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CN111656436B - 噪声消除滤波器结构、噪声消除系统及信号处理方法 - Google Patents

噪声消除滤波器结构、噪声消除系统及信号处理方法 Download PDF

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CN111656436B CN201880072746.XA CN201880072746A CN111656436B CN 111656436 B CN111656436 B CN 111656436B CN 201880072746 A CN201880072746 A CN 201880072746A CN 111656436 B CN111656436 B CN 111656436B
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Abstract

一种针对启用噪声消除的音频设备，特别是头戴式耳机(HP)的噪声消除滤波器结构，其包括：噪声输入，其用于接收噪声信号(N0)；以及滤波器输出，其用于提供滤波器输出信号(OUT)。第一噪声滤波器(CF)通过对噪声信号(N0)进行滤波来产生第一滤波器信号，并且第二噪声滤波器(AF)通过对噪声信号(N0)进行滤波来产生第二滤波器信号。第二噪声滤波器(AF)具有频率响应，该频率响应具有非最小相位，特别是最大相位。组合器(CMB)配置为基于第一滤波器信号和第二滤波器信号的线性组合来提供滤波器输出信号(OUT)。

Description

噪声消除滤波器结构、噪声消除系统及信号处理方法
技术领域
本公开涉及一种噪声消除滤波器结构、一种具有这样的滤波器结构的噪声消除系统和一种用于噪声消除目的的信号处理方法。
背景技术
如今，包括耳塞式耳机在内的大量头戴式耳机配备了噪声消除技术。例如，这种噪声消除技术被称为主动噪声消除或环境噪声消除，两者均缩写为ANC。一些人更喜欢使用主动降噪或环境降噪，缩写为ANR。ANC或ANR通常利用经处理的记录的环境噪声用于产生抗噪信号，然后将其与有用的音频信号组合以在头戴式耳机的扬声器上播放。ANC也能够用于其他音频设备，如电话听筒或移动电话。
多种ANC方法利用反馈（FB）麦克风、前馈（FF）麦克风或反馈麦克风与前馈麦克风的组合。
FF ANC和FB ANC通过基于系统的给定声学而对滤波器进行调谐来实现。最佳性能的滤波器通常是IIR滤波器，因为能够利用相对少量的抽头来实现好的ANC。作为噪声消除的设计过程的一部分，需要利用滤波器来表征与补偿噪声从环境源到耳朵的通路。对于任何相对封闭的头戴式耳机或耳塞式耳机，这个通路能够经由前通风口、后通风口（并且通过扬声器）、前至后的缝隙、或经由塑料和耳塞式耳机橡胶头或头戴式耳机耳垫。这众多的路径导致在耳道内的耳鼓膜参考点DRP处的若干噪声信号重新组合，其中噪声能够通过所述路径进入耳朵。每个噪声信号基于它们采取的通路而具有不同的振幅和相位。
通常情况下，在高于1kHz频率下（其中被动衰减通常是高的），两个或更多个信号恰好异相180度重新组合，因此存在梳状滤波器效应，由此在环境到耳朵的传递函数中存在更高频率下的陷波以及随后的陷波。
对于典型的IIR滤波器级，陷波能够与二阶级匹配，并且更准确地与更多级匹配。然而，当陷波被调谐为变得越来越阻尼时，相位也变得阻尼。因此，在常规滤波器中，在振幅响应阻尼与相位响应阻尼之间存在线性关系：如果陷波是阻尼的，则相位也将是阻尼的。如果陷波是无阻尼的，则相位是无阻尼的。
这种常规的滤波器结构完全足以匹配由简单的声学共振或机械共振引起的陷波。然而，它不能匹配具有无阻尼相位响应的阻尼振幅响应。
发明内容
本公开提供一种提高降噪性能的改进的信号处理概念，用于如头戴式耳机或电话听筒的音频设备中的噪声消除。
常规的ANC滤波器结构设计为将由噪声处理路径引入的延迟最小化，以便向扬声器提供尽可能快并且准确地与环境噪声匹配的补偿信号。为了这个目的，常规的ANC滤波器通常设计为在它们的整体传递函数中具有最小相位。
改进的信号处理概念基于以下思想：提供一种滤波器拓扑，通过模仿在声学域中发生的事情，使滤波器能够更好地在振幅和相位上匹配在环境噪声源与用户的耳膜之间的声学传递函数。例如，由头戴式耳机中的不同信号路径的重新组合所产生的一个或更多个陷波能够由非最小相位行为来表示。相应地，根据改进的信号处理概念的滤波器结构通过将其与启用ANC的如头戴式耳机的音频设备的声学特性匹配，并且在滤波器结构的输入与输出之间具有非最小相位的整体频率响应而实现。
形成这样的滤波器形状的一种方法是将非最小相位滤波器与实际噪声消除滤波器并联设置。例如，非最小相位滤波器可以特别实现为最大相位滤波器，例如实现为全通滤波器。
当非最小相位滤波器的相位达到-180°时，对两条路径求和以形成陷波。通过调节每个路径的相关增益，能够改变这个陷波的振幅的阻尼，并且能够改变相位的阻尼。根据非最小相位滤波器的滤波增益是高于还是低于主滤波器路径的增益，能够确定相位阻尼是否与振幅阻尼线性相关。结果能够是具有阻尼陷波振幅响应和无阻尼相位响应的滤波器形状。这复制了在声学域中发生的事情。
在根据改进的信号处理概念的实施例中，用于启用噪声消除的音频设备，特别是头戴式耳机的噪声消除滤波器结构包括用于接收噪声信号的噪声输入和用于提供滤波器输出信号的滤波器输出。滤波器结构由第一噪声滤波器和第二噪声滤波器组成，该第一噪声滤波器用于通过对噪声信号进行滤波来产生第一滤波器信号，并且该第二噪声滤波器用于通过对噪声信号进行滤波来产生第二滤波器信号。第二噪声滤波器具有频率响应，该频率响应具有非最小相位，特别是最大相位。滤波器结构还包括组合器，其配置为基于第一滤波器信号和第二滤波器信号的线性组合来提供滤波器输出信号。
例如，噪声信号至少部分地表示环境噪声。噪声信号可以从噪声麦克风接收。
例如，滤波器输出信号适于用作启用噪声消除的音频设备中的补偿信号的基础。
例如，第二噪声滤波器实现为优选至少二阶的全通滤波器。例如，第二噪声滤波器可以实现为无限脉冲响应IIR滤波器。全通滤波器的极/零对的频率可以与音频设备的有效声学传递函数中的陷波相关。
第一噪声滤波器能够实现为至少二阶的IIR滤波器。第一噪声滤波器可以设计为具有最小相位频率响应。
对于实际的实施方式，第一噪声滤波器和第二噪声滤波器能够例如在数字信号处理器DSP内实现为数字滤波器。
根据改进的信号处理概念的滤波器形状允许在陷波级滤波器的振幅与相位响应之间具有更好的独立性。特别地，具有低Q陷波振幅的滤波器响应能够有具有高Q陷波的相位响应。这种更大的独立性意味着噪声消除滤波器的相位能够更好地匹配声学特性，并改善整体噪声消除性能。
如上所述的如头戴式耳机的音频设备的声学响应能够通过模仿声学系统中发生的事情来匹配。用于第一噪声滤波器的常规滤波器拓扑允许表示在用户的耳道中重新组合的两个或更多个不同声源，该常规滤波器拓扑布置有作为第二噪声滤波器的简单延迟滤波器。作为一种非最小相位滤波器，延迟滤波器能够进行调谐，使得它在需要陷波的精确频率处与主滤波器路径180°异相。例如能够通过调整组合器中的线性组合的参数来调整第一噪声滤波器和第二噪声滤波器的两个信号路径的振幅，使得相位和振幅适当地受到阻尼。
例如，如果音频设备的振幅和相位都受到阻尼，则这能够通过确保延迟路径中的第二噪声滤波器的振幅小于具有第一噪声滤波器的常规路径的振幅来匹配。然而，如果需要无阻尼相位响应连同阻尼振幅响应，则能够将延迟路径的振幅设置为大于具有第一噪声滤波器的主滤波器路径的振幅。
使用对于例如通过二阶IIR滤波器实现的延迟滤波器的全通，能够模仿具有平坦振幅响应的延迟。
通常而言，用于启用噪声消除的音频设备，特别是头戴式耳机的噪声消除滤波器结构的实施例，能够耦接在用于接收噪声信号的噪声输入与用于提供滤波器输出信号的滤波器输出之间。滤波器结构与音频设备的声学特性相匹配并具有整体频率响应，该整体频率响应在噪声输入与滤波器输出之间具有非最小相位。
根据上述多种实施例的噪声消除滤波器结构能够用于噪声消除系统中，该噪声消除系统用于如头戴式耳机的启用噪声消除的音频设备。例如，这样的系统还包括：麦克风输入，其耦接到噪声输入以用于接收噪声信号；以及补偿输出，用于基于滤波器输出信号提供补偿信号。例如，这样的噪声消除系统还包括用于接收有用的音频信号的输入，该有用的音频信号与补偿信号组合以提供能够播放到音频设备的扬声器的音频输出信号。例如，在音频处理器中执行补偿信号与有用的音频信号的这种组合。组合的音频信号能够在噪声消除系统内放大，或由单独的放大器在外部放大。与在常规ANC系统中一样，信号处理和信号的组合能够在模拟域和数字域中进行，以在特定应用中更合适的为准。
优选地，噪声消除系统实现为前馈噪声消除系统。然而，不排除在反馈噪声消除系统或混合系统中使用根据改进的信号处理概念的滤波器结构。
用于启用噪声消除的音频设备，特别是头戴式耳机的信号处理方法的实施例包括：接收噪声信号；利用第一滤波器特性对噪声信号进行滤波以产生第一滤波器信号；以及利用第二滤波器特性对噪声信号进行滤波以产生第二滤波器信号。第二噪声滤波器特性对应于具有非最小相位、特别是最大相位的频率响应。该方法还包括基于第一滤波器信号和第二滤波器信号的线性组合来产生滤波器输出信号。
第二滤波器特性可以实现例如至少二阶的全通滤波器。
在一些实施方式中，该方法还包括基于滤波器输出信号产生对于音频设备的补偿信号。
通过用于噪声消除滤波器结构和噪声消除系统的上述多种实施方式，该方法的另外的实施方式和实施例对于技术人员来说变得显而易见。
附图说明
下面将借助于附图对改进的信号处理概念进行更详细地描述。在所有附图中，具有相同或相似功能的元件使用相同的附图标记。因此，在以下附图中不必重复对于它们的描述。
在附图中：
图1示出了具有若干噪声路径的示例头戴式耳机；
图2示出了根据改进的信号处理概念的滤波器结构的示例实施方式；
图3A和图3B示出了示例频率响应；以及
图4示出了采用改进的信号处理概念的噪声消除系统的示例实施方式。
具体实施方式
图1示出了头戴式耳机HP的示意性示例，其特别示出为具有放置在用户的耳道EC中的耳机橡胶头TIP的耳机。头戴式耳机HP具有扬声器SP，该扬声器位于外壳HS内，并具有例如噪声消除麦克风FF_MIC。在本示例中，麦克风FF_MIC放置在外壳HS内，以作为主要感测环境噪声的前馈麦克风。例如，环境噪声能够通过后通风口进入外壳HS，从而不限制扬声器SP的膜的运动。外壳HS还具有前通风口开口，通常实现该开口以在将耳机放入耳中时避免损坏扬声器SP。
如图1所示，来自扬声器SP和环境的声音能够进入耳道EC以到达用户的耳膜ED。对于环境噪声，示出了若干噪声路径NP1、NP2、NP3、NP4，每个噪声路径具有不同的物理性质。例如，第一噪声通道NP1在耳机橡胶头TIP与耳道EC之间行进。第二噪声通道NP2通过耳机橡胶头TIP。第三噪声通道NP3经由耳机后通风口并且通过扬声器，并且噪声路径NP4通过耳机前通风口。尤其是，噪声路径NP1至NP4中的每个具有不同的声学路径长度。特别地，由相应的噪声路径NP1至NP4产生的每个噪声信号基于它们所采取的通路而具有不同的振幅和相位。此外，噪声信号分别在耳膜ED、鼓膜参考点DRP处重新组合，从而在某些频率下产生陷波，其中噪声信号具有180°的相位差。
由于这些陷波的形成方式的特性，它们的振幅可能是受到高度阻尼的并且有时几乎是不明显的。然而，即使当它们实质上受到阻尼时，相位响应也能够看起来是非常无阻尼的。因此，在振幅响应阻尼与相位响应阻尼之间存在非线性关系。这个行为优选地与ANC滤波器匹配。
例如，图2示出了具有第一噪声滤波器CF的滤波器结构的实施方式，该第一噪声滤波器对噪声信号N0进行滤波。第二噪声滤波器AF并联连接，并且对相同的噪声信号N0进行滤波。第一噪声滤波器CF和第二噪声滤波器AF的输出提供给组合器CMB，该组合器包括在第二噪声滤波器AF之后的增益级、用于对由第一噪声滤波器CF提供的第一滤波器信号与由第二噪声滤波器AF产生的第二滤波器信号的放大版本进行总和的加法器。加法器的输出提供给组合器CMB中的另外的增益级，用于产生滤波器输出信号OUT。尽管在图2中示出了组合器CMB的特定实施方式，通常而言，组合器提供第一滤波器信号和第二滤波器信号的线性组合以产生滤波器输出信号OUT。
第一噪声滤波器CF可以具有如在噪声消除应用中使用的常规滤波器结构，例如至少二阶的无限脉冲响应IIR滤波器。第二噪声滤波器AF实现为具有非最小相位、特别是最大相位的频率响应。例如，第二噪声滤波器AF实现为全通滤波器，该全通滤波器为由其相位响应而产生的处理信号提供特定的延迟，但是具有平坦的振幅响应。例如，全通滤波器可以是二阶或更高阶的，并且实现为IIR滤波器。在其他实施方式中，全通滤波器也可以容易地实现为FIR滤波器，或是甚至实现为模拟全通滤波器或模拟延迟线。
优选地，第一噪声滤波器CF和第二噪声滤波器AF例如在DSP中实现为数字滤波器。图2所示的滤波器结构允许在其频率响应的振幅与相位之间有一定的独立性，当其实现为噪声消除系统的一部分时，该该滤波器结构能够增加噪声消除带宽。
例如，在工作期间，当全通滤波器的相位达到-180°时，对两条路径求和以形成陷波。
现在参考图3A和图3B，图2的并联滤波器结构的示例频率响应，其中第一噪声滤波器CF实现为分别匹配音频设备或头戴式耳机HP的声学响应。在本示例中，为了简单起见，假设声学响应是平坦的。第二噪声滤波器AF实现为在陷波频率处具有-180度相位的全通滤波器。
图3A和图3B示出了在组合器CMB中具有不同增益设置的滤波器结构的三个不同群组。曲线GST是指全通通道的增益小于具有第一噪声滤波器的常规路径的增益的群组。曲线GEQ对应于在全通路径和常规路径中的基本相等的增益。第三曲线GGT对应于全通路径的增益更大，特别是明显大于常规路径的增益的群组。
能够看出，根据增益关系，能够实现有效的滤波器功能，该滤波器功能对于在陷波频率处的振幅具有高阻尼，同时在该频率处保持相位无阻尼。这种行为可以更好地匹配耳塞式耳机或头戴式耳机的实际声学性质，从而体现更好的噪声消除性能。
现在参考图4，示出了在噪声消除系统中结合图2描述的滤波器结构的实施方式。特别地，噪声信号N0由麦克风FF_MIC提供，该麦克风可以是如图1所示的前馈麦克风。携带对于环境噪声的补偿信号的滤波器输出信号OUT在音频处理器AUD中与有用的音频信号S0组合，以提供给扬声器SP提供的扬声器输出信号。处理器AUD可以将音频信号S0与滤波器输出信号OUT简单地相加，使得扬声器信号既包含有用信号，又包含通过滤波器结构由环境噪声产生的抗噪声信号。不排除处理器AUD的更复杂的功能。
通常而言，类似于如图4所示的布置允许执行具有改进性能的主动噪声消除，其通过：接收噪声信号N0；利用第一滤波器特性对噪声信号N0进行滤波以产生第一滤波器信号；并且利用第二滤波器特性对噪声信号N0进行滤波以产生第二滤波器信号。特别地，第一滤波器特性可以是第一噪声滤波器CF的滤波器特性，并且第二滤波器特性可以是第二噪声滤波器AF的非最小相位特性或全通特性。滤波器输出信号OUT基于第一滤波器信号和第二滤波器信号的线性组合产生。能够基于滤波器输出信号OUT产生用于音频设备的补偿信号。
根据改进的信号处理概念的用于主动噪声消除的滤波器结构允许各种应用，其中一些应用在下面作为另外的示例进行描述。
在一个示例实施方式中，前馈噪声消除头戴式耳机、耳塞式耳机或电话听筒包括前馈麦克风、扬声器和滤波器，其中耳机具有多个通路，噪声能够通过该多个通路进入耳朵，使得这些噪声源中的两个或更多个的组合在环境到耳朵的传递函数中形成陷波形状，并且滤波器具有在振幅和相位上将所述陷波匹配达到陷波共振频率的响应。
在一个示例实施方式中，前馈噪声消除头戴式耳机、耳塞式耳机或电话听筒包括前馈麦克风、扬声器和滤波器，其中耳机具有多个通路，噪声能够通过该多个通路进入耳朵，使得这些噪声源中的两个或更多个的组合在环境到耳朵的传递函数中创建陷波形状，并且滤波器在刚好低于陷波共振频率的倍频程中的任何点处，在大于100Hz的带宽上具有在振幅上不小于3dB且在相位上不小于20度的与所述陷波匹配的响应。
在一个示例实施方式中，前馈噪声消除头戴式耳机、耳塞式耳机或电话听筒包括前馈麦克风、扬声器和滤波器，其中耳机具有多个通路，噪声能够通过该多个通路进入耳朵，使得这些噪声源中的两个或更多个的组合在环境到耳朵的传递函数中形成陷波形状，并且滤波器是非最小相位滤波器。
在一个示例实施方式中，用于噪声消除头戴式耳机、耳塞式耳机或电话听筒的滤波器拓扑由与常规噪声消除滤波器并联的全通滤波器表示，或由将产生相同响应的任何数学上等效的布置表示。
在一些实施方式中，用于噪声消除头戴式耳机、耳塞式耳机或电话听筒的滤波器形状设置成具有至少一个并联路径，该并联路径包含全通滤波器、非最小相位滤波器或简单延时中的一个。
应当注意，在上述实施方式的全部中，根据改进的信号处理概念，麦克风和扬声器SP都不是噪声消除系统的基本部分。甚至音频处理器AUD也可以由外部提供。例如，这样的噪声消除系统可以在硬件和软件两者中实现，例如在信号处理器中实现。噪声消除系统能够位于任何种类的音频播放器中，如移动电话、MP3播放器、平板电脑等。然而，噪声消除系统也可以位于音频设备内，例如电话听筒或头戴式耳机、耳塞式耳机等。
附图标记
HP 头戴式耳机
SP 扬声器
HS 外壳
EC 耳道
ED 耳膜
TIP 耳机头
FF_MIC 麦克风
AF、CF 噪声滤波器
NP1、NP2、NP3、NP4 噪声路径
CMB 组合器
ADP 自适应引擎
AUD 音频处理器
N0 噪声信号
S0 音频信号
OUT 滤波器输出信号

Claims (20)

1.一种针对启用噪声消除的音频设备的噪声消除滤波器结构，所述滤波器结构包括：
噪声输入，其用于接收噪声信号；
滤波器输出，其用于提供滤波器输出信号；
第一噪声滤波器，其用于通过对噪声信号进行滤波来产生第一滤波器信号；
第二噪声滤波器，其用于通过对噪声信号进行滤波来产生第二滤波器信号，所述第二噪声滤波器具有频率响应，所述频率响应具有非最小相位；以及
组合器，其配置为基于所述第一滤波器信号和所述第二滤波器信号的线性组合来提供滤波器输出信号；
其中，所述滤波器输出信号适于经由音频处理器传送到所述音频设备的扬声器；
其中，所述噪声输入包括用于接收噪声信号的麦克风输入；
其中，所述滤波器结构还包括补偿输出，所述补偿输出用于提供通过处理经由音频处理器传送到音频设备的扬声器的滤波器输出信号来产生的补偿信号；并且
其中，所述滤波器结构实现为前馈噪声消除系统。
2.根据权利要求1所述的噪声消除滤波器结构，其中，所述第二噪声滤波器实现为全通滤波器。
3.根据权利要求2所述的噪声消除滤波器结构，其中，所述全通滤波器至少是二阶的。
4.根据权利要求1所述的噪声消除滤波器结构，其中，所述第二噪声滤波器实现为无限脉冲响应IIR滤波器。
5.根据权利要求1所述的噪声消除滤波器结构，其中，所述第一噪声滤波器实现为至少二阶的无限脉冲响应IIR滤波器。
6.根据权利要求1所述的噪声消除滤波器结构，其中，所述第一噪声滤波器和所述第二噪声滤波器实现为数字滤波器。
7.根据权利要求6所述的噪声消除滤波器结构，其中，所述第一噪声滤波器和所述第二噪声滤波器在数字信号处理器内实现。
8.根据权利要求1所述的噪声消除滤波器结构，其中，所述噪声输入配置为从噪声麦克风接收所述噪声信号。
9.根据权利要求1所述的噪声消除滤波器结构，其中，所述滤波器输出信号适于用作所述启用噪声消除的音频设备中的补偿信号的基础。
10.根据权利要求1所述的噪声消除滤波器结构，其中，所述噪声信号表示环境噪声。
11.一种针对启用噪声消除的音频设备的噪声消除系统，所述系统包括：
根据权利要求1至10之一所述的噪声消除滤波器结构。
12.根据权利要求11所述的系统，所述系统还包括音频处理器，其配置为基于所述补偿信号与有用的音频信号的组合以提供音频输出信号。
13.一种启用噪声消除的音频设备，包括：
根据权利要求12所述的噪声消除系统；
噪声麦克风，其耦接到所述麦克风输入；以及
所述扬声器，其用于播放所述音频输出信号。
14.根据权利要求13所述的音频设备，其中，所述音频设备是头戴式耳机、耳塞式耳机或电话听筒。
15.一种针对启用噪声消除的音频设备的噪声消除滤波器结构，所述滤波器结构包括：
噪声输入，其用于接收噪声信号；
滤波器输出，其用于提供滤波器输出信号；
第一噪声滤波器，其具有最小相位频率响应，用于通过对噪声信号进行滤波来产生第一滤波器信号；
第二噪声滤波器，其用于通过对噪声信号进行滤波来产生第二滤波器信号，所述第二噪声滤波器具有频率响应，所述频率响应具有非最小相位；以及
组合器，其配置为基于所述第一滤波器信号和所述第二滤波器信号的线性组合来提供滤波器输出信号。
16.一种针对启用噪声消除的音频设备的信号处理方法，所述方法包括：
从麦克风接收噪声信号；
利用第一滤波器特性对所述噪声信号进行滤波以产生第一滤波器信号；
利用第二滤波器特性对所述噪声信号进行滤波以产生第二滤波器信号，所述第二滤波器特性对应于具有非最小相位的频率响应；以及
基于所述第一滤波器信号和所述第二滤波器信号的线性组合来产生滤波器输出信号；以及
通过处理传送到音频设备的扬声器的滤波器输出信号来产生用于音频设备的补偿信号，使得所述补偿信号实现为前馈噪声消除。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二滤波器特性实现为全通滤波器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述全通滤波器至少是二阶的。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述噪声信号从噪声麦克风接收。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述噪声信号表示环境噪声。
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