，對於n階之主動式減噪系統，第一適應性運算單元15於每一次運算迴圈中，為了運算出Wl 函數中的收斂因子μ，則必須做n次的整數除法，而本發明之第一實施例中僅需要做1次的整數除法，若是主動式減噪系統100採用MCU控制器，則每一次運算迴圈中即節省了n-1次整數除法的運算時間。
與第一實施例不同的是，本發明之第二實施例當中，第二誤差運算單元13之解析函數係為，第二運算單元14之解析函數係為，第一適應性運算單元15之解析函數係為，而第二適應性運算單元之解析函數係為。其中，S 'm 與Wl 係為最小均方演算法函數，其定義分別為以及Wl (n +1)=Wl (n )+μx '(n -l )e 2(n )。
可以清楚發現，若本發明所使用之主動式減噪系統100為一n階之主動式減噪系統，那麼需要利用函數做運算的第二誤差運算單元13、第二運算單元14與第二適應性運算單元16於每一次運算迴圈中，為了運算出收斂因子μ，皆僅需要做1次的整數除法。換以言之，需要利用函數做運算的所有運算單元，為了運算出收斂因子μ，總共需要3次的整數除法。
再與前述習知技術運用傳統回授濾波型最小均方演算法的主動式減噪系統100，對於n階之主動式減噪系統，第二誤差運算單元13、第二運算單元14與第二適應性運算單元16於每一次運算迴圈中，為了運算出S 'm 函數中的收斂因子μ，則必須做n次的整數除法，而本發明之第二實施例中總計僅需要做3次的整數除法。若是主動式減噪系統100採用MCU控制器，則每一次運算迴圈中即節省了n-3次整數除法的運算時間。
更進一步的，本發明可將習知技術主動式減噪系統100所運用之傳統回授濾波型最小均方演算法中，所有運用到收斂因子μ之解析函數皆利用本發明所述之方法做優化。故相較於運用傳統回授濾波型最小均方演算法之主動式減噪系統100，本發明之主動式減噪系統100於一次運算迴圈中最多可節省(n-1)+(n-3)=2n-4次整數除法的運算時間。
綜合以上所述，本發明之主動式減噪系統100針對所使用之回授濾波型最小均方演算法之收斂因子μ作最佳化，藉以減少主動式減噪系統於運算處理時所作浮點數運算之次數。因此，在主動式減噪系統100採用無浮點數運算功能之控制器如MCU時，得以減少控制器之運算時間，進而得以增加最小均方演算法之階數，達到更好的減噪效果。
換以言之，本發明之主動式減噪系統100得以採用無浮點數運算功能之控制器，達到降低成本之功效。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
100．．．主動式減噪系統
11．．．第一運算單元
12．．．第一誤差運算單元
13．．．第二誤差運算單元
14．．．第二運算單元
15．．．第一適應性運算單元
16．．．第二適應性運算單元
2．．．揚聲器
3．．．麥克風
4．．．電子裝置
d(n)．．．噪音干擾信號
y(n)．．．音頻播放信號
y2(n)．．．第一參考信號
a(n)．．．音頻輸入信號
x(n)．．．第一預測噪音信號
x’(n)．．．第二預測噪音信號
e(n)．．．第一誤差信號
e2(n)．．．第二誤差信號
第一圖係為主動式減噪系統之示意圖；
第二圖係為應用回授濾波型最小均方演算法之主動式減噪系統之架構；以及
第三圖係為MCU控制器對於基本浮點運算以及基本整數運算所需工作週期之示意表。
100．．．主動式減噪系統
11．．．第一運算單元
12．．．第一誤差運算單元
13．．．第二誤差運算單元
14．．．第二運算單元
15．．．第一適應性運算單元
16．．．第二適應性運算單元
d(n)．．．噪音干擾信號
y(n)．．．音頻播放信號
y2(n)．．．第一參考信號
a(n)．．．音頻輸入信號
x(n)．．．第一預測噪音信號
x’(n)．．．第二預測噪音信號
e(n)．．．第一誤差信號
e2(n)．．．第二誤差信號

Claims (24)

  1. 一種主動式減噪系統，係用以接收一音頻輸入信號a(n)與一噪音干擾信號d(n)，並依據回授濾波型最小均方演算法(Feedback Filtered-X Least-Mean-Square；FFXLMS)計算出一音頻播放信號y(n)，該主動式減噪系統係包含：一第一運算單元，係用以接收該音頻輸入信號a(n)與該音頻播放信號y(n)，並解析出一第一參考信號y2(n)，其解析函數係為y2(n)=y(n)+a(n)；一第一誤差運算單元，係用以接收該噪音干擾信號d(n)與該音頻播放信號y(n)，並解析出一第一誤差信號e(n)，其解析函數係為；一第二誤差運算單元，係用以接收該第一誤差信號e(n)與該音頻輸入信號a(n)，並解析出一第二誤差信號e2(n)，其解析函數係為；一第二運算單元，係用以接收該第二誤差信號e2(n)與該音頻播放信號y(n)，並解析出一第一預測噪音信號x(n)，其解析函數係為；一第一適應性運算單元，係用以接收該第一預測噪音信號x(n)，並解析出該音頻播放信號y(n)，其解析函數係為，其中，μ係為一收斂因子(convergence factor)；以及一第二適應性運算單元，係用以接收該第一預測噪音信號x(n)，並解析出一第二預測噪音信號x’(n)，其解析函數係為；其中，S 'm 與Wl 係為最小均方演算法函數，其定義分別為S 'm (n +1)=S 'm (n )+μa (n -m )e 2(n )以及，Sm 係為該主動式減噪系統中聲音於傳導過程所造成之聲場轉移函數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該主動式減噪系統更具有一麥克風用以接收該噪音干擾信號d(n)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該主動式減噪系統更具有一揚聲器用以播放該音頻播放信號y(n)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該噪音干擾信號d(n)係包含背景噪音與音頻播放信號y(n)所產生之回音中之至少一者。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該音頻輸入信號a(n)係由一電子裝置所發出。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，當該音頻輸入信號a(n)=0時，該主動式減噪系統係僅針對該噪音干擾信號d(n)做減噪之動作。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該第一運算單元係為一加法器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該第一誤差運算單元係為至少一減法器、至少一加法器與至少一乘法器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該第二誤差運算單元係具有至少一加法器與至少一乘法器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該第二運算單元係具有至少一加法器與至少一乘法器。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該第一適應性運算單元係具有至少一加法器與至少一乘法器。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之主動式減噪系統，其中，該第二適應性運算單元係具有至少一加法器與至少一乘法器。
  13. 一種主動式減噪系統，係用以接收一音頻輸入信號a(n)與一噪音干擾信號d(n)，並依據回授濾波型最小均方演算法(Feedback Filtered-X Least-Mean-Square；FFXLMS)計算出一音頻播放信號y(n)，該主動式減噪系統係包含：一第一運算單元，係用以接收該音頻輸入信號a(n)與該音頻播放信號y(n)，並解析出一第一參考信號y2(n)，其解析函數係為y2(n)=y(n)+a(n)；一第一誤差運算單元，係用以接收該噪音干擾信號d(n)與該音頻播放信號y(n)，並解析出一第一誤差信號e(n)，其解析函數係為；一第二誤差運算單元，係用以接收該第一誤差信號e(n)與該音頻輸入信號a(n)，並解析出一第二誤差信號e2(n)，其解析函數係為，其中，μ係為一收斂因子(convergence factor)；一第二運算單元，係用以接收該第二誤差信號e2(n)與該音頻播放信號y(n)，並解析出一第一預測噪音信號x(n)，其解析函數係為；一第一適應性運算單元，係用以接收該第一預測噪音信號x(n)，並解析出該音頻播放信號y(n)，其解析函數係為；以及一第二適應性運算單元，係用以接收該第一預測噪音信號x(n)，並解析出一第二預測噪音信號x’(n)，其解析函數係為；其中，S 'm 與Wl 係為最小均方演算法函數，其定義分別為以及Wl (n +1)=Wl (n )+μx '(n -l )e 2(n )，Sm 係為該主動式減噪系統中聲音於傳導過程所造成之聲場轉移函數。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該主動式減噪系統更具有一麥克風用以接收該噪音干擾信號d(n)。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該主動式減噪系統更具有一揚聲器用以播放該音頻播放信號y(n)。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該噪音干擾信號d(n)係包含背景噪音與音頻播放信號y(n)所產生之回音中之至少一者。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該音頻輸入信號a(n)係由一電子裝置所發出。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，當該音頻輸入信號a(n)=0時，該主動式減噪系統係僅針對該噪音干擾信號d(n)做減噪之動作。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該第一運算單元係為一加法器。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該第一誤差運算單元係為至少一減法器、至少一加法器與至少一乘法器。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該第二誤差運算單元係具有至少一加法器與至少一乘法器。
  22. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該第二運算單元係具有至少一加法器與至少一乘法器。
  23. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該第一適應性運算單元係具有至少一加法器與至少一乘法器。
  24. 如申請專利範圍第13項所述之主動式減噪系統，其中，該第二適應性運算單元係具有至少一加法器與至少一乘法器。
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