TWI604439B - 噪音消除裝置與噪音消除方法 - Google Patents

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Description

噪音消除裝置與噪音消除方法
本案是有關於一種噪音消除裝置，且特別是有關於具有偵測近耳與離耳狀態機制的噪音消除裝置與方法。
為了能夠提供更高的聲音品質，耳機上常加入主動噪音消除機制來降低環境噪音的影響。於一些技術中，主動噪音消除機制常採用單一的濾波器來產生噪音消除訊號。然而，當耳機未被使用時(亦即處於離耳(off-ear)狀態)時，主動噪音消除機制的系統響應常出現較大的變化。為了維持主動噪音消除機制的穩定度，上述單一的濾波器僅能使用消噪效果較低，但穩定度較高的電路設計。如此一來，在耳機被使用時(亦即處於近耳(on-ear)狀態)，無法被提供更佳的消噪效果。
於一些實施例中，噪音消除裝置包含反向噪音濾波器電路、輸出電路以及偵測電路。反向噪音濾波器電路用以提供多個轉移函數中之對應者處理數位訊號，以產生噪音消除訊號，其中多個轉移函數彼此不同。輸出電路用以混合噪音消 除訊號、參考訊號以及輸入訊號以產生混頻訊號，並基於混頻訊號產生聲音輸出訊號，其中數位訊號關聯於聲音輸出訊號。偵測電路用以根據第一比值與第一臨界值的比較結果，以控制反向噪音濾波器電路提供多個轉移函數中之對應者，其中第一比值為混頻訊號的功率對數位訊號的功率的比值。
於一些實施例中，噪音消除方法包含下列多個操作。控制反向噪音濾波器電路提供多個轉移函數中之對應者處理數位訊號，以產生噪音消除訊號，其中多個轉移函數彼此不同；混合噪音消除訊號、參考訊號以及輸入訊號以產生混頻訊號，並基於混頻訊號輸出聲音輸出訊號，其中數位訊號關聯於聲音輸出訊號；以及根據第一比值與第一臨界值的比較結果控制反向噪音濾波器電路提供多個轉移函數中之對應者，其中該第一比值為混頻訊號的功率對數位訊號的功率的比值。
綜上所述，本案提供的噪音消除裝置與方法可由不同設置方式分析近耳狀態與離耳狀態，以選擇性地採用適當的濾波器來改善音訊處理系統的效能。
100‧‧‧噪音消除裝置
110、115‧‧‧類比至數位轉換器
120‧‧‧反向噪音濾波器電路
130‧‧‧輸出電路
140‧‧‧偵測電路
150、155‧‧‧聲電轉換裝置
160‧‧‧參考訊號產生器
SO(t)‧‧‧聲音輸出訊號
V(t)、V2(t)‧‧‧噪音訊號
E1(t)、E2(t)‧‧‧電子訊號
Y(n)‧‧‧數位訊號
H1(z)、H2(z)‧‧‧轉移函數
122、124‧‧‧濾波器
126‧‧‧切換電路
NC(n)‧‧‧噪音消除訊號
SE‧‧‧切換訊號
132‧‧‧運算電路
134‧‧‧數位至類比轉換器
136‧‧‧電聲轉換裝置
X(n)‧‧‧參考訊號
M(n)‧‧‧輸入訊號
U(n)‧‧‧混頻訊號
C(n)‧‧‧數位噪音訊號
200‧‧‧方法
S210、S220‧‧‧操作
S215、S230‧‧‧操作
301~303‧‧‧帶頻濾波器
311~314‧‧‧功率預估電路
320‧‧‧邏輯電路
U'(n)、Y'(n)、C'(n)‧‧‧訊號
Pu、Pn‧‧‧功率
Py、Px‧‧‧功率
T1‧‧‧致能期間
T2‧‧‧禁能期間
S(z)‧‧‧轉移函數
本案所附圖式之說明如下：第1圖為根據本案之一些實施例所繪示的一種噪音消除裝置的示意圖；第2圖為根據本案之一些實施例所繪示的如第1圖中偵測電路之操作方法的流程圖；第3圖為根據本案之一些實施例所繪示的如第1圖 中偵測電路的電路示意圖；第4A圖為根據本案之另一些實施例所繪示的如第1圖中偵測電路的電路示意圖；以及第4B圖為根據本案之另一些實施例所繪示的如第4A圖中參考訊號的波形示意圖。
參照第1圖，於一些實施例中，噪音消除裝置100安置於各種電子裝置(例如：耳機)上，以降低環境噪音的干擾。
於一些實施例中，噪音消除裝置100包含類比至數位轉換器110、115、反向噪音濾波器電路120、輸出電路130、偵測電路140、聲電轉換裝置150、155以及參考訊號產生器160。
於一些實施例中，聲電轉換裝置150設置於耳機的外殼內，並接收聲音輸出訊號SO(t)以及噪音訊號V(t)，其中，聲音輸出訊號SO(t)將通過轉移函數S(z)至聲電轉換裝置150上，而轉移函數S(z)為電聲轉換裝置136至聲電轉換裝置150之間的轉移函數。聲電轉換裝置150轉換接收到的訊號成電子訊號E1(t)。於一些實施例中，聲電轉換裝置150可由麥克風實現，但本案並不僅此為限。
類比至數位轉換器110轉換電子訊號E1(t)至數位訊號Y(n)。反向噪音濾波器電路120耦接至類比至數位轉換器110，以接收數位訊號Y(n)。
反向噪音濾波器電路120提供轉移函數H1(z)與 轉移函數H2(z)中一者來處理數位訊號Y(n)，以產生噪音消除訊號NC(n)。例如，反向噪音濾波器電路120包含多個濾波器122與124以及切換電路126。切換電路126根據切換訊號SE選擇採用濾波器122與濾波器124中之一者之輸出為噪音消除訊號NC(n)。其中，濾波器122提供轉移函數H1(z)，且濾波器124供轉移函數H2(z)。於一些實施例中，切換電路126可設置於類比至數位轉換器110與反向濾波器電路120之間，且濾波器122與124的輸出耦接至輸出電路130。於一些實施例中，切換電路126可由一或多個開關實現。於一些實施例中，切換電路126可由多工器電路實現。
於一些實施例，濾波器122與濾波器124可由獨立的兩個濾波器實現。於另一些實施例中，濾波器122、濾波器124以及切換電路126可由參數可調的單一濾波器實現，其中此濾波器的參數根據切換信號SE被調整，以選擇性提供轉移函數H1(z)或H2(z)。上述關於反向噪音濾波器電路120的實現方式僅為示例，本案並不以此為限。
輸出電路130包含運算電路132、數位至類比轉換器134以及電聲轉換裝置136。運算電路132耦接至切換電路126以接收噪音消除訊號NC(n)，並混合噪音消除訊號NC(n)、參考訊號X(n)以及輸入訊號M(n)以產生混頻訊號U(n)。於一些實施例中，運算電路132可由加法器與/或合成器等電路實現。於一些實施例中，輸入訊號M(n)可為音樂訊源經過合成器與/或放大器所輸出的聲音訊號。數位至類比轉換器134轉換混頻訊號U(n)。電聲轉換裝置136耦接至數位至類 比轉換器134，並將混頻訊號U(n)經轉換後的訊號輸出為聲音輸出訊號SO(t)。於一些實施例中，電聲轉換裝置136可由揚聲器實現。
於一些實施例中，偵測電路140接收數位訊號Y(n)、數位噪音訊號C(n)、混頻訊號U(n)以及參考訊號X(n)，並根據上述訊號輸出切換訊號SE以控制切換電路126。關於上述的操作將搭配後述第2圖詳細說明。
於一些實施例中，噪音消除裝置100更包含類比至數位轉換器115以及聲電轉換裝置155。於一些實施例中，聲電轉換裝置155可設置於耳機外殼以接收噪音訊號V2(t)，並將之轉換為電子訊號E2(t)。類比至數位轉換器115耦接至聲電轉換裝置155，並轉換電子訊號E2(t)至前述的數位噪音訊號C(n)，其中數位噪音訊號C(n)可用來估算噪音訊號V2(t)所對應的數位訊號(後述表示為噪音訊號V2(n))的功率。
於一些實施例中，噪音訊號V2(n)可用來估測噪音訊號V(n)中與後述參考訊號X(n)之頻率相近的信號成分。因參考訊號X(n)通常被設置為低頻率的訊號，又因低頻率的訊號較易穿透耳機機殼，所以噪音訊號V2(n)於低頻率的訊號強度通常可對應於噪音訊號V(n)於低頻率的訊號強度，故於後續實施例中，會用噪音訊號V2(n)的訊號強度來類比於噪音訊號V(n)的訊號強度。
於一些實施例中，轉移函數H1(z)的電壓增益高於轉移函數H2(z)。換言之，經轉移函數H1(z)所產生的噪音消除訊號NC(n)會大於經轉移函數H2(z)所產生的噪音消除訊 號NC(n)。等效而言，在任意頻率上，濾波器122能夠對濾波器124具有更好的噪音消除效果。一般而言，當濾波器的電壓增益越高，其穩定度相對較低。換言之，在本例中，相較於濾波器122，濾波器124具有較好的穩定度，但具有較低的電壓增益。於一些實施例中，濾波器122在裝置100為近耳(on-ear)狀態時被選用，且濾波器124在裝置100為離耳(off-ear)狀態時被選用。
於一些技術中，為了使耳機的噪音消除系統在近耳狀態或離耳狀態下能夠保持穩定，會採用電壓增益較低的單一濾波器來提升系統穩定度。然而，於上述這些技術中，無法讓噪音消除系統在耳機為近耳狀態時提供較佳的噪音消除效果。相較於上述技術，藉由分析數位訊號Y(n)、噪音訊號V2(n)、混頻訊號U(n)以及參考訊號X(n)，偵測電路140可判斷噪音消除裝置100是處於近耳狀態或離耳狀態。如此一來，在近耳狀態時，偵測電路140可輸出切換訊號SE以選用濾波器122，藉此提高噪音消除效果。或者，在離耳狀態時，偵測電路140可輸出切換訊號SE以選用濾波器124，以維持系統的穩定度。
參考訊號產生器160產生參考訊號X(n)至運算電路132。於一些實施例中，參考訊號X(n)之頻率為人耳無法感知的頻率。例如，參考訊號X(n)之頻率約為10赫茲，但本案並不僅此為限。於另一些實施例中，如後述第4A圖所示，參考訊號X(n)可為週期性地發送。
於一些實施例中，利用Z轉換分析噪音消除裝置100，可得出下列式(1)： 其中，X(z)為參考訊號X(n)的Z轉換，Y(z)為數位訊號Y(n)的Z轉換，V(z)為噪音訊號V(n)的Z轉換，U(z)為混頻訊號U(n)的Z轉換，且S(z)為電聲轉換裝置136至聲電轉換裝置150之間的轉移函數。
根據上述式(1)，當參考訊號X(n)的功率遠大於噪音訊號V(n)的功率時，可得知下式(2)： 根據式(2)，在此條件下，Y(z)與U(z)的比值為S(z)，其中S(z)會因為耳機為近耳或離耳狀態而有不同的數值。於一些實施例中，在近耳狀態下，S(z)會具有較高的數值。反之，在離耳狀態下，S(z)會具有較低的數值。因此，偵測電路140可藉由Y(z)與U(z)的比值判斷噪音消除裝置100目前是處於近耳或離耳狀態。
另外，當參考訊號X(n)的功率遠小於噪音訊號V(n)的功率時，可得知下式(3)： 根據上式(3)，在此條件下，Y(z)與U(z)的比值為1/H(z)，而非S(z)。因此，當偵測電路140可藉由Y(z)與U(z)的比值判斷噪音消除裝置100是否出現未知的狀況。
參照第2圖，於操作S210中，偵測電路140比較比值Px/Pn與臨界值TH1，其中比值Px/Pn為參考訊號X(n)的功率Px對噪音訊號V2(n)的功率Pn的比值(如前所述，噪音訊號V2(n)的訊號強度是用來類比於噪音訊號V(n)的訊號強度)。若比值Px/Pn大於臨界值TH1，則執行操作S220。若比值Px/Pn低於臨界值TH1，則執行操作S215。於操作S215中，濾波器124被選取以提供轉移函數H2(z)處理數位訊號Y(n)，藉以輸出噪音消除訊號NC(n)。
例如，若比值Px/Pn低於臨界值TH1，表示參考訊號X(n)遠小於噪音訊號V(n)。於此條件下，偵測電路140判定出現前述的未知狀況，並輸出切換訊號SE選擇採用濾波器124。如此一來，可確保噪音消除裝置100維持穩定。
於操作S220，偵測電路140比較比值與臨界值TH2，其中比值表示為Py/Pu，其為數位訊號Y(n)的功率Py對混頻訊號U(n)的功率Pu的比值。若比值Py/Pu高於臨界值TH2，則執行步驟S230。若比值Py/Pu低於臨界值TH2，則執行步驟S215。於操作S230中，濾波器122被選取以提供轉移函數H1(z)處理數位訊號Y(n)，藉以輸出噪音消除訊號NC(n)。
例如，若比值Py/Pu高於臨界值TH2，表示轉移函數S(z)的數值較高。如先前所述，在近耳狀態下，S(z)會具有較高的數值。因此，於此條件下，偵測電路140判定出現近耳狀態，並輸出切換訊號SE選擇採用濾波器122。如此一來，可提高噪音消除裝置100的噪音消除效果。
或者，若比值Py/Pu低於臨界值TH2，表示轉移函數S(z)的數值較低。如先前所述，在離耳狀態下，S(z)會具有較低的數值。因此，於此條件下，偵測電路140判定出現離耳狀態，並輸出切換訊號SE選擇採用濾波器124。如此一來，可確保噪音消除裝置100維持穩定。
在一些實施例中，功率Px及功率Pn分別為參考訊號X(n)及噪音訊號V2(n)於參考訊號X(n)之頻率上的功率。在一些實施例中，功率Px、功率Pn、功率Py及功率Pu分別為參考訊號X(n)、噪音訊號V2(n)、數位訊號Y(n)及混頻訊號U(n)於參考訊號X(n)之頻率上的功率。參照第3圖，偵測電路140包含多個帶頻濾波器301~303、多個功率預估電路311~314以及邏輯電路320。
多個帶頻濾波器301~303每一者提供一預定頻帶來處理混頻訊號U(n)、數位訊號Y(n)以及數位噪音訊號C(n)中之對應者。例如，帶頻濾波器301濾除混頻訊號U(n)中具有非參考訊號X(n)之頻率的頻率之信號成分以輸出訊號U'(n)。帶頻濾波器302濾除數位訊號Y(n)中具有非參考訊號X(n)之頻率的頻率之信號成分以輸出訊號Y'(n)。帶頻濾波器303濾除數位噪音訊號C(n)中具有非參考訊號X(n)之頻率的 頻率之信號成分以輸出訊號C'(n)。
功率預估電路311算出訊號U'(n)的功率Pu。功率預估電路312算出訊號Y'(n)的功率Py。功率預估電路313’算出噪音訊號C'(n)的功率Pn。功率預估電路314算出參考訊號X(n)的功率Px。
於一些實施例中，上述多個功率預估電路311~314可由功率偵測器實現。於一些實施例中，上述多個功率預估電路311~314可由執行各種功率計算的演算法的運算電路實現。上述各種實現方式僅為示例，本案並不僅此為限。
邏輯電路320根據上述多個功率Pu、Py、Pn以及Px決定前述的比值Py/Pu與比值Px/Pn，以執行方法200的多個操作來產生對應的切換訊號SE。於一些實施例中，邏輯電路320可由各種數位電路、處理單元、或微控制器等方式實現。
參照第4A圖與第4B圖，為易於理解，於第4A~4B圖中與前第1~3圖的類似元件將被指定為相同參考標號。
於一些實施例中，噪音消除裝置100可在不具有聲電轉換裝置155以及類比至數位轉換器115下估算噪音訊號V(n)的功率Pn。於此例中，如第4B圖所示，參考訊號X(n)設置有致能期間T1以及禁能期間T2。於致能期間T1，參考訊號X(n)產生前述人耳無法感知的頻率。於禁能期間T2，參考訊號X(n)的振幅被設置為零。根據式(1)，在禁能期間T2內，可得知下式(4)： 因此，於此例中，偵測電路140可根據Y(n)以及式(4)來計算噪音訊號V(n)的功率Pn。於一些實施例中，在式(4)中的轉移函數S(z)可設置為近耳狀態與離耳狀態中具有較大數值者。
例如，如第4A圖所示，偵測電路140包含多個帶頻濾波器301~302、多個功率預估電路311~313以及邏輯電路320。
相較於第3圖，於此例中，功率預估電路311更在參考訊號X(n)的致能期間T1內，根據訊號U'(n)決定混頻訊號U(n)於參考訊號X(n)之頻率上的功率Pu。功率預估電路312更在參考訊號X(n)致能期間T1根據訊號Y'(n)決定數位訊號Y(n)於參考訊號X(n)之頻率上的功率Py，並在參考訊號X(n)的禁能期間T2根據訊號Y'(n)以及上式(4)決定噪音訊號V(n)於參考訊號X(n)之頻率上的功率Pn。功率預估電路313更在參考訊號X(n)的致能期間T1內根據參考訊號X(n)決定其功率Px。
在一些實施例中，功率預估電路311~313不需接收參考訊號X(n)，而是直接接收參考訊號X(n)之致能期間T1及禁能期間T2所對應的時脈訊號，舉例來說，當參考訊號X(n)處於致能期間T1時，其對應的時脈訊號為1(或0)，當參考訊號X(n)處於禁能期間T2時，其對應的時脈訊號為0(或1)。
上述各實施例中噪音消除裝置100內的電路元件可由軟體、硬體或其組合實現。例如，反向噪音濾波器電路120與/或偵測電路140中之元件可由數位訊號處理方式實現。
綜上所述，本案提供的噪音消除裝置100與方法 200可由不同設置方式分析近耳狀態與離耳狀態，以選擇性地採用適當的濾波器來改善音訊處理系統的效能。
雖然本案已以實施方式揭露如上，然其並非限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧噪音消除裝置
110、115‧‧‧類比至數位轉換器
120‧‧‧反向噪音濾波器電路
130‧‧‧輸出電路
140‧‧‧偵測電路
150、155‧‧‧聲電轉換裝置
160‧‧‧參考訊號產生器
SO(t)‧‧‧聲音輸出訊號
V(t)、V2(t)‧‧‧噪音訊號
E1(t)、E2(t)‧‧‧電子訊號
Y(n)‧‧‧數位訊號
H1(z)、H2(z)‧‧‧轉移函數
122、124‧‧‧濾波器
126‧‧‧切換電路
NC(n)‧‧‧噪音消除訊號
SE‧‧‧切換訊號
132‧‧‧運算電路
134‧‧‧數位至類比轉換器
136‧‧‧電聲轉換裝置
X(n)‧‧‧參考訊號
M(n)‧‧‧輸入訊號
U(n)‧‧‧混頻訊號
C(n)‧‧‧數位噪音訊號
S(z)‧‧‧轉移函數

Claims (10)

  1. 一種噪音消除裝置，包含：一反向噪音濾波器電路，用以提供複數個轉移函數中之一對應者處理一數位訊號，以產生一噪音消除訊號，其中該些轉移函數彼此不同；一輸出電路，用以混合該噪音消除訊號、一參考訊號以及一輸入訊號以產生一混頻訊號，並基於該混頻訊號產生一聲音輸出訊號，其中該數位訊號關聯於該聲音輸出訊號；以及一偵測電路，用以根據一第一比值與一第一臨界值的比較結果，以控制該反向噪音濾波器電路提供該些轉移函數中之該對應者，其中該第一比值為該混頻訊號的一第一功率對該數位訊號的一第二功率的比值。
  2. 如請求項1所述的噪音消除裝置，其中該些轉移函數包含一第一轉移函數以及一第二轉移函數，該第一轉移函數的一電壓增益高於該第二轉移函數的一電壓增益，在該第一比值大於該第一臨界值時，該反向噪音濾波器電路提供該第一轉移函數，在該第一比值小於該第一臨界值時，該反向噪音濾波器電路提供該第二轉移函數。
  3. 如請求項1所述的噪音消除裝置，更包含：一第一類比至數位轉換器，用以轉換一第一電子訊號至 該數位訊號，其中該第一電子訊號關聯於該聲音輸出訊號以及一噪音訊號。
  4. 如請求項3所述的噪音消除裝置，其中該偵測電路更用以比較一第二比值與一第二臨界值，以在該第二比值小於該第二臨界值時控制該反向噪音濾波器電路提供該第二轉移函數，其中該第二比值為該參考訊號的一第三功率對該噪音訊號的一第四功率的比值，且該偵測電路更用以在該第二比值大於該第二臨界值時比較該第一比值與該第一臨界值。
  5. 如請求項4所述的噪音消除裝置，其中該偵測電路包含：複數個帶頻濾波器，用以分別處理該混頻訊號、該數位訊號以及一數位噪音訊號，其中該數位噪音訊號用以預估該噪音訊號的功率；複數個功率預估電路，用以根據該混頻訊號、處理後的參考訊號、處理後的該數位訊號以及處理後的該數位噪音訊號分別決定該第一功率、該第二功率、該第三功率以及該第四功率；以及一邏輯電路，用以根據該第一功率與該第二功率決定該第一比值，並根據該第三功率與該第四功率決定該第二比值，其中該邏輯電路更用以比較該第一比值與該第一臨界值，並比較該第二比值與該第二臨界值，以控制該反向噪音 濾波器電路。
  6. 如請求項5所述的噪音消除裝置，更包含：一第二類比至數位轉換器，用以轉換一第二電子訊號至該數位噪音訊號。
  7. 如請求項6所述的噪音消除裝置，更包含：一第一聲電轉換裝置，用以接收該聲音輸出訊號以及該噪音訊號並產生該第一電子訊號；以及一第二聲電轉換裝置，用以接收該噪音訊號並產生該第二電子訊號。
  8. 如請求項4所述的噪音消除裝置，其中該參考訊號具有一致能期間以及一禁能期間，該偵測電路包含：複數個帶頻濾波器，用以分別處理該混頻訊號以及該數位訊號；一第一功率預估電路，用以在該致能期間根據處理後的該參考訊號決定該第一功率；一第二功率預估電路，用以在該致能期間根據處理後的該數位訊號決定該第二功率，並在該禁能期間根據處理後的該數位訊號決定該第四功率；一第三功率預估電路，用以在該致能期間根據該參考信號決定該第三功率；以及一邏輯電路，用以根據該第一功率與該第二功率決定該第一比值，並根據該第三功率與該第四功率決定該第二比值， 其中該邏輯電路更用以比較該第一比值與該第一臨界值，並比較該第二比值與該第二臨界值，以控制該反向噪音濾波器電路。
  9. 如請求項1所述的噪音消除裝置，其中該輸出電路包含：一運算電路，用以混合該噪音消除訊號、該參考訊號以及該輸入訊號以產生該混頻訊號；一數位至類比轉換器，用以轉換該混頻訊號轉換該混頻訊號；以及一電聲轉換裝置，用以根據轉換後的該混頻訊號輸出該聲音輸出訊號。
  10. 一種噪音消除方法，包含：控制一反向噪音濾波器電路提供複數個轉移函數中之一對應者處理一數位訊號，以產生一噪音消除訊號，其中該些轉移函數彼此不同；混合該噪音消除訊號、一參考訊號以及一輸入訊號以產生一混頻訊號，並基於該混頻訊號輸出一聲音輸出訊號，其中該數位訊號關聯於該聲音輸出訊號；以及根據一第一比值與一第一臨界值的一比較結果控制該反向噪音濾波器電路提供該些轉移函數中之該對應者，其中該第一比值為該混頻訊號的一第一功率對該數位訊號的一第二功率的比值。
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