TWI832402B - 具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統 - Google Patents

具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統 Download PDF

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Abstract

電子系統包含風扇模組、嵌入式控制器、參考麥克風、多聲道揚聲器模組、波束成形控制模組和主動降噪控制器。波束成形控制模組控制多聲道揚聲器模組之方位。多聲道揚聲器模組依據揚聲器控制訊號來提供反相噪音訊號以抵銷噪音。參考麥克風用來偵測風扇模組運作時所產生的寬頻噪音以提供相對應之寬頻噪音訊號。主動降噪控制器之虛擬麥克風模組依據參考麥克風和實體誤差麥克風間的轉移函數、多聲道揚聲器模組和實體誤差麥克風間的轉移函數和寬頻噪音訊號來提供虛擬誤差訊號，再依據同步訊號、寬頻噪音訊號和虛擬誤差訊號來產生揚聲器控制訊號。

Description

具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統
本發明提供一種具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統，尤指一種具散熱、使用虛擬麥克風訊號和使用波束成形技術控制多聲道揚聲器模組來實現前饋式主動噪音控制功能之電子系統。
在現代化的資訊社會，電腦系統已經成為多數人不可或缺的資訊工具。為了避免元件因過熱而發生功率降低或是毀損，電腦系統一般會使用風扇來提供散熱功能，以將裝置內部所產生的熱量排出或是將裝置外部之冷空氣吸入。
風扇的轉速和靜壓決定了風扇的空氣流量，風扇運轉時的噪音大約和其轉速的五次方根成正比，轉速越快散熱能力越強，但造成的噪音越大。隨著中央處理器的功能越來越強，裝置內部所產生的廢熱也因此增加，加上微型化的趨勢會降低熱流效率，如何兼顧散熱和降噪是重要課題。
本發明提供一種具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統，其包含一風扇模組、一嵌入式控制器、一參考麥克風、一多聲道揚聲器模組、一波束成形控制模組，以及一主動降噪控制器。該風扇模組用來依據一風扇控制訊號來運作以提供散熱功能。該嵌入式控制器用來提供該風扇控制訊號。該參考麥克風用來偵測該風扇模組運作時所產生的寬頻噪音以提供相對應之一寬頻噪音訊號。該多聲道揚聲器模組至少包含一第一揚聲器和一第二揚聲器，用來依據一揚聲器控制訊號來提供一反相噪音訊號。該波束成形控制模組用來提供一波束成形控制訊號來控制該多聲道揚聲器模組之方位，以將該第一揚聲器和該第二揚聲器之出音方向對準一特定位置。該主動降噪控制器用來依據一第一轉移函數、一第二轉移函數和該寬頻噪音訊號來提供一虛擬誤差訊號，以及依據一同步訊號、該寬頻噪音訊號和該虛擬誤差訊號來產生該揚聲器控制訊號。該同步訊號包含該風扇模組之結構和運作設定之資訊，該第一轉移函數係為該多聲道揚聲器模組未運作時該參考麥克風和一實體誤差麥克風之間的轉移函數，該第二轉移函數係為該風扇模組未運作時該多聲道揚聲器模組和該實體誤差麥克風之間的轉移函數，且該反相噪音訊號包含複數個噪音消除波形以抵銷該電子系統運作時所產生的噪音。
10:處理器
20:風扇模組
30:嵌入式控制器
40:多聲道揚聲器模組
50:參考麥克風
60:主動降噪控制器
62:頻率計算器
64:訊號產生器
66:數位濾波器
68:揚聲器模組驅動電路
70:虛擬麥克風模組
71:第一路徑補償轉移函數模組
72:第二路徑補償轉移函數模組
76:適應性濾波器
80:實體誤差麥克風
100:電子系統
410-440、610-670:步驟
SPK_L:左聲道揚聲器
SPK_R:右聲道揚聲器
S1、S2:位置訊號
SFG:風扇控制訊號
SMIC:揚聲器控制訊號
SSYN:同步訊號
y(n):反相噪音訊號
y’(n):處理後反相噪音訊號
e(n):誤差訊號
e’(n):虛擬誤差訊號
f(n):寬頻噪音訊號
d(n):噪音訊號
x(n):參考訊號
x’(n):處理後參考訊號
P(Z)、P’(Z):參考麥克風和實體誤差麥克風之間的轉移函數
D(Z)、D’(Z):揚聲器模組和參考麥克風之間的轉移函數
C(Z)、C’(Z):揚聲器模組和實體誤差麥克風之間的轉移函數
W(Z):數位濾波器之參數
第1圖為本發明實施例中一種具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統於離線模式下運作時的功能方塊圖。
第2圖為本發明實施例中具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系 統於上線模式下運作時的功能方塊圖。
第3圖為本發明實施例電子系統中主動降噪控制器實作方式之示意圖。
第4圖為本發明實施例中具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統在離線模式運作時之流程圖。
第5圖為本發明實施例中具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統在離線模式運作時多聲道揚聲器模組、參考麥克風、和實體誤差麥克風之間在傳遞訊號時的轉移函數示意圖。
第6圖為本發明實施例中具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統在上線模式運作時之流程圖。
第1圖為本發明實施例中一種具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統100於離線模式下運作時的功能方塊圖。第2圖為本發明實施例中具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統100於上線模式下運作時的功能方塊圖。
電子系統100包含一處理器10、一風扇模組20、一嵌入式控制器(embedded controller,EC)30、一多聲道揚聲器模組40、一參考麥克風50、一主動降噪(active noise cancellation,ANC)控制器60，以及一波束成形(beam-forming)控制模組90，其中主動降噪控制器60包含一虛擬麥克風模組70。多聲道揚聲器模組40至少包含一左聲道揚聲器SPK_L和一右聲道揚聲器SPK_R。
在本發明中，電子系統100可在離線模式和上線模式下運 作。如第1圖所示，當電子系統100在離線模式下運作時，波束成形控制模組70會依據一位置訊號S1來提供一波束成形控制訊號SBF，而多聲道揚聲器模組40會依據波束成形控制訊號SBF來調整左聲道揚聲器SPK_L和右聲道揚聲器SPK_R之方位(出音方向)。此外，主動降噪控制器60會另依據一實體誤差麥克風80提供之誤差訊號e(n)來運作，以求出相關於在特定風扇轉速下多聲道揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)、多聲道揚聲器模組40和實體誤差麥克風80之間的轉移函數C’(Z)，以及參考麥克風50和實體誤差麥克風80之間的轉移函數P’(Z)。
如第2圖所示，當電子系統100在上線模式下運作時，波束成形控制模組70會依據一位置訊號S2來提供波束成形控制訊號SBF，而多聲道揚聲器模組40會依據波束成形控制訊號SBF來調整左聲道揚聲器SPK_L和右聲道揚聲器SPK_R之方位(出音方向)。此外，主動降噪控制器60之虛擬麥克風模組70會依據轉移函數P’(Z)和轉移函數C’(Z)和來計算出一虛擬誤差訊號e’(n)，而主動降噪控制器60會依據虛擬誤差訊號e’(n)、同步訊號SSYN和相關反相噪音訊號y(n)之寬頻噪音訊號f(n)來提供揚聲器控制訊號SMIC以驅動多聲道揚聲器模組40，使得多聲道揚聲器模組40能提供反相噪音訊號y(n)以抵銷虛擬誤差訊號e’(n)，進而執行前饋式主動噪音控制。說明書後續內容會詳述電子系統100在離線模式和上線模式下之詳細運作。
處理器10可為一中央處理器(Central Processing Unit,CPU)或一圖形處理器(Graphics Processing Unit,GPU)，其為電子系統100中關鍵 的運算引擎，負責執行作業系統所需的指令與程序，也是電子系統100中廢熱的主要來源。
風扇模組20視其類型可具備不同結構，主要都是利用馬達帶動扇葉轉動，以將較冷的空氣帶到機箱內部，並將內部較熱的空氣排出，進而達到散熱效果。在本發明中，風扇模組20會依據嵌入式控制器30提供之一風扇控制訊號SFG來運作，風扇控制訊號SFG之值越大，風扇模組20中的馬達轉速越快，散熱效果越強，但也會產生較大噪音。在電子系統100的運作期間，風扇模組20通常會是主要的噪音來源。在一實施例中，風扇控制訊號SFG可為一脈波頻寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)之方波訊號，透過改變其工作週期(duty cycle)來調整風扇模組20中的馬達轉速。在一實施例中，風扇模組20可包含一個或多個軸流式風扇或離心式風扇，通常設置在電子系統100背向使用者的後側。然而，風扇模組20所包含的風扇數目、風扇類型、風扇驅動方式和設置位置並不限定本發明之範疇。
嵌入式控制器30會儲存相關電子系統100各項運作的EC代碼和開機時重要訊號的時序。在關機狀態下，嵌入式控制器30會一直保持運行以等待用戶的開機訊息；在開機狀態下，嵌入式控制器30會控制系統的待機/休眠狀態、鍵盤控制器、充電指示燈，和風扇模組20中的馬達轉速。嵌入式控制器30通常包含一溫度感測器(未顯示於第1圖和第2圖)來監控處理器10的操作溫度，並依此輸出風扇控制訊號SFG。當處理器10的操作溫度越高，風扇控制訊號SFG的工作週期越大，而風扇模組20中的馬達轉速越快；當處理器10的操作溫度越低，風扇控制 訊號SFG的工作週期越小，而風扇模組20中的馬達轉速越慢。
多聲道揚聲器模組40之左聲道揚聲器SPK_L和右聲道揚聲器SPK_R是一種可將電子訊號轉換成聲音訊號的電子元件，通常包含振膜(diaphragm)和由電磁鐵和音圈所組成的驅動電路。多聲道揚聲器模組40可依據波束成形控制模組70提供之波束成形控制訊號SBF來調整左聲道揚聲器SPK_L和右聲道揚聲器SPK_R之方位，使得左聲道揚聲器SPK_L和右聲道揚聲器SPK_R能朝著特定方向發送聲音訊號。此外，揚聲器模組40可依據主動降噪控制器60提供之揚聲器控制訊號SMIC來發送反相噪音訊號y(n)，當揚聲器控制訊號SMIC之電流通過音圈時，音圈即隨著電流的頻率振動，而和音圈相連的振膜當然也就跟著振動，進而推動周圍的空氣振動以產生聲音。多聲道揚聲器模組40的作用是在使用者操作電子系統100時提供相關音效，因此通常設置在電子系統100面向使用者的前側。
參考麥克風50設置在接近風扇模組20中風扇葉片的位置，用來擷取風扇模組20運作時所產生的噪音，並將量測到之寬頻噪音訊號f(n)傳送至主動降噪控制器60，其中寬頻噪音訊號f(n)包含風扇模組20運作時所產生氣流噪音d(n)和多聲道揚聲器模組40運作時所提供之反相噪音訊號y(n)的寬頻噪音頻譜。在一實施例中，參考麥克風50可為一數位式微機電系統(Micro Electro Mechanical System,MEMS)麥克風，其具備高耐熱、高抗振和高抗射頻干擾等性能。然而，參考麥克風50之種類並不限定本發明之範疇。
第3圖為本發明實施例中主動降噪控制器60實作方式之示意圖。主動降噪控制器60包含一頻率計算器62、一訊號產生器64、一數位濾波器66、一揚聲器模組驅動電路68、第一路徑補償轉移函數模組71、第二路徑補償轉移函數模組72、一適應性濾波器76，以及虛擬麥克風模組70。
當電子系統100在離線模式下運作時，主動降噪控制器60可接收同步訊號SSYN、從參考麥克風50接收相關反相噪音訊號y(n)之寬頻噪音訊號f(n)，以及從實體誤差麥克風80接收誤差訊號e(n)，並依此求出多聲道揚聲器模組40和實體誤差麥克風80之間的轉移函數C’(Z)、多聲道揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)，以及參考麥克風50和實體誤差麥克風80之間的轉移函數P’(Z)。其中，同步訊號SSYN包含相關風扇模組20之結構(例如各風扇葉片數)和運作設定(例如在不同模式下馬達轉速)之資訊。在第1圖和第2圖所示之實施例中，同步訊號SSYN可由嵌入式控制器30提供。在本發明其它實施例中，同步訊號SSYN可由處理器10或其它元件來提供。
當電子系統100在上線模式下運作時，主動降噪控制器60可接收同步訊號SSYN，以及從參考麥克風50接收相關反相噪音訊號y(n)之寬頻噪音訊號f(n)，而虛擬麥克風模組70會依據在離線模式下求出之轉移函數C’(Z)和P’(Z)，來提供虛擬誤差訊號e’(n)。依據同步訊號SSYN、寬頻噪音訊號f(n)、虛擬誤差訊號e’(n)，以及在離線模式下求出之轉移函數C’(Z)和D’(Z)，主動降噪控制器60可計算出風扇模組20以預定風扇轉速運作時所產生噪音中的寬頻帶噪音，再依此提供揚聲 器控制訊號SMIC以驅動多聲道揚聲器模組40，使得多聲道揚聲器模組40提供之反相噪音訊號y(n)能有效地抵銷噪音信號d(n)的影響，亦即盡量讓虛擬誤差訊號e’(n)降為0。在第1圖和第2圖所示之實施例中，同步訊號SSYN可由嵌入式控制器30提供。在本發明其它實施例中，同步訊號SSYN可由處理器10或其它元件來提供。
第4圖顯示了本發明實施例中具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統100在離線模式運作時之流程圖，其包含下列步驟：
步驟410：將實體誤差麥克風80設置在一特定位置。
步驟420：將多聲道揚聲器模組40中所有揚聲器之出音方向對準特定位置。
步驟430：在多聲道揚聲器模組40不運作的狀態下，量測參考麥克風50和實體誤差麥克風80之間的轉移函數P’(Z)。
步驟440：在風扇模組20不運作的狀態下，量測多聲道揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)以及多聲道揚聲器模組40和實體誤差麥克風80之間的轉移函數C’(Z)。
第5圖顯示了本發明實施例中具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統100在離線模式運作時多聲道揚聲器模組40、參考麥克風50、和實體誤差麥克風80之間在傳遞訊號時的轉移函數示意圖。在第5圖中，d(n)代表在電子系統100在離線模式運作期間欲消除的噪音訊號，f(n)代表參考麥克風50量測到之寬頻噪音訊號，e(n)代表實體誤差麥克風80所輸出的誤差訊號，y(n)代表多聲道揚聲器模組40所提供之反 相噪音訊號，SMIC代表主動降噪控制器60所輸出之揚聲器控制訊號，P(Z)代表參考麥克風50和實體誤差麥克風80之間的轉移函數，D(Z)代表多聲道揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數，而C(Z)代表多聲道揚聲器模組40和實體誤差麥克風70之間的轉移函數。當風扇模組20以不同風扇轉速來運作時，所產生的風壓也會不同，而風扇葉片轉動時所造成的風壓會影響多聲道揚聲器模組40、參考麥克風50和實體誤差麥克風80之間的轉移函數。因此，本發明可在離線模式下求出對應每一風扇轉速的轉移函數。
在步驟410中，本發明會將實體誤差麥克風80設置在特定位置，其中特定位置可為使用者在操控電子系統100時的預期位置。舉例來說，當電子系統100為一筆記型電腦時，使用者的頭部通常會位於螢幕正前方相隔特定距離之處，因此可將實體誤差麥克風80設置在使用者頭部的預期位置，例如電子系統100之螢幕正前方約30~45公分，但不侷限於此。實體誤差麥克風80用來擷取電子系統100在離線模式下運作時的整體噪音，並輸出相對應之誤差訊號e(n)至主動降噪控制器60，其中d(n)代表在電子系統100在離線模式下運作期間欲消除的噪音訊號。更詳細地說，實體誤差麥克風80所輸出之誤差訊號e(n)相關於噪音訊號d(n)和所擷取到的反相噪音訊號y(n)之間的差值，誤差訊號e(n)之值越小代表降噪效果越好。
在步驟420中，波束成形控制模組70可依據位置訊號S1來提供波束成形控制訊號SBF，使得多聲道揚聲器模組40中所有揚聲器之出音方向皆能對準特定位置，其中位置訊號S1相關於使用者在操控電子 系統100時的預期位置，可由處理器10、嵌入式控制器30、或其它元件來提供，但不侷限於此。
在步驟430中，適應性濾波器76會在多聲道揚聲器模組40不運作的狀態下，量測參考麥克風50和實體誤差麥克風80之間的轉移函數P’(Z)。更詳細地說，在步驟430中，主動降噪控制器60會輸出揚聲器控制訊號SMIC以關閉多聲道揚聲器模組40(y(n)之值為0)，此時適應性濾波器76會依據參考麥克風50量測到之寬頻噪音訊號f(n)和實體誤差麥克風80輸出的誤差訊號e(n)來調整數位濾波器66之參數W(Z)。在經過一預定期間的適應性訊號處理後，數位濾波器66之參數W(Z)會收斂到一個預定的穩定狀況，此時數位濾波器66之參數W(Z)可作為參考麥克風50和實體誤差麥克風80之間的轉移函數P’(Z)。
在步驟440中，本發明會在無風壓狀態下量測多聲道揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)以及多聲道揚聲器模組40和實體誤差麥克風70之間的轉移函數C’(Z)。更詳細地說，在步驟440中，嵌入式控制器30會輸出風扇控制訊號SFG以關閉風扇模組20，而主動降噪控制器60會輸出揚聲器控制訊號SMIC以控制多聲道揚聲器模組40提供反相噪音訊號y(n)。在離線模式下，反相噪音訊號y(n)為作為測試訊號的白噪音(white noise)，而適應性濾波器76會依據多聲道揚聲器模組40提供之反相噪音訊號y(n)和實體誤差麥克風80輸出的誤差訊號e(n)來調整數位濾波器66之參數W(Z)。在經過一預定期間的適應性訊號處理後，數位濾波器66之參數W(Z)會收斂到一個預定的穩定狀況，此時數位濾波器66之參數W(Z)可作為無風壓狀態下多聲道揚聲器模組 40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)。同理，適應性濾波器76會依據多聲道揚聲器模組40提供之反相噪音訊號y(n)和實體誤差麥克風80輸出的誤差訊號e(n)來調整數位濾波器66之參數W(Z)。在經過一預定期間的適應性訊號處理後，數位濾波器66之參數W(Z)會收斂到一個預定的穩定狀況，此時數位濾波器66之參數W(Z)可作為無風壓狀態下多聲道揚聲器模組40和實體誤差麥克風80之間的轉移函數C’(Z)。
第6圖為本發明實施例中具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統100在上線模式運作時之流程圖，其包含下列步驟：
步驟610：決定使用者在操控電子系統100時的所在位置。
步驟620：將多聲道揚聲器模組40中所有揚聲器之出音方向對準使用者在操控電子系統100時的所在位置。
步驟630：參考麥克風50擷取風扇模組20運作時所產生的噪音，並提供相對應之寬頻噪音訊號f(n)。
步驟640：虛擬麥克風模組70依據轉移函數P’(Z)和C’(Z)、寬頻噪音訊號f(n)和反相噪音訊號y(n)來提供一虛擬誤差訊號e’(n)。
步驟650：主動降噪控制器60依據同步訊號SSYN得到風扇模組20中各風扇葉片數和在各模式下馬達轉速，並計算出相關揚聲器控制訊號SMIC之基準功率值的參考訊號x(n)。
步驟660：主動降噪控制器60依據寬頻噪音訊號f(n)、虛擬誤差訊號e’(n)和參考訊號x(n)求出風扇模組20運作時的實際單葉片基頻、實際單葉片倍頻、實際葉片通過頻率(blade passing frequency,BPF)和實際寬頻噪音頻譜等資訊，並依此提供揚聲器控制訊號SMIC。
步驟670：多聲道揚聲器模組40依據揚聲器控制訊號SMIC產生反相噪音訊號y(n)；執行步驟610。
在步驟610中，本發明會決定使用者在操控電子系統100時的所在位置。在一實施例中，使用者所在位置可為系統自行定義，例如位於螢幕正前方相隔特定距離之處，其中特定距離可依據電子系統100之類型而有不同值。在另一實施例中，電子系統100可具備影像辨識功能，因此能即時偵測使用者所在位置。
在步驟620中，波束成形控制模組70可依據位置訊號S2來提供波束成形控制訊號SBF，使得多聲道揚聲器模組40中所有揚聲器之出音方向皆能對準使用者在操控電子系統100時的所在位置。在一實施例中，位置訊號S2可相關於系統自行定義的使用者預期位置，可由處理器10、嵌入式控制器30、或其它元件來提供。在另一實施例中，位置訊號S2可相關於使用者在操控電子系統100時的實際位置，可由電子系統100之影像辨識單元來提供。
風扇模組20在運作時的噪音源來自馬達轉動造成的空氣流，其中窄頻成份可能源自於由扇葉運動所產生體積位移之厚度噪音，或由扇葉表面之變動性負載力(有軸向之升力與風扇面之拉力)所造成的BPF噪音。由於BPF及相關諧波與在每一風扇葉片通過固定參考點時產生之壓力擾動有關，當扇葉尖端產生週期性壓力波時就會產生特定的窄頻噪音。另一方面，當空氣流流經風扇葉片時，會從風扇葉片的邊界層(boundary layer)或葉片尖端兩側剝離而形成交替的渦流，此種現象稱為渦流剝離(vortex shedding)。渦流剝離會使風扇葉片兩側流體的瞬間速度不同，在不同流體速度下風扇葉片兩側受到的瞬間壓力也不同，因此會使風扇葉片發生振動而產生特定的寬頻噪音。
在步驟630中，參考麥克風50會在電子系統100運作時擷取風扇模組20在上線模式下運作時因葉片造成的噪音，並提供相對應之寬頻噪音訊號f(n)。
在步驟640中，虛擬麥克風模組70會依據在離線模式中求出之轉移函數P’(Z)和C’(Z)、寬頻噪音訊號f(n)和反相噪音訊號y(n)來提供虛擬誤差訊號e’(n)，其中e’(n)=P’(Z)*f(n)+C’(Z)*y(n)。如前所述，P’(Z)為特定風扇轉速下參考麥克風50和實體誤差麥克風80之間的轉移函數，C’(Z)為無風壓狀態下多聲道揚聲器模組40和實體誤差麥克風70之間的轉移函數，而D’(Z)為無風壓狀態下多聲道揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數。在本發明中，虛擬麥克風模組70可透過軟體或韌體方式來實施，但不限定本發明之範疇。
在步驟650中，主動降噪控制器60之頻率計算器62可依據嵌入式控制器30提供之同步訊號SSYN得知風扇模組20的馬達轉速、單葉片頻率點和葉片數，其中BPF之值為風扇模組20的馬達轉速和葉片數之乘積。假設風扇模組20之葉片數為37，下列表一顯示了頻率計算器62所計算出的資料，但並不限定本發明之範疇。馬達轉速的單位為rpm，而頻率單位為赫茲。
Figure 111132945-A0305-02-0018-9
Figure 111132945-A0305-02-0019-2
接著，主動降噪控制器60之訊號產生器64會依據頻率計算器62計算出來的資料來產生參考訊號x(n)，其中參考訊號x(n)包含風扇模組20的預估倍頻、預估BPF，以及不同馬達轉速下聲壓頻譜(dBSPL)等資訊，進而決定揚聲器控制訊號SMIC之基準功率值，而透過調整數位濾波器66之參數W(Z)可改變揚聲器控制訊號SMIC之功率值。
在步驟660中，主動降噪控制器60會依據寬頻噪音訊號f(n)、虛擬誤差訊號e’(n)和參考訊號x(n)求出風扇模組20運作時的實際單葉片基頻、實際單葉片倍頻、實際BPF和實際寬頻噪音頻譜等資訊，並依此提供揚聲器控制訊號SMIC來驅動揚聲器模組驅動電路68以輸出揚聲器控制訊號SMIC，再驅動多聲道揚聲器模組40以提供反相噪音訊號 y(n)，其中W(Z)代表數位濾波器66的可調整運作參數。更詳細地說，反相噪音訊號y(n)包含複數個噪音消除波形，其分別為相關於實際單葉片基頻、實際單葉片倍頻、實際BPF基頻、實際BPF倍頻和寬頻噪音頻譜的反向訊號。
在步驟670中，主動降噪控制器60會依據多聲道揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)以及揚聲器模組40和實體誤差麥克風70之間的轉移函數C’(Z)來調整揚聲器控制訊號SMIC之特性。更詳細地說，第一路徑補償轉移函數模組71會依據在離線模式下取得相關目前風扇轉速之揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)來對反相噪音訊號y(n)進行訊號處理，並輸出相對應之處理後反相噪音訊號y’(n)至訊號產生器64。訊號產生器64會將寬頻噪音訊號f(n)減去處理後反相噪音訊號y’(n)，並輸出相對應之參考訊號x(n)至數位濾波器66和第二路徑補償轉移函數模組72。接著，第二路徑補償轉移函數模組72會依據在離線模式下取得相關目前風扇轉速之多聲道揚聲器模組40和實體誤差麥克風70之間的轉移函數C’(Z)來對參考訊號x(n)進行訊號處理，並輸出相對應之處理後參考訊號x’(n)至適應性濾波器76。
適應性濾波器76可依據一特定演算法來對處理後參考訊號x’(n)和虛擬誤差訊號e’(n)進行訊號處理，進而調整數位濾波器66之參數W(Z)。更詳細地說，處理後參考訊號x’(n)包含風扇模組20的馬達轉速、預估單葉片基頻、預估倍頻、預估BPF，和預估風壓等資訊，適應性濾波器76再依據誤差訊號e(n)即可求出風扇模組20運作時的實 際單葉片基頻、實際倍頻和實際BPF等相關窄頻噪音的資訊，進而依此調整數位濾波器66之參數W(Z)。如此一來，當數位濾波器66驅動揚聲器模組驅動電路68以輸出揚聲器控制訊號SMIC時，多聲道揚聲器模組40所產生的反相噪音訊號y(n)會反應風扇模組20的實際運作狀況、目前風扇轉速所造成的風壓影響和目前降噪程度。更明確地說，反相噪音訊號y(n)包含多個噪音消除波形，其分別為相關於實際單葉片基頻、實際單葉片倍頻、實際BPF基頻、實際BPF倍頻、寬頻噪音頻譜和實際風壓的反向訊號。在經過訊號傳遞後，揚聲器模組40所產生的反相噪音訊號y(n)即能有效地抵銷噪音信號d(n)的影響，亦即盡量讓虛擬誤差訊號e’(n)降至0。
在一實施例中，適應性濾波器76可依據最小均方(Least mean square,LMS)演算法來對處理後參考訊號x’(n)和虛擬誤差訊號e’(n)進行訊號處理。然而，適應性濾波器76所使用的演算法並不限定本發明之範疇。
綜上所述，在本發明之具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統100中，首先波束成形控制模組70會在離線模式下控制多聲道揚聲器模組40之方位，使得每一揚聲器的出音方向皆能對準特定位置(例如使用者在操控電子系統100時的預期位置)，接著求出在每一風扇轉速下參考麥克風50和實體誤差麥克風80之間的轉移函數P(Z)、揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D(Z)，以及揚聲器模組40和實體誤差麥克風80之間的轉移函數C(Z)。在上線模式下，波束成形控制模組70會控制多聲道揚聲器模組40之方位，使得每一揚聲器的出音 方向皆能對準特定位置(例如使用者在操控電子系統100時的預期位置或實際位置)，參考麥克風50會在電子系統100運作時擷取風扇模組20在運作時因葉片造成的噪音並提供相對應之寬頻噪音訊號f(n)，而虛擬麥克風模組70會依據特定風扇轉速下參考麥克風50和實體麥克風80之間的轉移函數P’(Z)、無風壓狀態下揚聲器模組40和實體麥克風70之間的轉移函數C’(Z)、寬頻噪音訊號f(n)和反相噪音訊號y(n)來提供虛擬誤差訊號e’(n)。依據同步訊號SSYN、寬頻噪音訊號f(n)、虛擬誤差訊號e’(n)，以及在離線模式下求出之轉移函數C’(Z)和D’(Z)，主動降噪控制器60可計算出風扇模組20以預定風扇轉速運作時所產生噪音中的寬頻帶噪音，再依此提供揚聲器控制訊號SMIC以驅動多聲道揚聲器模組40，使得揚聲器模組40提供之反相噪音訊號y(n)能有效地抵銷噪音信號d(n)的影響。由於依據轉移函數P’(Z)和C’(Z)來運作之虛擬麥克風模組70可模擬實體誤差麥克風80之運作，本發明電子系統100不需額外設置實體的誤差麥克風即可提供前饋式主動噪音控制功能。由於波束成形控制模組70能即時地調整多聲道揚聲器模組40之方位，使其能對準使用者在操控電子系統100時的位置發送反相噪音訊號y(n)，因此不需在電子系統100後側的風扇路徑上額外設置揚聲器即能有效地提供前饋式主動噪音控制功能。
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。
10:處理器
20:風扇模組
30:嵌入式控制器
40:多聲道揚聲器模組
50:參考麥克風
60:主動降噪控制器
70:虛擬麥克風模組
100:電子系統
SPK_L:左聲道揚聲器
SPK_R:右聲道揚聲器
S1:位置訊號
SFG:風扇控制訊號
SMIC:揚聲器控制訊號
SSYN:同步訊號
y(n):反相噪音訊號
e’(n):虛擬誤差訊號
f(n):寬頻噪音訊號
d(n):噪音訊號
P’(Z):參考麥克風和實體誤差麥克風之間的轉移函數
C’(Z):揚聲器模組和實體誤差麥克風之間的轉移函數

Claims (9)

  1. 一種具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統，其包含：一風扇模組，用來依據一風扇控制訊號來運作以提供散熱功能；一嵌入式控制器(embedded controller,EC)，用來提供該風扇控制訊號；一參考麥克風，用來偵測該風扇模組運作時所產生的寬頻噪音以提供相對應之一寬頻噪音訊號；一多聲道揚聲器模組，其至少包含一第一揚聲器和一第二揚聲器，用來依據一揚聲器控制訊號來提供一反相噪音訊號；一影像辨識單元，用來偵測一使用者在操控該電子系統時的一實際位置；一波束成形(beamforming)控制模組，用來依據該實際位置提供一波束成形控制訊號來控制該多聲道揚聲器模組之方位，以將該第一揚聲器和該第二揚聲器之出音方向對準一特定位置；以及一主動降噪(active noise cancellation,ANC)控制器，用來：依據一第一轉移函數、一第二轉移函數和該寬頻噪音訊號來提供一虛擬誤差訊號；以及依據一同步訊號、該寬頻噪音訊號和該虛擬誤差訊號來產生該揚聲器控制訊號；其中：該同步訊號包含該風扇模組之結構和運作設定之資訊；該第一轉移函數係為該多聲道揚聲器模組未運作時該參考麥克風和一實體誤差麥克風之間的轉移函數； 該第二轉移函數係為該風扇模組未運作時該多聲道揚聲器模組和該實體誤差麥克風之間的轉移函數；且該反相噪音訊號包含複數個噪音消除波形以抵銷該電子系統運作時所產生的噪音。
  2. 如請求項1所述之電子系統，其中：該主動降噪控制器另用來：在該多聲道揚聲器模組未運作時量測該參考麥克風和該實體誤差麥克風之間的該第一轉移函數；在該風扇模組未運作時量測該多聲道揚聲器模組和該實體誤差麥克風之間的該第二轉移函數；在該風扇模組未運作時量測該多聲道揚聲器模組和該參考麥克風之間的一第三轉移函數；依據該第一轉移函數和該第二轉移函數來求出該虛擬誤差訊號，其中該虛擬誤差訊號之值為該第一轉移函數和該寬頻噪音訊號之乘積加上該第二轉移函數和該反相噪音訊號之乘積；且在量測該第一轉移函數、該第二轉移函數和該第三轉移函數的期間，該特定位置係為該使用者在操控該電子系統時的一預期位置。
  3. 如請求項2所述之電子系統，其中該主動降噪控制器包含：一虛擬麥克風模組，用來依據該第一轉移函數和該第二轉移函數 來提供該虛擬誤差訊號；一頻率計算器，用來依據該同步訊號求出該風扇模組之一預估單葉片基頻、一預估單葉片倍頻和一預估葉片通過頻率(blade passing frequency,BPF)基頻；一訊號產生器，用來依據該預估單葉片基頻、該預估單葉片倍頻和該預估BPF基頻來產生一參考訊號；以及一數位濾波器，用來對該參考訊號執行運算以決定該揚聲器控制訊號之一基準功率值。
  4. 如請求項3所述之電子系統，其中該主動降噪控制器另包含：一適應性濾波器，用來依據該第二轉移函數、該第三轉移函數和該虛擬誤差訊號來調整該數位濾波器在執行運算時所使用的參數，進而適應性地調整該揚聲器控制訊號之功率值。
  5. 如請求項4所述之電子系統，其中：該適應性濾波器係使用一最小均方(Least mean square,LMS)演算法來對該參考訊號、該寬頻噪音訊號和該虛擬誤差訊號來進行訊號處理。
  6. 如請求項4所述之電子系統，其中該主動降噪控制器另包含：一第一路徑補償轉移函數模組，耦接於該多聲道揚聲器模組以接收該反相噪音訊號，再依據該第三轉移函數來對該反相噪音 訊號進行訊號處理，並輸出相對應之處理後反相噪音訊號至該訊號產生器；以及一第二路徑補償轉移函數模組，耦接於該訊號產生器以接收該參考訊號，再依據該第二轉移函數來對該參考訊號進行訊號處理，並輸出相對應之處理後參考訊號至該適應性濾波器。
  7. 如請求項6所述之電子系統，其中該訊號產生器另用來：將該寬頻噪音訊號減去該處理後反相噪音訊號以提供該參考訊號。
  8. 如請求項1所述之電子系統，其中該主動降噪控制器另用來：依據該同步訊號、該寬頻噪音訊號和該虛擬誤差訊號求出該風扇模組以該預定風扇轉速運作時之一實際單葉片基頻、一實際單葉片倍頻、一實際葉片通過頻率(blade passing frequency,BPF)基頻、一實際BPF倍頻和一實際寬頻噪音頻譜；以及依據該實際單葉片基頻、該實際單葉片倍頻、該實際BPF基頻、該實際BPF倍頻和該實際寬頻噪音頻譜來產生該揚聲器控制訊號。
  9. 如請求項8所述之電子系統，其中該複數個噪音消除波形分別為相關於該實際單葉片基頻、該實際單葉片倍頻、該實際BPF基頻、該實際BPF倍頻和該寬頻噪音頻譜的反向訊號。
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