CN112312250B - 具有抗噪机制的音频播放装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有抗噪机制的音频播放装置及方法。一种具有抗噪机制的音频播放装置，包含：接收外部噪声之外部收音电路、固定系数滤波电路、运算电路、音频播放电路、内部收音电路及调整电路。固定系数滤波电路根据外部噪声产生包含具有相同振幅及正交相位的主要及辅助反向分量之反向信号。运算电路使反向信号分别与调整参数相乘以产生调整反向信号。音频播放电路接收并播放音源信号及调整反向信号产生播放结果。内部收音电路接收播放结果产生收音信号。调整电路根据收音信号和音源信号间的误差信号及反向信号产生调整参数。

Description

具有抗噪机制的音频播放装置及方法

技术领域

本发明是有关于一种音频处理技术，且特别是有关于一种具有抗噪机制的音频播放装置及方法。

背景技术

现代人聆听音乐时，常常使用耳机。然而，外部的噪音往往会一同进入耳中，覆盖掉正在聆听的音乐。为了避免这样的噪音干扰，许多强调抗噪功能的耳机开始出现在市面上。

普通的抗噪耳机，是采用耳塞和耳垫来避免周围环境音直接进入耳朵。这样的被动式抗噪机制在理想情况下能够降低15～25分贝，却无法阻挡低频噪音。因此，新的耳机采用主动式抗噪机制，以主动产生抵消噪声的信号来达到抗噪效果。然而，上述主动产生的信号，往往在方向性上无法臻于完美，无法达到更佳的抗噪效果。

因此，如何设计一个新的具有抗噪机制的音频播放装置及方法，以解决上述的缺失，乃为此一业界亟待解决的问题。

发明内容

发明内容旨在提供本公开内容的简化摘要，以使阅读者对本公开内容具备基本的理解。此发明内容并非本公开内容的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要/关键组件或界定本发明的范围。

本发明内容的一目的是在提供一种具有抗噪机制的音频播放装置及方法，由此改善先前技术的问题。

为达上述目的，本发明内容的技术实施方式是关于一种具有抗噪机制的音频播放装置，包含：外部收音电路、固定系数滤波电路、运算电路、音频播放电路、内部收音电路以及调整电路。外部收音电路设置于外壳外部，配置以接收外部噪声。固定系数滤波电路配置以根据外部噪声产生包含主要反向分量以及辅助反向分量的反向信号，辅助反向分量具有与主要反向分量实质上相同的振幅以及实质上正交的相位。运算电路配置以使反向信号与一组调整参数相乘以产生调整反向信号，其中调整参数包含对应调整主要反向分量之第一调整参数以及对应调整辅助反向分量之第二调整参数。音频播放电路设置于外壳内部，配置以接收并播放音源信号以及调整反向信号，以产生播放结果。内部收音电路设置于外壳内部，配置以接收播放结果产生收音信号。调整电路配置以根据收音信号以及音源信号间之误差信号以及反向信号，由此优化算法产生调整参数。

本发明内容之另一技术实施方式是关于一种具有抗噪机制的音频播放方法，应用于一音频播放装置中，包含：使设置于外壳外部的外部收音电路接收外部噪声；使固定系数滤波电路根据外部噪声产生包含主要反向分量以及辅助反向分量的反向信号，辅助反向分量具有与主要反向分量实质上相同的振幅以及实质上正交的相位；使运算电路使反向信号与调整参数相乘以产生调整反向信号，其中调整参数包含对应调整主要反向分量之第一调整参数以及对应调整辅助反向分量之第二调整参数；使设置于该外壳内部之音频播放电路接收并播放音源信号以及调整反向信号，以产生播放结果；使设置于外壳内部之内部收音电路接收播放结果产生收音信号；以及使调整电路根据收音信号以及音源信号间之误差信号以及反向信号，通过优化算法产生调整参数。

本发明的音频播放装置可通过固定系数滤波电路产生包含实质上具有相同振幅以及实质上正交相位的主要反向分量以及辅助反向分量的反向信号，并根据调整电路产生的调整参数进行调整，而达到既可有效抵消外部噪声亦同时具有适应性调整机制的抗噪效果。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：

图1A及图1B分别为本发明一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放装置的方块图；

图2为本发明一实施例中，外部收音电路、音频播放电路以及内部收音电路间的响应示意图；

图3为本发明一实施例中，外部噪声、主要反向分量、辅助反向分量以及反向信号的示意图；

图4为本发明一实施例中，具有抗噪机制的音频播放装置的方块图；

图5为本发明一实施例中，具有抗噪机制的音频播放装置的方块图；

图6为本发明一实施例中，具有抗噪机制的音频播放装置的方块图；以及

图7为本发明一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放方法的流程图。

具体实施方式

请同时参照图1A及图1B。图1A及图1B分别为本发明一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放装置1的方块图。音频播放装置1包含：外部收音电路100、固定系数滤波电路110、运算电路120、音频播放电路130、内部收音电路140以及调整电路150。

于一实施例中，音频播放装置1是耳机，并具有实体的外壳(未绘示)。其中，外部收音电路100是设置于此外壳的外部，而固定系数滤波电路110、运算电路120、音频播放电路130、内部收音电路140以及调整电路150均设置于外壳的内部。

外部收音电路100配置以接收模拟形式的外部噪声XA，并经由音频播放装置1还包含的模拟至数字转换电路160(在图1A及图1B中标示为ADC)进行模拟至数字转换，以产生数字形式的外部噪声x[n]。其中，n可为不小于0的整数，依序表示不同时间点对于外部噪声XA取样的结果。

固定系数滤波电路110配置以根据外部噪声x[n]产生反向信号yc[n]。其中，反向信号yc[n]包含主要反向分量yi[n]以及辅助反向分量yq[n]。于一实施例中，反向信号yc[n]可通过主要反向分量yi[n]以及辅助反向分量yq[n]，以复数形式表示：yc[n]＝yi[n]+yq[n]*i。

辅助反向分量yq[n]具有与主要反向分量yi[n]实质上相同的振幅以及实质上正交的相位。

需注意的是，“实质上”一词表示主要反向分量yi[n]以及辅助反向分量yq[n]的振幅可不必需完全相等，而可具有在合理范围内的误差的振幅大小，且相位亦可不需完全正交，而可具有在合理范围内的误差的角度。然而，需注意的是，辅助反向分量yq[n]的相位可选择性地相对主要反向分量yi[n]的相位领先约90度，或是选择性地相对主要反向分量yi[n]的相位落后约90度。辅助反向分量yq[n]的相位在上述两种情况均可视为与主要反向分量yi[n]正交。

实际上，固定系数滤波电路110可包含均为固定系数的两个滤波电路分别根据外部噪声x[n]产生主要反向分量yi[n]以及辅助反向分量yq[n]。于另一实施例中，固定系数滤波电路110亦可包含先产生主要反向分量yi[n]的一个滤波电路，以及根据主要反向分量yi[n]通过希尔伯特变换(Hilbert Transform)产生辅助反向分量yq[n]的另一个滤波电路。于再一示例中，固定系数滤波电路110亦可包含先产生第一阶段滤波结果的滤波电路，以及分别根据第一阶段滤波结果再分别滤波产生主要反向分量yi[n]以及辅助反向分量yq[n]的两个滤波电路。本发明并不限定于任一架构。

运算电路120配置以使反向信号yc[n]与一组调整参数wc[n]相乘，以产生调整反向信号z[n]。于一实施例中，调整参数wc[n]包含第一调整参数wi[n]以及第二调整参数wq[n]，且调整参数wc[n]可通过第一调整参数wi[n]以及第二调整参数wq[n]，以复数形式表示：wc[n]＝wi[n]+wq[n]*i。

于一实施例中，运算电路120所进行的计算，是使反向信号yc[n]取共轭后，与调整参数wc[n]相乘，再取实部来得到调整反向信号z[n]。上述的运算程序，可由下式表示：

z[n]＝Re(conj(yc[n])*wc[n])＝yi[n]*wi[n]+yq[n]*wq[n]

需注意的是，为便于绘示，在图1A及图1B中的运算电路120仅绘示为一个乘法器。然而实作上为进行上述的计算过程，运算电路120可通过例如，但不限于乘法器、加法器或是其他的硬件运算电路的组合实现。本发明并不限于任何特定的电路架构。

音频播放电路130配置以接收并播放音源信号AU以及调整反向信号z[n]，以产生播放结果PR。

于一实施例中，音源信号AU以及调整反向信号z[n]可经由例如，但不限于加法器162接收并进行加总后，再传送至音频播放电路130。并且，于一实施例中，加总后的音源信号AU以及调整反向信号z[n]，可通过音频播放装置1还包含的数字至模拟转换电路170(在图1A及图1B中标示为DAC)进行数字至模拟转换后，再传送至音频播放电路130进行播放。

内部收音电路140配置以接收播放结果PR产生收音信号RS，并经由音频播放装置1还包含的模拟至数字转换电路164(在图1A及图1B中标示为ADC)进行模拟至数字转换，以产生数字形式的收音信号r[n]。其中，n可为不小于0的整数，依序表示不同时间点对于收音信号RS取样的结果。

如图1A所示，调整电路150配置以根据收音信号r[n]与音源信号AU间之误差信号e[n]以及反向信号yc[n]，根据一个优化算法进行运算，以产生调整参数wc[n]。

于一实施例中，误差信号e[n]可由音频播放装置1还包含的减法器166接收收音信号r[n]以及音源信号AU并相减产生。

于一实施例中，由于音频播放电路130的播放结果PR在传递到内部收音电路140后，可能由于音频播放电路130至内部收音电路140间的传递路径以及内部收音电路140本身特性的影响，而使得收音信号RS不完全等于播放结果PR，进一步影响后续产生的收音信号r[n]以及误差信号e[n]。

根据上述理由，为使调整电路150可更精确地产生调整参数wc[n]，音频播放装置1可如图1B所示，还包含响应仿真滤波电路180A及180B。

其中，响应仿真滤波电路180A配置以根据音频播放电路130以及内部收音电路140间的路径响应S(z)，对反向信号yc[n]进行滤波，以产生滤波后反向信号yfc[n]。滤波后反向信号yfc[n]亦可包含主要反向分量yfi[n]以及辅助反向分量yfq[n]，并可通过复数形式表示yfc[n]＝yfi[n]+yfq[n]*i。

另一方面，响应仿真滤波电路180B配置以根据路径响应S(z)，对音源信号AU进行滤波，以产生滤波后音源信号AUF。误差信号e[n]实际上可根据收音信号r[n]以及滤波后音源信号AUF相减产生。

因此，经过上述滤波，调整电路150可接收前馈的滤波后反向信号yfc[n]以及误差信号e[n]，通过优化算法来进行运算产生调整参数wc[n]。

于一实施例中，此优化算法可为最小均方(least mean square；LMS)算法，而调整电路150可为最小均方算法处理电路，以通过最小均方算法来进行计算。

更详细地说，以图1B的架构为例，调整电路150可根据下式产生调整参数：

wc[n+1]＝wc[n]-mμ*e[n]*yfc[n]

其中，wc[n+1]为相对wc[n]后一个时间点的调整参数。而μ则一个可设定的常数，通常会决定此滤波器所得的误差是否会收敛和其收敛的速度快慢。

运算电路120可通过上述的前馈机制，产生具适应性(adaptive)的调整反向信号z[n]，使音频播放电路130得以通过调整反向信号z[n]抵消外部噪声XA，达到抗噪的效果。

以下将对于调整反向信号z[n]抵消外部噪声XA进行抗噪的机制进行说明。

请参照图2。图2为本发明一实施例中，外部收音电路100、音频播放电路130以及内部收音电路140间的响应示意图。

如图2所示，外部收音电路100所收到的外部噪声XA至内部收音电路140间的路径响应为P(z)，音频播放电路130至内部收音电路140间的路径响应为S(z)。因此，欲抵消外部噪声XA，理想的固定系数滤波电路110的路径响应F(z)相当于-P(z)/S(z)。然而由于F(z)必定具有因果关系(causal)，因此F(z)将仅能逼近-P(z)/S(z)，难以完全等于-P(z)/S(z)。

因此，于一实施例中，固定系数滤波电路110所产生的主要反向分量yi[n]将相当于F(z)，而辅助反向分量yq[n]则可进一步辅助主要反向分量yi[n]，产生最为接近-P(z)/S(z)的结果。

请参照图3。图3为本发明一实施例中，外部噪声XA、主要反向分量yi[n]、辅助反向分量yq[n]以及反向信号yc[n]的示意图。

如图3所示，由于主要反向分量yi[n]并非理想，因此方向上虽与外部噪声XA大致上相反，却将因为存在一个角度而无法完全抵消。

由于主要反向分量yi[n]以及辅助反向分量yq[n]实质上具有相同的振幅以及实质上正交的相位，将可以最有效率的方式，组合出近乎理想中与外部噪声XA方向相反且大小相等的反向信号yc[n]。

因此，本发明的音频播放装置1可通过固定系数滤波电路110产生包含实质上具有相同振幅以及实质上正交相位的主要反向分量yi[n]以及辅助反向分量yq[n]的反向信号yc[n]，并根据调整电路150产生的调整参数进行调整，而达到既可有效抵消外部噪声XA亦同时具有适应性调整机制的抗噪效果。

请参照图4。图4为本发明一实施例中，具有抗噪机制的音频播放装置4的方块图。

音频播放装置4实际上与图1B所绘示的音频播放装置1大同小异，包含：外部收音电路100、固定系数滤波电路110、运算电路120、音频播放电路130、内部收音电路140以及调整电路150。然而，于本实施例中，音频播放装置4还包含：第一频带滤波器400以及第二频带滤波器410(分别于图4以BPF标示)。

第一频带滤波器400配置以对滤波后反向信号yfc[n]进行特定频带的滤波。第二频带滤波器410配置以对误差信号e[n]进行特定频带的滤波。于一实施例中，此特定频带为例如，但不限于200赫兹至1000赫兹的范围。

调整电路150可根据频带滤波后的误差信号e[n]以及频带滤波后的滤波后反向信号yfc[n]，产生调整参数wc[n]。通过滤波的机制，音频播放装置4可将滤波的收敛结果集中于特定的频带。

请参照图5。图5为本发明一实施例中，具有抗噪机制的音频播放装置5的方块图。

音频播放装置5实际上与图1B所绘示的音频播放装置1大同小异，包含：外部收音电路100、固定系数滤波电路110、运算电路120、音频播放电路130、内部收音电路140以及调整电路150。然而，于本实施例中，音频播放装置5还包含：反馈滤波器500以及加法器510。

反馈滤波器500配置以在内部收音电路140产生噪声时，对误差信号e[n]进行反馈滤波后产生反馈调整参数FP，进一步由加法器510对调整反向信号z[n]进行调整，再由加法器162加总滤波后音源信号AUF以及经过反馈机制调整的调整反向信号z[n]，传送至音频播放电路130。因此，通过反馈滤波器500的设置，音频播放装置5可同时具有前馈以及回馈的调整机制。

图6为本发明一实施例中，具有抗噪机制的音频播放装置6的方块图。

音频播放装置6实际上与图1B所绘示的音频播放装置1大同小异，包含：外部收音电路100、固定系数滤波电路110、运算电路120、音频播放电路130、内部收音电路140以及调整电路150。然而，于本实施例中，音频播放装置6的调整电路150还包含：第一降低取样电路600、第二降低取样电路610(分别于图6以DS标示)以及数字信号处理电路620。

第一降低取样电路600配置以对滤波后反向信号yfc[n]进行降低取样。第二降低取样电路610配置以对误差信号e[n]进行降低取样。数字信号处理电路620配置以根据降低取样的误差信号e[n]以及降低取样的主要反向分量yfi[n]以及辅助反向分量yfq[n]，产生调整参数wc[n]。通过降低取样达到的降频效果，数字信号处理电路620可在较为低速的情形下进行运算，来产生调整参数wc[n]。

请参照图7。图7为本发明一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放方法700的流程图。音频播放方法700可应用于如图1A或图1B所示的音频播放装置1中。以下将以图1A为例进行说明。

音频播放方法700包含下列步骤(应了解到，在本实施方式中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行)。

于步骤701，使设置于外壳外部之外部收音电路100接收外部噪声XA。

于步骤702，使固定系数滤波电路110根据外部噪声XA产生包含主要反向分量yi[n]以及辅助反向分量yq[n]的反向信号yc[n]。其中，辅助反向分量yq[n]具有与主要反向分量yi[n]实质上相同的振幅以及实质上正交的相位。

于步骤703，使运算电路120使反向信号yc[n]与调整参数wc[n]相乘以产生调整反向信号z[n]。其中，调整参数wc[n]包含对应调整主要反向分量yi[n]的第一调整参数wi[n]以及对应调整辅助反向分量yq[n]的第二调整参数wq[n]。

于步骤704，使设置于外壳内部的音频播放电路130接收并播放音源信号AU以及调整反向信号z[n]，以产生播放结果PR。

于步骤705，使设置于外壳内部的内部收音电路140接收播放结果PR产生收音信号r[n]。

于步骤706，使调整电路150根据收音信号r[n]以及音源信号AU间之误差信号e[n]以及反向信号yc[n]，通过优化算法产生调整参数wc[n]。

虽然上文实施方式中揭露了本发明的具体实施例，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不悖离本发明的原理与精神的情形下，当可对其进行各种更动与修饰，因此本发明之保护范围当以附随申请专利范围所界定者为准。

【符号说明】

1：音频播放装置

110：固定系数滤波电路

130：音频播放电路

150：调整电路

162：加法器

166：减法器

180A、180B：响应仿真滤波电路

410：第二频带滤波器

500：反馈滤波器

6：音频播放装置

610：第二降低取样电路

700：音频播放方法

AU：音源信号

e[n]：误差信号

PR：播放结果

r[n]：收音信号

wi[n]：第一调整参数

XA：外部噪声

yc[n]：反向信号

yi[n]、yfi[n]：主要反向分量

z[n]：调整反向信号100：外部收音电路

120：运算电路

140：内部收音电路

160：模拟至数字转换电路

164：模拟至数字转换电路

170：数字至模拟转换电路

4：音频播放装置

400：第一频带滤波器

5：音频播放装置

510：加法器

600：第一降低取样电路

620：数字信号处理电路

701-706：步骤

AUF：滤波后音源信号

F(z)、P(z)、S(z)：路径响应

RS：收音信号

wc[n]：调整参数

wq[n]：第二调整参数

x[n]：外部噪声

yfc[n]：滤波后反向信号

yq[n]、yfq[n]：辅助反向分量。

Claims (10)

1.一种具有抗噪机制的音频播放装置，包含：

一外部收音电路，设置于一外壳外部，配置以接收一外部噪声；

一固定系数滤波电路，配置以根据该外部噪声产生包含一主要反向分量以及一辅助反向分量的一反向信号，该辅助反向分量具有与该主要反向分量相同的振幅以及正交的相位；

一运算电路，配置以使该反向信号与一组调整参数相乘以产生一调整反向信号，其中该组调整参数包含对应调整该主要反向分量的一第一调整参数以及对应调整该辅助反向分量的一第二调整参数；

一音频播放电路，设置于该外壳内部，配置以接收并播放一音源信号以及该调整反向信号，以产生一播放结果；

一内部收音电路，设置于该外壳内部，配置以接收该播放结果产生一收音信号；以及

一调整电路，配置以根据该收音信号以及该音源信号间的一误差信号以及该反向信号，通过一优化算法产生该组调整参数。

2.根据权利要求1所述的音频播放装置，其中该主要反向分量是根据该外部收音电路至该音频播放电路间的一第一路径响应以及该音频播放电路至该内部收音电路间的一第二路径响应产生。

3.根据权利要求1所述的音频播放装置，还包含：

一第一响应仿真滤波电路，配置以根据该音频播放电路以及该内部收音电路间的一频率响应对该反向信号进行滤波产生一滤波后反向信号；

一第二响应仿真滤波电路，配置以根据该频率响应对该音源信号进行滤波产生一滤波后音源信号；

其中该调整电路实际上配置以根据该收音信号以及滤波后该音源信号间之该误差信号以及该滤波后反向信号，通过该优化算法产生该组调整参数。

4.根据权利要求1所述的音频播放装置，其中该优化算法为一最小均方算法，该调整电路为一最小均方算法处理电路。

5.根据权利要求1所述的音频播放装置，其中该调整电路包含：

一第一降低取样电路，配置以对该反向信号进行降低取样；

一第二降低取样电路，配置以对该误差信号进行降低取样；以及

一数字信号处理电路，配置以根据降低取样的该误差信号以及降低取样的该反向信号产生该组调整参数。

6.根据权利要求1所述的音频播放装置，还包含：

一第一频带滤波器，配置以对该反向信号进行一特定频带的滤波；以及

一第二频带滤波器，配置以对该误差信号进行该特定频带的滤波；

其中该调整电路根据频带滤波后的该误差信号以及频带滤波后的该反向信号产生该组调整参数。

7.根据权利要求6所述的音频播放装置，其中该特定频带为200赫兹至1000赫兹。

8.根据权利要求1所述的音频播放装置，还包含一反馈滤波器，配置以对该误差信号进行一反馈滤波以产生一反馈调整参数，进一步对该调整反向信号进行调整。

9.根据权利要求1所述的音频播放装置，还包含：

一第一模拟至数字转换电路，配置以对该外部噪声进行模拟至数字转换后传送至该固定系数滤波电路；

一第二模拟至数字转换电路，配置以对该收音信号进行模拟至数字转换后传送至该调整电路；以及

一数字至模拟转换电路，配置以对该音源信号以及该调整反向信号进行数字至模拟转换后传送至该音频播放电路。

10.一种具有抗噪机制的音频播放方法，应用于一音频播放装置中，包含以下步骤：

使设置于一外壳外部的一外部收音电路接收一外部噪声；

使一固定系数滤波电路根据该外部噪声产生包含一主要反向分量以及一辅助反向分量的一反向信号，该辅助反向分量具有与该主要反向分量相同的振幅以及正交的相位；

使一运算电路使该反向信号与一组调整参数相乘以产生一调整反向信号，其中该组调整参数包含对应调整该主要反向分量的一第一调整参数以及对应调整该辅助反向分量的一第二调整参数；

使设置于该外壳内部的一音频播放电路接收并播放一音源信号以及该调整反向信号，以产生一播放结果；

使设置于该外壳内部之一内部收音电路接收该播放结果产生一收音信号；以及

使一调整电路根据该收音信号以及该音源信号间的一误差信号以及该反向信号，通过一优化算法产生该组调整参数。

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