CN109327768A - 主动式降噪*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种主动式降噪***，包括模拟数字转换器、可编程降噪模块、第一升频滤波补偿电路与数字模拟转换器。可编程降噪模块电性连接于模拟数字转换器，且数字模拟转换器通过一加法器电性连接于可编程降噪模块与第一升频滤波补偿电路。模拟数字转换器用以接收一第一音频信号，并将模拟的第一音频信号转换为数字的第一音频信号。可编程降噪模块用以对第一音频信号进行信号处理，以产生一噪声抵消信号。第一升频滤波补偿电路用以接收一第二音频信号，并对第二音频信号进行滤波处理。噪声抵消信号与经升频处理的第二音频信号通过加法器合成为一第三音频信号，并通过数字模拟转换器将数字的第三音频信号转换为模拟的第三音频信号。

Description

主动式降噪***
技术领域
本发明涉及一种主动式降噪***，特别涉及一种可降低信号延迟的主动式降噪***。
背景技术
主动式降噪***主要用以减少背景噪音，举例来说，主动式降噪***适用于耳机装置，以产生用以消除背景噪音的补偿信号。原本用户会同时听到耳机拨放的音频与背景噪音，但主动式降噪***所产生用以消除背景噪音的补偿信号能够与背景噪音相干扰甚至是相抵消，使得使用者在收听耳机播放的音频的同时，听到的背景噪音较小甚至是听不到背景噪音。
然而，主动式降噪***的效能受限于***处理的传输延迟。由于补偿信号的产生需要一段时间延迟，此时间延迟的长短限制了主动式降噪***所能衰减背景噪音的效果。时间延迟长，就表示补偿信号产生延迟，且若补偿信号产生延迟越长，便越无法有效地达到衰减背景噪音的效果。
发明内容
本发明公开一种主动式降噪***，用以消除一特定带宽内的噪音。此种主动式降噪***包括模拟数字转换器、可编程降噪模块、第一升频滤波补偿电路与数字模拟转换器。可编程降噪模块电性连接于模拟数字转换器后，且数字模拟转换器通过一加法器电性连接于可编程降噪模块与第一升频滤波补偿电路。模拟数字转换器用以接收一第一音频信号，并将模拟的第一音频信号转换为数字的第一音频信号。可编程降噪模块用以对第一音频信号进行信号处理，以产生一噪声抵消信号。第一升频滤波补偿电路用以接收一第二音频信号，并对第二音频信号进行升频滤波处理。噪声抵消信号与经处理的第二音频信号通过加法器合成为一第三音频信号，并通过数字模拟转换器将数字的第三音频信号转换为模拟的第三音频信号。
于此主动式降噪***中，噪声抵消信号的取样频率等于经滤波处理的第二音频信号的取样频率。
于此主动式降噪***中，模拟数字转换器以过取样的方式将第一音频信号进行转换。
于此主动式降噪***中，可编程降噪模块包括可编程降频电路、可编程滤波电路与可编程升频电路。可编程降频电路电性连接于模拟数字转换器，可编程滤波电路电性连接于可编程降频电路，且可编程升频电路电性连接于可编程滤波电路。可编程降频电路用以对经转换的第一音频信号进行降频处理。可编程滤波电路用以对经降频的第一音频信号进行滤波处理。可编程升频电路用以对经滤波的第一音频信号进行升频处理。
于此主动式降噪***中，模拟数字转换器的取样频率不同于数字模拟转换器的取样频率。
于此主动式降噪***中，可编程降频电路根据模拟数字转换器的取样频率对经转换的第一音频信号进行降频处理。
于此主动式降噪***中，可编程升频电路根据数字模拟转换器的取样频率对经滤波的第一音频信号进行升频处理。
于此主动式降噪***中，可编程降频电路、可编程滤波电路与可编程升频电路均由至少一低延迟滤波器所构成。
于此主动式降噪***中，可编程滤波电路由至少两个IIR滤波器所构成，且所述多个IIR滤波器的转换系数均可编程编程地调整。
于此主动式降噪***中，所述多个IIR滤波器为一陷波滤波器与一低通滤波器。
于此主动式降噪***中，第一升频滤波补偿电路包括第一升频电路与第一补偿电路。第一补偿电路电性连接第一升频电路。第一升频电路用以根据数字模拟转换器的取样频率来对第二音频信号进行升频处理。第一补偿电路用以对经升频的第二音频信号进行补偿。
于此主动式降噪***中，第一升频电路为一CIC滤波器，且第一补偿电路为一FIR滤波器。
本发明所公开的主动式降噪***还包括调制器。调制器电性连接于加法器与数字模拟转换器之间，用以对第三音频信号进行调制处理。经调制处理的第三音频信号会经由数字模拟转换器转换成模拟的音频信号。
本发明所公开的主动式降噪***还包括第二降频滤波补偿电路。第二降频滤波补偿电路电性连接于模拟数字转换器，用以对经转换的第一音频信号进行滤波处理。
于此主动式降噪***中，第二降频滤波补偿电路包括第一降频电路与第二补偿电路。第二补偿电路电性连接第一降频电路。第一降频电路用以对第一音频信号进行降频处理。第二补偿电路用以对经降频的第一音频信号进行补偿。
于此主动式降噪***中，特定带宽为5kHz。
由于本发明所提供的主动式降噪***采用了过取样处理以及可编程降噪模块，除了在降低传输延迟方面有明显的效果外，还提高了整体***运行的弹性。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这些说明与附图说明书附图仅用来说明本发明，而非对本发明的权利要求作任何的限制。
附图说明
图1为根据本发明例示性实施例绘示的主动式降噪***的方框图。
图2为根据本发明例示性实施例绘示的可编程降噪模块的方框图。
图3为根据本发明例示性实施例绘示的第一升频滤波补偿电路的方框图。
图4为根据本发明例示性实施例绘示的第二降频滤波补偿电路的方框图。
具体实施方式
在下文将参看附图说明书附图更充分地描述各种例示性实施例，在附图说明书附图中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，公开这些例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。在诸附图中，类似数字始终指示类似组件。
以下将以多个实施例说明本发明所提供的主动式降噪***，然而，下述实施例并非用以限制本发明。
请参照图1，图1为根据本发明例示性实施例绘示的主动式降噪***的方框图。
如图1所示，本实施例所提供的主动式降噪***包括模拟数字转换器10、可编程降噪模块20、第一升频滤波补偿电路30与数字模拟转换器40。可编程降噪模块20电性连接于模拟数字转换器10，且与数字模拟转换器40通过一加法器50电性连接于可编程降噪模块20与第一升频滤波补偿电路30。
大体而言，于本实施例所提供的主动式降噪***中，通过模拟数字转换器10与可编程降噪模块20能够根据所接收的环境音频信号(或称背景音频信号)产生出一噪声抵消信号N。此噪声抵消信号N即对应于所接收的环境音频，举例来说，噪声抵消信号N为所接收的环境音频信号的反相信号。接着，通过加法器便能将此噪声抵消信号N与欲播放的音频数据作合成为一音频信号，于是当此音频信号播放于环境中时，其中的噪声抵消信号N便能与环境音频相抵消，如此一来便能达到降噪的效果。须说明地是，本实施例所提供的主动式降噪***也能直接地通过一数字麦克风80(如：微机电***麦克风；MEMS MIC)接收环境音频信号，再通过可编程降噪模块20根据所接收的环境音频信号产生噪声抵消信号N，但本发明于此并不限制。
进一步说明，模拟数字转换器10会接收模拟的一第一音频信号S1a，并将模拟的第一音频信号S1a转换为数字的第一音频信号S1d。此处所述的第一音频信号S1a即为前述的环境音频信号(或称背景音频信号)。须说明地是，于本实施例中，模拟数字转换器10为一ΣΔ转换器，且此ΣΔ转换器以一过取样的方式将第一音频信号S1a进行转换。举例来说，ΣΔ转换器的取样频率可为64倍频、甚至是128倍频，但发明于此并不限制。接着，可编程降噪模块20会对第一音频信号S1d进行信号处理，以产生用以抵消环境音频的噪声抵消信号N。
于此同时，第一升频滤波补偿电路30会接收一第二音频信号S2d，并对第二音频信号S2d进行滤波处理。此处所述的第二音频信号S2d即为前述的欲播放的数字音频数据。常见地，欲播放的数字音频数据可为PCM(Pulse-Code Modulation)信号形式，但发明于此并不限制。
最后，噪声抵消信号N与经处理的第二音频信号S2d”会通过加法器50被合成为一第三音频信号S3，且数字模拟转换器40会将此数字的第三音频信号S3转换为模拟的第三音频信号S3”。此处所述的第三音频信号S3为包含有前述的噪声抵消信号N与欲播放的数字音频数据(即，经处理的第二音频信号S2d”)的音频信号。
须说明地是，若噪声抵消信号N的取样频率不同于经滤波处理后的第二音频信号S2d”的取样频率，则会降低经滤波处理后的第二音频信号S2d”与噪声抵消信号N经加法相加后所产生的第三音频信号S3的音频质量。因此，为了避免此种情况，于本实施例所提供的主动式降噪***的特色的一即在于可编程降噪模块20能够产生取样频率等于经滤波处理的第二音频信号S2”的取样频率的噪声抵消信号N。
请参照图2与图3，图2为根据本发明例示性实施例绘示的可编程降噪模块的方框图，图3为根据本发明例示性实施例绘示的第一升频滤波补偿电路的方框图。
如图2所示，可编程降噪模块20包括可编程降频电路22、可编程滤波电路24与可编程升频电路26。可编程降频电路22电性连接于模拟数字转换器10，可编程滤波电路24电性连接于可编程降频电路22，且可编程升频电路26电性连接于可编程滤波电路24。
如图3所示，第一升频滤波补偿电路30包括第一升频电路32与第一补偿电路34，第一补偿电路34电性连接第一升频电路32。
为便于说明，于以下的叙述中将先把模拟数字转换器10的取样频率举例为128倍频，且把数字模拟转换器40的取样频率以及调制器60的取样频率也举例为128倍频。于此例中，首先可编程降频电路22会对经转换的第一音频信号S1d进行降频处理。举例来说，可编程降频电路22会将经转换的第一音频信号S1d降16倍频，于是可编程滤波电路便可于8倍频的取样频率下对第一音频信号S1d’进行滤波处理。于滤波处理完成后，可编程升频电路26会对经滤波的第一音频信号S1d”进行升频处理。于此举例中，可编程升频电路26会将经滤波的第一音频信号S1d”升16倍频以产生取样率为128倍频的噪声抵消信号N。
另一方面，第一升频电路32会对第二音频信号S2d进行升频处理。于此举例中，若第二音频信号S2d是取样频率为48KHz或44.1KHz的PCM信号，第一升频电路32会将第二音频信号S2d由48KHz或44.1KHz的取样频率升频为128倍频。然而，由于第二音频信号S2d是由48KHz或44.1KHz的取样频率快速地被升频为128倍频，因此需要由第一补偿电路34对经升频的第二音频信号S2d’进行补偿处理，以补偿可能发生的音频频带内信号衰减。于一实施例中，第一升频电路32可由一CIC(Cascaded Integrator Comb)滤波器、FIR(FiniteImpulse Response)滤波器或是IIR(Infinite Impulse Response)滤波器来实现，而第一补偿电路34可由一FIR(Finite Impulse Response)滤波器来实现，但本发明于此并不限制。于一优选的实施例中，第一升频电路32是由CIC滤波器来实现。
由于可编程降噪模块20所产生的噪声抵消信号N以及第二音频信号S2d”的取样率均为128倍频，因此便能通过加法器50正确地合成出第三音频信号S3。最后，通过调制器60将数字的第三音频信号S3作调制，再通过数字模拟转换器40将经调制的第三音频信号S3’转换为模拟的第三音频信号S3”。
除此之外，本实施例所提供的主动式降噪***还包括有第二降频滤波补偿电路70。请参照图4，图4为根据本发明例示性实施例绘示的第二降频滤波补偿电路的方框图。如图4所示，第二降频滤波补偿电路70主要包括第一降频电路72与第二补偿电路74，其中第一降频电路电性连接于模拟数字转换器10，且第二补偿电路74电性连接第一降频电路72。设置第二降频滤波补偿电路70的主要目的是将过取样信号进行降频滤波，以提供录音路径的数字音频信号。为了产生录音用音频信号R1，如：取样频率为48KHz或44.1KHz的PCM信号，第一降频电路72会对如前述举例中取样频率为128倍频的第一音频信号S1d进行降频处理。然而，由于第一音频信号S1d是由128倍频的取样频率快速地被降频为48KHz或44.1KHz，因此需要由第二补偿电路74对经降频的第一音频信号R1’进行补偿处理，以补偿可能发生的信号衰减。于一实施例中，第一降频电路72可由一CIC(Cascaded Integrator Comb)滤波器来实现，而第二补偿电路74可由一FIR(Finite Impulse Response)滤波器来实现，但本发明于此并不限制。
接着将进一步说明地是，于本实施例所提供的主动式降噪***中，可编程降噪模块20如何确保所产生的噪声抵消信号N的取样频率等于经滤波处理的第二音频信号S2d”的取样频率。
于前述举例中，模拟数字转换器10是将第一音频信号S1a以128倍频的取样频率进行转换(即，过取样)。于本实施例中，可编程降频电路22会根据此取样频率来调整降频倍数，以使得后端的可编程滤波电路24能够运行于2倍频～8倍频的取样频率。举例来说，可编程降频电路22可以一CIC(Cascaded Integrator Comb)滤波器来实现，且此CIC滤波器的降取样率，可经由程序化来调整，以支持不同过取样率的模拟数字转换电路。
使可编程滤波电路24运行于2倍频～8倍频的取样频率的作法是考虑到，若使可编程滤波电路24仅运行于1倍频的取样频率，***运行中可编程降频电路22的降频处理、可编程降噪模块20的滤波处理以及可编程升频电路26的升频处理所产生的传输延迟加总起来将会严重影响到主动式降噪***的整体效能。换句话说，让可编程滤波电路24能够运行于2倍频～8倍频的取样频率的好处在于能够减少***整体的传输延迟。
举例来说，假设录音取样频率为48KHz并假设可编程降噪模块20处理需14个取样数的处理延迟，此时若可编程降噪模块20运行于2倍频，则处理延迟即为(1/48000*2)*14ms，即0.14583ms。也就是说，于此例中，只要背景噪声频率低于6.857KHz(即，1/0.14583KHz)，此主动式降噪***便能有效地将此背景噪声消除。因此由此例能得知，让可编程降噪模块20运行于2倍频～8倍频的取样频率的作法能够降低主动式降噪***整体的处理延迟，并且能有效地消除低频背景噪声。
再者，于本实施例中，可编程滤波电路24是由至少两个IIR(Infinite ImpulseResponse)滤波器所构成。另外，所述多个IIR滤波器的转换系数均可编程编程地调整。举例来说，通过调整所述多个IIR滤波器的转换系数，便能够设计出需要的信号相位、截止频率以及滤波器的形式。于其他实施例中，通过调整所述多个IIR滤波器的转换系数，能将可编程滤波电路24设计为以一陷波滤波器(Notch Filter)与一低通滤波器(Low Pass Filter)来实现，使得可编程滤波电路24的滤波处理效能被优化。
除此之外，于前述举例中，数字模拟转换器40与调制器60的取样频率是举例为128倍频。于本实施例中，可编程升频电路26会根据此取样频率来调整升频倍数，将第一音频信号S1d”升频以产生取样率为128倍频的噪声抵消信号N。于前述举例中，由于经滤波的第一音频信号S1d”的取样频率为8倍频，于是可编程升频电路26便会将经滤波的第一音频信号S1d”升16倍频以产生取样率为128倍频的噪声抵消信号N。简言之，可编程降频电路22与可编程升频电路26可以调整不同的升/降频倍率，来适应不同过取样率的信号处理。
已知，传统的模拟式降噪电路为了要利用运算放大器来实现滤波处理的功能，于电路设计中需使用到许多外部组件，如电阻器、电容器…等，于是便会增加降噪电路的面积。另外，由于电阻器与电容器等外部组件容易因制程变异受影响，降噪电路的效能也会因此受影响。相较之下，于本实施例中，由于可编程降噪模块20中的可编程降频电路22、可编程滤波电路24与可编程升频电路26均可由数字滤波器来实现，因此便不需要设置额外的电路组件，使得***整体PCB电路面积减小。
另外，由前述说明可知，用以实现可编程降频电路22、可编程滤波电路24与可编程升频电路26的数字滤波器其转换系数可通过编程来设计与调整，如此一来便能确保可编程降噪模块20所产生的噪声抵消信号N的取样频率等于经滤波处理的第二音频信号S2d”的取样频率。
举另一例来说，若模拟数字转换器10的取样频率为64倍频，而数字模拟转换器40的取样频率以及调制器60的取样频率为128倍频。于此例中，可编程降频电路22会将经转换的第一音频信号S1d’降8倍频，于是可编程滤波电路便可于8倍频的取样频率下对第一音频信号S1d’进行滤波处理。于滤波处理完成后，可编程升频电路26会将经滤波的第一音频信号S1d”升16倍以产生取样率为128倍频的噪声抵消信号N。
由于用以实现可编程降频电路22、可编程滤波电路24与可编程升频电路26，其设定参数与滤波器系数皆可调整，因此，即便模拟数字转换器10的取样频率不同于数字模拟转换器40以及调制器60的取样频率，本实施例所提供的主动式降噪***也能够确保可编程降噪模块20所产生的噪声抵消信号N的取样频率会等于经滤波处理的第二音频信号S2d”的取样频率。
值得注意地是，于本实施例中，用以实现可编程降频电路22、可编程滤波电路24与可编程升频电路26的数字滤波器，均采用低延迟滤波器实现，再加上所欲滤除的背景噪声其频率皆小于5KHz，因此于可编程降噪模块20的信号处理过程中无须针对高频频带作补偿。少了用以补偿高频频带的高阶数的FIR补偿滤波器，便能有效地降低主动式降噪***整体的处理延迟及硬件复杂度。而于本实施例所提出的主动式降噪***，所欲滤除的噪声带宽仅为2KHz，所以此低延迟、低复杂度滤波器设计，即可达到预期降噪效果，并且可大大降低电路实现成本。
〔实施例的可能技术效果〕
综上所述，本发明所提供的主动式降噪***属于数字主动式降噪***。相较于传统模拟主动式降噪***，发明所提供的主动式降噪***能够减少数十个被动组件的使用，大幅地缩小电路的面积。另外，本发明所提供的主动式降噪***还具有以下优点：
首先，于本发明中，可编程降噪模块20是由低延迟滤波器来实现，因此于可编程降噪模块20的信号处理过程中无须针对频滤响应作补偿，少了补偿过程造成的传输延迟，便能有效地降低***整体的传输延迟。
再者，于本发明中，由于用以实现可编程降噪模块的数字滤波器的转换系数可通过编程来设计与调整，进而调整降频倍数与升频倍数，提供了***运行的弹性，另外也能让模拟数字转换器端与数字模拟转换器端操作于不同的过取样频率，而不会影响到***整体的信号质量。
除此之外，就一般主动式降噪电路而言，针对其所欲滤除的噪声，其带宽约仅为2KHz。而于本发明中，在可编程降噪模块20的滤波处理过程里，于带宽为5KHz以下并不会有信号衰减的情形，因此无需设置额外的电路架构来对信号衰减做补偿，也不影响滤波处理的效果。
以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的权利要求。

Claims (16)

1.一种主动式降噪***，用以消除一特定带宽内的噪音，其特征在于，包括：
一模拟数字转换器，用以接收一第一音频信号，并将模拟的所述第一音频信号转换为数字的所述第一音频信号；
一可编程降噪模块，电性连接于所述模拟数字转换器，用以对所述第一音频信号进行信号处理，以产生一噪声抵消信号；
一第一升频滤波补偿电路，用以接收一第二音频信号，并对所述第二音频信号进行滤波处理；以及
一数字模拟转换器，通过一加法器电性连接于所述可编程降噪模块与所述第一升频滤波补偿电路；
其中所述噪声抵消信号与经处理的所述第二音频信号通过所述加法器合成为一第三音频信号，所述数字模拟转换器将数字的所述第三音频信号转换为模拟的所述第三音频信号。
2.如权利要求1所述的主动式降噪***，其特征在于，所述噪声抵消信号的取样频率等于经滤波处理的所述第二音频信号的取样频率。
3.如权利要求2所述的主动式降噪***，其特征在于，所述模拟数字转换器以一过取样的方式将所述第一音频信号进行转换。
4.如权利要求3所述的主动式降噪***，其特征在于，所述可编程降噪模块包括：
一可编程降频电路，电性连接于所述模拟数字转换器，用以对经转换的所述第一音频信号进行降频处理；
一可编程滤波电路，电性连接于所述可编程降频电路，用以对经降频的所述第一音频信号进行滤波处理；以及
一可编程升频电路，电性连接于所述可编程滤波电路，用以对经滤波的所述第一音频信号进行升频处理。
5.如权利要求4所述的主动式降噪***，其特征在于，所述模拟数字转换器的取样频率不同于所述数字模拟转换器的取样频率。
6.如权利要求4所述的主动式降噪***，其特征在于，所述可编程降频电路根据所述模拟数字转换器的取样频率对经转换的所述第一音频信号进行降频处理。
7.如权利要求4所述的主动式降噪***，其特征在于，所述可编程升频电路根据所述数字模拟转换器的取样频率对经滤波的所述第一音频信号进行升频处理。
8.如权利要求4所述的主动式降噪***，其特征在于，所述可编程降频电路、所述可编程滤波电路与所述可编程升频电路均由至少一低延迟滤波器所构成。
9.如权利要求8所述的主动式降噪***，其特征在于，所述可编程滤波电路由至少两个IIR滤波器所构成，且所述多个IIR滤波器的转换系数均可编程编程地调整。
10.如权利要求9所述的主动式降噪***，其特征在于，所述多个IIR滤波器为一陷波滤波器与一低通滤波器。
11.如权利要求4所述的主动式降噪***，其特征在于，所述第一升频滤波补偿电路包括：
一第一升频电路，用以根据所述数字模拟转换器的取样频率来对所述第二音频信号进行升频处理；以及
一第一补偿电路，电性连接所述第一升频电路，用以对经升频的所述第二音频信号进行补偿。
12.如权利要求11所述的主动式降噪***，其特征在于，所述第一升频电路为一CIC滤波器，且所述第一补偿电路为一FIR滤波器。
13.如权利要求2所述的主动式降噪***，其特征在于，还包括：
一调制器，电性连接于所述加法器与所述数字模拟转换器之间，用以对所述第三音频信号进行调制处理；
其中，经调制处理的所述第三音频信号会经由所述数字模拟转换器转换成模拟的一音频信号。
14.如权利要求2所述的主动式降噪***，其特征在于，还包括：
一第二降频滤波补偿电路，电性连接于所述模拟数字转换器，用以对经转换的所述第一音频信号进行滤波处理。
15.如权利要求14所述的主动式降噪***，其特征在于，所述第二降频滤波补偿电路包括：
一第一降频电路，用以对所述第一音频信号进行降频处理；以及
一第二补偿电路，电性连接所述第一降频电路，用以对经降频的所述第一音频信号进行补偿。
16.如权利要求1所述的主动式降噪***，其特征在于，所述特定带宽为5kHz。
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