专利名称：便携式音频设备中的有源噪声抵消判定的制作方法
技术领域：
本发明的一种实施方式涉及在诸如移动电话的便携式音频设备中有源噪声抵消(ANC)过程或者电路的激活与去激活。还描述了其它实施方式。
背景技术：
移动电话使它们的用户能 够在许多不同的声学环境中进行交谈，有些环境相对安静，而有些相当吵杂。用户可能处于特别恶劣的声学环境中，即，具有高背景或环境噪声等级，诸如在繁忙的街道上或者在机场或火车站附近。为了改善远端用户语音对处于恶劣声学环境(即，其中环境噪声或者移动电话周围不期望的声音特别高的环境)中的近端用户的可懂度，一种称为有源噪声抵消(ANC)的音频信号处理技术可以在移动电话中实现。利用ANC，通过产生被设计成抵消背景声音的抗噪声信号并用这种抗噪声信号驱动耳机扬声器，减小了近端用户通过贴近的耳朵或戴耳机扬声器的耳朵可以听到的背景声音。这种环境噪声降低系统可以基于两种不同原理中的任意ー种，即，“反馈”方法和“前馈”方法。在反馈方法中，小的麦克风放到在用户的耳朵与耳机外壳内侧之间形成的腔体内。这个麦克风用于拾取泄漏到该腔体中的背景声音。来自该麦克风的输出信号经可以包括模拟放大器与数字滤波器的负反馈回路耦合返回到耳机扬声器。这形成了一种伺服系统，其中耳机扬声器被驱动，从而尝试在拾取麦克风处造成空声压等级。相反，对于前馈方法，拾取麦克风放在耳机外壳的外面，以便直接检测环境噪声。检测到的噪声再次被放大而且可以利用模拟和/或数字信号处理部件被反转和以别的方式被过滤，然后馈送到耳机扬声器。这被设计成产生组合的声学输出，不仅包含主要的音频内容信号(在这种情况下是远端用户的下行链路语音)，而且还包含噪声降低信号成分。后者被设计成在耳机扬声器的出ロ处基本上抵消进入的环境噪声。这些ANC技术都是要为处于恶劣噪声环境中的便携式音频设备的用户创造出轻松的聆听体验。
发明内容
在本发明的一种实施方式中，便携式音频设备具有带接收音频信号的输入的耳机扬声器，及拾取从耳机信号发出的声音和在设备外面但可以被设备的用户听到的任何环境或背景噪声的第一麦克风。该设备还包括稱合到耳机扬声器的输入的ANC电路，以便控制环境噪声。计算从耳机扬声器发射的声音中有多少已被环境噪声破坏的估计。然后，控制电路确定这个估计是否指示噪声的破坏不足，在这种情况下它将去激活ANC电路。这将帮助保存便携式设备中的电池寿命，因为在许多情况下，便携式音频设备用户周围的环境并不恶劣，即，是相对安静的，这使得运行ANC不会给用户提供好处。但是，如果所述估计指示噪声导致了足够的破坏(例如，当用户处于恶劣的声学环境中吋)，那么就判定不去激活ANC电路。换句话说，如果所述估计指示环境噪声导致了足够的破坏，就允许ANC电路继续工作。在一种实施方式中，在计算信噪比和随后作出关于是去激活还是激活ANC的阈值判定之前，根据主观的响度加权(loudness weighting)对环境噪声和主要音频信号的估计进行平滑，然后进行平均。主观的响度加权可以被过滤，以使得只考虑预期ANC有效的频率(当确定SNR吋)。例如，在有些情况下，由ANC进行的有效噪声降低可以限定到范围500-1500Hz。而且,关于激活或去激活ANC的判定可以只在把滞后(hysteresis)引入阈值SNR值之后才作出，以防止在阈值附近判定的快速切换。在另ー种实施方式中，确定代表从耳机扬声器发出的声音中可能由ANC引起的音频假象的实际或预期强度的阈值。这种假象是由于ANC电路的运行而造成的，而且有时候称为可以被用户听到的“撕声(hiss)”。如果认为所估计的环境噪声比撕声阈值高，就激活(或者不去激活)ANC，由此允许ANC继续降低不想要的环境声音。另ー方面，如果用户听到比需要抵消的噪声还要多的撕声，那么就去激活ANC电路。这反映了其中ANC电路没有提供足够的用户好处并且因此可以被关掉以便节省电力的情況。根据本发明的另ー种实施方式，利用便携式音频设备执行通话或者播放音频文件
或音频流的方法可以如下进行。为了在通话或回放过程中控制环境噪声，激活设备中的ANC电路。计算对于从设备的耳机扬声器发出的声音中有多少已被环境噪声破坏的估计。然后，确定该估计是否指示噪声的破坏不足，在这种情况下去激活ANC电路。另ー方面，如果所述估计指示噪声导致了足够的破坏，就允许ANC电路继续运行，尝试降低不想要的环境噪声。所述估计可以作为信噪比(SNR)来计算，这可以參考在播放音频文件或音频流时产生的下行链路语音信号或音频信号。在一种实施方式中，可以通过把数字抗噪声滤波器(其输出馈送到耳机扬声器)的抽头系数设置成零来去激活ANC电路，以使得滤波器基本上不输出信号。此外，去激活ANC电路同时还可以包括禁用通常更新那些抽头系数的自适应滤波器控制器，以使得所述抽头系数不再被更新。在ー种备选实施方式中，可以通过禁用所述自适应滤波器控制器来去激活ANC电路，以使得抗噪声滤波器的抽头系数不再被更新(例如，冻结所述自适应滤波器，以使得尽管抗噪声滤波器输出了ー些信号，但后者不变而且控制器不再对其计算任何更新)。在利用便携式音频设备执行通话或者播放音频文件或音频流的方法的再ー种实施方式中，在确定从耳机扬声器发射的声音有由于存在环境噪声而造成的足够破坏之前，在通话或回放的过程中不激活ANC电路。其后，再次计算对于从耳机扬声器发出的声音(在通话或回放的过程中)中有多少被破坏的估计，并且如果环境噪声的破坏不足，就去激活ANC电路。以上概述不包括本发明所有方面的详尽列表。预期本发明包括可以根据以上概述的各方面及以下具体实施方式
中所公开并在与本申请一起提交的权利要求中特别指出的那些的所有合适组合实践的所有系统与方法。这种组合具有未在以上概述中具体陈述的特定优点。
本发明的实施方式是作为例子而不是作为限制在附图中说明的，其中相同的标号指示类似的元件。应当注意，本公开内容中对本发明“ー个”或“一种”实施方式的提及不一定指同一个实施方式，而是意味着至少ー个。
图I绘出了由用户在恶劣声学环境中所使用的移动通信设备。图2是基于对信号和噪声的估计在音频设备中作出ANC判定的系统的框图。图3是控制过程或电路基于信号和噪声估计作出是激活还是去激活ANC的判定的算法的框图。图4是针对句子和单音节词的可懂度对SNR的图表。图5是基于信号和噪声估计的前馈ANC和ANC判定控制的框图。图6是基于信号和噪声估计的反馈ANC和ANC判定控制的框图。图7绘出了用于作出ANC判定的算法或过程。 图8绘出了基于计算环境噪声的强度并将其与撕声阈值作比较来作出ANC判定的另ー种算法。
具体实施例方式现在将參考附图解释本发明的几种实施方式。尽管阐述了很多细节，但是应当理解，本发明的有些实施方式可以没有这些细节地被实践。在其它情况下，众所周知的电路、结构和技术没有具体示出，从而不模糊对本描述的理解。图I绘出了处于恶劣声学环境中的近端用户所使用的便携式音频设备2，在这里是移动通信设备。在与远端用户进行交谈的时候，近端用户把便携式音频设备2，尤其是耳机扬声器6，贴近他的耳朵。交谈一般是在该近端用户的便携式音频设备2与远端用户的音频设备4之间的在称为“通话”的过程中发生的。在这种情况下，通话或通信连接或信道包括无线片段，其中基站5利用例如蜂窝电话协议与近端用户的设备2通信。但是，总的来说，在这里描述的ANC判定机制可以应用到其它类型的手持式、电池供电的音频设备，包括使用任何已知类型的网络3的便携式音频通信设备，所述网络3包括无线/蜂窝网络和无线/局域网络，结合普通老式电话系统(POTS)、公共电话交换网络(PSTN)，和或许还有高速互联网连接之上的一个或多个片段(例如，使用互联网协议上的语音)。在通话过程中，近端用户将听到他周围的ー些环境噪声，该环境噪声可能泄漏到在用户的耳朵与耳机扬声器6位于其后面的外壳或外罩之间形成的腔体中。在这种单耳布置中，近端用户会在他的左耳中听到远端用户的语音，但还会听到ー些泄漏到其左耳附近的腔体中的环境噪声。该近端用户的右耳完全暴露给了环境噪声。如以上所解释的，运行在音频设备2中的有源噪声抵消(ANC)机制可以减少进入用户左耳并将破坏主要音频内容一在这个例子中是远端用户的语音——的不想要的声音。但是，在有些情况下，ANC对语音的可懂度只有很小的改善，尤其是在用户耳朵处的信噪比(SNR)大于某个阈值的时候(如下面所讨论的)。而且，ANC引起在相对安静的环境中可以被用户听到的可听见的假象(artifact)。当确定ANC对用户没有实质性好处的时候,本发明的各种实施方式以ー种帮助减少这种可听见的假象的存在和节省电力的方式作出ANC激活和去激活的判定。现在转向图2，示出了基于对信号和噪声的估计在音频设备中作出ANC判定的系统的框图。ANC块10 (也称为ANC电路10)生成抗噪声信号，an (k)，在被馈送到耳机扬声器6的输入之前，该信号an (k)与期望的音频信号被混合器12结合到一起。这可以是完全传统的反馈或前馈ANC机制。根据本发明的实施方式，基于计算出的或者估计的信号s’ (k)与噪声n’ (k)的值，ANC判定控制块11确定是激活还是去激活ANC块10。由于在本公开内容中所绘出的块对任何音频信号所执行的信号处理操作都是在离散时间域中进行的，因此，对s’ (k)与n’ (k)的提及在这里用于代表离散值的时间序列。更一般地说，有可能以模拟形式(连续的时间域)实现功能单元块中的ー些或全部。但是，相信数字域是更灵活的而且更适于在调制解调器、消费者电子音频设备——诸如智能电话、数字媒体播放器——及台式和笔记本个人电脑中实现。信号估计与噪声估计是由噪声测量电路9计算的，该电路9包括误差麦克风8，误差麦克风8以既拾取(a)从耳机扬声器6发出的声音又拾取(b)泄漏到位于耳机扬声器6前面的手机外罩或外壳(未示出)与用户耳朵之间的腔体或区域中的环境噪声的方式定位和定向。误差麦克风8可以嵌入在蜂窝手机的外罩中,在该外罩中还集成了耳机扬声器6,对准由用户的耳朵和手机正面耳机区域形成的腔体，即，靠近耳机扬声器但远离用于拾取近端用户语音的主要或讲话麦克风(未示出)。耳机扬声器6与误差麦克风8的这种组合与相对用户耳朵形成的声学腔体一起被称为受ANC电路10控制的系统或设施(plant);这种 系统或设施的频率响应标记为F。数字滤波器对这种系统或设施F进行建模，而且被描述为具有频率响应F’，其一个实例在噪声测量电路9中作为第一滤波器13出现，如图所示。由麦克风拾取的信号被馈送到差分単元18，该差分単元18的另ー个输入接收来自第一滤波器13的输出的信号。这允许差分単元18的输出提供环境噪声n’ (k)的估计，而第二滤波器17 (F’的第二个实例)的输出提供主要的或者期望的音频信号s’(k)(在这里是下行链路语音信号)的估计。估计出的信号S，(k)和n’ (k)被输入到ANC判定控制电路11，然后，电路11可以确定对于从耳机扬声器6发出的声音中有多少被环境噪声破坏的估计(例如，SNR)o SNR可以在其中ANC有效的主要可听见频率范围内计算，例如，在300-500HZ之间的低端，高达1.5-2kHz的高端。信号与噪声等级可以作为ANC有效频率范围内及序列s’ (k)和n’ (k)的有限时间间隔或帧中的信号能量来计算。如果指示噪声的破坏不足(或者说SNR大于预定阈值)，就去激活ANC电路10，这与相信在这种情况下ANC不会给近端用户带来好处一致。可替换地，ANC判定控制11可以确定其计算出的估计指示噪声导致了足够的破坏(或者说SNR小于预定阈值)。在那种情况下，ANC电路10不应当被去激活(这与预期在这时候ANC会通过提高远端用户语音的可懂度而给近端用户带来好处一致)。在本发明的再一种实施方式中，随后ANC判定控制11实际激活ANC电路10。仍然參考图2，在其中耳机扬声器6是移动或无线电话手机(例如，蜂窝电话、具有基于无线局域网的互联网电话能力的智能电话及基于卫星的移动电话)的集成“接收器”的实施方式中，依赖于用户如何及是否把手机的耳机区域贴近其耳朵，设施F充分变化，例如多达40分贝。在那种情况下，用于传递函数F’的固定模型(出现在滤波器13和17中)可能无法正确地确定信号与噪声估计s’ (k)和n’(k)。相应地，传递函数F’应当在手机工作过程中(例如，在通话过程中)持续地更新。滤波器13、17可以实现为数字自适应滤波器，其抽头系数通过自适应滤波器控制器16根据任何适当的传统算法，例如，最小均方算法，来修改。自适应滤波器控制器16把(还输入到混合器12的)音频信号和对噪声n’ (k)的估计作为输入，并且使用例如最小均方算法来进行迭代过程，该过程尝试收敛抽头系数，以使得非常少或者没有来自音频信号的内容出现在差分単元21的输出中。换句话说，自适应滤波器控制器16修改(反映在滤波器13、17中的)抽头系数，以使得其传递函数F’将大体上与系统或设施F的传递函数匹配。在实践当中，因为当用户移动手机靠近或离开其耳朵时设施F变化，所以可能需要短的收敛时间来获得这种匹配(例如，大约ー或者两秒)。因此，ANC判定控制块11所作的任何判定都可以根据来自自适应滤波器控制器16的、表示设施F的建模最新或者自适应滤波器算法中有足够收敛的信号来调节。 在实践当中，图2中所绘出的布置可以在音频编码器/解码器集成电路管芯(也称为编解码器芯片)中实现，该管芯可以执行几种其它的音频相关功能，诸如麦克风信号的模数转换、数模转换及模拟预放大。在其它实施方式中，图2的布置可以在适于移动无线通信的数字信号处理编解码器中实现，其中编解码器可以包括诸如下行链路和上行链路语音增强处理的功能，例如，以下中的ー个或多个混合、声学回声消除、噪声抑制、语音信道自动增益控制、压缩与扩展及均衡。图2中所绘出的整个功能性可以在离散的时间域中执行，其中，在输入到耳机扬声器6之前,诸如模拟麦克风的输出的模拟信号已经转换成了数字形式，而且混合器12的输出信号已经转换成了模拟形式；这些众所周知的方面不需要明确地
描述或者在附图中示出。现在转向图3，示出了用于ANC判定控制11(见图2 )的算法，其中计算信噪比(SNR)并与阈值进行比较。图3中所绘出的块可以是数字时间域的处理元件，或者它们也可以是频率域的处理元件。信号与噪声估计s’ (k)和n’ (k)都通过平滑调节器，在这个例子中，平滑调节器包括主观响度加权块12和平均块14。响度加权块12可以是在测量音频系统中的噪声时所使用的典型过滤操作(例如，A-加权，ITU-R 468)。平均块14可以实现典型的均方根或者其它合适的信号平均算法，例如ITU-T G. 160，用以下公式例示
权利要求
1.一种便携式音频设备，包括 耳机扬声器，具有接收音频信号的输入； 有源噪声抵消(ANC)电路，在所述耳机扬声器的所述输入提供抗噪声信号来控制所述便携式音频设备外面的被所述便携式音频设备的用户听到的环境噪声；及 噪声测量电路，具有稱合到第一麦克风的输出的第一输入和稱合成接收所述音频信号与所述抗噪声信号的第二输入，所述第一麦克风拾取(a)从所述耳机扬声器发出的声音和(b)环境噪声；及 控制电路，耦合成从所述噪声测量电路接收所述环境噪声的估计并且响应于确定对于从所述耳机扬声器发出的声音中有多少被所述环境噪声破坏的估计指示噪声的破坏不足而去激活所述ANC电路。
2.如权利要求I所述的便携式音频设备，其中所述ANC电路包括抗噪声滤波器，所述抗噪声滤波器反转其输入处的信号，所述输入被耦合成接收所述环境噪声的估计。
3.如权利要求I所述的便携式音频设备，其中所述ANC电路包括拾取所述环境噪声的第二麦克风，其中所述第一麦克风比所述第二麦克风更靠近所述耳机扬声器放置；和利用由所述第二麦克风拾取的所述环境噪声的表示生成所述抗噪声信号的自适应滤波器。
4.如权利要求I所述的便携式音频设备，其中所述控制电路将參考所述音频信号与所述环境噪声来计算信噪比(SNR)，并且其中所述控制电路将在计算出的SNR高于预定阈值时去激活所述ANC电路。
5.如权利要求3所述的便携式音频设备，其中所述噪声測量电路包括 第一滤波器，对所述耳机扬声器和所述第一麦克风进行建模，其中所述音频信号和所述抗噪声信号将通过所述第一滤波器； 差分単元，具有耦合到所述第一麦克风的输出的第一输入和耦合到所述第一滤波器的输出的第二输入；及 第二滤波器，对所述耳机扬声器和所述第一麦克风进行建模，其中所述音频信号将通过所述第二滤波器。
6.如权利要求5所述的便携式音频设备，其中所述控制电路包括 平滑调节器，平滑来自所述第二滤波器的输出和所述差分単元的输出的信号；及 判定电路，具有分别耦合成接收平滑后的信号的第一输入和第二输入，及指示所述ANC电路是否将被去激活的输出。
7.如权利要求6所述的便携式音频设备，其中所述控制电路将利用所述平滑后的信号计算信噪比(SNR)，并且其中当计算出的SNR高于预定阈值时，所述控制电路将去激活所述ANC电路。
8.如权利要求I所述的便携式音频设备，其中，在远端用户与所述便携式音频设备的近端用户之间的通话过程中，所述ANC电路在被激活时能够增强所述音频信号中所包含的且被所述近端用户通过所述耳机扬声器听到的所述远端用户的语音的可懂度。
9.一种便携式音频设备，包括 耳机扬声器，具有接收音频信号的输入； 有源噪声抵消(ANC)电路，耦合到所述耳机扬声器的所述输入来控制所述便携式音频设备外面的被所述便携式音频设备的用户听到的环境噪声；及控制电路，计算从所述耳机扬声器发出的声音中存在的音频假象的強度， 其中，所述控制电路响应于确定所述音频假象的強度大于所估计的所述环境噪声的等级，去激活所述ANC电路。
10.如权利要求9所述的便携式音频设备，还包括 噪声测量电路，确定所述环境噪声的估计，所述噪声測量电路具有 第一麦克风，拾取(a)从所述耳机扬声器发出的声音和(b)所述环境噪声， 第一滤波器，对所述扬声器的输出处且被所述第一麦克风拾取的声学响应进行建摸，所述第一滤波器具有耦合成接收所述音频信号和由所述ANC电路产生的抗噪声信号的输入， 第二滤波器，具有与所述第一滤波器相似的频率响应，其中所述音频信号将通过所述 第二滤波器，及 差分単元，具有耦合到所述第一麦克风的输出的第一输入和耦合到所述第一滤波器的输出的第二输入，所述差分単元具有表示所述环境噪声的所述估计的输出， 并且其中所述控制电路具有耦合到所述差分単元的所述输出的输入，根据输入计算所述音频假象的強度。
11.如权利要求9所述的便携式音频设备，其中所述控制电路将确定超过所述ANC电路的有效频率范围的所述音频假象的強度。
12.ー种利用便携式音频通信设备执行通话的方法，包括 激活有源噪声抵消(ANC)电路来在所述通话过程中控制环境噪声； 确定对于从所述便携式音频通信设备的耳机扬声器发出的声音中有多少被所述环境噪声破坏的估计指示噪声的破坏不足；及 响应于所述确定而去激活所述ANC电路。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述确定包括參考下行链路语音信号和所述环境噪声来比较信噪比(SNR)与预定阈值以确定所述SNR大于所述预定阈值。
14.如权利要求12所述的方法，其中去激活所述ANC电路包括 把其输出馈送到所述耳机扬声器的数字抗噪声滤波器的多个抽头系数设置成零。
15.如权利要求14所述的方法，其中去激活所述ANC电路还包括 禁用更新所述抽头系数的自适应滤波器控制器，以使得所述抽头系数不再被更新。
16.如权利要求12所述的方法，其中去激活所述ANC电路包括 禁用更新数字抗噪声滤波器的多个抽头系数的自适应滤波器控制器，以使得所述抽头系数不再被更新。
17.ー种利用便携式音频通信设备执行通话的方法，包括 a)确定对于所述通话过程中从所述便携式音频通信设备的耳机扬声器发出的声音中有多少被环境噪声破坏的估计指示噪声的破坏足够； b)响应于a)中的确定，激活有源噪声抵消(ANC)电路以在所述通话过程中控制所述环境噪声；然后 c)确定对于所述通话过程中从所述耳机扬声器发出的声音中有多少被环境噪声破坏的估计指示噪声的破坏不足；及 d)响应于c)中的确定，去激活所述ANC电路。
18.ー种利用便携式音频通信设备执行通话的方法，包括 估计所述通话过程中被所述便携式音频通信设备的用户听到的环境噪声； 确定音频假象阈值，所述音频假象阈值指示可能由所述ANC电路引起的且在从所述便携式音频通信设备的耳机扬声器发出后被所述便携式音频通信设备的用户听到的音频假象的強度 '及 响应于所估计的噪声等级小于所述音频假象阈值，在所述通话过程中去激活所述ANC电路。
19.如权利要求18所述的方法，其中确定音频假象阈值包括加载预定撕声阈值。
20.如权利要求18所述的方法，还包括 响应于所估计的噪声等级大于所述音频假象阈值，在所述通话过程中激活所述ANC电路。
21.一种便携式音频设备，包括 移动电话手机，其中具有集成的耳机扬声器，所述耳机扬声器具有耦合成接收下行链路语音信号的输入，还具有指示什么时候所述手机贴近用户的耳朵和什么时候没有的检测器； 有源噪声抵消(ANC)电路，耦合到所述耳机扬声器的输入以控制所述便携式音频设备外面被所述便携式音频设备的用户听到的环境噪声；及 ANC判定控制电路，耦合到所述检测器和所述ANC电路，当所述检测器指示所述手机没有贴近所述用户的耳朵时，去激活所述ANC电路。
全文摘要
本公开涉及便携式音频设备中的有源噪声抵消判定。有源噪声抵消(ANC)电路耦合到便携式音频设备中耳机扬声器的输入，用来控制在设备外面并且可以被设备的用户听到的环境噪声。麦克风将拾取从耳机扬声器发出的声音，及环境噪声。响应确定对于从耳机扬声器发出的声音有多少被噪声破坏的估计指示噪声的破坏不足，控制电路去激活ANC。在另一种实施方式中，ANC判定是响应于确定环境噪声等级的估计大于可能由ANC引起的声音假象的阈值等级。还描述和要求了其它实施方式。
文档编号G10K11/178GK102870154SQ201180021665
公开日2013年1月9日 申请日期2011年5月31日 优先权日2010年6月4日
发明者G·C·尼彻尔松 申请人:苹果公司