TWI733098B - 用於主動式降噪的音頻調校方法以及相關音頻調校電路 - Google Patents

用於主動式降噪的音頻調校方法以及相關音頻調校電路 Download PDF

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Abstract

主動式降噪電路，包含：音源產生電路；音源輸入單元，用以傳送待播音頻或聲音測試訊號，以作為第一時域訊號；音源接收器，用以接收環境聲音，以作為第二時域訊號，其中該環境聲音係對應於該待播音頻或該聲音測試訊號；以及通道估測單元，用以接收該第一時域訊號以及該第二時域訊號，並且分別對該第一時域訊號以及該第二時域訊號進行時域-頻域轉換，以取得第一頻域訊號以及第二頻域訊號，以及根據該第一頻域訊號與該第二頻域訊號來產生頻率響應；其中該頻率響應係用來調整該主動式降噪電路的主動式降噪係數，以優化降噪效果。

Description

用於主動式降噪的音頻調校方法以及相關音頻調校電路
本發明係關於一種音頻調校方法以及相關電路，尤指一種能夠改善主動式降噪(Active noise cancellation，ANC)耳機的降噪效果的方法以及相關電路。
使用耳機聆聽音樂時，降噪功能是極為重要的環節，其中被動式降噪係透過耳機本身的材質或構造來稍微降低噪音最後傳到人耳的音量，然而對於特定類型的聲音(例如一些較不悅耳的聲音)則沒有太大的改善。相對於被動式降噪，主動式降噪效果要比被動式降噪顯著許多，也因此越來越多耳機產品使用到主動式降噪的技術。
在主動式降噪耳機的產品開發上，首要面臨的難題即是需要精準調校的降噪程度，這需要考量耳機機構、元件、耳塞/耳罩等材質對於環境噪音所造成的響應，這些響應也常被稱為主路徑響應(Primary path response)。然而，只考量主路徑響應是不夠的，次路徑響應(Secondary path response)以及回授路徑抵銷(feedback path neutralization，FBPN)響應也是惡化主動式降噪效果的很大因素。
對此，現有技術對於次路徑響應的解決方案需要透過最小均方(Least Mean Square，LMS)演算法去收斂，然而，這些做法難免都會面臨收斂速度、收斂穩定性、收斂後的準確度的取捨。
綜上所述，需要一種新穎的方法來解決上述問題，以提昇主動式降噪耳機的降噪效果。
有鑑於以上問題，本發明提供一種聲音處理方法，能夠快速且準確地對次路徑響應以及回授路徑抵銷響應進行估測，並且可以輕易地套用在FIR(finite impulse response，FIR)或IIR(infinite impulse response，IIR)濾波器架構上。本發明能夠在無副作用或是僅有較低副作用的情況下解決習知技術所面臨的問題。
本發明的一實施例提供了一種主動式降噪電路，其可應用於一電子裝置。該主動式降噪電路包含一音源產生電路、一音源輸入單元、一音源接收器以及一通道估測單元。該音源輸入單元係用以傳送一待播音頻或一聲音測試訊號，以作為一第一時域訊號；該音源接收器係用以接收環境聲音以作為一第二時域訊號，其中該環境聲音係對應於該待播音頻或該聲音測試訊號；該通道估測單元係用以接收該第一時域訊號以及該第二時域訊號，並且分別對該第一時域訊號以及該第二時域訊號進行時域-頻域轉換，以取得一第一頻域訊號以及一第二頻域訊號，以及根據該第一頻域訊號與該第二頻域訊號來產生一頻率響應。其中，該頻率響應係用來調整該主動式降噪電路的一主動式降噪係數，以 優化降噪效果。
本發明的一實施例提供了一種主動式降噪調校方法，其可應用於一主動式降噪電路。該主動式降噪電路包含一音源接收器以及一音源產生電路，且該音源接收器係用以收音。該主動式降噪調校方法包含：根據一待播音頻或一聲音測試訊號來產生一第一時域訊號；根據一音源接收器所收到的環境聲音來產生一第二時域訊號，其中該環境聲音係對應於該待播音頻或該聲音測試訊號；分別對該第一時域訊號以及該第二時域訊號進行時域-頻域轉換，以取得一第一頻域訊號以及一第二頻域訊號；根據該第一頻域訊號與該第二頻域訊號來產生一頻率響應；以及根據該頻率響應來調整該主動式降噪電路的一主動式降噪係數，以優化降噪效果。
10:電子裝置
100:主動式降噪電路
110:內部/外部麥克風
120:類比數位轉換器
130:數位類比轉換器
150:處理電路
160:揚聲器
170:人耳
152:響應估測單元
154:濾波擬合單元
210:音源輸入單元
206:多工器
205:音源產生器
220、230:轉換單元
240:通道估測單元
270:音源接收器
T1、T2:時域訊號
P[m,k]、Y[m,k]:頻域訊號
300:方法
302~310:步驟
第1圖係根據本發明實施例計算耳機的濾波係數的架構圖。
第2圖係響應估測單元的細部運作方塊圖。
第3圖係根據本發明實施例的對主動式降噪調校方法的流程圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係一開放式的用語，故應解釋成「包 含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
請參考第1圖，第1圖係根據本發明實施例計算主動式降噪電路100的濾波係數的架構圖，其中主動式降噪電路100應用於一電子裝置10，電子裝置10可設計為一耳機本體，或是可設計為音響系統的一部分或全部。如第1圖所示，電子裝置10包含內部/外部麥克風110(後續簡稱麥克風)及揚聲器160，兩者皆耦接於主動式降噪電路100。主動式降噪電路100可包含類比數位轉換器(在圖中標示A/D)120、數位類比轉換器(在圖中標示D/A)130及處理電路150。內部/外部麥克風110可以是位於電子裝置10表面的外部麥克風，或是內建於電子裝置10的內部麥克風。在一實施例中，內部/外部麥克風110可以是一數位形式的內部/外部麥克風，不需經由類比數位轉換器120即可直接輸出數位聲音訊號。類比數位轉換器120用以將內部/外部麥克風110錄到的類比聲音轉換成數位訊號，並且傳給處理電路150進行處理。之後，處理電路150將處理過的數位訊號傳給數位類比轉換器130，數位類比轉換器130會據以產生類比的聲音，經由揚聲器160播放再由人耳170接收。在另一實施例中，主動式降噪電路100係一數位電路，類比數位轉換器120及數位類比轉換器130係包含於電子裝置10或其他電路中。
一般來說，次路徑(secondary path)響應或是回授路徑抵銷(feedback path neutralization，FBPN)響應必須在耳機是正常配戴的時候進行量測，然而，除了利用實際人耳配戴的方式來量測，亦可藉由設置人工頭(或人工耳)裝置來模擬使用者實際聆聽的情境，例如，可將第1圖中的人耳170置換為人工耳。 此外，較佳的情況是能在無響室(anechoic chamber)或是在有適當的隔音的環境下進行量測，對於量測FBPN響應會有更好的效果。
處理電路150包含一響應估測單元(Response Estimator)152以及濾波擬合(filtering fitting)單元154。響應估測單元152係用以擷取待播放的時域訊號(亦即要輸出至類比數位轉換器120的聲音訊號)與麥克風110所接收到的時域訊號(亦即麥克風所錄到的背景聲音或環境聲音)，並且一併對兩者進行響應估測，藉此產生了頻率響應的向量，其代表的頻域上某些特定頻率點的響應。之後，濾波擬合單元154進行濾波擬合以產生濾波係數(當麥克風110係內部麥克風時，估得的濾波係數以
Figure 108113508-A0305-02-0008-6
[z]表示)；或者，當麥克風110係外部麥克風時，估得的濾波係數以
Figure 108113508-A0305-02-0008-7
[z]表示)。所產生的濾波係數可用於主動式降噪電路所使用的反向相消波形作進一步調整，使得反向相消波形有更精確的振幅以及相位，如此一來，主動式降噪電路100對於噪音可有更好的消除效果，尤其是針對次路徑響應以及FBPN響應的部份，其中所產生的濾波係數(
Figure 108113508-A0305-02-0008-8
[z]或
Figure 108113508-A0305-02-0008-9
[z])即可作為調整後的主動式降噪係數，供主動式降噪電路100進行後續的使用。
本發明透過麥克風收音與耳機播音不同步，正是次路徑響應與FBPN所要估得的響應，而響應可包括相位上的分量(例如耳機播出去後要延遲多久才會被麥克風收到)，以及能量上的分量(例如增益的變化量)，響應必須估計的準確才能得到準確的反向抵銷波形。舉例來說，以內部麥克風類比真實耳朵，假設外部聲音到內部麥克風的響應為P(z)，耳機喇叭到內部麥克風的響應即為次路徑響應S[z]，所以理想上，前向回饋式(feedforward)的主動式降噪濾波器要儘可能逼近-P[z]/S[z]，若S[z]估得不準確就會產生不正確的反向抵銷波形。
請進一步參考第2圖，第2圖係響應估測單元152的細部運作方塊圖，如第2圖所示，音源輸入單元210包含一多工器206，多工器206會選擇輸出所要播放的音頻/聲音，或輸出音源產生器205所產生的訊號(可為一聲音測試訊號，以供進行本發明降噪係數的調校)，接著會提供時域訊號T1給轉換單元220以進行離散傅立葉轉換(discrete Fourier transform，DFT)或短時間傅立葉轉換(short-time Fourier transform，STFT)，並對應地產生經轉換後的頻域訊號P[m,k]給通道估測單元240。另一方面，由音源接收器270(耦接至電子裝置10的內部/外部麥克風110)收到的環境聲音(即時域訊號T2)也會被傳送至轉換單元230來進行DFT/STFT的處理，並對應地產生轉換後的頻域訊號Y[m,k]給通道估測單元240，其中時域訊號T1與時域訊號T2可以是同一時間的兩筆時域訊號。請注意，雖然轉換單元220、230在以上範例中被描述為兩個獨立的元件，但本發明亦可將轉換單元220、230整合為同一元件。最後，由通道估測單元240對接收到的頻域訊號P[m,k]、Y[m,k]進行通道估測。其中，通道估測單元240係一正交分頻多工(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)通道估測單元，尤其是可為一引導輔助(pilot-aided)正交分頻多工通道估測單元。
在進行降噪係數校正時，除了利用音源產生器205所產生的聲音測試訊號作為樣本外，亦可利用所要播放的音頻/聲音來作為樣本，其中聲音測試訊號可以是單頻聲音或是多頻聲音，被轉換單元220轉到頻域之後，可與來自音源接收器270(即來自電子裝置10的內部/外部麥克風110)的輸入訊號一起進行正交分頻多工(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)通道估測來產生一頻率響應。之後，所產生的頻率響應會傳給濾波擬合單元154，並由濾波擬合單元154產生一濾波係數來改善降噪操作。由於OFDM技術已是本領域熟知的技術，相關細節在此省略。
詳細而言，待播音頻以及聲音測試訊號可包含位於不同頻率區段的多種特徵，例如可包含：介於0~200Hz的一第一特徵、介於200Hz~500Hz的一第二特徵以及位於500Hz以上的一第三特徵，其中該第一特徵可為100Hz、該第二特徵可為300Hz，且該第三特徵可為500Hz，但本發明不限於此。
本發明將上述時域訊號T1、T2轉為頻域訊號P[m,k]、Y[m,k]的主要目的是為了估測響應，使用頻域的計算量會比較簡單，因為時域的卷積(convolution)運算轉到頻域變成了簡單的的乘法運算。其中，m係時間的索引值(index)，k係頻率的索引值。在進行OFDM運算時，可挑選各個時間點能量較強的頻率來作為OFDM系統中的引導音頻(pilot tone)。接著，在已經得到引導音頻以及頻域訊號P[m,k]、Y[m,k]的情況下，變可使用本領域熟知的引導輔助OFDM通道估測，如以下方程式所示，其中
Figure 108113508-A0305-02-0010-5
[m，k]係所要輸出的頻率響應。
Figure 108113508-A0305-02-0010-1
必須注意的是，相較於Y[m,k]，P[m,k]必須有一定程度的大小(亦即P[m,k]不宜比Y[m,k]小太多，或|P[m，k]|必須大於一臨界值)，否則當Y[m,k]不夠乾淨時(亦即有別的頻率的訊號可能透過麥克風漏過來時)，會影響到運算結果。此外，本發明不限定在響應估測單元152取得頻域訊號P[m,k]、Y[m,k]之後只能透過通道估測單元240來計算出頻率響應，亦即，本發明不排除以OFDM以外的方式來推算出頻域訊號P[m,k]、Y[m,k]之間的頻域響應。
本發明並不限制所使用的濾波擬合(filter fitting)技術，目前已有眾多相關技術(例如MATLAB的invfreqz功能)可以使用。在實作上，本發明的濾波器可採用IIR濾波器或FIR濾波器。
本發明上述方法的應用層面極廣，並且至少包含以下情境：(1)上述方法可應用在使用者平時使用主動式降噪耳機的即時運算，使用者可以針對當下的環境，對主動式降噪耳機進行降噪係數上的校正；(2)上述方法可以在主動式降噪耳機開機時進行，並於初始的開機校正階段完成運算；以及(3)上述方法可以用來決定出廠時的默認降噪係數，相較之下，習知技術需要高精度的儀器來測量出次路徑響應(Secondary path response)以及回授路徑抵銷(FBPN)響應，才能決定出夠準確的默認降噪係數，這無疑比本發明多出許多硬體上的成本。
值得注意的是，以上三種情境亦可搭配運用，例如使用者可以僅依賴主動式降噪耳機開機時的自我校正，並於之後沿用校正後的結果；此外，使用者亦可於產品已使用一段時間後，自行觸發對產品的校正。
此外，本發明的方法、電路及裝置並不侷限只適用於耳機降噪，舉例來說，包含主動式降噪電路100的耳機裝置可用家用音響或車用音響系統來實現，而相關方法可以用來進行室內或車內降噪，因為家用音響或車用音響亦可播放出與噪音反向的音頻來達到降噪效果。相較於本發明，若要進行室內或車內降噪，習知技術必須另行針對不同室內或車輛去個別研發能夠測量出次路徑響應以及FBPN響應的設備。
請參考第3圖，第3圖係根據本發明實施例的對主動式降噪調校方法300的流程圖。請注意，假若可獲得實質上相同的結果，則這些步驟並不一定要 遵照第3圖所示的執行次序來執行。第3圖所示之方法可被第1圖電子裝置10的主動式降噪電路100以及前述之音響系統所採用，並可簡單歸納如下：
步驟302：開始。
步驟304：根據一待播音頻或一聲音測試訊號來產生一第一時域訊號，並且根據一音源接收器所收到的環境聲音來產生一第二時域訊號，其中該環境聲音係對應於該待播音頻或該聲音測試訊號(亦即，麥克風收到噪音的是理想上是要同步於待播出的音頻，但實際上，相位會比待播出的音頻略為領先)；
步驟306：分別對該第一時域訊號以及該第二時域訊號進行時域-頻域轉換，以取得一第一頻域訊號以及一第二頻域訊號；
步驟308：根據該第一頻域訊號與該第二頻域訊號來產生一頻率響應；以及
步驟310：根據該頻率響應來調整主動式降噪電路的一主動式降噪係數，以優化降噪效果。
其中，步驟304的第一時域訊號與第二時域訊號是擷取同一時間的兩筆資料，然本發明不限於此。綜上所述，本發明能夠有效解決習知技術的主動式降噪技術無法妥善解決的次路徑響應以及回授路徑抵銷響應等問題，且採用本發明的方法並不需要使用到昂貴的校正儀器，故本發明可在不增加成本的情況下達到良好功效。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
130:數位類比轉換器
152:響應估測單元
154:濾波擬合單元
210:音源輸入單元
206:多工器
205:音源產生器
220、230:轉換單元
240:通道估測單元
T1、T2:時域訊號
P[m,k]、Y[m,k]:頻域訊號
270:音源接收器

Claims (8)

  1. 一種主動式降噪電路，應用於一電子裝置，該電子裝置包含一揚聲器及一麥克風，該主動式降噪電路包含：一音源輸入單元，用以傳送一待播音頻或一聲音測試訊號，以作為一第一時域訊號；一音源接收器，耦接至該麥克風，用以接收環境聲音，以作為一第二時域訊號，其中該環境聲音係對應於該待播音頻或該聲音測試訊號；以及一通道估測單元，用以接收該第一時域訊號以及該第二時域訊號，並且分別對該第一時域訊號以及該第二時域訊號進行時域-頻域轉換，以取得一第一頻域訊號以及一第二頻域訊號，以及根據該第一頻域訊號與該第二頻域訊號來產生一頻率響應；其中該頻率響應是代表該電子裝置的該揚聲器到該麥克風的響應，且該頻率響應係用來調整該主動式降噪電路的一主動式降噪係數，以優化降噪效果；其中該頻率響應係被傳送至一濾波擬合單元，且該濾波擬合單元據以產生一濾波係數來改善該主動式降噪係數；以及該濾波擬合單元用以根據該濾波係數產生一調整後的主動式降噪係數並將其回饋給該待播音頻或該聲音測試訊號，用以計算該第一時域訊號與該第二時域訊號相位上的差距。
  2. 如請求項1所述的主動式降噪電路，其中該第一時域訊號與該第二時域訊號係同一時間的兩筆時域訊號。
  3. 如請求項1所述的主動式降噪電路，其中該待播音頻以及該聲音測試訊號包含：介於0~200Hz的一第一特徵；介於200Hz~500Hz的一第二特徵；以及位於500Hz以上一第三特徵。
  4. 如請求項1所述的主動式降噪電路，另包含：一多工器，用來從該待播音頻或該聲音測試訊號中選取一者來作為該第一時域訊號。
  5. 如請求項1所述的主動式降噪電路，另包含；一轉換單元，用以分別對該第一時域訊號以及該第二時域訊號進行離散傅立葉轉換或短時間傅立葉轉換以取得該第一頻域訊號以及該第二頻域訊號。
  6. 如請求項5所述的主動式降噪電路，其中該通道估測單元係根據該第一頻域訊號與該第二頻域訊號來進行正交分頻多工通道估測，以產生該頻率響應。
  7. 如請求項1所述的主動式降噪電路，其中該頻率響應用以調整該主動式降噪電路的主動式降噪係數以降低環境噪音、次路徑響應及/或回授路徑抵銷響應對於該揚聲器所要播放的音源的影響。
  8. 一種主動式降噪調校方法，應用於一主動式降噪電路，該主動式降 噪電路包含一音源接收器及一音源輸入單元，該音源接收器係用以收音，該主動式降噪電路應用於一電子裝置，該電子裝置包含一揚聲器及一麥克風，該主動式降噪調校方法包含：根據該音源輸入單元傳送一待播音頻或一聲音測試訊號來產生一第一時域訊號；根據該音源接收器所收到的環境聲音來產生一第二時域訊號，其中該環境聲音係對應於該待播音頻或該聲音測試訊號；分別對該第一時域訊號以及該第二時域訊號進行時域-頻域轉換，以取得一第一頻域訊號以及一第二頻域訊號；根據該第一頻域訊號與該第二頻域訊號來產生一頻率響應，其中該頻率響應是代表該電子裝置的該揚聲器到該麥克風的響應；以及根據該頻率響應來調整該主動式降噪電路的一主動式降噪係數，以優化降噪效果；其中該頻率響應係被傳送至一濾波擬合單元，且該濾波擬合單元據以產生一濾波係數來改善該主動式降噪係數；以及該濾波擬合單元用以根據該濾波係數產生一調整後的主動式降噪係數並將其回饋給該待播音頻或該聲音測試訊號，用以計算該第一時域訊號與該第二時域訊號相位上的差距。
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