CN110610693B - 权重式混合型态主动抗噪***及控制器 - Google Patents

权重式混合型态主动抗噪***及控制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种权重式混合型态主动抗噪***，包括一参考麦克风、一误差麦克风、一扬声器、以及一连接至该参考麦克风、该误差麦克风、该扬声器的控制器。该控制器包括一前馈降噪滤波模块、一反馈降噪滤波模块、一混合器、一噪声侦测模块、以及一权重分配模块。该权重分配模块包括有一或复数个设置于该误差麦克风与该反馈降噪滤波模块之间的权重调变单元，于该噪声侦测模块由该参考麦克风或该误差麦克风侦测到高频噪声时传送控制讯号至该权重分配模块，该权重分配模块降低该权重调变单元的权重值以降低该反馈降噪滤波模块的回授讯号的比例。

Description

权重式混合型态主动抗噪***及控制器
技术领域
本发明系有关于一种主动抗噪***及控制器，特别有关于一种权重式混合型态主动抗噪***及控制器。
背景技术
目前应用在耳机中的主动降噪(ANC)技术有两种模式，分别称为前馈(Feed-Forward)降噪和反馈(Feedback)降噪，由前馈降噪和反馈降噪两者所共同结合则称为混合(Hybrid)降噪。不同的主动降噪技术在降噪深度和带宽上有各自的局限性，这主要是由耳机声学结构、讯号处理和***讯号延迟共同决定的。
前馈降噪***的工作原理主要是输出与环境噪声频响相同但相位相反的讯号来实现降噪。参考麦克风侦测噪声并透过滤波电路产生反相讯号，在耳鼓处反相讯号与噪声讯号抵消，从而降低人耳听到的噪声级。这里的滤波电路主要用来补偿耳鼓和麦克风处侦测到的噪声之间差异，另外对于喇叭本身在降噪讯号的响应能力方面也有补偿作用。
反馈降噪***的工作原理主要是检测耳鼓区域的噪声，然后形成一个基本的反馈回路，以便最大限度地降低该区域的噪声级。整个回路是由喇叭与麦克风的响应以及滤波器的组成。随着滤波器增益(及其回路增益)增加，噪声残留变小，从而降噪性能得到提升。但如果回路的相位接近±180°，「回路」讯号会发生反转，分母上的‘+’将变为‘-’。在这种情况下，回路增益大小调节受限，因为当它从0.0增加至1.0时，结果是放大，而当等于1.0时，结果则是「零除」，容易造成***不稳定并且经常随着频响幅度增加引起啸叫。
混合型态主动抗噪***(Hybrid ANC)由于结合了前馈降噪***以及反馈降噪***，有效的改善两者个别的缺失。混合型态主动抗噪***通常包括有一对麦克风，前馈抗噪***使用外部麦克风在进入耳朵之前测量环境噪声，处理该信号以确保精确的反向信号，并由***的扬声器有效地消除了环境噪音。反馈抗噪***的滤波器用于搜集误差麦克风附近的声学信号并回授用以进行误差修正。然而，传统的混合式主动抗噪架构，于噪声在较高频且规律性的时候，反馈噪声消除***容易产生不稳定的状况，而造成消噪效果变差。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种权重式混合型态主动抗噪***，包括一参考麦克风、一误差麦克风、一扬声器、以及一连接至该参考麦克风、该误差麦克风、该扬声器的控制器。该控制器包括一前馈降噪滤波模块、一反馈降噪滤波模块、一混合器、一噪声侦测模块、以及一权重分配模块，该前馈降噪滤波模块系将该参考麦克风接收到的参考讯号经由前馈降噪后获得一前馈降噪讯号，该反馈降噪滤波模块系将该误差麦克风接收到的误差音源讯号经由反馈降噪后获得一反馈降噪讯号，并将该前馈降噪讯号及该反馈降噪讯号传送至该混合器进行混波，并将混波后的降噪讯号输出至该扬声器，该权重分配模块系包括有一或复数个设置于该误差麦克风与该反馈降噪滤波模块之间的权重调变单元，于该噪声侦测模块由该参考麦克风或该误差麦克风侦测到高频噪声时系传送控制讯号至该权重分配模块，该权重分配模块降低该权重调变单元的权重值以降低该反馈降噪滤波模块的回授讯号的比例。
本发明的另一目的，在于提供一种控制器，包括一前馈降噪滤波模块、一反馈降噪滤波模块、一混合器、一噪声侦测模块、以及一权重分配模块。该前馈降噪滤波模块系将该参考麦克风接收到的参考讯号经由前馈降噪后获得一前馈降噪讯号。该反馈降噪滤波模块系将该误差麦克风接收到的误差音源讯号经由反馈降噪后获得一反馈降噪讯号。该混合器将该前馈降噪讯号及该反馈降噪讯号进行混波并输出一降噪讯号。该噪声侦测模块由该前馈降噪滤波模块或该反馈降噪滤波模块的输入侦测高频噪声，并于侦测到高频噪声时输出一控制讯号。该权重分配模块系包括有一或复数个设置于该误差麦克风与该反馈降噪滤波模块之间的权重调变单元，于接收到该控制讯号时，降低该权重调变单元的权重值以降低该反馈降噪滤波模块的回授讯号的比例。
是以，本发明系比起习知技术具有以下优势功效：
1.本发明在反馈路径上加上了权重调变功能，当效能变差时可适当性的在反馈路径上降低权重，而让前馈路径去主导达到真正的自适性效果。
2.本发明可以强化对应于非规律性噪声及规律性噪声的处理效果，以改善传统混合式主动抗噪架构处理高频规律性噪声时容易产生不稳定的缺失。
附图说明
图1，本发明权重式混合型态主动抗噪***的示意图(一)。
图2，本发明权重式混合型态主动抗噪***的示意图(二)。
图3，本发明权重式混合型态主动抗噪***的控制流程示意图(一)。
图4，本发明权重式混合型态主动抗噪***的控制流程示意图(二)。
100权重式混合型态主动抗噪***；10参考麦克风；20误差麦克风；30扬声器；31扬声单元；32驱动单元；40控制器；F1前馈降噪滤波模块；F11次级路径滤波器；F12自适应运算器；F13数字滤波器；F2反馈降噪滤波模块；F21次级路径滤波器；F22自适应运算器；F23数字滤波器；F3混合器；F4噪声侦测模块；F5权重分配模块；F5A权重调变单元；F51第一互补式权重调变器；F52第二互补式权重调变器；F53第一权重调变器；F54第二权重调变器；步骤S01-S06
具体实施方式
有关本发明之详细说明及技术内容，现就配合图式说明如下。再者，本发明中之图式，为说明方便，其比例未必照实际比例绘制，该等图式及其比例并非用以限制本发明之范围，在此先行叙明。
本发明之实施例可实施于包括有线头戴式耳机、智能电话手机、无线耳机或其他头部佩戴式音频装置的个人收听***中之降噪装置或降噪控制器，于本发明中不予以限制。于本发明中所述的控制器可以由单一芯片或复数芯片所构成，于另一实施例中，该控制器可以为音频装置提供的芯片(例如行动装置)，或是为整合或分离于无线耳机、头戴式装置的音频芯片所构成，该等实施方式非属本发明所欲限制的范围。具体而言，该控制器例如可以是微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)等或其他类似装置或这些装置的组合，于本发明中不予以限制。
以下针对本发明的一较佳实施态样进行说明，请一并参阅「图1」，系为本发明权重式混合型态主动抗噪***的示意图(一)，如图所示：
本实施态样系揭示一种权重式混合型态主动抗噪***100，主要包括一参考麦克风10、一误差麦克风20、一扬声器30、以及一连接至该参考麦克风10、该误差麦克风20、该扬声器30的控制器40。
所述的参考麦克风10(Feedfoward Microphone)主要用于接收基准音源讯号。该基准音源讯号主要为环境噪声，也就是抗噪***主要滤除的噪声。该参考麦克风10于一实施例中可以为麦克风、拾音器、或是其他可以用以接收环境音波并进一步转换为模拟、数字音频的装置。
所述的误差麦克风20(Feedback Microphone)主要系用于接收误差音源讯号。该误差麦克风20一般系设置于抗噪区域范围内的基准位置，误差麦克风20所接收到的音频相当于基准音频与扬声器30输出的反向讯号之间的差值，在此将该差值定义为误差音源讯号。与该参考麦克风10相同，该误差麦克风20于一实施例中例如可以为麦克风、拾音器、或是其他可以用以接收环境音波并进一步转换为模拟、数字音频的装置。
所述的扬声器30主要系用于输出反向讯号，用以抵销环境中的噪声噪声。该扬声器30于一实施例中例如可以为耳机、喇叭或其他类此的装置用以输出反向讯号抵消噪声。该扬声器30主要包括一扬声单元31、以及一连接至该扬声单元31的驱动单元32。该驱动单元32系用以将接收到的数字讯号转换成模拟讯号用以供该扬声单元31输出为声音。
所述的控制器40经由特定的脚位连接或耦接至该参考麦克风10、该误差麦克风20、以及该扬声器30，用以协调该等装置的工作并处理所传递的讯号。具体而言，该控制器40主要包括一前馈降噪滤波模块F1、一反馈降噪滤波模块F2、一混合器F3、一噪声侦测模块F4、以及一权重分配模块F5，须特别注意的是，该等功能模块可以整合至单一控制器执行，亦可以由复数个独立的控制器协同执行(例如由单一或复数个控制器执行各别功能方块)，该等均等变化非属本发明所欲限制的范围。
于电路的配置上，该前馈降噪滤波模块F1接收该参考麦克风10的参考讯号，并将该参考讯号经由前馈降噪处理后作为第一输入讯号(前馈降噪讯号)传送至该混合器F3，该反馈降噪滤波模块F2接收该误差麦克风20的误差音源讯号，并将该误差音源讯号经由反馈降噪处理后作为第二输入讯号(反馈降噪讯号)传送至该混合器F3，藉以经由该混合器F3将该第一输入讯号以及该第二输入讯号进行混波以获得一降噪讯号，并将混合后的降噪讯号输出至该扬声器30。
该噪声侦测模块F4经由该参考麦克风10或该误差麦克风20接收音频，并由该音频确认噪声状态，该噪声侦测模块F4例如可以为频谱噪声侦测器、时域噪声侦测器及自适应噪声滤波侦测器等。该权重分配模块F5系包括有一或复数个设置于该误差麦克风20与该反馈降噪滤波模块F2之间的权重调变单元F5A，当该噪声侦测模块F4由该参考麦克风10或该误差麦克风20侦测到高频噪声时传送控制讯号至该权重分配模块F5，该权重分配模块F5于接收到控制讯号后系降低该权重调变单元F5A的权重值以降低该反馈降噪滤波模块F2的回授讯号的输出权重。
有关于该前馈降噪滤波模块F1以及该反馈降噪滤波模块F2以下举一具体实施态样进行说明。请一并参阅「图2」，系为本发明权重式混合型态主动抗噪***的示意图(二)，如图所示：
所述的前馈降噪滤波模块F1主要包括一次级路径滤波器F11(Secondary PathFilter)、一自适应运算器F12(Adaptation Algorithm Module)、以及一数字滤波器F13(Digital Filter)。该次级路径滤波器F11主要是经由设计者依据降噪讯号y(n)变换成误差音源讯号e(n)的路径所定义，用以将输入的数字讯号进行修正补偿讯号，藉此得到可参考的讯号波型。该自适应运算器F12系依据该基准音源讯号及该误差音源讯号更新该数字滤波器F13的滤波器系数，该自适应运算器F12例如可以是最小均方滤波器(LMS Filter)，于本发明中不予以限制。该数字滤波器F13系依据更新后的滤波器系数将该参考麦克风10的基准讯号进行滤波后得到前馈降噪讯号后传送至该混合器F3，其中该数字滤波器F13于一可行的实施态样中可以为有限脉冲响应滤波器(FIR filter)、或双二阶滤波器(BiquadFilter)等，于本发明中不予以限制。
前馈降噪滤波模块F1的数字滤波器F13主要是用在估测未知环境因子(例如耳罩)所造成的误差，设定未知环境因子和数字滤波器F13都接收相同的输入信号x(n)。透过引入了滤波FXLMS算法可以解决次级路径问题，仿真滤波器讯号以及误差音源讯号在从电讯号到声讯号路径上经过的变换集。在该电声转换过程期间，藉由延迟或改变信号使其间产生的误差效应最小化。
所述的反馈降噪滤波模块F2主要包括一次级路径滤波器F21、一自适应运算器F22(Secondary Path Filter)、以及一数字滤波器F23(Digital Filter)。与该前馈降噪滤波模块F1相同，该次级路径滤波器F21是经由设计者依据降噪讯号y(n)变换成误差音源讯号e(n)的路径所定义，用以将输入的数字讯号进行修正补偿讯号。其中，反馈降噪滤波模块F2的自适应滤波器F22由误差信号e(n)和来自次级路径前一次降噪讯号输出的结果信号y(n-1)以及误差音源讯号e(n)经由降噪讯号-误差音源讯号混合器F6混波作为输入讯号更新该数字滤波器F23的滤波器系数，该自适应运算器F22例如可以是最小均方滤波器(LMSFilter)，于本发明中不予以限制。该数字滤波器F23系依据更新后的滤波器系数将结果信号y(n-1)以及误差音源讯号e(n)混波后的讯号进行依据更新的系数滤波后输出反馈降噪讯号至该混合器F3的第二输入端，其中该数字滤波器F23于一可行的实施态样中可以为有限脉冲响应滤波器(FIR filter)、或双二阶滤波器(Biquad Filter)等，于本发明中不予以限制。于该降噪讯号-误差音源讯号混合器F6的前端系设置次级路径滤波器F7将输入的降噪讯号进行修正补偿讯号。
于本实施态样中，所述的权重分配模块F5包括一设置于该混合器F3与该前馈降噪滤波模块F1之间的第一互补式权重调变器F51、一设置于该混合器F3与该反馈降噪滤波模块F2之间的第二互补式权重调变器F52、一设置于该误差麦克风20与该反馈降噪滤波模块F2的自适应滤波器F22之间的第一权重调变器F53，以及一设置于该误差麦克风20与该降噪讯号-误差音源讯号混合器F6之间的第二权重调变器F54。该第一互补式权重调变器F51及该第二互补式权重调变器F52的权重总合为恒定值，例如为1。该权重调变器F51例如可以为均分式调变、加权式调变及动态侦测式调变等，透过储存于控制器(或储存单元)的软件或韧体调变各该权重调变器F51的权值，以决定该权重调变器F51的讯号放大比例。
于另一可行的实施态样中，亦可以在该第一权重调变器F53、以及该第二权重调变器F54的共同节点之前设置权重调变器(图未示)，透过单一权重调变器控制反馈降噪滤波模块F2输入讯号的权重，但效率相较于前一实施态样低。
关于权重分配模块F5的控制逻辑，以下请一并参阅「图3」，本发明权重式混合型态主动抗噪***的控制流程示意图，如图所示：
***启动时，该噪声侦测模块F4持续侦测参考麦克风10的基准音源讯号(及/或该误差麦克风20的误差音源讯号)，并侦测是否接收到到噪声(步骤S01)。
于侦测到噪声时，该噪声侦测模块F4系确认该噪声的类型，确认噪声的型态是规律噪声讯号或是非规律噪声讯号(步骤S02)，判断噪声型态可以透过频谱噪声侦测器、时域噪声侦测器及自适应噪声滤波侦测器等确认，以区分噪声型态为规律噪声或非规律噪声。
当侦测到的噪声在高频且具规律性的时候，在反馈降噪滤波模块F2的路径上容易产生不稳定的情况，使降噪的效果下降。此时，该噪声侦测模块F4传送一第一控制讯号至该权重分配模块F5以将该权重分配模块F5切换至第一工作模式(步骤S03)。该权重分配模块F5于第一工作模式的状态下，系依据时序优先逐渐降低该第二互补式权重调变器F52的权重，并次级降低该第一权重调变器F53、该第二权重调变器F54的权重。
具体而言，该权重分配模块F5于一开始初始值将第一权重调变器F53的权重设定为1，将该第二权重调变器F54的权重设定为1，将该第二互补式权重调变器F52的权重设定为0.5。
当侦测到非规律性噪声时，依据时间顺序将该第二互补式权重调变器F52的权重调小(最小能调到0)，让整个***的消噪效果比较偏向前馈降噪滤波模块F1来处理非规律性噪声。
接续，该权重分配模块F5再将第一权重调变器F53的权重慢慢调小(最小能调到0)，让反馈降噪滤波模块F2的更新机制慢慢趋于少许贡献的状态。
最后，调整第二权重调变器F54的权重慢慢调小(最小能调到0),让最终反馈降噪滤波模块F2重建出的讯号对于错误(error)的影响量达到最小。
于上述的过程中，所述的时序是由设计工程师预先调整，经由时间分别依序触发各该权重调变器。于另一可行的实施态样中，该权重分配模块F5可以依据该噪声侦测模块F4的错误率大小决定是否继续调变权重。
当该噪声侦测模块F4侦测到该非规律性噪声消失时，该权重分配模块F5系直接或逐渐将各该权重调变器的权重复归至起始值(第一权重调变器F53的权重设定为1，将该第二权重调变器F54的权重设定为1，将该第二互补式权重调变器F52的权重设定为0.5)(步骤S04)。
承步骤S02，当侦测到的噪声具规律性的时候，该噪声侦测模块F4传送一第二控制讯号至该权重分配模块F5以将该权重分配模块F5切换至第二工作模式(步骤S05)。该权重分配模块F5于第二工作模式的状态下，系依据时序优先逐渐提升该第二互补式权重调变器F52的权重(最高调整至1)。
具体而言，该权重分配模块F5于第二工作模式时，该权重分配模块F5将该第二互补式权重调变器F52的权重调高(最大能调到1)，而让整个***的消噪效果比较偏向由反馈降噪滤波模块F2那路来处理规律性噪声。因为规律性噪声基本上靠反馈降噪滤波模块F2那路来处理能得到最好的效果，因此第一权重调变器F53及第二权重调变器F54皆维持初始值
当该噪声侦测模块F4侦测到该规律性噪声消失时，该权重分配模块F5系直接或逐渐将各该权重调变器的权重复归至起始值(第一权重调变器F53的权重设定为1，将该第二权重调变器F54的权重设定为1，将该第二互补式权重调变器F52的权重设定为0.5)(步骤S06)。
综上所述，本发明在反馈路径上加上了权重调变功能，当效能变差时可适当性的在反馈路径上降低权重，而让前馈路径去主导达到真正的自适性效果。此外，本发明可以强化对应于非规律性噪声及规律性噪声的处理效果，以改善传统混合式主动抗噪架构处理高频规律性噪声时容易产生不稳定的缺失。
以上已将本发明做一详细说明，惟以上所述者，仅惟本发明之一较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即凡依本发明申请专利范围所作之均等变化与修饰，皆应仍属本发明之专利涵盖范围内。

Claims (4)

1.一种权重式混合型态主动抗噪***，其特征在于，包括
一参考麦克风；
一误差麦克风；
一扬声器；以及
一控制器，系连接至该参考麦克风、该误差麦克风、该扬声器，该控制器包括一前馈降噪滤波模块、一反馈降噪滤波模块、一混合器、一噪声侦测模块、以及一权重分配模块，该前馈降噪滤波模块系将该参考麦克风接收到的参考讯号经由前馈降噪后获得一前馈降噪讯号，该反馈降噪滤波模块系将该误差麦克风接收到的误差音源讯号经由反馈降噪后获得一反馈降噪讯号，并将该前馈降噪讯号及该反馈降噪讯号传送至该混合器进行混波，并将混波后的降噪讯号输出至该扬声器，该权重分配模块系包括有一或复数个设置于该误差麦克风与该反馈降噪滤波模块之间的权重调变单元，于该噪声侦测模块由该参考麦克风或该误差麦克风侦测到高频噪声时系传送控制讯号至该权重分配模块，该权重分配模块降低该权重调变单元的权重值以降低该反馈降噪滤波模块的反馈降噪讯号的比例；
其中，该权重分配模块包括一设置于该混合器与该前馈降噪滤波模块之间的第一互补式权重调变器、以及一设置于该混合器与该反馈降噪滤波模块之间的第二互补式权重调变器，该第一互补式权重调变器及该第二互补式权重调变器的权重总合为恒定值；
该权重分配模块包括一设置于该误差麦克风与该反馈降噪滤波模块的自适应滤波器之间的第一权重调变器，以及一设置于该误差麦克风与降噪讯号-误差音源讯号混合器之间的第二权重调变器；
该噪声侦测模块由该参考麦克风或该误差麦克风侦测到非规律性高频噪声时系传送一第一控制讯号至该权重分配模块，于该权重分配模块接收到该第一控制讯号时，该权重分配模块系依据时序或依据误差麦克风所采集到的错误率大小逐渐降低该第二互补式权重调变器的权重，并依次降低该第一权重调变器、该第二权重调变器的权重。
2.根据权利要求1所述的权重式混合型态主动抗噪***，其特征在于，于该噪声侦测模块由该参考麦克风或该误差麦克风侦测到规律性高频噪声时系传送一第二控制讯号至该权重分配模块，于该权重分配模块接收到该第二控制讯号时，该权重分配模块系依据时序优先逐渐提升该第二互补式权重调变器的权重。
3.一种控制器，其特征在于，所述控制器与一参考麦克风、一误差麦克风设置于同一权重式混合型态主动抗噪***，所述控制器包括：
一前馈降噪滤波模块，该前馈降噪滤波模块系将该参考麦克风接收到的参考讯号经由前馈降噪后获得一前馈降噪讯号；
一反馈降噪滤波模块，该反馈降噪滤波模块系将该误差麦克风接收到的误差音源讯号经由反馈降噪后获得一反馈降噪讯号；
一混合器，将该前馈降噪讯号及该反馈降噪讯号进行混波并输出一降噪讯号；
一噪声侦测模块，由该前馈降噪滤波模块或该反馈降噪滤波模块的输入侦测高频噪声，并于侦测到高频噪声时输出一控制讯号；以及
一权重分配模块，该权重分配模块系包括有一或复数个设置于该误差麦克风与该反馈降噪滤波模块之间的权重调变单元，于接收到该控制讯号时，降低该权重调变单元的权重值以降低该反馈降噪滤波模块的反馈降噪讯号的比例；
该权重分配模块包括一设置于该混合器与该前馈降噪滤波模块之间的第一互补式权重调变器、以及一设置于该混合器与该反馈降噪滤波模块之间的第二互补式权重调变器，该第一互补式权重调变器及该第二互补式权重调变器的权重总合为恒定值；
该权重分配模块还包括一于该反馈降噪滤波模块的LMS滤波器前端的第一权重调变器，以及一设置于降噪讯号-误差音源讯号混合器前端的第二权重调变器；
于该噪声侦测模块由该参考麦克风或该误差麦克风侦测到非规律性高频噪声时系传送一第一控制讯号至该权重分配模块，于该权重分配模块接收到该第一控制讯号时，该权重分配模块系依据时序或依据该噪声侦测模块所采集到的错误率大小逐渐降低该第二互补式权重调变器的权重，并依次降低该第一权重调变器、该第二权重调变器的权重。
4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，于该噪声侦测模块由该参考麦克风或该误差麦克风侦测到规律性高频噪声时系传送一第二控制讯号至该权重分配模块，于该权重分配模块接收到该第二控制讯号时，该权重分配模块系依据时序优先逐渐提升该第二互补式权重调变器的权重。
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