CN115914910A - 适应性主动噪声消除装置以及使用其的声音播放*** - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种适应性主动噪声消除装置以及使用其的声音播放***，此适应性主动噪声消除装置将所接收到的误差信号以及干扰信号，根据一理想噪声的形状先进行整形，之后才将整形后的干扰信号与整形后的误差信号送入参数调整单元，以进行适应性参数调整。由此，适应性主动噪声滤波单元除了可以适应性地抑制外部噪声，借以将误差信号最小化外，还可以针对人耳敏感的特定频率进行抑制。

Description

适应性主动噪声消除装置以及使用其的声音播放***
技术领域
本发明涉及噪音消除的技术，尤指一种适应性主动噪声消除装置以及使用其的声音播放***。
背景技术
一般耳机的降噪音技术有分为被动式噪音消除(passive noise cancellation，PNC)以及主动式噪音消除(active noise cancellation，ANC)。被动式噪音消除主要是通过耳机隔音材料或特殊结构尽量隔绝噪音。一般是入耳式耳塞或全罩耳式耳机，长期佩戴的话会使耳朵胀疼，过大声压甚至还会影响听力。主动式噪音消除即在耳机内设置专门降噪电路，一般通过音频接收器(如微型麦克风)和抗噪音输出芯片，接收、分析外界噪音的频率并产生反相音波，通过音波的破坏性干涉，抵消噪音。
又，主动式噪音消除技术在噪音消除部分有分为使用工厂预设的主动消除噪音滤波器(active noise cancellation(ANC)filter)以及适应性主动消除噪音滤波器(adaptive ANC filter)。适应性主动消除噪音滤波器基本上是根据环境噪音的不同，产生不同的噪音消除转移函数，根据适应性主动消除噪音滤波器运作的次数、时间，渐渐的比对噪音与产生的反噪音的误差而收敛，进而消除噪音。现有的适应性主动消除噪音滤波器在不同的环境噪音下所提供的噪音消除能力的不同，因而相对地不可靠。如何降低环境噪音对噪音消除能力的影响程度，已成为本领域重要的工作项目。
发明内容
有鉴于此，如何减轻或消除上述相关领域的缺陷，并且同时让适应性主动消除噪音滤波技术能够符合环境噪声的方式抑制噪声，实为有待解决的问题。
本发明涉及一种声音播放***，根据反相噪音信号，输出反相噪音声音信号，此声音播放***包括误差麦克风以及适应性主动噪声消除装置。误差麦克风接收环境噪音以及反相噪音声音信号，以产生误差信号。适应性主动噪声消除装置包括自动噪声整形电路、适应性主动噪声滤波单元、第一传输通道模拟单元以及参数调整单元。自动噪声整形电路接收误差信号，根据一预设噪声形态，将干扰信号整形成一整形干扰信号以及将误差信号整形成一整形误差信号，并输出整形干扰信号以及整形误差信号。适应性主动噪声滤波单元接收干扰信号，输出用以产生反相噪音声音信号的反相噪音信号。第一传输通道模拟单元接收整形干扰信号，用以根据一通道转移函数，产生模拟整形干扰信号。参数调整单元接收模拟整形干扰信号以及该整形误差信号，根据模拟整形干扰信号以及整形误差信号，并利用适应性演算法，调整适应性主动噪声滤波单元的滤波系数。
在本发明的一较佳实施例中，当声音播放***为反馈式主动降噪耳机时，上述干扰信号为还原环境噪音信号。在本发明的另一较佳实施例中，当声音播放***为前馈式主动降噪耳机时，此声音播放***还包括外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为干扰信号。
本发明的精神在于将所接收到的误差信号以及干扰信号，根据一理想噪声的形状先进行整形，之后才将整形后的干扰信号与整形后的误差信号送入参数调整单元，以进行适应性参数调整。由此，适应性主动噪声滤波单元除了可以有效地抑制外部噪声与耳道的噪声，借以将误差信号最小化外，还可以针对人耳敏感的特定频率进行抑制。
本发明的其他优点将配合以下的说明和附图进行更详细的解说。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1绘示为理想噪声与开启适应性主动消除噪音消除功能后的噪声大小对频率的频率响应示意图。
图2绘示为一般环境噪声与开启适应性主动消除噪音消除功能后的噪声大小对频率的频率响应示意图。
图3绘示为本发明一较佳实施例的主动式降噪耳机的示意图。
图4绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。
图5绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。
图6绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。
图7绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。
图8绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。
图9绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。
图10绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。
图11绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。
图12绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。
图13绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的整形滤波参数产生单元的电路方块图。
其中，附图中符号的简单说明如下：
101：理想噪声型态；102：理想噪声型态的噪声抑制结果；103：一般环境噪声；104：针对一般环境噪声103的噪声抑制结果；301：左无线耳机；302：右无线耳机；303：移动装置；40：传输通道；41：适应性主动噪声消除装置；42：声音通道响应示意区块；411：外部噪声接收麦克风；412：误差麦克风；413：自动噪声整形电路；414：适应性主动噪声滤波单元；415：第一传输通道模拟单元；416：参数调整单元；417：第二传输通道模拟单元；418：第一加法电路；419：整形滤波参数产生单元；420：第一整形滤波器；421：第二加法电路；422：第二整形滤波器；601、901：第三整形滤波器；1001、1201：前馈式主动噪声消除电路；1002、1102：反馈式主动噪声消除电路；1003：加法器；1004：前馈式适应性主动噪声滤波单元；1006：第三整形滤波器；1010：第三传输通道模拟单元；1020：第二参数调整单元；1005：反馈式适应性主动噪声滤波单元；1101：前馈式降噪电路；1202：反馈式降噪电路；1203：反馈式噪声滤波单元；1301：频率分析电路；1302：噪声形状存储电路；1303：参数运算电路。
具体实施方式
以下将配合相关附图来说明本发明的实施例。在这些附图中，相同的标号表示相同或类似的组件或方法流程。
必须了解的是，使用于本说明书中的“包含”、“包括”等词，是用于表示存在特定的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、组件和/或组件，但并不排除可加上更多的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、组件、组件，或以上的任意组合。
本发明中使用如“第一”、“第二”、“第三”等词是用来修饰权利要求中的组件，并非用来表示之间具有优先权顺序，先行关系，或者是一个组件先于另一个组件，或者是执行方法步骤时的时间先后顺序，仅用来区别具有相同名字的组件。
必须了解的是，当组件描述为“连接”或“耦接”至另一组件时，可以是直接连结、或耦接至其他组件，可能出现中间组件。相反地，当组件描述为“直接连接”或“直接耦接”至另一组件时，其中不存在任何中间组件。用于描述组件之间关系的其他词语也可以类似方式解读，例如“介于”相对于“直接介于”，或者“邻接”相对于“直接邻接”等等。
图1绘示为理想噪声与开启适应性主动消除噪音消除功能后的噪声大小对频率的频率响应示意图。请参考图1，横轴为频率，以及纵轴为振幅。当噪音为如图1的标号101的理想噪声型态时，噪声抑制结果会类似于标号102所示。对于噪声的抑制相当的不错。然而，一般环境噪声并不会如此的像理想噪声。
图2绘示为一般环境噪声与开启适应性主动消除噪音消除功能后的噪声大小对频率的频率响应示意图。请参考图2，标号103为一般环境噪声；标号104则是针对一般环境噪声103的噪声抑制结果。由于适应性演算法在学习(adapt)时意图会把振幅较大的噪声部分抑制，故在此例中，部分较高频的噪声被抑制。然而，例如低频噪声不但没有被抑制，反而增加了。虽然以频率响应图来看，适应性主动消除噪音滤波技术确实抑制了噪声，可惜的是，一般人耳对于低频的噪音远比高频的噪音敏感，虽然噪声抑制结果104反映出噪声确实有受到抑制，但是对于使用者来说，反而感受到噪音变大，有不舒服感。
图3绘示为本发明一较佳实施例的主动式降噪耳机的示意图。请参考图3，在此实施例中，是以无线耳机(wireless earbud)作为举例，无线耳机是一对具有无线通讯能力的装置，包含左无线耳机(left wireless earbud)301和右无线耳机(right wirelessearbud)302，左无线耳机301与右无线耳机302之间并没有实体线互相连接。
移动装置303与左无线耳机301之间以及移动装置303与右无线耳机302之间可使用无线通讯协议传递携带使用者的语音信号或音乐的封包，例如蓝牙(Bluetooth)音频传输模型协议(advanced audio distribution profile(A2DP))封包。
在另一些实施例中，移动装置303与左无线耳机301之间以及移动装置303与右无线耳机302之间也可使用Wi-Fi直连(Wi-Fi Direct)等其他的点对点(Peer-to-peer，P2P)无线通讯协议，本发明并不以此为限。上述实施例中，主动式降噪耳机虽是以无线耳机举例，然所属技术领域具有通常知识者应当知道，主动式降噪耳机亦可以用有线耳机作为实施例，本发明亦不以此为限。
图4绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。请参考图4，此声音播放***包括一适应性主动噪声消除装置41、一外部噪声接收麦克风411与一误差麦克风412。适应性主动噪声消除装置41包括一自动噪声整形电路413、一适应性主动噪声滤波单元414、一第一传输通道模拟单元415以及一参数调整单元416。在此实施例中，是以前馈式主动降噪音耳机作为举例。
需注意的是，声音播放***涉及声学领域(acoustic domain)内以及电学领域。举例来说，在图示中所标示的符号d(n)及y(n)代表在声学领域内的声信号，其余符号则代表在电学领域内的电信号。但为了简化分析，在下文中，如无必要，不再区分是电信号或是声信号。
声音通道响应示意区块42可称为主路径(primary path)，用以代表一参考麦克风(以图4实施例来说，参考麦克风即为外部噪声接收麦克风411)至误差麦克风412间的传输，由此分析声信号在经过所述传输后的转换，其中以转移函数P(z)来代表所述传输的模拟结果。理想上，基于参考麦克风411接收的声信号及误差麦克风412接收的声信号来评估转移函数P(z)。但实务上，不太可能取得声信号，因而以相关的电信号来取代声信号进行分析以得到转移函数P(z)。在一些可能的实施方式中，将适应性主动噪声消除装置41禁能，并基于经由参考麦克风411取得的信号x(n)及基于经由误差麦克风412取得的信号e(n)来评估转移函数P(z)，其中因适应性主动噪声消除装置41禁能，没有产生信号y(n)。故，信号e(n)实质上相同于信号d(n)。
传输通道40可称为第二路径(secondary path)，用以代表适应性主动噪声滤波单元414至误差麦克风412的传输，由此分析适应性主动噪声滤波单元414输出的电信号在经过所述传输后的转换，其中以通道转移函数S(z)来代表所述传输的模拟结果。在一些可能的实施方式中，将外部噪音源移除，并基于适应性主动噪声滤波单元414输出的信号y'(n)及基于经由误差麦克风412取得的信号e(n)来评估转移函数S(z)，其中因无外部噪音源，不存在环境噪音d(n)。故，信号e(n)实质上相同于信号y(n)。
外部噪声接收麦克风411接收一外部声音噪声(例如，环境噪音)，并将外部声音噪声转为数字的干扰信号x(n)。适应性主动噪声滤波单元414接收干扰信号x(n)，并基于干扰信号x(n)输出反相噪音信号y'(n)。
误差麦克风412接收耳道中的环境噪音d(n)以及反相噪音声音信号y(n)，并据以转换出数字的一误差信号e(n)，其中外部声音噪声经由声音通道响应示意区块42转换为环境噪音d(n)。由于环境噪音d(n)以及反相噪音声音信号y(n)皆例如是为模拟的声音信号，在声学领域(acoustic domain)，上述环境噪音d(n)以及反相噪音声音信号y(n)在耳道中互相干涉，为了方便说明，在图式中，额外绘示了一个加法器符号43。所属技术领域具有通常知识者应当知道，此个加法器符号43并非一个实体元件，仅用来表示两个模拟声音的干涉现象。
适应性主动噪声滤波单元414用以基于干扰信号x(n)及误差信号e(n)产生反相噪音信号y'(n)，反相噪音信号y'(n)经过传输通道40转换为反相噪音声音信号y(n)。在一些实施例中，适应性主动噪声滤波单元414包括有限脉冲响应(finite impulse response，FIR)滤波器。详细来说，在本发明实施例中，适应性主动噪声滤波单元414例如是通过学习(adapt)与演算法，在迭代过程中调整系数的适应性滤波器(adaptive filter)。在理想的情况下，声音信号在互相干涉后，反相噪音声音信号y(n)能够完全消除环境噪音d(n)，使误差信号e(n)趋近于零。但是，在实际消除噪音时，由于不同的滤波器的设计与不同的滤波系数演算法，使得特定频带的噪音不易消除(尤其是人耳较为敏感的低频噪音)。同时，在真实环境中，由于外部声音噪声不断地变动，造成噪音消除的实际效果也会不断变动，让使用者听到忽大忽小的噪音。
据此，理想上，一种可能的方式是针对外部声音噪声进行整形，来降低环境噪音变动的程度，使得降噪滤波器基于麦克风所提供的低变动的噪声能够产生有效地反相噪音信号。但实务上，对空气中传播的外部声音噪声进行整形是难以实现的。一种替代的方式是对外部噪声接收麦克风411产生的干扰信号x(n)及误差麦克风412产生的误差信号e(n)进行整形。
此外，由于外部声音噪声随时会变动，因此需要动态地调整整形的方式。由于环境噪音d(n)是源自于外部声音噪声，因此能通过分析环境噪音d(n)来辨识出外部声音噪声变动的程度。
本发明的自动噪声整形电路413基于上述理由来设计，因而能有效地抑制环境噪音d(n)，且又能够抑制人耳较为敏感的特定频率(一般是低频)，详细说明如下。
自动噪声整形电路413在此实施例中，包括一第二传输通道模拟单元417、一第一加法电路418、一整形滤波参数产生单元419、一第一整形滤波器420、一第二加法电路421以及一第二整形滤波器422。在一些实施例中，自动噪声整形电路413能以数字信号处理器(digital signal processor，DSP)来实现。
承如上述，自动噪声整形电路413用以对外部噪声接收麦克风411产生的干扰信号x(n)及误差麦克风412产生的误差信号e(n)进行整形，并将整形后的信号提供给参数调整单元416，进而使参数调整单元416所接收到的输入信号能够保有目前环境噪声的特性，又能调整输入信号的频带分布能量。因此，适应性主动噪声滤波单元414所产生的反相噪音信号y'(n)能有效地抑制环境噪音d(n)，且又能够抑制人耳较为敏感的特定频率(一般是低频)。
因此，在此实施例中，利用第一整形滤波器420对干扰信号x(n)进行整形并产生整形干扰信号x'(n)，并且，利用第二整形滤波器422对可视为是误差信号e(n)的还原误差信号
Figure BDA0003216276640000081
进行整形并产生整形误差信号
Figure BDA0003216276640000082
第一整形滤波器420以及第二整形滤波器422例如为数字滤波器(或等化器)，此两整形滤波器420及422的整形滤波参数是由一整形滤波参数产生单元419所产生。其中，第一整形滤波器420接收第一整形滤波参数。第二整形滤波器422接收第二整形滤波参数。
为了产生有效的整形滤波参数，整形滤波参数产生单元419用以分析环境噪音d(n)，由此辨识出外部声音噪声变动的程度。由图4的电路方块图可知，误差麦克风412所接收到的并非是环境噪音d(n)而是上述误差信号e(n)。误差信号e(n)为环境噪音d(n)以及反相噪音声音信号y(n)互相干涉后的合成信号。故在本实施例中，为了使整形滤波参数产生单元419能够得到被声音通道响应示意区块42影响后的环境噪音d(n)，将误差麦克风412所接收到的误差信号e(n)扣除反相噪音声音信号y(n)，以还原出环境噪音d(n)。
为此，自动噪声整形电路413还包括第二传输通道模拟单元417。第二传输通道模拟单元417用以在电领域中模拟传输通道40的通道转移函数S(z)，并据以将反相噪音信号y'(n)转换成实质上相同于反相噪音声音信号y(n)的模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000091
误差信号e(n)扣除模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000092
后，可还原出环境噪音d(n)。此模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000093
类似于反相噪音声音信号y(n)所对应的电信号。差别在于，反相噪音声音信号y(n)属于声学领域，而模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000094
则是属于电领域。故在此第二传输通道模拟单元417的通道转移函数标示为
Figure BDA0003216276640000095
以区隔声学通道转移函数S(z)与电学的模拟通道转移函数
Figure BDA0003216276640000096
之后，通过第一加法电路418，接收模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000097
以及误差信号e(n)，以将误差信号e(n)扣除模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000098
而产生一还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000099
此还原环境噪音信号
Figure BDA00032162766400000910
可以视为和环境噪音d(n)相同的信号。同样地，环境噪音d(n)属于声音领域，而还原环境噪音信号
Figure BDA00032162766400000911
则是属于电领域。整形滤波参数产生单元419接收还原环境噪音信号
Figure BDA00032162766400000912
并且，根据内部存储的预设噪声形态以及还原环境噪音信号
Figure BDA00032162766400000913
产生第一整形滤波参数给上述第一整形滤波器420以及产生第二整形滤波参数给第二整形滤波器422。
另外，第二加法电路421接收模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000101
以及还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000102
产生一还原误差信号
Figure BDA0003216276640000103
同样地，还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000104
是由误差信号e(n)扣除模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000105
以获得，故，本实施例将还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000106
加上模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000107
便可以还原并得到近似于原本的误差信号e(n)。在此为了做出区隔，还原误差信号例如以
Figure BDA0003216276640000108
作为表示。第二整形滤波器422则接收上述还原误差信号
Figure BDA0003216276640000109
并将此还原误差信号
Figure BDA00032162766400001010
进行整形，以获得整形误差信号
Figure BDA00032162766400001011
并输入给参数调整单元416。
另一方面，外部噪声接收麦克风411所输出的干扰信号x(n)，也将经过第一整形滤波器420的滤波处理。在本实施例中，适应性主动噪声消除装置41采用滤波后的X的最小均方(filtered-X least mean square，FxLMS)演算法。在其他实施例中，适应性主动噪声消除装置41可采用其他演算法。根据FxLMS演算法，第一整形滤波器420所输出的整形干扰信号x'(n)同样地需要经过第一传输通道模拟单元415。第一传输通道模拟单元415同样是用以在电领域中，模拟传输通道40的通道转移函数S(z)，将整形干扰信号x'(n)转换成模拟整形干扰信号
Figure BDA00032162766400001012
需注意的是，根据线性***的数学原理，第一传输通道模拟单元415及第一整形滤波器420在电路架构的位置上是可互换的。
由此，参数调整单元416便可以根据整形误差信号
Figure BDA00032162766400001013
以及模拟整形干扰信号
Figure BDA00032162766400001014
利用例如最小均方法(least mean square，LSM)运算，获得适应性主动噪声滤波单元414的滤波参数W(z)，并持续地根据整形误差信号
Figure BDA00032162766400001015
以及模拟整形干扰信号
Figure BDA00032162766400001016
调整所输出的参数W(z)，使上述误差信号e(n)达到最小化。
图5绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。请同时参考图4以及图5，在图4的实施例中，第二整形滤波器422是接收还原误差信号
Figure BDA00032162766400001017
而在图5的实施例中，第二整形滤波器422则改为直接接收原始的误差信号e(n)。第二整形滤波器422基于误差信号e(n)输出的整形误差信号其数学例如表示为e'(n)。整形滤波参数产生单元419仍然接收还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000111
所属技术领域具有通常知识者可以通过图4的实施例以及其对应的说明理解到，两实施例无论是数学上或是电路作用上，皆为等效。故在此不予赘述。此实施例相对于图4的实施例，更可以节省了一个加法器421。故电路更加简化，成本也相对较低。
图6绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。请同时参考图4以及图6，同样的道理，第二整形滤波器422在图4中原本是接收还原误差信号
Figure BDA00032162766400001110
在图6的实施例中，第二整形滤波器422例如修改为直接接收还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000112
并基于还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000113
产生一整形还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000114
另外，模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000115
也通过额外新增的第三整形滤波器601整形成一整形模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000116
其中，整形滤波参数产生单元419同样地产生第三整形滤波参数给第三整形滤波器601。再者，加法器421则是将整形还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000117
以及整形模拟反相噪音信号
Figure BDA0003216276640000118
相加，获得整形误差信号
Figure BDA0003216276640000119
所属技术领域具有通常知识者可以通过图4的实施例以及其对应的说明理解到，两实施例无论是数学上或是电路作用上，皆为等效。故在此不予赘述。
图7绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。请同时参考图4以及图7，此实施例与图4的实施例最大的不同点在于，图7的实施例的声音播放***为一反馈式主动降噪耳机。反馈式主动降噪耳机的特点在于，没有外部噪声接收麦克风411，仅有耳道中的误差麦克风412。故相较图4的实施例，此实施例的误差麦克风412产生的误差信号e(n)需要被自动噪声整形电路413整形。而在图4实施例中，则是外部噪声接收麦克风411产生的干扰信号x(n)及误差麦克风412产生的误差信号e(n)均需被自动噪声整形电路413整形。
在本发明实施例中，由于适应性主动噪声消除装置41例如是采用FxLMS演算法，并且，根据FxLMS的演算法架构，适应性主动噪声消除装置41应以一外部噪声作为输入。故本实施例在没有外部噪声接收麦克风411的情况下，将上述第一加法电路418所输出的还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000121
作为外部噪声。其中，由上述图4的说明可知，还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000122
为类似于环境噪音d(n)所对应的电信号。换句话说，本实施例利用还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000123
来替代图4中的干扰信号x(n)。
相较于图4的实施例的第一整形滤波器420，本实施例中第一整形滤波器420的输入信号以还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000124
为例。相同于图4的架构，第一整形滤波器420将还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000125
整形后，输出一整形还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000126
至第一传输通道模拟单元415，再经由第一传输通道模拟单元415处理后输出给参数调整单元416。由于数学运算和电路皆与图4的实施例类似。所属技术领域具有通常知识者可以通过图4的实施例以及其对应的说明推知本实施例的运作方法，故在此不予赘述。
图8绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。请同时参考图4、图5以及图8，此实施例同样是声音播放***为一反馈式主动降噪耳机做举例，然而，类似于图5，第二整形滤波器422原本接收还原误差信号
Figure BDA00032162766400001215
改为直接接收误差信号e(n)。由于数学运算和电路皆与图4、图5的实施例类似。所属技术领域具有通常知识者可以通过图4、图5的实施例以及其对应的说明推知本实施例的运作方法，故在此不予赘述。
图9绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。请同时参考图4、图6以及图9，此实施例同样是声音播放***为一反馈式主动降噪耳机做举例，然而，类似于图6，图9的第二整形滤波器422原本接收还原误差信号
Figure BDA00032162766400001216
本实施例的第二整形滤波器422改为直接接收还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000127
并基于还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000128
产生整形还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000129
另外，模拟反相噪音信号
Figure BDA00032162766400001210
也通过额外新增的第三整形滤波器901整形成一整形模拟反相噪音信号
Figure BDA00032162766400001211
再者，加法器421则是将整形还原环境噪音信号
Figure BDA00032162766400001212
以及整形模拟反相噪音信号
Figure BDA00032162766400001213
相加，获得整形误差信号
Figure BDA00032162766400001214
由于数学运算和电路皆与图4、图6的实施例类似。所属技术领域具有通常知识者可以通过图4、图6的实施例以及其对应的说明推知本实施例的运作方法，故在此不予赘述。
图10绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。请同时参考图4、图7以及图10，在此实施例中，声音播放***为一复合式(hybrid)主动降噪耳机做举例，换句话说，此适应性主动噪声消除装置包含了前馈式噪声消除电路1001以及反馈式主动噪声消除电路1002(图示中以虚线区隔)。相较于图4的实施例的第一整形滤波器420，本实施例中第一整形滤波器420的输入信号以还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000131
为例，用以将还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000132
整形为整形还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000133
前馈式噪声消除电路1001的操作部分类似于图4及其说明，反馈式主动噪声消除电路1002的操作部分类似于图7及其说明。
其中，前馈式噪声消除电路1001至少包括一前馈式适应性主动噪声滤波单元1004(图式中的滤波系数表示为WFF(z))、第三整形滤波器1006、第三传输通道模拟单元1010、第二参数调整单元1020。在前馈式噪声消除电路1001的操作中，针对干扰信号x(n)的信号处理原理与图4相同，第三整形滤波器1006用以将干扰信号x(n)整形为整形干扰信号x'(n)，并提供给第三传输通道模拟单元1010。第三传输通道模拟单元1010再基于模拟传输通道40的通道转移函数S(z)，将整形干扰信号x'(n)转换成模拟整形干扰信号
Figure BDA0003216276640000134
并提供给第二参数调整单元1020。另一方面，第二参数调整单元1020所接收的整形误差信号
Figure BDA0003216276640000135
则例如是由反馈式主动噪声消除电路1002中的第二整形滤波器422所提供，并且，在本实施例中，关于误差信号e(n)转换为整形误差信号
Figure BDA0003216276640000136
的信号处理原理与图4相同，故在此不再详加赘述。
另外，在图10中，包括一个加法器1003，用以将前馈式适应性主动噪声滤波单元1004所输出的反相噪音信号y1'(n)以及反馈式适应性主动噪声滤波单元1005所输出的反相噪音信号y2'(n)进行迭加后，输出给传输通道40。
在此实施例中，由于前馈式主动噪声消除电路1001以及反馈式主动噪声消除电路1002皆为适应性的噪声消除电路，故在此实施例中，仍需要将干扰信号x(n)以及误差信号e(n)通过整形滤波器(例如整形滤波器420、422及1006)进行整形滤波处理，并分别进行适应性演算法的运算，以分别获得前馈式适应性主动噪声滤波单元1004的滤波系数WFF(z)以及反馈式适应性主动噪声滤波单元1005的滤波系数WFB(z)。在本发明实施例中，滤波系数例如是使用最小均方法(LMS)的迭代运算得到，然本发明不限于此。
图11绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。请同时参考图7、图10以及图11，在此实施例中，声音播放***同样以一复合式(hybrid)主动降噪耳机做举例，然而，此复合式(hybrid)主动降噪耳机仅有反馈式主动噪声消除电路1102采用适应性主动噪声消除，而前馈式降噪电路1101部分则是采用静态(static)噪声消除。由于采用静态噪声消除，相较于图10的前馈式主动噪声消除电路1001，第二参数调整单元1020及其相关的功能方块，例如第三传输通道模拟单元1010，在本实施例中已被移除，前馈式降噪电路1101包括静态的一主动噪声滤波单元1105。反馈式主动噪声消除电路1102的运作可以参考图4以及图7的实施例。故在此不予赘述。
图12绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的电路方块图。请同时参考图4、图10以及图12，在此实施例中，声音播放***同样以一复合式(hybrid)主动降噪耳机做举例，然而，此复合式(hybrid)主动降噪耳机仅有前馈式主动噪声消除电路1201采用适应性噪声消除，而反馈式降噪电路1202部分则是采用静态(static)主动噪声消除。反馈式降噪电路1202的运作可以参考图7的实施例。故在此不予赘述。较为特别的是，反馈式降噪电路1202的反馈式噪声滤波单元1203所接收的干扰信号为误差信号e(n)，而非还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000141
图13绘示为本发明一较佳实施例的声音播放***的整形滤波参数产生单元419的电路方块图。请参考图13，在此实施例中，整形滤波参数产生单元419包括一频率分析电路1301、一噪声形状存储电路1302以及一参数运算电路1303。频率分析电路1301在此实施例是以例如快速傅立叶变换(fast fourier transform，FFT)运算电路实施，由此，将所收到的还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000151
进行时域转频域变换。参数运算电路1303再由噪声形状存储电路1302取得内部存储的理想噪声的频域参数，将还原环境噪音信号
Figure BDA0003216276640000152
的频域参数与理想噪声的频域参数两者相除获得整形滤波参数W(z)。
上述实施例虽然是利用快速傅立叶变换以及除法做举例，然所属技术领域具有通常知识者应当知道，由于两个信号的离散傅立叶转换在频域(frequency domain)做相乘相当于这两个离散信号在时域(time domain)进行卷积运算，故上述这些运算可以用不同的数学方式实施，故本发明不以此为限。
值得一提的是，在上述多个实施例中，整形滤波器的数量都至少有两个以上，并且，为了对所有噪声或干扰信号的整形滤波效果都相同，整形滤波参数产生单元输出给每个整形滤波器的滤波参数可以例如为相同的数据。然本领域具有通常知识者应当可以推知，在实际电路设计应用中，为了配合电路的设计，整形滤波参数产生单元输出给每个整形滤波器的滤波参数也可以是不同的。并且，在实际电路设计应用中，适应性主动噪声消除装置的整形滤波器的数量也可以只有一个，故本发明并未限定整形滤波器的数量与整形滤波器的滤波参数设计。
综上所述，本发明的精神在于将所接收到的误差信号以及干扰信号，根据一理想噪声的形状先进行整形，之后才将整形后的干扰信号与整形后的误差信号送入参数调整单元，以进行适应性参数调整。由此，适应性主动噪声滤波单元除了可以有效地抑制外部噪声与耳道的噪声，借以将误差信号最小化外，还可以针对人耳敏感的特定频率进行抑制。
虽然图4至图13中包含了以上描述的元件，但不排除在不违反发明的精神下，使用更多其他的附加元件，已达成更佳的技术效果。所以，本发明并不局限于仅使用如上所述的顺序。此外，熟***行地执行更多步骤，本发明亦不因此而局限。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (28)

1.一种适应性主动噪声消除装置，适用于声音播放***，所述声音播放***用以根据反相噪音信号，输出反相噪音声音信号，其中，所述声音播放***包含误差麦克风，用以接收环境噪音以及所述反相噪音声音信号，以产生误差信号，其特征在于，所述适应性主动噪声消除装置包含：
自动噪声整形电路，接收所述误差信号，根据预设噪声形态，将干扰信号整形成整形干扰信号以及将所述误差信号整形成整形误差信号，并输出所述整形干扰信号以及所述整形误差信号；
适应性主动噪声滤波单元，接收所述干扰信号，输出用以产生所述反相噪音声音信号的所述反相噪音信号；
第一传输通道模拟单元，接收所述整形干扰信号，用以根据通道转移函数，产生模拟整形干扰信号；以及
参数调整单元，接收所述模拟整形干扰信号以及所述整形误差信号，根据所述模拟整形干扰信号以及所述整形误差信号，并利用适应性演算法，调整所述适应性主动噪声滤波单元的滤波系数。
2.如权利要求1所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，所述自动噪声整形电路包含：
第二传输通道模拟单元，接收所述反相噪音信号，用以根据所述通道转移函数，产生模拟反相噪音信号；
第一加法电路，接收所述模拟反相噪音信号以及所述误差信号，以产生还原环境噪音信号；
整形滤波参数产生单元，接收所述还原环境噪音信号，并且，根据所述预设噪声形态以及所述还原环境噪音信号，产生第一整形滤波参数及第二整形滤波参数；
第一整形滤波器，接收所述第一整形滤波参数以及所述干扰信号，用以产生所述整形干扰信号；
第二加法电路，接收所述模拟反相噪音信号以及所述还原环境噪音信号，以产生还原误差信号；以及
第二整形滤波器，接收所述第二整形滤波参数以及所述还原误差信号，用以产生所述整形误差信号。
3.如权利要求2所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，当所述声音播放***为反馈式主动降噪耳机时，所述干扰信号为所述还原环境噪音信号。
4.如权利要求2所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，当所述声音播放***为前馈式主动降噪耳机时，所述声音播放***还包含：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为所述干扰信号。
5.如权利要求1所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，所述自动噪声整形电路包含：
第二传输通道模拟单元，接收所述反相噪音信号，用以根据所述通道转移函数，产生模拟反相噪音信号；
第一加法电路，接收所述模拟反相噪音信号以及所述误差信号，以产生还原环境噪音信号；
整形滤波参数产生单元，接收所述还原环境噪音信号，并且，根据所述预设噪声形态以及所述还原环境噪音信号，产生第一整形滤波参数及第二整形滤波参数；
第一整形滤波器，接收所述第一整形滤波参数以及所述干扰信号，用以产生所述整形干扰信号；以及
第二整形滤波器，接收所述第二整形滤波参数以及所述误差信号，用以产生所述整形误差信号。
6.如权利要求5所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，当所述声音播放***为反馈式主动降噪耳机时，所述干扰信号为所述还原环境噪音信号。
7.如权利要求5所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，当所述声音播放***为前馈式主动降噪耳机时，所述声音播放***还包含：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为所述干扰信号。
8.如权利要求1所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，所述自动噪声整形电路包含：
第二传输通道模拟单元，接收所述反相噪音信号，用以根据所述通道转移函数，产生模拟反相噪音信号；
第一加法电路，接收所述模拟反相噪音信号以及所述误差信号，以产生还原环境噪音信号；
整形滤波参数产生单元，接收所述还原环境噪音信号，并且，根据所述预设噪声形态以及所述还原环境噪音信号，产生第一整形滤波参数、第二整形滤波参数及第三整形滤波参数；
第一整形滤波器，接收所述第一整形滤波参数以及所述干扰信号，用以产生所述整形干扰信号；
第二整形滤波器，接收所述第二整形滤波参数以及所述还原环境噪音信号，用以产生整形还原环境噪音信号；
第三整形滤波器，接收所述第三整形滤波参数以及所述模拟反相噪音信号，用以产生整形模拟反相噪音信号；以及
第二加法电路，接收所述整形模拟反相噪音信号以及所述整形还原环境噪音信号，以产生所述整形误差信号。
9.如权利要求8所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，当所述声音播放***为反馈式主动降噪耳机时，所述干扰信号为所述还原环境噪音信号。
10.如权利要求8所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，当所述声音播放***为前馈式主动降噪耳机时，所述声音播放***还包含：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为所述干扰信号。
11.如权利要求1所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，所述声音播放***为复合式主动降噪耳机，其中，所述干扰信号为还原环境噪音信号，且所述声音播放***包含：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为第二干扰信号；其中，所述适应性主动噪声消除装置还包含：
主动噪声滤波单元，接收所述第二干扰信号，输出用以产生所述反相噪音声音信号的第二反相噪音信号；
第三加法电路，用以接收所述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号，以将上述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号进行迭加，
其中所述声音播放***依据所述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号，输出反相噪音声音信号。
12.如权利要求11所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，所述主动噪声滤波单元为前馈式适应性主动噪声滤波单元，所述自动噪声整形电路还用以根据所述预设噪声形态，将所述第二干扰信号整形成第二整形干扰信号，其中，所述适应性主动噪声消除装置还包含：
第三传输通道模拟单元，接收所述第二整形干扰信号，用以根据所述通道转移函数，产生第二模拟整形干扰信号；以及
第二参数调整单元，接收所述第二模拟整形干扰信号以及所述整形误差信号，根据所述第二模拟整形干扰信号以及所述整形误差信号，动态调整所述前馈式适应性主动噪声滤波单元的滤波系数，借以将所述误差信号最小化。
13.如权利要求1所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，所述声音播放***为复合式主动降噪耳机，且所述声音播放***还包含：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为所述干扰信号；
其中，所述适应性主动噪声消除装置还包含：
反馈式噪声滤波单元，接收所述误差信号，输出用以产生所述反相噪音声音信号的第二反相噪音信号，
第三加法电路，用以接收所述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号，以将上述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号进行迭加，
其中所述声音播放***依据所述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号，输出反相噪音声音信号。
14.如权利要求1所述的适应性主动噪声消除装置，其特征在于，所述自动噪声整形电路至少包含整形滤波参数产生单元，且所述整形滤波参数产生单元包含：
频率分析电路，接收还原环境噪音信号，并对所述还原环境噪音信号进行频率分析演算法，以得到所述还原环境噪音信号对应的频率能量分布；
噪声形状存储电路，存储理想噪声对应的频率能量分布；以及
参数运算电路，依据所述理想噪声对应的频率能量分布，计算所述还原环境噪音信号对应的频率能量分布与所述理想噪声对应的频率能量分布的比例，以得到整形滤波参数。
15.一种声音播放***，根据反相噪音信号，输出反相噪音声音信号，其特征在于，所述声音播放***包含：
误差麦克风，接收环境噪音以及所述反相噪音声音信号，以产生误差信号；以及
适应性主动噪声消除装置，包含：
自动噪声整形电路，接收所述误差信号，根据预设噪声形态，将干扰信号整形成整形干扰信号以及将所述误差信号整形成整形误差信号，并输出所述整形干扰信号以及所述整形误差信号；
适应性主动噪声滤波单元，接收所述干扰信号，输出用以产生所述反相噪音声音信号的所述反相噪音信号；
第一传输通道模拟单元，接收所述整形干扰信号，用以根据通道转移函数，产生模拟整形干扰信号；以及
参数调整单元，接收所述模拟整形干扰信号以及所述整形误差信号，根据所述模拟整形干扰信号以及所述整形误差信号，并利用适应性演算法，调整所述适应性主动噪声滤波单元的滤波系数。
16.如权利要求15所述的声音播放***，其特征在于，所述自动噪声整形电路包含：
第二传输通道模拟单元，接收所述反相噪音信号，用以根据所述通道转移函数，产生模拟反相噪音信号；
第一加法电路，接收所述模拟反相噪音信号以及所述误差信号，以产生还原环境噪音信号；
整形滤波参数产生单元，接收所述还原环境噪音信号，并且，根据所述预设噪声形态以及所述还原环境噪音信号，产生第一整形滤波参数及第二整形滤波参数；
第一整形滤波器，接收所述第一整形滤波参数以及所述干扰信号，用以产生所述整形干扰信号；
第二加法电路，接收所述模拟反相噪音信号以及所述还原环境噪音信号，以产生还原误差信号；以及
第二整形滤波器，接收所述第二整形滤波参数以及所述还原误差信号，用以产生所述整形误差信号。
17.如权利要求16所述的声音播放***，其特征在于，当所述声音播放***为反馈式主动降噪耳机时，所述干扰信号为所述还原环境噪音信号。
18.如权利要求16所述的声音播放***，其特征在于，当所述声音播放***为前馈式主动降噪耳机时，所述声音播放***还包含：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为所述干扰信号。
19.如权利要求15所述的声音播放***，其特征在于，所述自动噪声整形电路包含：
第二传输通道模拟单元，接收所述反相噪音信号，用以根据所述通道转移函数，产生模拟反相噪音信号；
第一加法电路，接收所述模拟反相噪音信号以及所述误差信号，以产生还原环境噪音信号；
整形滤波参数产生单元，接收所述还原环境噪音信号，并且，根据所述预设噪声形态以及所述还原环境噪音信号，产生第一整形滤波参数及第二整形滤波参数；
第一整形滤波器，接收所述第一整形滤波参数以及所述干扰信号，用以产生所述整形干扰信号；以及
第二整形滤波器，接收所述第二整形滤波参数以及所述误差信号，用以产生所述整形误差信号。
20.如权利要求19所述的声音播放***，其特征在于，当所述声音播放***为反馈式主动降噪耳机时，所述干扰信号为所述还原环境噪音信号。
21.如权利要求19所述的声音播放***，其特征在于，当所述声音播放***为前馈式主动降噪耳机时，所述声音播放***还包含：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为所述干扰信号。
22.如权利要求15所述的声音播放***，其特征在于，所述自动噪声整形电路包含：
第二传输通道模拟单元，接收所述反相噪音信号，用以根据所述通道转移函数，产生模拟反相噪音信号；
第一加法电路，接收所述模拟反相噪音信号以及所述误差信号，以产生还原环境噪音信号；
整形滤波参数产生单元，接收所述还原环境噪音信号，并且，根据所述预设噪声形态以及所述还原环境噪音信号，产生第一整形滤波参数、第二整形滤波参数及第三整形滤波参数；
第一整形滤波器，接收所述第一整形滤波参数以及所述干扰信号，用以产生所述整形干扰信号；
第二整形滤波器，接收所述第二整形滤波参数以及所述还原环境噪音信号，用以产生整形还原环境噪音信号；
第三整形滤波器，接收所述第三整形滤波参数以及所述模拟反相噪音信号，用以产生整形模拟反相噪音信号；以及
第二加法电路，接收所述整形模拟反相噪音信号以及所述整形还原环境噪音信号，以产生所述整形误差信号。
23.如权利要求22所述的声音播放***，其特征在于，当所述声音播放***为反馈式主动降噪耳机时，所述干扰信号为所述还原环境噪音信号。
24.如权利要求22所述的声音播放***，其特征在于，当所述声音播放***为前馈式主动降噪耳机时，所述声音播放***还包含：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为所述干扰信号。
25.如权利要求15所述的声音播放***，其特征在于，所述声音播放***为复合式主动降噪耳机，其中，所述干扰信号为还原环境噪音信号，且所述声音播放***包括：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为第二干扰信号；其中，所述适应性主动噪声消除装置还包含：
主动噪声滤波单元，接收第二干扰信号，输出用以产生所述反相噪音声音信号的第二反相噪音信号；
第三加法电路，用以接收所述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号，以将上述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号进行迭加，
其中所述声音播放***依据所述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号，输出反相噪音声音信号。
26.如权利要求25所述的声音播放***，其特征在于，所述主动噪声滤波单元为前馈式适应性主动噪声滤波单元，所述自动噪声整形电路还用以根据所述预设噪声形态，将所述第二干扰信号整形成第二整形干扰信号，其中，所述适应性主动噪声消除装置还包含：
第三传输通道模拟单元，接收所述第二整形干扰信号，用以根据所述通道转移函数，产生第二模拟整形干扰信号；以及
第二参数调整单元，接收所述第二模拟整形干扰信号以及所述整形误差信号，根据所述第二模拟整形干扰信号以及所述整形误差信号，动态调整所述前馈式适应性主动噪声滤波单元的滤波系数，借以将所述误差信号最小化。
27.如权利要求15所述的声音播放***，其特征在于，所述声音播放***为复合式主动降噪耳机，且所述声音播放***还包含：
外部噪声接收麦克风，用以接收外部声音噪声，并转换为所述干扰信号；
其中，所述适应性主动噪声消除装置还包含：
反馈式噪声滤波单元，接收所述误差信号，输出用以产生所述反相噪音声音信号的第二反相噪音信号，
第三加法电路，用以接收所述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号，以将上述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号进行迭加，
其中所述声音播放***依据所述反相噪音信号以及所述第二反相噪音信号，输出反相噪音声音信号。
28.如权利要求15所述的声音播放***，其特征在于，所述自动噪声整形电路至少包含整形滤波参数产生单元，且所述整形滤波参数产生单元包含：
频率分析电路，接收还原环境噪音信号，并对所述还原环境噪音信号进行频率分析演算法，以得到所述还原环境噪音信号对应的频率能量分布；
噪声形状存储电路，存储理想噪声对应的频率能量分布；以及
参数运算电路，依据所述理想噪声对应的频率能量分布，计算所述还原环境噪音信号对应的频率能量分布与所述理想噪声对应的频率能量分布的比例，以得到整形滤波参数。
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