TWI622979B - 音訊處理裝置與音訊處理方法 - Google Patents

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Abstract

音訊處理裝置包含反向噪音濾波器、輸出電路以及等化器電路。反向噪音濾波器用以處理數位訊號，以產生噪音消除訊號。輸出電路用以混合噪音消除訊號以及等化訊號產生混頻訊號，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。等化器電路用以接收輸入訊號，並根據等化訊號以及數位訊號調整等化器電路中之至少一參數，以處理該輸入訊號為等化訊號。

Description

音訊處理裝置與音訊處理方法
本案是有關於一種音訊處理裝置，且特別是有關於具有偵測耳機狀態的音訊處理裝置與方法。
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。在一些技術中，主動噪音消除機制由回授式電路實現。於此些技術中，自揚聲器輸出聲音訊號後，此聲音訊號會被內部麥克風接收並回授至混音裝置內。為避免原始音訊受到回授回來的聲音訊號的影響，需要加入等化器提供補償。
一般而言，回授回來的音樂訊號會受到外部因素(例如：耳機位置、使用者耳朵形狀)改變。然而，現有的技術中，等化器大多僅能提供固定的轉移函數來進行補償。如此一來，在回授回來的音樂訊號發生改變時，等化器無法提供對應的聲音效果。
為解決上述問題，於一些實施例中，音訊處理裝 置包含反向噪音濾波器、輸出電路以及等化器電路。反向噪音濾波器用以處理數位訊號，以產生噪音消除訊號。輸出電路用以混合噪音消除訊號以及等化訊號產生混頻訊號，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。等化器電路用以接收一輸入訊號，並用以根據等化訊號以及數位訊號調整等化器電路中之至少一參數，以處理輸入訊號成等化訊號。
於一些實施例中，本案的音訊處理方法包含下列操作：處理數位訊號以產生噪音消除訊號；混合噪音消除訊號以及等化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該聲音輸出訊號；以及根據等化訊號以及數位訊號調整至少一參數，以處理輸入訊號成等化訊號。
綜上所述，本案提供的音訊處理裝置與方法可偵測耳機位置或不同耳朵構造，以動態地調整等化器的參數，以保持最終輸出的聲音效果。
100、300‧‧‧音訊處理裝置
110‧‧‧類比至數位轉換器
120‧‧‧反向噪音濾波器
130‧‧‧輸出電路
140‧‧‧等化器電路
150‧‧‧聲電轉換裝置
V(t)‧‧‧噪音訊號
SO(t)‧‧‧聲音輸出訊號
Y(n)‧‧‧數位訊號
E(t)‧‧‧電子訊號
Sinv(z)、D(z)‧‧‧轉移函數
H(z)、S(z)‧‧‧轉移函數
NC(n)‧‧‧噪音消除訊號
132‧‧‧運算電路
134‧‧‧數位至類比轉換器
136‧‧‧電聲轉換裝置
141‧‧‧等化器
142‧‧‧適應性濾波器
143‧‧‧反向噪音濾波器
144‧‧‧運算電路
142A‧‧‧濾波器電路
142B‧‧‧控制電路
M(n)‧‧‧音樂訊號
U(n)‧‧‧混頻訊號
a(n)‧‧‧等化訊號
F1(n)、F2(n)‧‧‧濾波訊號
EO(n)‧‧‧等化輸出訊號
S210~S240‧‧‧操作
200、400‧‧‧方法
210A、220A‧‧‧單元
S410~S430‧‧‧操作
230A、240A‧‧‧單元
為讓本案之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，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音訊處理裝置的示意圖；第2A圖為根據本案之一些實施例中所繪示的如第1圖中控制電路所執行之方法的流程圖； 第2B圖為根據本案之一些實施例所繪示的用於執行第2A圖的方法的功能方塊圖；第3圖為根據本案之一些實施例所繪示的一種音訊處理裝置的示意圖；以及第4圖為根據本案之一些實施例所繪示的一種音訊處理方法的流程圖。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為使便於理解，下述說明中相同元件將以相同之符號標示來說明。
關於本文中所使用之『第一』、『第二』、…等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本發明，其僅僅是為了區別以相同技術用語描述的元件或操作而已。另外，關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。
第1圖為根據本案之一些實施例所繪示的一種音訊處理裝置100的示意圖。於一些實施例中，音訊處理裝置100可安置於耳機上。於一些實施例中，音訊處理裝置100具有主動消除噪音的機制，以降低環境噪音的干擾。
於一些實施例中，音訊處理裝置100包含類比至數位轉換器110、反向噪音濾波器120、輸出電路130、等化器電路140以及聲電轉換裝置150。
於一些實施例中，聲電轉換裝置150設置於耳機的外殼內，並用以接收聲音輸出訊號SO(t)以及噪音訊號V(t)。聲電轉換裝置150轉換接收到的聲音訊號至電子訊號E(t)。於一些實施例中，聲電轉換裝置150可由麥克風實現，但本案並不以此為限。
類比至數位轉換器110用以轉換電子訊號E(t)至數位訊號Y(n)。反向噪音濾波器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120用以處理數位訊號Y(n)，以產生噪音消除訊號NC(n)。於一些實施例中，噪音消除訊號NC(n)用以降低環境噪音(例如噪音訊號V(t))的影響。在一些實施例中，反向噪音濾波器120可為一適應性濾波器。
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接收噪音消除訊號NC(n)，並用以混合噪音消除訊號NC(n)以及等化訊號a(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。數位至類比轉換器134耦接至運算電路132，並用以轉換混頻訊號U(n)。電聲轉換裝置136耦接至數位至類比轉換器134，並用以將混頻訊號U(n)經類比轉換器134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，等化器電路140用以對輸入訊號M(n)在各頻段上的訊號成分進行調整，以產生不同的聲音效果。於一些實施例中，等化器電路140用以根據等化訊號a(n)、混頻訊號U(n)以及數位訊號Y(n)調整等化器電路140中之至少一參數，以決定等化訊號a(n)。
在第1圖的例子中，等化器電路140包含等化器141、適應性(adaptive)濾波器142、反向噪音濾波器143以及運算電路144。等化器141用以處理輸入訊號M(n)以產生等化輸出訊號EO(n)。於一些實施例中，輸入訊號M(n)可為音樂訊源所提供的聲音訊號。
適應性濾波器142用以根據混頻訊號U(n)、數位訊號Y(n)以及等化訊號a(n)處理等化輸出訊號EO(n)。於一些實施例中，適應性濾波器142包含濾波器電路142A以及控制電路142B。濾波器電路142A用以提供轉移函數Sinv(z)來處理等化輸出訊號EO(n)，以產生濾波訊號F1(n)。控制電路142B用以在等化訊號a(n)的功率大於預定值THD時依據誤差訊號e(n)(未繪示)調整至少一權重係數(如後述的wk)，以更新前述的轉移函數Sinv(z)。此處之詳細操作將於後述段落參照第2A圖一併說明。於各個實施例中，適應器濾波器142可由各種數位電路實現，例如包含有限脈衝響應濾波器等等，但本案並不以此為限。
於一些實施例中，反向噪音濾波器143用以處理等化輸出訊號EO(n)，以產生濾波訊號F2(n)。運算電路144耦接至濾波器電路142A以及反向噪音濾波器143，以分別接收 濾波訊號F1(n)以及濾波訊號F2(n)。於一些實施例中，運算電路144用以自濾波訊號F1(n)減去濾波訊號F2(n)，以產生前述的等化訊號a(n)。
於一些實施例中，在不具有等化器電路140的條件下，輸入訊號M(n)被直接輸入至運算電路132而產生混頻訊號U(n)。在此條件下，利用Z轉換分析音訊處理裝置100，可得出下列式(1)： 其中，M(z)為輸入訊號M(n)的Z轉換(Z-transform)，Y(z)為數位訊號Y(n)的Z轉換，H(z)為反向噪音濾波器120的轉移函數，V(z)為噪音訊號V(t)對應之數位訊號V(n)的Z轉換，且S(z)為電聲轉換裝置136至聲電轉換裝置150之間的等效轉移函數。根據上式(1)，可推得輸入訊號M(n)至類比至數位轉換器110之間的轉移函數為S(z)/[1-S(z)H(z)]。
因此，在具有等化器電路140的實施例中，等化器電路140的轉移函數E(z)可表示為下式(2)： 其中，D(z)為等化器141的轉移函數，亦即為輸入訊號M(n)被輸出至人耳後的目標轉移函數。於一些實施例中，轉移函數D(z)與轉移函數H(z)為可預先設定的可知數值，而轉移函數S(z)會因為耳機的位置或不同耳朵形狀而改變。於一些實施例中，第1圖中的等化器電路140可根據上式(2)設計。
於一些技術中，音訊處理裝置僅採用具有固定的轉移函數的等化器來調整輸入訊號M(n)。於此些技術中，等化器並未依據轉移函數S(z)的變化動態調整，而使得等化器的調整後的播放效果降低。相較於上述技術，藉由設置適應性濾波器142，可依據混頻訊號U(n)與/或等化訊號A(n)預估轉移函數S(z)，進而依據所預估的轉移函數S(z)動態地調整適應性濾波器142的參數。如此一來，音訊處理裝置100可依據耳機的位置或不同的耳朵構造來動態地調整最終輸出的聲音效果。
第2A圖為根據本案之一些實施例中所繪示的如第1圖中控制電路142B所執行之方法200的流程圖。
於一些實施例中，控制電路142B可由執行方法200的任意硬體、軟體或上述之組合實現。於一些實施例中，上述的硬體包含處理器、微控制器、特殊應用積體電路或各種類型的數位訊號處理電路。
如第2A圖所示，於操作S210中，經由具有轉移函數W(z)的適應性濾波器處理混頻訊號U(n)，以估計轉移函數S(z)。於一些實施例中，適應性濾波器可由FIR濾波器實現，且轉移函數W(z)可表示W(z)=w0+w1 z-1+w2 z-2+...+wL-1z-L+1。
於操作S220中，將具有轉移函數W(z)的適應性濾波器之輸出減去數位訊號Y(n)以產生誤差訊號e(n)。
於操作S230中，執行適應性演算法，以在等化訊號a(n)的功率大於一預定值THD時更新轉移函數W(z)中的至少一權重係數wk。
例如，參照第1圖，對利用Z轉換分析音訊處理裝置100，可得出下列式(3)：
其中，A(z)為等化訊號a(n)的Z轉換。由上式可得知，當等化訊號a(n)的功率大於噪音訊號V(t)的功率時，可得知下式(4)： 在此條件下，Y(z)與U(z)的比值為S(z)。換言之，當等化訊號a(n)的功率大於噪音訊號V(t)對應的數位訊號V(n)的功率時，轉移函數W(z)可收斂至轉移函數S(z)。反之，當等化訊號a(n)的功率為小於噪音訊號V(t)對應的數位訊號V(n)的功率時，轉移函數W(z)僅能收斂至1/H(z)。
據此，基於上述關係，可藉由設置預定值THD，以判斷等化訊號a(n)的功率是否足夠大於噪音訊號V(t)對應的數位訊號V(n)的功率。於一些實施例中，在操作230中的適應性演算法可表示為下式：ifa[n]2>THD：wk=wk+μe(n)×U(n-k),k=0~L-1；else：wk=wk
其中，誤差訊號e(n)為基於混頻訊號U(n)以及數位訊號Y(n)產生，例如，誤差訊號e(n)為具有轉移函數W(z)的適應性 濾波器之輸出與數位訊號Y(n)之間的差值，wk為上述轉移函數W(z)中的多個權重係數，a[n]2表示為等化訊號a(n)的功率，且μ為步階間距(step-size)。
繼續參照第2A圖，於操作S240中，對轉移函數W(z)依序執行快速傅立葉轉換、倒數運算以及逆向快速傅立葉轉換，以調整濾波器電路142A的轉移函數Sinv(z)，其中轉移函數Sinv(z)關聯於為轉移函數S(z)的倒數。例如，於一實施例中，轉移函數Sinv(z)可實質上設置為轉移函數S(z)的倒數。
藉由操作S240中的多個運算，可預估前述式(2)中的1/S(z)(即轉移函數Sinv(z))。等效而言，等化器電路140可執行式(2)的運算來處理輸入訊號M(n)，以根據轉移函數S(z)動態地調整聲音輸出效果。
第2B圖為根據本案之一些實施例所繪示的用於執行第2A圖的方法200的功能方塊圖。於一些實施例中，適應性濾波器142可由第2B圖的多個功能單元實施。
例如，單元210A可用於執行前述第2A圖的多個操作S210、S220以及S230。單元220A可用於執行前述第2A圖的多個操作S240中快速傅立葉轉換的運算(表示為FFT)。單元230A可用於執行前述第2A圖的多個操作S240中的倒數運算(表示為(1/*))。單元240A可用於執行前述第2A圖的多個操作S240中的逆向快速傅立葉轉換運算(表示為IFFT)。第2B圖之功能方塊圖僅為示例，本案並不以此為限。
第3圖為根據本案之一些實施例所繪示的一種音 訊處理裝置300的示意圖。為易於理解，第1圖與第3圖中的類似元件將被指定為相同參考標號。
相較於第1圖，音訊處理裝置300中的控制電路142B僅根據等化訊號a(n)以及數位訊號Y(n)調整轉移函數W(z)中的至少一權重係數wk。例如，相較於第1圖的控制電路142B，此例中的控制電路142B在操作S210中設置以經由具有轉移函數W(z)的適應性濾波器處理等化訊號a(n)，以估計轉移函數S(z)。於此例中，誤差訊號e(n)為基於等化訊號a(n)以及數位訊號Y(n)產生。例如，誤差訊號e(n)為具有轉移函數W(z)的適應性濾波的輸出與數位訊號Y(n)之間的差值。換言之，於此例中，前述的第2B圖中的單元210A可在不接收混頻訊號U(n)下估計轉移函數S(z)。
例如，根據先前式(3)，當等化訊號a(n)的功率大於噪音訊號V(t)所對應的數位訊號V(n)的功率時，可得知下式(4)： 因此，於此條件下，Y(z)/A(z)=S(z)/[1-S(z)H(z)]。如此一來，轉移函數W(z)會收斂至S(z)/[1-S(z)H(z)]，而轉移函數Sinv(z)會收斂至1/S(z)-H(z)。因此，當轉移函數1/S(z)足夠大於轉移函數H(z)時，轉移函數Sinv(z)可約等於1/S(z)。或者，當轉移函數1/S(z)小於轉移函數H(z)時，透過分析可得知轉移函數Sinv(z)的誤差值僅約6dB。據此，在不論各種條件下，此例中的控制電路142B仍足以預估出轉移函數Sinv(z)。
於上述各個實施例中，音訊處理裝置100與音訊處理裝置300中的各個電路可由各種類型的數位訊號處理電路實現。或者，上述各實施例中的多個操作可由狀態機設置，並經由硬體、軟體或其組合實現。各種可實施上述音訊處理裝置100與音訊處理裝置300中的多個元件與其功能的實施方式皆為本案所涵蓋的範圍。
第4圖為根據本案的一些實施例所繪示的一種音訊處理方法400的流程圖。於操作S410，處理數位訊號Y(n)，以產生噪音消除訊號NC(n)。
例如，如第1圖所示，反向噪音濾波器120用以處理數位訊號Y(n)以產生噪音消除訊號NC(n)，其中數位訊號Y(n)為經由類比至數位轉換器110轉換電子訊號E(t)產生。
於操作S420，混合噪音消除訊號NC(n)、等化訊號a(n)產生混頻訊號U(n)，並基於混頻訊號U(n)輸出聲音輸出訊號SO(t)。例如，如先前所述，操作S420可由第1圖的輸出電路130執行。
於操作S430，根據等化訊號a(n)以及數位訊號Y(n)調整至少一參數，以決定等化訊號a(n)。例如，如先前所述，可透過第1圖或第3圖的控制電路142B執行方法200，以調整至少一權重參數wk，其中權重參數wk關聯於濾波器電路142A的轉移函數Sinv(z)。如此一來，等化訊號a(n)可根據耳機的位置或不同耳朵構造動態地改變，以保持最終輸出的聲音效果。
上述方法400的多個步驟僅為示例，並非限於上 述示例的順序執行。在不違背本揭示內容的各實施例的操作方式與範圍下，在方法400下的各種操作當可適當地增加、替換、省略或以不同順序執行。
綜上所述，本案提供的音訊處理裝置與方法可偵測耳機位置或不同耳朵構造，以動態地調整等化器的參數，以保持最終輸出的聲音效果。
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。

Claims (10)

  1. 一種音訊處理裝置，包含：一第一反向噪音濾波器，用以處理一數位訊號，以產生一噪音消除訊號；一輸出電路，用以混合該噪音消除訊號以及一等化訊號產生一混頻訊號，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；以及一等化器電路，用以接收一輸入訊號，並用以根據該等化訊號以及該數位訊號調整該等化器電路中之至少一參數，以處理該輸入訊號成該等化訊號。
  2. 如請求項1所述的音訊處理裝置，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與該等化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；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。
  3. 如請求項2所述的音訊處理裝置，更包含：一聲電轉換裝置，用以基於一噪音訊號以及該聲音輸出訊號產生一電子訊號；以及一類比至數位轉換器，用以轉換該電子訊號至該數位訊號。
  4. 如請求項3所述的音訊處理裝置，其中該電聲轉換裝置與該聲電轉換裝置之間存在一第一轉移函數，該等化器電路包含一適應性濾波器，該適應性濾波器具有一第二轉移函數，該至少一參數為關聯於該第二轉移函數的至少一權重係數，且該第二轉移函數關聯於為該第一轉移函數的倒數。
  5. 如請求項1所述的音訊處理裝置，其中該等化器電路包含一適應性濾波器，且該至少一參數為該適應性濾波器的至少一權重係數。
  6. 如請求項1所述的音訊處理裝置，其中該等化器電路包含：一等化器，用以處理該輸入訊號以產生一等化輸出訊號；一適應性濾波器，用以依據該混頻訊號、該等化訊號以及該數位訊號處理該等化輸出訊號，以產生一第一濾波訊號；一第二反向噪音濾波器，用以處理該等化輸出訊號，以產生一第二濾波訊號；以及一運算電路，用以自該第一濾波訊號減去該第二濾波訊號，以產生該等化訊號。
  7. 如請求項6所述的音訊處理裝置，其中該適應性濾波器包含：一濾波器電路，用以提供一轉移函數處理該等化輸出訊 號，以產生該第一濾波訊號；以及一控制電路，用以在該等化訊號的一功率大於一預定值時依據一誤差訊號調整該至少一參數，以更新該轉移函數，其中該誤差訊號為基於該混頻訊號以及該數位訊號產生，且該至少一參數為關聯於該轉移函數的至少一權重係數。
  8. 如請求項1所述的音訊處理裝置，其中該等化器電路包含：一等化器，用以處理該輸入訊號以產生一等化輸出訊號；一適應性濾波器，用以依據該等化訊號以及該數位訊號處理該等化輸出訊號，以產生一第一濾波訊號；一第二反向噪音濾波器，用以處理該等化輸出訊號，以產生一第二濾波訊號；以及一運算電路，用以自該第一濾波訊號減去該第二濾波訊號，以產生該等化訊號。
  9. 如請求項8所述的音訊處理裝置，其中該適應性濾波器包含：一濾波器電路，用以提供一轉移函數處理該等化輸出訊號，以產生該第一濾波訊號；以及一控制電路，用以在該等化訊號的一功率大於一預定值時依據一誤差訊號調整該至少一參數，以更新該轉移函數，其中該誤差訊號為基於該等化訊號以及該數位訊號產生，且該至少一參數為關聯於該轉移函數的至少一權重係數。
  10. 一種音訊處理方法，包含：處理一數位訊號以產生一噪音消除訊號；混合該噪音消除訊號以及一等化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；以及根據該等化訊號以及該數位訊號調整至少一參數，以處理一輸入訊號成該等化訊號。
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