用于有源噪声消除自适应滤波器的预成形串联滤波器的制造方法
用于有源噪声消除自适应滤波器的预成形串联滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于便携式音频设备中的前馈有源噪声消除(ANC)系统，所述系统具有自适应数字滤波器和参考麦克风。非自适应预成形数字滤波器具有耦接至所述参考麦克风的输入，并且与所述自适应滤波器串联并在其前方。所述预成形滤波器为最小相位并且在低音频频带上比在高音频频带上多呈现至少2dB的增益。这可帮助补偿低频带难度，并且可从而扩展低端处的ANC带宽而对高端没有恶化影响。本发明还描述其他实施例并要求对其进行保护。
【专利说明】用于有源噪声消除自适应滤波器的预成形串联滤波器
[0001]相关内容
[0002]本申请要求2012年3月30日提交的临时申请N0.61/618，432的较早提交日期的权益。
【技术领域】
[0003]本发明的实施例涉及存在于便携式音频设备诸如智能电话中的有源噪声消除过程或电路。还描述了其他实施例。
【背景技术】
[0004]移动电话使得其用户能够在不同声学环境中进行对话，其中一些环境相对安静，而另一些环境则相当嘈杂。为了改进处于恶劣声学环境中的近端用户对远端用户的语音的可懂度，可在移动电话中实施称为有源噪声消除(ANC)的音频信号处理技术，其中恶劣声学环境为围绕移动电话的环境声学噪声或不需要的声音(此处也称为背景声音或背景噪声)特别高的环境，诸如在繁忙的街道上或者机场或火车站附近。ANC的一个目标为通过产生被设计来(在声学上)消除背景声音的抗噪声信号来消除或至少减少由近端用户例如通过其耳朵听到的背景声音，其耳朵压贴手机的听筒或佩戴耳机。通常，通过用于产生所需音频的听筒扬声器来驱动抗噪声信号。ANC电路使用称之为“误差麦克风”的麦克风，该麦克风置于在用户耳朵和听筒壳体的内侧之间形成的空腔内侧。除了从听筒扬声器发出的所需声音之外，误差麦克风还拾取泄漏到空腔中的背景声音。此外，参考麦克风通常置于听筒壳体的外部，以便直接检测背景声音。随后使用自适应数字滤波器W估算参考麦克风与误差麦克风之间的未知声音响应，使得自适应滤波器W的输出生成抗噪声信号,该信号旨在消除用户所听到(并且如被误差麦克风拾取)的背景声音。自适应数字滤波器控制器使用来自参考麦克风的信号以及在声学上组合的抗噪声和背景声音(由误差麦克风拾取)的表不作为输入，以便使滤波器W随时间(例如，在电话呼叫或其他音频回放会话期间)自适应，使得尽可能减少抗噪声和背景声音(如由误差麦克风拾取)之间的“误差”。
[0005]已经开发出了可用于实施自适应滤波器W和自适应滤波器控制器的音频信号处理集成电路。在此类系统中，自适应滤波器W已被实施为有限脉冲响应(FIR)数字滤波器，其具有128个抽头和约48kHz的有效采样率(用于对参考麦克风的输出进行采样)。
【发明内容】
[0006]本发明人在此已确定可通过适当配置预成形滤波器(也称为偏置或细调滤波器T)来改进ANC过程的结果(依据由正在运行ANC过程的便携式音频设备的用户所感知到的噪声减小的改进质量)，该预成形滤波器被设置为与自适应滤波器W的参考麦克风输入串联并且在该参考麦克风输入前方。该预成形滤波器T在这样的情况下可特别有效，其中自适应滤波器W不具有足够频率精度来产生用于减少在低于约375Hz的音频频带中噪声的所需抗噪声信号。受约束自适应滤波器W在低于400Hz时的精度缺乏结合听筒扬声器响应在低于250Hz时的滚降，带来了 ANC过程在低频带中的有效性的问题。因此，需要一种ANC系统，该系统具有足够低的频率分辨率，以便产生在低于400Hz时合理有效的抗噪声信号，同时能够满足其他约束，包括用于自适应滤波器W的有限FIR滤波器尺寸。
[0007]根据本发明的实施例，通过添加非自适应数字预成形滤波器T来增强ANC电路，该滤波器的输入耦接至参考麦克风的采样输出，并且其中滤波器T与自适应数字滤波器W串联并且在其前方。滤波器W将通过自适应滤波器控制器基于来自所需音频信号、参考麦克风和误差麦克风的输入进行调节，同时其生成抗噪声信号，该信号被输入至听筒扬声器，以便控制便携式音频设备的用户所听到的背景声音。滤波器T被配置为具有最小相位并且在低音频频带上比在高音频带上多呈现至少2dB的增益。在一个实施例中，额外增益被约束在2dB-15dB之间，并且更具体地讲在2dB-10dB之间。
[0008]在一个实施例中，滤波器T在约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ的低音频频带上比在约300Hz-5kHz的高音频频带上呈现更多增益。在另一个实施例中，相对于约IkHz至4kHz的高频带,在约1Hz至250Hz的低频带中具有2dB-15dB或2dB_10dB的受约束增益增大。
[0009]此外，滤波器T在10Hz_5kHz带上的相位响应表现出小于90° (并且另外在一个实施例中小于45° )的相位变化。可例如使用常规双二阶节数字滤波器结构将滤波器T实施为例如二阶最小相位滤波器。可替代地，在对用于配置双二阶节的滤波器系数有某些限制的情况下，滤波器T可实施为至少两个一阶滤波器的串联或级联连接，所述一阶滤波器的系数具有小于I的绝对值并且两者均具有最小相位，其中一者为低频斜坡滤波器并且另一者为闻频斜坡滤波器。
[0010]模拟结果示出预成形滤波器T扩展低端处的ANC过程的有效音频带宽，而不使高端处的特性恶化。滤波器T可被视为将ANC过程“偏置”，使得在量值意义上，该滤波器具有一个分量，该分量通过例如表现出低音频频带(例如，ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ)中的增益提升或正增益来抵消扬声器的滚降。同时，滤波器T在从参考麦克风至扬声器并且随后到达用户耳朵(或误差麦克风)的信号处理路径中引入尽可能小的相位变化(延迟)。由于参考麦克风和用户耳朵之间的物理距离较短，该路径接近于非因果关系，并且因此在产生抗噪声时可能无法容忍较长延迟。
[0011]以上概述不包括本发明所有方面的详尽列表。可以预期的是，本发明包括可由上文概述的各个方面以及在下文的【具体实施方式】中公开并且在随该申请提交的权利要求中特别指出的各种方面的所有合适组合来实施的所有系统和方法。此类组合具有未在上述
【发明内容】
中具体阐述的特定优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]本发明的各实施例以举例的方式进行说明，而不仅限于各个附图的图形，在附图中类似的附图标号表示类似的元件。应当指出，本公开中提到“一”或“一个”本发明实施例未必是同一实施例，并且这样的援引表不至少一个。
[0013]图1示出了由处于恶劣声学环境中的用户所使用的移动通信设备。
[0014]图2为包括与有源噪声消除过程相关的部件的便携式音频设备的部分的框图。
[0015]图3为用于示例性非自适应滤波器T的量值响应以及该滤波器的组成部件的量值响应的曲线图。
[0016]图4为图3的例子中的滤波器T的相位响应的曲线图。
[0017]图5为可为滤波器T的组成部件的一阶滤波器的极零点曲线图。
[0018]图6为可为滤波器T的组成部件的另一个一阶滤波器的极零点曲线图。
[0019]图7示出了示例性滤波器T的量值响应以及在与涉及扬声器响应的估算量值响应F组合时该滤波器的效应。
[0020]图8示出了图7中的示例性滤波器T的相位响应。
【具体实施方式】
[0021]现在将参考【专利附图】
【附图说明】本发明的若干实施例。虽然阐述了许多细节，但应当理解，本发明的一些实施例可在没有这些细节的情况下实施。在其他情况下，未详细示出熟知的电路、结构和技术，以免影响对本说明的理解。
[0022]图1示出了由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，此处为移动通信设备。近端用户正握持便携式音频设备2 (并且具体地讲听筒扬声器6)压贴其耳朵，同时与远端用户进行会话。会话通常发生在近端用户的设备2和远端用户的设备4(在该例子中为无线头戴耳机)之间所谓的呼叫中。在这种情况下，呼叫或通信连接或信道包括无线区段，其中基站5使用例如蜂窝电话协议与近端用户的设备2通信。一般来讲，此处所述的ANC电路和过程适用于其他类型的便携式设备，诸如手持式电池供电音频设备以及有线和无线头戴耳机。这些音频设备可用于经由各种已知类型网络3进行双向实况或实时通信，所述网络包括无线蜂窝和无线局域网，以及结合简易老式电话系统(POTS)、公共交换电话网络(PSTN)以及可能经由高速互联网连接(例如，使用互联网语音协议)的一个或多个区段的那些网络。作为另外一种选择，此处所述的ANC电路在单向音频会话期间可为可用的，其中例如近端用户正在收听音乐或观看由音频设备2所回放的电影。
[0023]在呼叫或音乐回放期间，近端用户可听到围绕其的背景声音中的一些，其中此类噪声可泄漏到已建立于用户耳朵与壳体或外壳之间的空腔内，听筒扬声器或耳机6位于该壳体或外壳后方。在该单耳布置中，近端用户可能够在其左耳中听到远端用户的语音，如图所示，但此外也可听到泄漏到接近于其左耳的空腔内的背景声音中的一些。在这种情况下，近端用户的右耳完全暴露于背景声音。
[0024]如上所述，在音频设备2内操作的ANC过程可减少到达用户左耳并且本来将损坏主要音频内容(例如，呼叫期间远端用户的语音)的不需要的声音。ANC过程在抑制可被用户听到的不需要噪声的能力方面的性能在低音频频带以及在高音频频带中均应为足够的。在一些情况下，ANC引发用户可听到的声音假象，特别是在较高音频频带中。另外，如上文的
【发明内容】
部分中所述，由于自适应滤波器W精度可能不足，使得ANC的性能在低频带中可能不足。在便携式音频设备2的情境中调谐ANC过程的困难在于参考麦克风9和误差麦克风8之间的物理距离相对较短，使得滤波器W所赋予的用于进行数字信号处理以产生所需校正(抗噪声)的时间非常短，该校正将能够破坏性地干扰恰好在用户耳朵外侧的所泄漏背景噪声。
[0025]现在转向图2，示出了便携式设备2的部分的框图，该部分包括与正在设备中运行的改进ANC过程有关的组成部件。如上文所介绍，便携式设备2包括扬声器6并且误差麦克风8靠近扬声器6定位。误差麦克风8拾取恰好在用户耳朵外侧的声音，该声音包括来自音频信号S (k)、抗噪声信号an (k)和背景声学噪声n (k)的贡献。符号表示具有离散值的时间序列，因为由图2中示出的框对任何音频信号执行的信号处理操作位于离散时域中。更一般地，可以模拟形式(连续的时域)实施这些功能单元框中的一些。此外，数字信号处理中的一些可涉及将离散时间序列变换或编码成频域或者其他子带编码表示。
[0026]扬声器6和误差麦克风8连同压贴用户耳朵形成的声腔的组合在此称为成套装置(plant)F0该未知系统的频率响应(包括量值响应和相位响应)可通过脱机过程(未示出)或通过联机过程来估算，并且标记为传递函数F’。将对系统或成套装置F建模的数字滤波器描述为具有此类频率响应F’。这种情况的一个实例呈现为滤波器17，该滤波器在主要或所需音频信号s’ (k)将由误差麦克风拾取时提供该信号的估算。需注意，在某些实施例诸如智能电话或基于卫星的移动电话中，成套装置F实质上根据用户如何并且是否正握持便携式音频设备(具体地讲听筒区域)压贴其耳朵而变化。因此，用于传递函数F’的固定模型在ANC过程中可能不起作用，使得可能需要在ANC过程的操作期间连续更新传递函数F’。可使用常规技术执行F’的此类更新，包括自适应滤波器技术。
[0027]图2中示出的过程也使用参考麦克风9，其也可集成在音频设备2的外壳中。该参考麦克风应当被定位和取向成以便主要拾取背景声学噪声并且不会过多拾取近端用户(通话者)的语音或可从扬声器6发出的任何声音。如图1所示，就智能电话而言，参考麦克风9可定位在向外取向的智能电话外壳的背面；作为另外一种选择，其可定位在外壳的一侧。参考麦克风9可不同于通话者麦克风9，其在图1中示为朝手机外壳的底部定位。
[0028]图2中示出的ANC电路也包括滤波器W(滤波器16)，在该例子中其标记为FIR滤波器，例如，具有I个和fs/fO个之间的抽头的滤波器，其中fs为采样频率并且fO为用于有效ANC控制的最低感兴趣频率。滤波器的输出基于通过串联连接预成形滤波器T(滤波器29)耦接至参考麦克风9的输入来产生抗噪声信号an(k)。虽然滤波器W为自适应的(因为其系数可由自适应滤波器控制器19在呼叫期间重复和连续更新)，但滤波器T无需如此，该滤波器可为非自适应的。自适应滤波器控制器19可根据常规技术执行例如至少(最小)均方差估计(LMS)算法，以获得使在用户耳朵处产生的破坏性声学干扰中的误差降到最小的滤波器W的系数。对此类算法的输入可包括在已通过预成形滤波器T (滤波器29)和传递函数F’的实例(滤波器20)之后的参考麦克风9的输出信号，以及由误差麦克风8的输出与音频信号的估算(通过滤波器17)之间的差值所给出的误差的估算。因此，自适应滤波器控制器19试图获得产生最小误差(例如总和an’(k)+n’ (k))的滤波器W的所需系数。
[0029]为了帮助扩展前馈ANC过程(诸如图2中所示的过程，并且特别是在滤波器W对其FIR结构的抽头数目有约束的情况下)的低音频频带性能，串联地添加预成形滤波器T (接收参考麦克风9的输出)并且将其输出提供给滤波器W的输入。自适应滤波器控制器19也可使用如图所示的预成形滤波器T的输出，其中预成形后的信号随后通过传递函数F’的实例(滤波器20)。
[0030]滤波器T的一个实施例可包括低搁架，或低频搁架(称为滤波器I)，其在低频带中提供正增益。作为一个例子，在图3的振幅/量值响应中以及在图4的相位响应中示出一个此类滤波器的频率响应。例如，在图3中，滤波器I在低频带中具有约4-5dB的增益，但在300Hz以上时该增益降至小于_5dB。滤波器I可为具有正增益(在低频带中)的一阶低搁架。图5中示出了滤波器I的极-零点曲线图。滤波器I具有如图所示的一阶梯度，并且可通过单样本延迟数字滤波器结构来实施。例如，可通过将二阶系数适当设定为零来将双二阶节配置成此类一阶结构。应当选择一阶系数，使得滤波器也表现出最小相位。在这种情况下，现在参见图5中的极零点曲线图，滤波器I的极点为纯实数。此外，滤波器I的系数可被限制为位于+1和-1之间，从而充分利用现有的数字滤波器块。
[0031]滤波器T也可包括第二级滤波器2，其与滤波器I串联。这可为高搁架，或高频搁架，其在高频带中比在低频带中提供更多增益。这一点在图3的量值响应中示出，其中从3kHz至200Hz，滤波器2的增益下降5dB。图6中示出了用于滤波器2的极-零点曲线图，其中可看出在这种情况下极点也为纯实数。
[0032]至于图4中示出的相位响应，对于从1Hz至超过5kHz的整个音频带而言，这些相位响应也具有小于90°并且具体地讲小于45°的一阶梯度。两个滤波器1，2因此被视为相当短延迟或最小相位滤波器。考虑到滤波器T的时域特征，在一个实施例中，滤波器1，2中的一者或两者可各自具有约0.7并且优选小于0.5的Q，从而导致过阻尼响应，该响应可帮助减少滤波器T的延迟。期望是这样，因为参考麦克风9和误差麦克风8 (图2)之间的路径接近于非因果关系并且因此在生成抗噪声信号序列时将无法忍受过分延迟。
[0033]图7示出了示例性滤波器T的量值响应、扬声器6的响应F的估算量值及其组合，该组合为所需的所得响应(在上文所述的ANC系统中，针对参考麦克风9和扬声器6之间的ANC路径)。图8中给出了相关联的相位响应。F量值响应可为低频前滚(roll on)或斜坡，如图7所示。自适应FIR滤波器(尤其是在48kHz的采样频率下仅具有128个抽头的滤波器)不能对这种量值斜率建模。此类FIR滤波器自身可能无法产生所需传递函数Γ1，即，频率响应F的反函数。然而，在有限尺寸自适应FIR滤波器前方添加滤波器T可帮助自适应滤波器W产生所需传递函数T.F的反函数。图7示出与减小了自适应滤波器W上的负载的单独F相比，T.F减小在低频率下量值和相位改变的速率。
[0034]图2中示出的布置可在音频编码器/解码器集成电路管芯内实施，该管芯也称为编解码器芯片，其可执行若干其他音频相关功能，诸如模拟-数字转换、采样、数字-模拟转换以及麦克风信号的前置放大。在其他实施例中，图2的布置可在数字信号处理编解码器中实施，该编解码器可包括功能诸如下行链路和上行链路语音增强处理(适用于移动双向无线通信)，该处理可包括混音、声学回声消除、噪声抑制、语音信道自动增益控制、压扩、扩展和均衡。
[0035]如上所述，本发明的实施例可为存储有指令的机器可读介质(诸如微电子存储器)，所述指令对一个或多个数据处理部件(一般在此称为“处理器”)编程以执行上述数字音频处理操作，包括滤波、混音、相加、反转、比较和决策。在其他实施例中，可通过包含硬连线逻辑(例如，专用数字滤波器块)的特定硬件部件来执行这些操作中的一些。可替代地，可通过所编程的数据处理部件和固定硬连线电路部件的任何组合来执行那些操作。
[0036]虽然已描述并且在附图中示出了某些实施例，但应当理解，此类实施例仅用于说明广义的发明而非对其进行限制，并且本发明并不限于所示和所述的特定构造和布置，因为对于本领域普通技术人员而言可想到各种其他修改。例如，虽然误差麦克风8可定位在智能电话外壳的侧面上或背面上，但其可替代地定位在有线或无线头戴耳机的外壳内，所述头戴耳机连接至音频信号的本地源，诸如智能电话、台式计算机或家庭娱乐系统。因此要将描述视为例示性而非限制性的。
【权利要求】
1.一种便携式个人收听音频设备，包括: 听筒扬声器，其具有用以接收音频信号的输入； 参考麦克风，其用以拾取所述设备外的背景声学噪声； 误差麦克风，其用以拾取从所述听筒扬声器发出的声音；以及 有源噪声消除(ANC)电路，其具有预成形数字滤波器，所述滤波器的输入耦接至所述参考麦克风并且所述滤波器的输出与自适应数字滤波器串联并且在其前方，所述自适应数字滤波器将通过自适应滤波器控制器基于来自a)所述音频信号、b)所述参考麦克风和c)所述误差麦克风的输入进行调节，以向所述听筒扬声器的输入提供抗噪声信号，从而控制所述设备的用户所听到的背景声学噪声， 并且其中所述预成形数字滤波器被配置为最小相位，并且在低音频频带上比在高音频频带上多呈现介于至少2dB但不超过15dB之间的增益。
2.根据权利要求1所述的便携式音频设备，还包括移动电话手机外壳，所述听筒扬声器作为接收器连同所述参考麦克风和所述误差麦克风被安装在所述移动电话手机外壳中。
3.根据权利要求1所述的便携式音频设备，还包括耳机外壳，其中所述听筒扬声器与所述误差麦克风和所述参考麦克风一起集成在所述耳机外壳中。
4.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形数字滤波器在约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ的所述低频带上比在约300Hz-5kHz的所述高频带上呈现更多增益。
5.根据权利要求4所述的便携式音频设备，其中所述预成形滤波器T在10Hz-5kHz带上的相位响应表现出小于90度的相位变化。
6.根据权利要求4所述的便携式音频设备，其中所述预成形滤波器在10Hz-5kHz带上的相位响应表现出小于45度的相位变化。
7.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形数字滤波器包括与第二一阶滤波器串联的第一一阶滤波器，所述第一一阶滤波器和第二一阶滤波器中的每一者被配置为最小相位斜坡滤波器。
8.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形数字滤波器包括与第二一阶滤波器串联的第一一阶滤波器，并且其中所述第一一阶滤波器在低音频频带上比在高音频频带上多表现出至少2dB的增益，并且所述第二一阶滤波器在所述高频带上比在所述低频带表现出更多增益。
9.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形数字滤波器为具有小于0.5的Q的低通滤波器。
10.根据权利要求8所述的便携式音频设备，其中所述低频带为约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ，并且所述高频带为约300Hz_5kHz。
11.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述自适应数字滤波器为具有I至fs/fO个抽头的可自适应FIR滤波器，其中fs为所述自适应数字滤波器的输入信号的采样频率并且--为用于ANC控制的最低感兴趣频率。
12.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形滤波器为IIR滤波器。
13.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形滤波器包括已被配置到第一一阶滤波器和第二一阶滤波器内的第一串联连接的可编程双二阶节和第二串联连接的可编程双二阶节。
14.一种用于具有听筒扬声器的便携式个人收听音频设备中的有源噪声消除(ANC)的方法，包括: 根据传递函数使数字参考信号预成形，所述传递函数为最小相位并且相对于高音频频带在低音频频带上呈现至少2dB但不超过15dB的增益； 响应于预成形后的数字参考信号，使用ANC系统的主要路径建模自适应滤波器产生抗噪声信号；以及 响应于预成形后的数字参考信号的过滤后版本使所述主要路径建模自适应滤波器自适应，其中通过所述ANC系统的次要路径建模自适应滤波器来产生所述过滤后版本。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述传递函数在约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ的所述低频带上比在约300Hz-5kHz的所述高频带上呈现更多增益。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述传递函数在10Hz-5kHz带上具有表现出小于90度的相位变化的相位响应。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述相位响应在所述10Hz-5kHz带上表现出小于45度的相位变化。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述低频带为约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ，并且所述高频带为约 300Hz-5kHz。
19.一种便携式个人收听音频设备，包括: 用于根据抗噪声信号产生抗噪声声音的装置； 用于拾取背景声学噪声作为数字参考信号的装置； 用于使所述数字参考信号预成形的装置；以及 用于使用预成形后的数字参考信号产生所述抗噪声信号的数字自适应滤波器装置， 其中所述预成形装置补偿a)所述抗噪声声音产生装置在低音频频带中相对于高音频频带的减小的增益，和b)所述数字自适应滤波器装置在低频带中相对于高频带的不准确性。
20.根据权利要求19所述的音频设备，其中所述预成形装置具有传递函数，所述传递函数在约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ的所述低频带上比在约300Hz-5kHz的所述高频带上呈现更多增益。
21.根据权利要求20所述的音频设备，其中所述传递函数在10Hz-5kHz带上具有表现出小于90度的相位变化的相位响应。
22.根据权利要求19所述的音频设备，其中所述低频带为约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ，并且所述高频带为约300Hz-5kHz。
23.根据权利要求19所述的音频设备，其中所述预成形装置为低架滤波器，所述低架滤波器相对于所述高频带在所述低频带中提供至少2dB但不超过1dB的提高的增益。
【文档编号】G10K11/178GK104185866SQ201380014897
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】G·C·尼可森, T·M·詹森 申请人:苹果公司
【专利摘要】本发明提供了一种用于便携式音频设备中的前馈有源噪声消除(ANC)系统，所述系统具有自适应数字滤波器和参考麦克风。非自适应预成形数字滤波器具有耦接至所述参考麦克风的输入，并且与所述自适应滤波器串联并在其前方。所述预成形滤波器为最小相位并且在低音频频带上比在高音频频带上多呈现至少2dB的增益。这可帮助补偿低频带难度，并且可从而扩展低端处的ANC带宽而对高端没有恶化影响。本发明还描述其他实施例并要求对其进行保护。
【专利说明】用于有源噪声消除自适应滤波器的预成形串联滤波器
[0001]相关内容
[0002]本申请要求2012年3月30日提交的临时申请N0.61/618，432的较早提交日期的权益。
【技术领域】
[0003]本发明的实施例涉及存在于便携式音频设备诸如智能电话中的有源噪声消除过程或电路。还描述了其他实施例。
【背景技术】
[0004]移动电话使得其用户能够在不同声学环境中进行对话，其中一些环境相对安静，而另一些环境则相当嘈杂。为了改进处于恶劣声学环境中的近端用户对远端用户的语音的可懂度，可在移动电话中实施称为有源噪声消除(ANC)的音频信号处理技术，其中恶劣声学环境为围绕移动电话的环境声学噪声或不需要的声音(此处也称为背景声音或背景噪声)特别高的环境，诸如在繁忙的街道上或者机场或火车站附近。ANC的一个目标为通过产生被设计来(在声学上)消除背景声音的抗噪声信号来消除或至少减少由近端用户例如通过其耳朵听到的背景声音，其耳朵压贴手机的听筒或佩戴耳机。通常，通过用于产生所需音频的听筒扬声器来驱动抗噪声信号。ANC电路使用称之为“误差麦克风”的麦克风，该麦克风置于在用户耳朵和听筒壳体的内侧之间形成的空腔内侧。除了从听筒扬声器发出的所需声音之外，误差麦克风还拾取泄漏到空腔中的背景声音。此外，参考麦克风通常置于听筒壳体的外部，以便直接检测背景声音。随后使用自适应数字滤波器W估算参考麦克风与误差麦克风之间的未知声音响应，使得自适应滤波器W的输出生成抗噪声信号,该信号旨在消除用户所听到(并且如被误差麦克风拾取)的背景声音。自适应数字滤波器控制器使用来自参考麦克风的信号以及在声学上组合的抗噪声和背景声音(由误差麦克风拾取)的表不作为输入，以便使滤波器W随时间(例如，在电话呼叫或其他音频回放会话期间)自适应，使得尽可能减少抗噪声和背景声音(如由误差麦克风拾取)之间的“误差”。
[0005]已经开发出了可用于实施自适应滤波器W和自适应滤波器控制器的音频信号处理集成电路。在此类系统中，自适应滤波器W已被实施为有限脉冲响应(FIR)数字滤波器，其具有128个抽头和约48kHz的有效采样率(用于对参考麦克风的输出进行采样)。
【发明内容】
[0006]本发明人在此已确定可通过适当配置预成形滤波器(也称为偏置或细调滤波器T)来改进ANC过程的结果(依据由正在运行ANC过程的便携式音频设备的用户所感知到的噪声减小的改进质量)，该预成形滤波器被设置为与自适应滤波器W的参考麦克风输入串联并且在该参考麦克风输入前方。该预成形滤波器T在这样的情况下可特别有效，其中自适应滤波器W不具有足够频率精度来产生用于减少在低于约375Hz的音频频带中噪声的所需抗噪声信号。受约束自适应滤波器W在低于400Hz时的精度缺乏结合听筒扬声器响应在低于250Hz时的滚降，带来了 ANC过程在低频带中的有效性的问题。因此，需要一种ANC系统，该系统具有足够低的频率分辨率，以便产生在低于400Hz时合理有效的抗噪声信号，同时能够满足其他约束，包括用于自适应滤波器W的有限FIR滤波器尺寸。
[0007]根据本发明的实施例，通过添加非自适应数字预成形滤波器T来增强ANC电路，该滤波器的输入耦接至参考麦克风的采样输出，并且其中滤波器T与自适应数字滤波器W串联并且在其前方。滤波器W将通过自适应滤波器控制器基于来自所需音频信号、参考麦克风和误差麦克风的输入进行调节，同时其生成抗噪声信号，该信号被输入至听筒扬声器，以便控制便携式音频设备的用户所听到的背景声音。滤波器T被配置为具有最小相位并且在低音频频带上比在高音频带上多呈现至少2dB的增益。在一个实施例中，额外增益被约束在2dB-15dB之间，并且更具体地讲在2dB-10dB之间。
[0008]在一个实施例中，滤波器T在约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ的低音频频带上比在约300Hz-5kHz的高音频频带上呈现更多增益。在另一个实施例中，相对于约IkHz至4kHz的高频带,在约1Hz至250Hz的低频带中具有2dB-15dB或2dB_10dB的受约束增益增大。
[0009]此外，滤波器T在10Hz_5kHz带上的相位响应表现出小于90° (并且另外在一个实施例中小于45° )的相位变化。可例如使用常规双二阶节数字滤波器结构将滤波器T实施为例如二阶最小相位滤波器。可替代地，在对用于配置双二阶节的滤波器系数有某些限制的情况下，滤波器T可实施为至少两个一阶滤波器的串联或级联连接，所述一阶滤波器的系数具有小于I的绝对值并且两者均具有最小相位，其中一者为低频斜坡滤波器并且另一者为闻频斜坡滤波器。
[0010]模拟结果示出预成形滤波器T扩展低端处的ANC过程的有效音频带宽，而不使高端处的特性恶化。滤波器T可被视为将ANC过程“偏置”，使得在量值意义上，该滤波器具有一个分量，该分量通过例如表现出低音频频带(例如，ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ)中的增益提升或正增益来抵消扬声器的滚降。同时，滤波器T在从参考麦克风至扬声器并且随后到达用户耳朵(或误差麦克风)的信号处理路径中引入尽可能小的相位变化(延迟)。由于参考麦克风和用户耳朵之间的物理距离较短，该路径接近于非因果关系，并且因此在产生抗噪声时可能无法容忍较长延迟。
[0011]以上概述不包括本发明所有方面的详尽列表。可以预期的是，本发明包括可由上文概述的各个方面以及在下文的【具体实施方式】中公开并且在随该申请提交的权利要求中特别指出的各种方面的所有合适组合来实施的所有系统和方法。此类组合具有未在上述
【发明内容】
中具体阐述的特定优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]本发明的各实施例以举例的方式进行说明，而不仅限于各个附图的图形，在附图中类似的附图标号表示类似的元件。应当指出，本公开中提到“一”或“一个”本发明实施例未必是同一实施例，并且这样的援引表不至少一个。
[0013]图1示出了由处于恶劣声学环境中的用户所使用的移动通信设备。
[0014]图2为包括与有源噪声消除过程相关的部件的便携式音频设备的部分的框图。
[0015]图3为用于示例性非自适应滤波器T的量值响应以及该滤波器的组成部件的量值响应的曲线图。
[0016]图4为图3的例子中的滤波器T的相位响应的曲线图。
[0017]图5为可为滤波器T的组成部件的一阶滤波器的极零点曲线图。
[0018]图6为可为滤波器T的组成部件的另一个一阶滤波器的极零点曲线图。
[0019]图7示出了示例性滤波器T的量值响应以及在与涉及扬声器响应的估算量值响应F组合时该滤波器的效应。
[0020]图8示出了图7中的示例性滤波器T的相位响应。
【具体实施方式】
[0021]现在将参考【专利附图】
【附图说明】本发明的若干实施例。虽然阐述了许多细节，但应当理解，本发明的一些实施例可在没有这些细节的情况下实施。在其他情况下，未详细示出熟知的电路、结构和技术，以免影响对本说明的理解。
[0022]图1示出了由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，此处为移动通信设备。近端用户正握持便携式音频设备2 (并且具体地讲听筒扬声器6)压贴其耳朵，同时与远端用户进行会话。会话通常发生在近端用户的设备2和远端用户的设备4(在该例子中为无线头戴耳机)之间所谓的呼叫中。在这种情况下，呼叫或通信连接或信道包括无线区段，其中基站5使用例如蜂窝电话协议与近端用户的设备2通信。一般来讲，此处所述的ANC电路和过程适用于其他类型的便携式设备，诸如手持式电池供电音频设备以及有线和无线头戴耳机。这些音频设备可用于经由各种已知类型网络3进行双向实况或实时通信，所述网络包括无线蜂窝和无线局域网，以及结合简易老式电话系统(POTS)、公共交换电话网络(PSTN)以及可能经由高速互联网连接(例如，使用互联网语音协议)的一个或多个区段的那些网络。作为另外一种选择，此处所述的ANC电路在单向音频会话期间可为可用的，其中例如近端用户正在收听音乐或观看由音频设备2所回放的电影。
[0023]在呼叫或音乐回放期间，近端用户可听到围绕其的背景声音中的一些，其中此类噪声可泄漏到已建立于用户耳朵与壳体或外壳之间的空腔内，听筒扬声器或耳机6位于该壳体或外壳后方。在该单耳布置中，近端用户可能够在其左耳中听到远端用户的语音，如图所示，但此外也可听到泄漏到接近于其左耳的空腔内的背景声音中的一些。在这种情况下，近端用户的右耳完全暴露于背景声音。
[0024]如上所述，在音频设备2内操作的ANC过程可减少到达用户左耳并且本来将损坏主要音频内容(例如，呼叫期间远端用户的语音)的不需要的声音。ANC过程在抑制可被用户听到的不需要噪声的能力方面的性能在低音频频带以及在高音频频带中均应为足够的。在一些情况下，ANC引发用户可听到的声音假象，特别是在较高音频频带中。另外，如上文的
【发明内容】
部分中所述，由于自适应滤波器W精度可能不足，使得ANC的性能在低频带中可能不足。在便携式音频设备2的情境中调谐ANC过程的困难在于参考麦克风9和误差麦克风8之间的物理距离相对较短，使得滤波器W所赋予的用于进行数字信号处理以产生所需校正(抗噪声)的时间非常短，该校正将能够破坏性地干扰恰好在用户耳朵外侧的所泄漏背景噪声。
[0025]现在转向图2，示出了便携式设备2的部分的框图，该部分包括与正在设备中运行的改进ANC过程有关的组成部件。如上文所介绍，便携式设备2包括扬声器6并且误差麦克风8靠近扬声器6定位。误差麦克风8拾取恰好在用户耳朵外侧的声音，该声音包括来自音频信号S (k)、抗噪声信号an (k)和背景声学噪声n (k)的贡献。符号表示具有离散值的时间序列，因为由图2中示出的框对任何音频信号执行的信号处理操作位于离散时域中。更一般地，可以模拟形式(连续的时域)实施这些功能单元框中的一些。此外，数字信号处理中的一些可涉及将离散时间序列变换或编码成频域或者其他子带编码表示。
[0026]扬声器6和误差麦克风8连同压贴用户耳朵形成的声腔的组合在此称为成套装置(plant)F0该未知系统的频率响应(包括量值响应和相位响应)可通过脱机过程(未示出)或通过联机过程来估算，并且标记为传递函数F’。将对系统或成套装置F建模的数字滤波器描述为具有此类频率响应F’。这种情况的一个实例呈现为滤波器17，该滤波器在主要或所需音频信号s’ (k)将由误差麦克风拾取时提供该信号的估算。需注意，在某些实施例诸如智能电话或基于卫星的移动电话中，成套装置F实质上根据用户如何并且是否正握持便携式音频设备(具体地讲听筒区域)压贴其耳朵而变化。因此，用于传递函数F’的固定模型在ANC过程中可能不起作用，使得可能需要在ANC过程的操作期间连续更新传递函数F’。可使用常规技术执行F’的此类更新，包括自适应滤波器技术。
[0027]图2中示出的过程也使用参考麦克风9，其也可集成在音频设备2的外壳中。该参考麦克风应当被定位和取向成以便主要拾取背景声学噪声并且不会过多拾取近端用户(通话者)的语音或可从扬声器6发出的任何声音。如图1所示，就智能电话而言，参考麦克风9可定位在向外取向的智能电话外壳的背面；作为另外一种选择，其可定位在外壳的一侧。参考麦克风9可不同于通话者麦克风9，其在图1中示为朝手机外壳的底部定位。
[0028]图2中示出的ANC电路也包括滤波器W(滤波器16)，在该例子中其标记为FIR滤波器，例如，具有I个和fs/fO个之间的抽头的滤波器，其中fs为采样频率并且fO为用于有效ANC控制的最低感兴趣频率。滤波器的输出基于通过串联连接预成形滤波器T(滤波器29)耦接至参考麦克风9的输入来产生抗噪声信号an(k)。虽然滤波器W为自适应的(因为其系数可由自适应滤波器控制器19在呼叫期间重复和连续更新)，但滤波器T无需如此，该滤波器可为非自适应的。自适应滤波器控制器19可根据常规技术执行例如至少(最小)均方差估计(LMS)算法，以获得使在用户耳朵处产生的破坏性声学干扰中的误差降到最小的滤波器W的系数。对此类算法的输入可包括在已通过预成形滤波器T (滤波器29)和传递函数F’的实例(滤波器20)之后的参考麦克风9的输出信号，以及由误差麦克风8的输出与音频信号的估算(通过滤波器17)之间的差值所给出的误差的估算。因此，自适应滤波器控制器19试图获得产生最小误差(例如总和an’(k)+n’ (k))的滤波器W的所需系数。
[0029]为了帮助扩展前馈ANC过程(诸如图2中所示的过程，并且特别是在滤波器W对其FIR结构的抽头数目有约束的情况下)的低音频频带性能，串联地添加预成形滤波器T (接收参考麦克风9的输出)并且将其输出提供给滤波器W的输入。自适应滤波器控制器19也可使用如图所示的预成形滤波器T的输出，其中预成形后的信号随后通过传递函数F’的实例(滤波器20)。
[0030]滤波器T的一个实施例可包括低搁架，或低频搁架(称为滤波器I)，其在低频带中提供正增益。作为一个例子，在图3的振幅/量值响应中以及在图4的相位响应中示出一个此类滤波器的频率响应。例如，在图3中，滤波器I在低频带中具有约4-5dB的增益，但在300Hz以上时该增益降至小于_5dB。滤波器I可为具有正增益(在低频带中)的一阶低搁架。图5中示出了滤波器I的极-零点曲线图。滤波器I具有如图所示的一阶梯度，并且可通过单样本延迟数字滤波器结构来实施。例如，可通过将二阶系数适当设定为零来将双二阶节配置成此类一阶结构。应当选择一阶系数，使得滤波器也表现出最小相位。在这种情况下，现在参见图5中的极零点曲线图，滤波器I的极点为纯实数。此外，滤波器I的系数可被限制为位于+1和-1之间，从而充分利用现有的数字滤波器块。
[0031]滤波器T也可包括第二级滤波器2，其与滤波器I串联。这可为高搁架，或高频搁架，其在高频带中比在低频带中提供更多增益。这一点在图3的量值响应中示出，其中从3kHz至200Hz，滤波器2的增益下降5dB。图6中示出了用于滤波器2的极-零点曲线图，其中可看出在这种情况下极点也为纯实数。
[0032]至于图4中示出的相位响应，对于从1Hz至超过5kHz的整个音频带而言，这些相位响应也具有小于90°并且具体地讲小于45°的一阶梯度。两个滤波器1，2因此被视为相当短延迟或最小相位滤波器。考虑到滤波器T的时域特征，在一个实施例中，滤波器1，2中的一者或两者可各自具有约0.7并且优选小于0.5的Q，从而导致过阻尼响应，该响应可帮助减少滤波器T的延迟。期望是这样，因为参考麦克风9和误差麦克风8 (图2)之间的路径接近于非因果关系并且因此在生成抗噪声信号序列时将无法忍受过分延迟。
[0033]图7示出了示例性滤波器T的量值响应、扬声器6的响应F的估算量值及其组合，该组合为所需的所得响应(在上文所述的ANC系统中，针对参考麦克风9和扬声器6之间的ANC路径)。图8中给出了相关联的相位响应。F量值响应可为低频前滚(roll on)或斜坡，如图7所示。自适应FIR滤波器(尤其是在48kHz的采样频率下仅具有128个抽头的滤波器)不能对这种量值斜率建模。此类FIR滤波器自身可能无法产生所需传递函数Γ1，即，频率响应F的反函数。然而，在有限尺寸自适应FIR滤波器前方添加滤波器T可帮助自适应滤波器W产生所需传递函数T.F的反函数。图7示出与减小了自适应滤波器W上的负载的单独F相比，T.F减小在低频率下量值和相位改变的速率。
[0034]图2中示出的布置可在音频编码器/解码器集成电路管芯内实施，该管芯也称为编解码器芯片，其可执行若干其他音频相关功能，诸如模拟-数字转换、采样、数字-模拟转换以及麦克风信号的前置放大。在其他实施例中，图2的布置可在数字信号处理编解码器中实施，该编解码器可包括功能诸如下行链路和上行链路语音增强处理(适用于移动双向无线通信)，该处理可包括混音、声学回声消除、噪声抑制、语音信道自动增益控制、压扩、扩展和均衡。
[0035]如上所述，本发明的实施例可为存储有指令的机器可读介质(诸如微电子存储器)，所述指令对一个或多个数据处理部件(一般在此称为“处理器”)编程以执行上述数字音频处理操作，包括滤波、混音、相加、反转、比较和决策。在其他实施例中，可通过包含硬连线逻辑(例如，专用数字滤波器块)的特定硬件部件来执行这些操作中的一些。可替代地，可通过所编程的数据处理部件和固定硬连线电路部件的任何组合来执行那些操作。
[0036]虽然已描述并且在附图中示出了某些实施例，但应当理解，此类实施例仅用于说明广义的发明而非对其进行限制，并且本发明并不限于所示和所述的特定构造和布置，因为对于本领域普通技术人员而言可想到各种其他修改。例如，虽然误差麦克风8可定位在智能电话外壳的侧面上或背面上，但其可替代地定位在有线或无线头戴耳机的外壳内，所述头戴耳机连接至音频信号的本地源，诸如智能电话、台式计算机或家庭娱乐系统。因此要将描述视为例示性而非限制性的。
【权利要求】
1.一种便携式个人收听音频设备，包括: 听筒扬声器，其具有用以接收音频信号的输入； 参考麦克风，其用以拾取所述设备外的背景声学噪声； 误差麦克风，其用以拾取从所述听筒扬声器发出的声音；以及 有源噪声消除(ANC)电路，其具有预成形数字滤波器，所述滤波器的输入耦接至所述参考麦克风并且所述滤波器的输出与自适应数字滤波器串联并且在其前方，所述自适应数字滤波器将通过自适应滤波器控制器基于来自a)所述音频信号、b)所述参考麦克风和c)所述误差麦克风的输入进行调节，以向所述听筒扬声器的输入提供抗噪声信号，从而控制所述设备的用户所听到的背景声学噪声， 并且其中所述预成形数字滤波器被配置为最小相位，并且在低音频频带上比在高音频频带上多呈现介于至少2dB但不超过15dB之间的增益。
2.根据权利要求1所述的便携式音频设备，还包括移动电话手机外壳，所述听筒扬声器作为接收器连同所述参考麦克风和所述误差麦克风被安装在所述移动电话手机外壳中。
3.根据权利要求1所述的便携式音频设备，还包括耳机外壳，其中所述听筒扬声器与所述误差麦克风和所述参考麦克风一起集成在所述耳机外壳中。
4.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形数字滤波器在约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ的所述低频带上比在约300Hz-5kHz的所述高频带上呈现更多增益。
5.根据权利要求4所述的便携式音频设备，其中所述预成形滤波器T在10Hz-5kHz带上的相位响应表现出小于90度的相位变化。
6.根据权利要求4所述的便携式音频设备，其中所述预成形滤波器在10Hz-5kHz带上的相位响应表现出小于45度的相位变化。
7.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形数字滤波器包括与第二一阶滤波器串联的第一一阶滤波器，所述第一一阶滤波器和第二一阶滤波器中的每一者被配置为最小相位斜坡滤波器。
8.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形数字滤波器包括与第二一阶滤波器串联的第一一阶滤波器，并且其中所述第一一阶滤波器在低音频频带上比在高音频频带上多表现出至少2dB的增益，并且所述第二一阶滤波器在所述高频带上比在所述低频带表现出更多增益。
9.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形数字滤波器为具有小于0.5的Q的低通滤波器。
10.根据权利要求8所述的便携式音频设备，其中所述低频带为约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ，并且所述高频带为约300Hz_5kHz。
11.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述自适应数字滤波器为具有I至fs/fO个抽头的可自适应FIR滤波器，其中fs为所述自适应数字滤波器的输入信号的采样频率并且--为用于ANC控制的最低感兴趣频率。
12.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形滤波器为IIR滤波器。
13.根据权利要求1所述的便携式音频设备，其中所述预成形滤波器包括已被配置到第一一阶滤波器和第二一阶滤波器内的第一串联连接的可编程双二阶节和第二串联连接的可编程双二阶节。
14.一种用于具有听筒扬声器的便携式个人收听音频设备中的有源噪声消除(ANC)的方法，包括: 根据传递函数使数字参考信号预成形，所述传递函数为最小相位并且相对于高音频频带在低音频频带上呈现至少2dB但不超过15dB的增益； 响应于预成形后的数字参考信号，使用ANC系统的主要路径建模自适应滤波器产生抗噪声信号；以及 响应于预成形后的数字参考信号的过滤后版本使所述主要路径建模自适应滤波器自适应，其中通过所述ANC系统的次要路径建模自适应滤波器来产生所述过滤后版本。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述传递函数在约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ的所述低频带上比在约300Hz-5kHz的所述高频带上呈现更多增益。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述传递函数在10Hz-5kHz带上具有表现出小于90度的相位变化的相位响应。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述相位响应在所述10Hz-5kHz带上表现出小于45度的相位变化。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述低频带为约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ，并且所述高频带为约 300Hz-5kHz。
19.一种便携式个人收听音频设备，包括: 用于根据抗噪声信号产生抗噪声声音的装置； 用于拾取背景声学噪声作为数字参考信号的装置； 用于使所述数字参考信号预成形的装置；以及 用于使用预成形后的数字参考信号产生所述抗噪声信号的数字自适应滤波器装置， 其中所述预成形装置补偿a)所述抗噪声声音产生装置在低音频频带中相对于高音频频带的减小的增益，和b)所述数字自适应滤波器装置在低频带中相对于高频带的不准确性。
20.根据权利要求19所述的音频设备，其中所述预成形装置具有传递函数，所述传递函数在约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ的所述低频带上比在约300Hz-5kHz的所述高频带上呈现更多增益。
21.根据权利要求20所述的音频设备，其中所述传递函数在10Hz-5kHz带上具有表现出小于90度的相位变化的相位响应。
22.根据权利要求19所述的音频设备，其中所述低频带为约ΙΟΗζ-ΙΟΟΗζ，并且所述高频带为约300Hz-5kHz。
23.根据权利要求19所述的音频设备，其中所述预成形装置为低架滤波器，所述低架滤波器相对于所述高频带在所述低频带中提供至少2dB但不超过1dB的提高的增益。
【文档编号】G10K11/178GK104185866SQ201380014897
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】G·C·尼可森, T·M·詹森 申请人:苹果公司
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