TWI386018B - Speech communication device with noise canceling structure - Google Patents
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Description
本發明係涉及一種語音通訊裝置，特別是指其噪音消除結構之創新設計者。
按，最常見的傳統噪音抑制技術，多半是利用各種吸音材料，以被動方式吸收噪音的能量來達成。然而在低頻狀態時，聲音的波長遠大於一般吸音材料的厚度，例如頻率為100Hz的聲音，在常溫、海平面上的波長約為3~4公尺，因此，除非使用非常厚重的吸音器材才可有效阻絕低頻聲音的傳遞，而對於一般的應用而言，這種被動式消除噪音的技術，對於低頻噪音的隔絕能力並不理想。所以，在實務應用上，被動式噪音消除法往往必需在低頻噪音的有效消除與吸音器材可能極佔空間、體積龐大及價格昂貴的矛盾問題中取得平衡。
為了能夠有效克服前述問題，一種使用外加聲源以消除噪音之主動式噪音控制(active noise control；ANC)理論，多年來，已經引起廣泛且深入的研究與發展。主動式噪音控制系統的基本原理，主要的是利用波形合成原理，在噪音源附近產生一個與原噪音波形相同、大小相等、相位差180度的反噪音聲波，使其對噪音源產生破壞性干涉而達到噪音音量降低之目的。如第1圖所示，係為噪音(noise)波形(L1)、反噪音(anti-noise)波形(L2)、以及噪音與反
噪音波形疊加後的殘餘噪音(residual noise)波形(L3)。由此可知，主動式噪音消除技術的成敗，將取決於反噪音波形、大小與相位的估測與控制的正確性。
實務上，我們希望最終傳遞到人耳耳鼓中的空氣波動不再含有噪音成份或至少噪音成份可被壓抑到極限狀態，以主動式噪音控制技術而言，這個目標可由兩種方式來達成，第一種方式是在噪音的來源處裝設反制噪音(與噪音訊號波形相同、大小相等、相位相反)之反噪音源，並期望噪音在源頭就能被抵消而無法向外擴散，然而，除了某些特別的設施如汽車排氣尾管、中央空調系統之冷氣輸送管，其聲音傳播的主要方向是與管路平行之外，在日常生活中所感受的噪音，其聲波通常是向四面八方傳播的，若欲消除每一個方向的噪音訊號，必須考慮到音源及傳播路徑上所有相關的三維聲場以及其複雜度；在多重噪音源及傳播路徑可能非常複雜的環境中，這種方法使得主動式噪音控制系統過於龐大且複雜，因而不符經濟效益。第二種方式則是放棄製造產生一個大的無噪音空間，而僅止於估測在耳鼓外之噪音訊號，並據以在耳鼓附近產生一個與其波形相同、大小相等、相位相反之噪音訊號，以在耳鼓附近產生一個很小的無噪音空間。而這種技術由於所牽涉的噪音波形估測與反噪音波形之產生與控制都來得相對簡單許多，因此市面上已有多種降噪耳機以配戴耳機的方式，利用耳機內的揚聲器輸出反噪音波形來降低耳鼓附近的噪音。
次查，用來產生反相噪音的控制系統主要分為固定參數與適應性兩種。其中固定參數的控制系統，是將輸入的噪音訊號直接經過反相電路後產生反相噪音，然而這種方
法所產生的反相噪音會因為反相電路的不理想之大小與相位響應，使得噪音無法被完全消除，為了能夠補償控制系統本身的相位延遲並能夠因應時變的噪音，必需採用能夠自動調整參數的適應性控制系統，目前主要應用於耳機裝置的適應性主動式噪音控制系統是屬於回授式，其作法是在耳機內部配置一個微型麥克風來取得耳內噪音，經由適應性控制系統估測出反噪音後經由耳機內的揚聲器輸出，藉以達到噪音消除之目的。然而，該回授式主動噪音控制系統的主要限制在於當揚聲器輸出反噪音後，耳內噪音與反噪音結合後，耳機內部的麥克風取得的是殘餘噪音，而適應性控制系統所需要的噪音參考訊號並無法直接取得，只能使用合成的技術來產生。當所合成的噪音參考訊號不準確時，會使得所估測出的反噪音亦隨之不準確，因而大幅降低噪音消除的性能。
是以，針對上述習知噪音抑制技術設計上所存在之問題點，如何研發出一種噪音消除效果更佳、更具理想實用性之創新設計，實有待相關業界再加以思索突破之目標及方向者。
有鑑於此，發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。
本發明之主要目的，係在提供一種具噪音消除結構之語音通訊裝置，其所欲解決之問題點，係針對習知主動式噪音控制技術仍舊存在反噪音估測不準確而致噪音消除性
低之問題點加以思索突破；所述語音通訊裝置係包括裝置本體、揚聲器、耳內麥克風、講話麥克風以及適應性控制系統所構成；本發明解決問題之技術特點，主要是在該裝置本體外部增設一外部噪音麥克風，該外部噪音麥克風為具單一指向性之麥克風，藉以取得耳鼓外部的噪音，以作為該適應性控制系統的噪音參考訊號，藉此創新獨特設計，使本發明對照先前技術而言，俾可正確地估測出耳內反噪音，使得受話端在接聽遠端語音時可降低噪音干擾；並可從受噪音干擾的近端語音中分離噪音與近端語音後，再將無噪音干擾的近端語音傳送到遠端；故本發明將可確實達到增加估測反噪音正確性並提升主動式噪音消除性能之實用進步性。
請參閱第2、3、4圖所示，係本發明具噪音消除結構之語音通訊裝置之較佳實施例，惟此等實施例僅供說明之用，在專利申請上並不受此結構之限制。
本發明係針對語音通訊裝置(如外掛式耳機麥克風、耳塞式耳機麥克風、行動電話、固定式電話等)提出具前授式噪音控制技術的噪音消除結構，該噪音消除結構可設置於外掛式耳機麥克風、耳塞式耳機麥克風或直接配置於電話話機內部。如第2、3圖與第4圖所示，分別為所述噪音消除結構配置於一外掛式耳機麥克風10A、耳塞式耳機麥克風10B以及行動電話10C之具前授式噪音控制技術的雙向音頻通訊系統架構圖，該語音通訊裝置包括：
一裝置本體，泛指可用於進行雙向語音通訊的裝置(如行動電話、固定式電話等)之主體部位，如第2圖所示之外掛式耳機麥克風10A、第3圖所示之耳塞式耳機麥克風10B、以及第3圖所示之行動電話10C等。
一揚聲器20，係可配置於該外掛式耳機麥克風10A的耳機內部(如第2圖所示)；或是配置於該耳塞式耳機麥克風10B的耳機內部(如第3圖所示)；或是配置於該行動電話10C內部(如第4圖所示)；所述揚聲器20係負責輸出反噪音及遠端語音，輸出反噪音的目的是為了消除耳鼓附近的噪音，本發明中稱之為耳內噪音。遠端語音指的則是進行雙向語音通訊時對方所傳來的語音。
一耳內麥克風30，係可配置於該外掛式耳機麥克風10A的耳機內部並位於該揚聲器20旁(如第2圖所示)；或是配置於該耳塞式耳機麥克風10B的耳機內部於該揚聲器20旁(如第3圖所示)；或是配置於該行動電話10C內部位於揚聲器20旁(如第4圖所示)。所述耳內麥克風30是一個微型的麥克風用以取得耳機內部的聲音，包括殘餘噪音、遠端語音以及次要近端語音；所述殘餘噪音是揚聲器20輸出的反噪音與耳內噪音互相抵消後剩下的噪音，次要近端語音則是使用者講話時的語音經由口腔內部回傳到耳道的語音。
一外部噪音麥克風40，係可配置於該外掛式耳機麥克風10A的耳機外部(如第2圖所示)；或是配置於該耳塞式耳機麥克風10B的耳機外部(如第3圖所示)；或是配置於該行動電話10C背面(如第4圖所示)。該外部噪音麥克風40是一個具單一指向性的麥克風，用以取得耳鼓外部的噪音，本發明中稱之為耳外噪音。該單一指向性的噪
音麥克風配置的方向必需能夠避免接收到由使用者講話所產生的主要近端語音。
一講話麥克風50，係可配置於該外掛式耳機麥克風10A之靠近使用者口部位置處(如第2圖所示)；或是配置於該耳塞式耳機麥克風10B(如第3圖所示)；或是配置於該行動電話10C下方(如第4圖所示)。該講話麥克風50是一個全向性麥克風，用以接收使用者講話時所產生的主要近端語音以及噪音環境中的噪音；該講話麥克風50所接收到的噪音，在本發明中稱之為次要耳外噪音。
一適應性控制系統60，係可使用數位訊號處理器(Digital Signal Processor)做為該系統的運算核心。可獨立配置於該外掛式耳機麥克風10A外部(如第2圖所示)或該耳塞式耳機麥克風10B外部(如第3圖所示)；或是配置於該行動電話10C內部(如第4圖所示)。本發明中所提出的適應性控制系統60主要包括反噪音估測濾波器、主要近端語音估測濾波器以及次要近端語音估測濾波器的設計，且令該外部噪音麥克風40所取得的主要耳外噪音做為該反噪音估測濾波器的參考輸入訊號以及主要近端語音估測濾波器的參考輸入訊號，並令主要近端語音估測濾波器的輸出做為次要近端語音估測濾波器的參考輸入訊號者。
又其中，該第2、3圖所示之方塊70，係代表電話話機(如行動電話或固定式電話)，經由該適應性控制系統60進行噪音消除後之主要近端語音將透過該電話話機70傳送到遠端。
本發明所提出以LMS(least-mean-square)以及FXLMS(filtered -X least-mean-square)演算法則為基礎的適應性控制系統完整
方塊圖如第5圖所示，圖中使用z轉換表示法來表示輸入/輸出訊號、估測濾波器或系統裝置，其中P
(z
)為主要路徑的等效轉移函數，代表噪音麥克風到耳內麥克風的聲波傳輸路徑；S
(z
)為第二路徑的等效轉移函數，主要包含麥克風截取聲音時所需經過的各項電子裝置(包括麥克風、前置放大器、前置低通濾波器、類比數位轉換器)，以及揚聲器輸出聲音時所需經過的各項電子裝置(包括數位類比轉換器、後置低通濾波器)，如第6圖所示；為第二路徑估測濾波器的轉移函數，用於近似第二路徑轉移函數；W 1
(z
)是反噪音估測濾波器的轉移函數，用於估測耳內反噪音；W 2
(z
)是主要近端語音估測濾波器的轉移函數，用於估測主要近端語音；W 3
(z
)是次要近端語音估測濾波器的轉移函數，用於估測次要近端語音。
反噪音估測濾波器W 1
(z
)是以主要耳外噪音X 1
(z
)為參考輸入訊號，並輸出反噪音，其關係可表示如下：
反噪音結合遠端語音G
(z
)後，經過第二路徑轉移函數S
(z
)，再與耳內噪音D
(z
)以及次要近端語音Q 2
(z
)結合，因此耳內麥克風取得的聲音U
(z
)可表示如下：
其中R
(z
)為殘餘噪音，如果耳內噪音可以被反噪音抵消，即R
(z
)=0，則
將D
(z
)=X 1
(z
)P
(z
)以及代入上式，可得到W 1
(z
)的最佳解如下：
換言之，如果反噪音估測濾波器W 1
(z
)可以同時估測出主要路徑的轉移函數，以及第二路徑的反轉移函數，則可即時估測出有效的耳內反噪音，達到噪音消除的目的。然而，反噪音估測濾波器W 1
(z
)所使用的FXLMS演算法則要正確地收斂到最佳解，必需有正確的殘餘噪音做為調整濾波器參數的依據。但是，該耳內麥克風所取得的聲音除了殘餘噪音之外，還包括遠端語音成份G
(z
)S
(z
)以及次要近端語音Q 2
(z
)，因此為了能夠取得正確的殘餘噪音，必需移除耳內麥克風所取得的遠端語音成份與次要近端語音。
為此，本發明中係將遠端語音G
(z
)通過該第二路徑估測濾波器來估測近似耳內麥克風所包含的遠端語音成份G
(z
)S
(z
)，再將耳內麥克風取得的聲音U
(z
)減去，剩下次要近端語音及殘餘噪音的估測值，表示如下：
其中為了再移除其中的次要近端語音估測值，必需再藉助本發明中所提出的主要近端語音估測濾波器W 2
(z
)，以及次要近端語音估測濾波器W 3
(z
)。
主要近端語音估測濾波器W 2
(z
)的參考輸入訊號為主要
耳外噪音X 1
(z
)，目標輸入訊號為講話麥克風所取得的主要近端語音以及次要耳外噪音，Q 1
(z
)+X 2
(z
)。假設主要近端語音Q 1
(z
)與次要耳外噪音X 2
(z
)之間具有統計意義上互不相關的關係，以及主要耳外噪音X 1
(z
)與次要耳外噪音X 2
(z
)之間具有高度相關性，則當主要近端語音估測濾波器W 2
(z
)的參數收斂到最佳解時，主要近端語音估測濾波器W 2
(z
)的輸出訊號為目標輸入訊號中與參考輸入訊號相關的成份，換言之，主要近端語音估測濾波器W 2
(z
)的輸出訊號為次要耳外噪音的估測值，誤差訊號即為主要近端語音的估測值。主要近端語音的估測值即是噪音消除後的主要近端語音，可傳送到遠端。
次要近端語音估測濾波器W 3
(z
)的參考輸入訊號為主要近端語音的估測值，目標輸入訊號為U 1
(z
)(次要近端語音及殘餘噪音的估測值，)。假設次要近端語音估測值與殘餘噪音估測值之間具有統計意義上互不相關的關係，以及主要近端語音的估測值與次要近端語音估測值之間具有高度相關性，則當次要近端語音估測濾波器W 3
(z
)的參數收斂至最佳解時，次要近端語音估測濾波器W 3
(z
)的輸出訊號為目標輸入訊號中與參考輸入訊號相關的成份，換言之，該次要近端語音估測濾波器W 3
(z
)的輸出訊號為次要近端語音的估測值，誤差訊號即為殘餘噪音的估測值。因此，所得到的殘餘噪音估測值可提供給反噪音估測濾波器做為調整參數的依據。
本發明中估測第二路徑轉移函數的適應性控制系統如第6圖所示，所述估測第二路徑的方法，是採用系統辨識
的原理，在適應性控制系統中設置一組白隨機訊號產生器用以產生富含所有頻率成份的白隨機訊號做為系統辨識的訓練訊號，該白隨機訊號同時輸入到第二路徑估測濾波器，以及實際的第二路徑S
(z
)(包括數位類比轉換器、後置低通濾波器、揚聲器、耳機內一維聲場、麥克風、前置放大器、前置低通濾波器以及類比數位轉換器)，如果兩者的輸出差異很小時，即時，則第二路徑估測濾波器可用於近似實際的第二路徑S
(z
)。第6圖中第二路徑估測濾波器的參考輸入訊號為白隨機訊號，目標輸入訊號為白隨機訊號經過實際第二路徑後的結果Y
(z
)，當第二路徑估測濾波器的參數值收斂到最佳解時，誤差訊號E
(z
)達到最小值時，即時，該第二路徑估測濾波器將可用近似於實際的第二路徑S
(z
)。
1.主要藉由該裝置本體外部增設一外部噪音麥克風之創新設計，相較於習知回授式適應性控制系統使用合成方式產生噪音參考輸入訊號之作法而言，本發明採用獨立外部噪音麥克風取得的主要耳外噪音做為反噪音估測濾波器的參考輸入訊號(可稱為前授式適應性控制系統)，因為沒有噪音合成時的誤差，因此可以增加估測反噪音的正確性，並提升主動式噪音消除的性能。
2.可消除主要近端語音所受到的噪音干擾：本發明所提出近端語音估測濾波器的設計，以獨立噪音麥克風所
取得的主要耳外噪音做為參考輸入訊號，可以分離講話麥克風中的次要耳外噪音與主要近端語音，因此可以將沒有噪音干擾的主要近端語音傳送到遠端。
3.可避免次要近端語音對於反噪音的估測造成干擾：反噪音估測濾波器是根據殘餘噪音做為調整濾波器參數的依據，因此近端語音進入耳內麥克風後，會直接影響反噪音估測濾波器的參數調整。為此，本發明特別提出次要近端語音估測濾波器的設計，以主要近端語音的估測值做為參考輸入訊號，可以分離出耳內麥克風的次要近端語音成份，因此可避免次要近端語音對於反噪音的估測造成干擾。
上述實施例所揭示者係藉以具體說明本發明，且文中雖透過特定的術語進行說明，當不能以此限定本發明之專利範圍；熟悉此項技術領域之人士當可在瞭解本發明之精神與原則後對其進行變更與修改而達到等效之目的，而此等變更與修改，皆應涵蓋於如后所述之申請專利範圍所界定範疇中。
10A‧‧‧外掛式耳機麥克風
10B‧‧‧耳塞式耳機麥克風
10C‧‧‧行動電話
20‧‧‧揚聲器
30‧‧‧耳內麥克風
40‧‧‧噪音麥克風
50‧‧‧講話麥克風
60‧‧‧適應性控制系統
70‧‧‧電話話機
第1圖：係為噪音波形、反噪音波形以及殘餘噪音波形差異對照圖。
第2圖：本發明應用於外掛式耳機麥克風之簡示圖。
第3圖：本發明應用於耳塞式耳機麥克風之簡示圖。
第4圖：本發明應用於行動電話之簡示圖。
第5圖：本發明之適應性控制系統方塊圖。
第6圖：本發明之估測第二路徑轉移函數的適應性控制系統方塊圖。
10A‧‧‧外掛式耳機麥克風
20‧‧‧揚聲器
30‧‧‧耳內麥克風
40‧‧‧噪音麥克風
50‧‧‧講話麥克風
60‧‧‧適應性控制系統
70‧‧‧電話話機
Claims (2)
- 一種具噪音消除結構之語音通訊裝置，該語音通訊裝置包括：一裝置本體；一揚聲器，設置於該裝置本體內部，藉以輸出反噪音及遠端語音；一耳內麥克風，設置於該裝置本體內部位於該揚聲器臨近位置處，該耳內麥克風係一微型麥克風用以取得裝置本體內部包括殘餘噪音、遠端語音及次要近端語音等聲音；一外部噪音麥克風，係設配置於該裝置本體外部，該外部噪音麥克風為具單一指向性之麥克風，藉以取得該裝置本體外部的噪音，且該外部噪音麥克風之設置方向需能夠避免接收到前述近端語音；一講話麥克風，係設置於該裝置本體內部，該講話麥克風係一全向性麥克風，藉以接收使用者講話時所產生的主要近端語音以及噪音環境中的噪音；一適應性控制系統，係獨立配置於裝置本體外部或配置於裝置本體內部，該適應性控制系統可使用數位訊號處理器(Digital Signal Processor)做為該系統運算核心，該適應性控制系統主要包括反噪音估測濾波器、主要近端語音估測濾波器以及次要近端語音估測濾波器所構成，且令該外部噪音麥克風所取得的主要耳外噪音做為該反噪音估測濾波器以及主要近端語音估測濾波器的參考輸入訊號，並令主要近端語音估測濾波器 的輸出做為次要近端語音估測濾波器的參考輸入訊號者。
- 依據申請專利範圍第1項所述之具噪音消除結構之語音通訊裝置，其中該語音通訊裝置本體係指外掛式耳機麥克風、耳塞式耳機麥克風、行動電話、固定式電話等用以進行雙向語音通訊的裝置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW98116977A TWI386018B (zh) | 2009-05-22 | 2009-05-22 | Speech communication device with noise canceling structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW98116977A TWI386018B (zh) | 2009-05-22 | 2009-05-22 | Speech communication device with noise canceling structure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201042985A TW201042985A (en) | 2010-12-01 |
| TWI386018B true TWI386018B (zh) | 2013-02-11 |
Family
ID=45000763
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW98116977A TWI386018B (zh) | 2009-05-22 | 2009-05-22 | Speech communication device with noise canceling structure |
Country Status (1)
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| TW200642427A (en) * | 2004-12-22 | 2006-12-01 | Broadcom Corp | Wireless telephone with uni-directional and omni-directional microphones |
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-
2009
- 2009-05-22 TW TW98116977A patent/TWI386018B/zh not_active IP Right Cessation
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| TW201042985A (en) | 2010-12-01 |
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