TWI564880B - 電子設備及其主動抗噪晶片 - Google Patents

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電子設備及其主動抗噪晶片
本發明提供了一種主動抗噪晶片，尤指一種體積小、損耗功率低，且可裝設於入耳式耳機中的主動抗噪晶片。
對於日新月異的科技，人們對如耳機等攜帶式裝置的品質要求也日趨上升，特別是在嘈雜的環境下，要如何清楚地聆聽音樂，成為現今許多人關注的議題。
有鑑於此，如耳機或智慧型手機等攜帶式裝置如何在嘈雜的環境中提升手機的通話品質、抑制背景噪音、抑制間歇性的聲音和回音，主動降噪(Active Noise Cancelling,ANC)的功能逐漸受到人們的關注。
主動降噪(Active Noise Cancelling,ANC)運用於耳機等裝置內的主要原理是利用噪音偵測麥克風接收外界的噪音信號，接著主動降噪晶片透過數位信號處理，發出一個反相的噪音訊號，藉此消除外界的噪音；而傳統的主動降噪耳機，在低頻噪音的頻段具有非常好的消噪能力，然高頻的部分，係因在數位音訊處理時，若欲消噪之噪音頻率為f N ，則其所需之樣本資料為f s 2f N 。但是，較高的樣本資料處理率會造成主動降噪系統巨大的負擔，以至於功率上升，因此面對高頻的噪音，通常只能交給耳機上的被動元件如耳罩等來抵擋。
而在入耳式耳機的部分，係因其結構上通常不具備耳罩，故無法有效消除高頻噪音，此外，過去很多人使用數位訊號處理器(Digital signal processing,DSP)來消除低頻的噪音源，但傳統的主動降噪晶片電路設計須耗費極大的功率，且容易使生產主動降噪耳機的成本提高。
為解決先前技術中提及傳統主動降噪晶片之缺失，本發明提供了一種主動抗噪晶片。
所述主動抗噪晶片包含一數位音訊傳輸介面電路、一第一濾波器、一第二濾波器以及一最小均方自適應濾波器。
其中該第一濾波器與該數位音訊傳輸介面電路連接，該第一濾波器包含一第一雙埠塊狀記憶體及一第一乘積累加單元，該第一乘積累加單元與該第一雙埠塊狀記憶體連接。
而該第二濾波器與該第一濾波器連接，該第二濾波器包含一第二雙埠塊狀記憶體及一第二乘積累加單元，該第二乘積累加單元與該第二雙埠塊狀記憶體連接。
該最小均方自適應濾波器分別與該第一濾波器、該第二濾波器及該數位音訊傳輸介面電路連接。
1‧‧‧數位音訊傳輸介面電路
11‧‧‧緩衝器11
12,221,321‧‧‧寄存器
13,222,322‧‧‧多工器
14,44‧‧‧解多工器
15‧‧‧上數計數器
2‧‧‧第一濾波器
21‧‧‧第一雙埠塊狀記憶體
22‧‧‧第一乘積累加單元
223,323‧‧‧加法器
3‧‧‧第二濾波器
31‧‧‧第二雙埠塊狀記憶體
32‧‧‧第二乘積累加單元
4‧‧‧最小均方自適應濾波器
41‧‧‧塊狀記憶體
42‧‧‧第三雙埠塊狀記憶體
43‧‧‧第三乘積累加單元
5‧‧‧微控制器
圖1係本發明運用X濾波最小均方可調適應性演算法之運算邏輯示意圖。
圖2係本發明之電路結構示意圖。
圖3(a)係本發明第一濾波器之電路結構示意圖。
圖3(b)係本發明第二濾波器之電路結構示意圖。
圖4係本發明最小均方自適應濾波器之電路結構示意圖。
圖5係本發明數位音訊傳輸介面電路之結構示意圖。
圖6係本發明之顯微攝影圖。
圖7係本發明之什穆圖(SHMOO plot)。
圖8(a)係本發明之實驗結果圖。
圖8(b)係本發明之另一實驗結果圖。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：本實施例中所述之主動抗噪晶片係利用可規劃邏輯設計平台(field programmable gate array,FPGA)實現，如賽靈思公司(XILINX®)所生產之開發板(ZedBoard)，用以檢測或設定本發明主動抗噪晶片中各部分之可程式邏輯電路。
該主動抗噪晶片包含一數位音訊傳輸介面電路1、一第一濾波器2、一第二濾波器3以及一最小均方自適應濾波器4；其中該第一濾波器2與該數位音訊傳輸介面電路1連接，該第一濾波器2包含一第一雙埠塊狀記憶體21及一第一乘積累加單元22，該第一乘積累加單元22與該第一雙埠塊狀記憶體21連接。
而該第二濾波器3與該第一濾波器2連接，該第二濾波器3包含一第二雙埠塊狀記憶體31及一第二乘積累加單元32，該第二乘積累加單元32與該第二雙埠塊狀記憶體31連接；該最小均方自適應濾波器4分別與該第 一濾波器2、該第二濾波器3及該數位音訊傳輸介面電路1連接。
其中該數位音訊傳輸介面電路1傳送一樣本訊號給該第一濾波器2，該數位音訊傳輸介面電路1傳送一錯誤訊號給該最小均方自適應濾波器4，而該最小均方自適應濾波器4傳送一反向訊號給該數位音訊傳輸介面電路1。
上述實施例之電路中，該數位音訊傳輸介面電路1包含一上數計數器15、一多工器13、一解多工器14、二寄存器12及二緩衝器11。其中該多工器13與該上數計數器15連接，該解多工器14與該上數計數器15連接，該二寄存器12一個與該多工器13連接，另一個與該解多工器14連接，而該二緩衝器11，分別與該二寄存器12連接。
所述該第一濾波器2及該第二濾波器3為有限脈衝響應濾波器(finite impulse response filter)，該第一雙埠塊狀記憶體21及該第二雙埠塊狀記憶體31為64 x 16隨機存取記憶體(64 x 16 Random Access Memory)。
而該最小均方自適應濾波器4包含一單埠塊狀記憶體41、一第三雙埠塊狀記憶體42、一解多工器44以及一第三乘積累加單元43，其中該第三雙埠塊狀記憶體42與該塊狀記憶體41連接，該解多工器44與該第三雙埠塊狀記憶體42連接，該第三乘積累加單元43與該第三雙埠塊狀記憶體42連接。所述該第三雙埠塊狀記憶體42為24 x 16隨機存取記憶體(24 x 16 Random Access Memory)。
請參照圖1，圖1係本發明運用X濾波最小均方可調適應性演算法之運算邏輯示意圖。本發明所採之演算法為X濾波最小均方可調適應性演算法(Filtered-x least mean square)，如圖1所示，訊號x(n)係為基準麥克風 (Reference microphone)或其他收音裝置所接收到之樣本訊號；訊號y(n)則為反向訊號，透過本實施例所產生之反向訊號y(n)會透過消噪揚聲器(Cancelling-loudspeaker)發出，以抵銷外在環境之噪音音源。
訊號e(n)係為錯誤訊號由，錯誤麥克風(Error microphone)收入；該錯誤訊號係由主要音源訊號d(n)產生。
訊號P(z)和S(z)依序來自於第一路徑及第二路徑，所述第一路徑及第二路徑係指在基準麥克風和錯誤麥克風之間的電路，而W(z)則為微控制器5需同時面對多音源之噪音時，濾波器產生降噪訊號之負載，而在可計算範圍內之訊號S(z)則以S’(z)表示。
接著請參照圖2，圖2係本發明之電路結構示意圖。如圖2所示，該主動抗噪晶片主要包含四個結構，分別是數位音訊傳輸介面電路1、第一濾波器2、第二濾波器3以及最小均方自適應濾波器4，各結構之間的連接關係以及傳輸訊號之類別以如圖中所標示，其中數位音訊傳輸介面電路1即為I2S(Integrated Interchip Sound)，而第一濾波器2及第二濾波器3則為有限脈衝響應濾波器(finite impulse response filter)，其階(tap)數皆為64個。
請同時參照圖3(a)及圖3(b)，圖3(a)係本發明第一濾波器之電路結構示意圖；圖3(b)係本發明第二濾波器之電路結構示意圖。本實施例中之第一濾波器2及第二濾波器3其階(tap)數皆為64個，為避免圖3(a)及圖3(b)過於複雜，將第一乘積累加單元22及第二乘積累加單元32以簡化的形式表現之。
請同時參照圖2、圖3(a)及圖3(b)，圖3(a)中第一濾波器2左側標示輸入資料係輸入樣本訊號之訊號x(n)，之後傳送到第一雙埠塊狀記憶體 21(Dual-Port Block RAM)中，該第一雙埠塊狀記憶體21係包含64x16樣本資料(Sample data)以及64x16係數(Coefficients)之存取功能。此外，該第一雙埠塊狀記憶體21係與微控制器5連接，圖3(a)中所示微控制器5與該第一雙埠塊狀記憶體21連接之三個埠(Port)由左至右依序為資料加法器(Data adder)、係數加法器(Coefficients adder)以及讀或寫(R/W)。
之後經過第一雙埠塊狀記憶體21處理之訊號會傳入第一乘積累加單元22中，第一乘積累加單元22包含寄存器221(Register)、多工器222(Multiplexer)及加法器223(adder)，其中來自第一雙埠塊狀記憶體21之訊號會先進入兩個寄存器221，之後樣本資料與係數會經由該兩個寄存器221進入多工器222中處理，再依序以寄存器221、加法器223、寄存器221的順序完成處理，之後分別輸出資料至第二濾波器3及最小均方自適應濾波器4。
第一濾波器2為低通(Low-Pass,LP)有限脈衝響應濾波器，因此送至第二濾波器3前，第一濾波器2係過濾15000赫茲(Hz)以上之高頻聲音資料，以方便第二濾波器3計算訊號S’(z)並求得訊號x’(n)；而第一濾波器2亦將訊號x(n)傳給最小均方自適應濾波器4，以便最小均方自適應濾波器4於可適性演算時使用訊號x(n)。因此，圖3(b)中所示之第二濾波器3，其結構雖與圖3(a)中之第一濾波器2相同，但其差異實際上則如圖2所示，為接收與輸出的訊號資料不同而已。
因此，圖3(b)中經過第二雙埠塊狀記憶體31處理之訊號會傳入第二乘積累加單元32中，第二乘積累加單元32包含寄存器321(Register)、多工器322(Multiplexer)及加法器323(adder)，來自第二雙埠塊狀記憶體31之訊號會先進入兩個寄存器321，之後樣本資料與係數會經由該兩個寄存器 321進入多工器322中處理，再依序以寄存器321、加法器323、寄存器321的順序完成處理，之後輸出資料x’(n)至最小均方自適應濾波器4。
請參照圖4，圖4係本發明最小均方自適應濾波器之電路結構示意圖。最小均方自適應濾波器4之階(tap)數為24個，用以接受來自第一濾波器2之樣本訊號x(n)、來自第二濾波器3之訊號x’(n)以及來自數位音訊傳輸介面電路1之錯誤訊號e(n)進行計算；而和最小均方自適應濾波器4連接之微控制器5在圖4中由左至右的四個埠(Port)依序為資料加法器(Data adder)、係數加法器(Coefficients adder)資料加法器、(Data adder)以及讀或寫(R/W)。
上述三個訊號，樣本訊號x(n)、訊號x’(n)及錯誤訊號e(n)係為計算出反向訊號y(n)而存在，如圖4所示，最小均方自適應濾波器4中，樣本訊號x(n)可作為主要樣本資料在第三塊狀雙埠記憶體42中處理，而第三塊狀雙埠記憶體42包含24x16的樣本資料及24x16的係數；而訊號x’(n)和錯誤訊號e(n)則在塊狀記憶體41中存取，包含24x16的樣本資料。
訊號x’(n)在塊狀記憶體41進行存取，接著訊號x’(n)直接以錯誤訊號之訊號e(n)作為係數(Coefficients)進行計算，而計算完畢之後進行累加之對象為訊號x(n)之係數經解多工器44(Demultiplexer)歸零後之資料，循環為一個新的24x16係數於第三雙埠塊狀記憶體41中存取。
接著第三雙埠塊狀記憶體41中之樣本訊號之訊號x(n)及其係數會以第三乘積累加單元43計算，得到反向訊號之訊號y(n)，並如圖2所示般的傳回數位音訊傳輸介面電路1。
請參照圖5，圖5係本發明數位音訊傳輸介面電路之結構示意 圖。本實施例中之數位音訊傳輸介面電路1主要分為上下兩部分解釋，首先上半部係用併行輸入(Parallel input)之方式接收來自於最小均方自適應濾波器4之反向訊號y(n)，再以連續輸出(Serial output)傳送給消噪揚聲器(Cancelling-loudspeaker)發出消噪用的反向音源；而下半部則依序透過基準麥克風(Reference microphone)及錯誤麥克風(Error microphone)以連續輸入(Serial input)的方式將樣本訊號x(n)輸出給第一濾波器2，以及將錯誤訊號e(n)輸出給最小均方自適應濾波器4。上述樣本訊號x(n)及錯誤訊號e(n)之輸出方式採併行輸出(parallel output)。
本實施例數位音訊傳輸介面電路1中，緩衝器11(Buffer)係採用16位元之緩衝器11，而寄存器12亦為16位元之寄存器12。上下兩部分之緩衝器11@與寄存器12各別與一個多工器13和解多工器14連接，其中多工器13係為16對1之多工器13，而解多工器14係為1對16之解多工器14，上述多工器13與解多工器14之間係以上數計數器15(Up Counter)連接，該上數計數器15為5位元之上數計數器15。
接著請參照圖6，圖6係本發明之顯微攝影圖(Micro-photograph)。本實施例所設計之主動抗噪晶片係利用台積電90奈米互補金屬氧化物半導體技術(TSMC 90nm CMOS technology)或其他奈米之互補金屬氧化物半導體技術製程實現，規格如下表1所示：
表1中，關於本實施例主動抗噪晶片之晶片尺寸係包含輸入輸出墊(I/O pads)之大小，此外門數為84200門(gates)，而內建的記憶體為420個位元組(bytes)；在10兆赫(MHz)之運作條件下所消耗之總功率為6.42毫瓦(mW)，而在最大運作頻率104兆赫(MHz)時為20.4毫瓦(mW)。
為驗證本實施例主動抗噪晶片之晶片級別(chip-level)，我們採用安捷倫科技公司(Agilent®)之93000混合訊號集成電路測試系統(93000 mixed-signal SoC test system)測試，其結果請參照圖7，圖7係本發明之什穆圖(SHMOO plot)。什穆圖(SHMOO plot)在電子工程中係用圖像表現在不同條件(Condition)下，複雜的積體電路接收輸入(input)時的反應及其電路構成，圖7之結果顯示本實施例中所製作出之主動抗噪晶片符合期望之晶片級別(chip-level)。
而為了證明主動抗噪晶片具有優異的消噪能力，我們在無響室中以頭與軀幹模擬器(Head and Torso simulator,HATS)(下稱模擬器)進行兩個實驗，該模擬器可模擬真實成人頭部對於聽覺裝置多次重復的聲學特性測量，並以成人的聽覺特點進行立體聲記錄或錄製，而本實施例中選 用之模擬器為布魯艾爾和凱爾公司(Brüel & Kjaer®)所生產之第4128C型頭與軀幹模擬器(Head and Torso simulator,HATS)。
實驗1
實驗1的條件係模擬器僅左耳穿戴有入耳式耳機，該入耳式耳機與欲測試之本實施例主動抗噪晶片連接，主動抗噪晶片之表現則利用可規劃邏輯設計平台(field programmable gate array,FPGA)測得，如賽靈思公司(XILINX®)所生產之開發板(ZedBoard)；而主要噪音源則架設在模擬器左耳正對面距離30公分處，該主要噪音源可為音響或其他揚聲器。
關於實驗1之結果請參照圖8(a)，圖8(a)係本發明之實驗結果圖。如圖8(a)所示，當主要噪音源正對於模擬器之左耳時，透過本主動抗噪晶片可讓入耳式耳機在相當寬廣的音頻帶達到降低15分貝(dB)之降噪功效，而頻帶40~2000赫茲(Hz)之寬帶粉紅雜訊(Broadband pink noise)係由用來計算模擬器接收到剩餘噪音訊號頻譜的聲學測試機(Soundcheck testing machine)產生。
實驗2
實驗2的條件係模擬器僅左耳穿戴有入耳式耳機，該入耳式耳機與欲測試之本實施例主動抗噪晶片連接，主動抗噪晶片之表現則利用可規劃邏輯設計平台(field programmable gate array,FPGA)測得，如賽靈思公司(XILINX®)所生產之開發板(ZedBoard)；而主要噪音源則架設在模擬器正對面距離30公分處，該主要噪音源可為音響或其他揚聲器。
關於實驗2之結果請參照圖8(b)，圖8(b)係本發明之另一實驗結果圖。如圖8(b)所示，縱使主要噪音源非正對於模擬器左耳，透過本主動 抗噪晶片仍可讓入耳式耳機在低頻帶達到降低12分貝(dB)之降噪功效；而在高頻帶亦有9分貝(dB)之降噪功效，足見本發明之進步性。
上述實施例中可見得，本發明若要實施於電子設備中，該電子設備必須內建或與至少一麥克風、至少一揚聲器及至少一微控制器5連接，該至少一麥克風可以是基準麥克風(Reference microphone)、錯誤麥克風(Error microphone)，而至少一揚聲器可以是前述消噪揚聲器(Cancelling-loudspeaker)；所述之電子設備可以為喇叭、音響、音箱、耳機、遊戲機、手機或無線耳機。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
1‧‧‧數位音訊傳輸介面電路
2‧‧‧第一濾波器
3‧‧‧第二濾波器
4‧‧‧最小均方自適應濾波器

Claims (8)

  1. 一種主動抗噪晶片，包含：一數位音訊傳輸介面電路；一第一濾波器，與該數位音訊傳輸介面電路連接，該第一濾波器包含：一第一雙埠塊狀記憶體；一第一乘積累加單元，與該第一雙埠塊狀記憶體連接；一第二濾波器，與該第一濾波器連接，該第二濾波器包含：一第二雙埠塊狀記憶體；一第二乘積累加單元，與該第二雙埠塊狀記憶體連接；以及一最小均方自適應濾波器，分別與該第一濾波器、該第二濾波器及該數位音訊傳輸介面電路連接；其中，該數位音訊傳輸介面電路傳送一樣本訊號給該第一濾波器，該數位音訊傳輸介面電路傳送一錯誤訊號給該最小均方自適應濾波器，該最小均方自適應濾波器傳送一反向訊號給該數位音訊傳輸介面電路。
  2. 如請求項1所述之主動抗噪晶片，其中該數位音訊傳輸介面電路包含：一上數計數器；一多工器，與該上數計數器連接；一解多工器，與該上數計數器連接；二寄存器，一個與該多工器連接，另一個與該解多工器連接；以及二緩衝器11，分別與該二寄存器連接。
  3. 如請求項1所述之主動抗噪晶片，其中該第一濾波器及該第二濾波器為有限脈衝響應濾波器(finite impulse response filter)。
  4. 如請求項1所述之主動抗噪晶片，其中該第一雙埠塊狀記憶體及該第二雙埠塊狀記憶體為64 x 16隨機存取記憶體(64 x 16 Random Access Memory)。
  5. 如請求項1所述之主動抗噪晶片，其中該最小均方自適應濾波器包含：一單埠塊狀記憶體；一第三雙埠塊狀記憶體，與該塊狀記憶體連接；一解多工器，與該第三雙埠塊狀記憶體連接；以及一第三乘積累加單元，與該第三雙埠塊狀記憶體連接。
  6. 如請求項5所述之主動抗噪晶片，其中該第三雙埠塊狀記憶體為24 x 16隨機存取記憶體(24 x 16 Random Access Memory)。
  7. 一種電子設備，該電子設備包含：至少一麥克風、至少一揚聲器及至少一微控制器，分別與前述請求項1~9中所載之一主動抗噪晶片連接。
  8. 如請求項7所述之電子設備，其中該電子設備為喇叭、音響、音箱、耳機、遊戲機、手機或無線耳機。
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