一种耳机有源降噪方法及系统与流程

本发明涉及降噪处理领域，具体涉及一种耳机有源降噪方法及系统。

背景技术：

噪声对人类生活的影响越来越大，已成为全世界都关注的环境污染问题之一。特别是对以蓝牙耳机为代表的智能可穿戴设备而言，噪声将严重影响用户体验。在降噪耳机领域，噪声无源控制及噪声有源控制是目前最主要的两种噪声消除方式。无源降噪主要是利用耳机本身材料对声音的抵挡和吸收，防止其进入耳朵。例如无源的耳塞、耳罩等。其降噪机理是合理运用产品的外壳硬质材料或内部的吸声材料，用隔绝与吸收的方法，阻止外部声音进入耳道，这种降噪方式对高频分量特别丰富的噪声降噪效果尤为明显。然而，尽管这种降噪方法易于实现但是对于低频的降噪能力却很差，而且材料本身的重量也会让佩戴者感觉不舒服。

有源降噪原理是使用一套降噪控制处理电路进行运算，来输出与欲消除的噪音相位相反、频率与能量相同的声波以达到消音目的。有源降噪是以波形的重叠原理为基础，即由噪音与抑制声波相结合来造成破坏性的干涉而产生相消的效果，抑制波的波形与欲消音的声波振幅、频率相同且反相时，则会得到消音效果。

有源降噪自适应算法是保证降噪效果的关键。从降噪算法的角度，有源噪声控制一般包括初级通道和次级通道，这两部分一般都会用到自适应最小均方误差(leastmeansquare，lms)算法，算法中阶数与步长的影响较大。在硬件资源允许的阶数范围内，次级通道辨识算法的阶数过小会出现严重的建模误差，阶数过大会增加计算量且易出现失调等问题。步长则同时影响着初、次级通道算法的收敛及稳态等性能，因此步长、阶数的研究对提升有源噪声控制降噪效果具有重要价值。目前关于步长或阶数调整的算法研究还不够深入，一些算法缺乏系统的理论分析，实用性较差。因此，改善有源降噪效果成为一个有挑战性的任务。

专利号为zl201510489141.9的发明专利从调整降噪麦克风位置考虑提出一种提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法和有源降噪耳机，该方法将反馈型有源降噪耳机的降噪麦克风设置在偏离扬声器正前方的位置，调整降噪麦克风与佩戴者耳道口的相对位置，以增大实际降噪量。但该方法对耳机产品外形、贴耳设计提出一定要求。名称为《基于fxlms算法的矿用有源降噪技术的研究》的硕士学位论文提出了一种步长可以调整的fxlms有源降噪算法，该算法在稳态误差的不同阶段选取不同的收敛系统，从而提高算法的收敛速度，降低算法的运算量和稳态误差。在《应用声学》发表的名称为《一种基于虚拟传感的无需误差传声器的自适应有源降噪方法》的论文提出一种基于虚拟传感的无需误差传声器的自适应有源降噪方法，从而可省去误差传声器降低系统的复杂度。但是现有技术中仍然存在无线耳机有源消噪算法存在的收敛速度不高、稳态误差大这两者互相制约，难以兼容优化的问题。

有鉴于此，设计出一种简单方便、提高收敛速度、降低稳态误差的耳机有源降噪方法及系统是亟需解决的问题之一。

技术实现要素：

针对上述提到的当前无线耳机有源消噪算法存在的收敛速度不高、稳态误差大这两者互相制约，难以兼容优化等问题。本申请的实施例的目的在于提出了一种耳机有源降噪方法及系统来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

第一方面，本申请的实施例提供了一种耳机有源降噪方法，包括以下步骤：

s1：分别在左耳终端和右耳终端获取环境噪声，通过利用滤波系数对环境噪声进行数字滤波，得到输出信号；

s2：通过输出信号对环境噪声进行有源抵消，得到有源抵消后的残余噪声；

s3：根据环境噪声和残余噪声通过自适应迭代算法进行迭代，并在迭代过程中分别对左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行更新；以及

s4：对迭代过程中更新的左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行相关程度评估，根据相关程度评估的结果分别对左耳终端和右耳终端的自适应迭代算法中的局部步长进行调整。

在一些实施例中，步骤s1还包括：在左耳终端和右耳终端环境噪声经过初级通道函数后产生第一噪声。第一噪声为环境噪声经过初级通道后产生的耳机内噪声。

在一些实施例中，自适应迭代算法包括最小均方误差算法，滤波系数包括l阶数滤波系数wl。自适应迭代算法用于分别根据左/右环境噪声、左/右残余噪声进行滤波系数的迭代运算，从而更新每次迭代的滤波系数，利用滤波系数进行数字滤波然后产生有源消噪后的误差信号。

在一些实施例中，步骤s2具体包括：在左耳终端和右耳终端输出信号经过次级通道函数后与第一噪声抵消，得到残余噪声和误差信号。输出信号经过次级通道驱动消噪扬声器后与第一噪声进行有源抵消。

在一些实施例中，步骤s3具体包括：

s31：在左耳终端和右耳终端环境噪声经过次级通道的近似传递函数得到第二噪声；

s32：在左耳终端和右耳终端分别将第二噪声与误差信号构成自适应迭代算法的输入进行迭代，在迭代过程中对左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行更新。

根据环境噪声对左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数的迭代，以实现有源消噪自适应迭代过程与环境的适配。

在一些实施例中，步骤s4具体包括：

s41：分别计算左耳终端和右耳终端中滤波系数在第n次迭代相对第n-1次迭代的递增量dwl、dwr：

dwl＝wl,n―wl,n-1；

dwr＝wr,n―wr,n-1；

其中，wl,n、wl,n-1分别为左耳终端在第n次和第n-1次迭代中的滤波系数，wr,n、wr,n-1分别为右耳终端在第n次迭代和第n-1次迭代中的滤波系数；

s42：分别在左耳终端和右耳终端通过下式计算的滤波系数的递增量的相关系数rdlr：

rdlr＝dwl·dwr/mean[abs(dwl·dwr)]；

s43：将超过设定门限的相关系数作为相关程度高的权系数位置k：

k＝argminj(rdlr,j>th)；

其中，th为设定门限，j＝1,2,3,…,l；

s44：根据权系数位置将自适应迭代算法中步长向量u＝[u1u2u3…ul]表示为：

利用左右耳有源降噪迭代中系数体现的相关性，设计左耳终端和右耳终端的关联迭代机制，对相关性强的滤波系数部分局部地调整迭代步长，从而加快算法收敛、降低稳态误差，达到改善有源降噪性能的目的。

在一些实施例中，在左耳终端和右耳终端分别根据步长向量对滤波系数进行调整：

wl,n+1＝wl,n+el(n)·{u.*[xl(n)xl(n+1)xl(n+2)xl(n+3)…xl(n+l-1)]}；

wr,n+1＝wr,n+er(n)·{u.*[xr(n)xr(n+1)xr(n+2)xr(n+3)…xr(n+l-1)]}；

其中，wl,n+1、wr,n+1分别对应于左耳终端和右耳终端的第n+1次迭代的滤波系数，el(n)、er(n)分别为左耳终端和右耳终端的误差信号，xl(n+l-1)、xr(n+l-1)分别为左耳终端和右耳终端的第n+l-1次迭代所采集的环境噪声。通过上述调整实现提高左/右有源消噪的收敛速度、降低稳态误差。

第二方面，本申请的实施例中还提出了一种耳机有源降噪系统，该系统采用第一方面提到的耳机有源降噪方法，包括左右关联模块、局部步长调整模块以及分别位于左耳终端和右耳终端的噪声传声器、有源消噪控制器、抵消扬声器、误差传声器和自适应算法迭代模块，噪声传声器用于采集环境噪声，有源消噪控制器用于利用滤波系数对环境噪声进行数字滤波得到输出信号从而驱动抵消扬声器，抵消扬声器用于通过输出信号对环境噪声进行有源抵消，误差传声器用于对有源消噪后作为误差的残余噪声进行采集，自适应算法迭代模块用于根据环境噪声和残余噪声进行自适应迭代并更新有源消噪控制器中的滤波系数，左右关联模块用于根据误差传声器得到的误差信号对滤波系数进行相关程度评估，局部步长调整模块用于根据左右关联模块计算的相关程度评估的结果进行判断，从而分别控制自适应算法迭代模块对相关程度高的滤波系数进行步长调整。

在一些实施例中，有源消噪控制器、左右关联模块和局部步长调整模块通过微处理器实现。通过微处理器进行软件编程可以实现上述器件和模块的功能。

在一些实施例中，噪声传声器、抵消扬声器、误差传声器分别由麦克风和扬声器组成，并通过音频编解码芯片与微处理器连接。硬件实现方式简单易行，硬件连接方便。

本发明提出了一种耳机有源降噪方法及系统，通过分别在左耳终端和右耳终端获取环境噪声，通过利用滤波系数对环境噪声进行数字滤波，得到输出信号；通过输出信号对环境噪声进行有源抵消，得到有源抵消后的残余噪声；根据环境噪声和残余噪声通过自适应迭代算法进行迭代，并在迭代过程中分别对左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行更新；以及对迭代过程中更新的左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行相关程度评估，根据相关程度评估的结果分别对左耳终端和右耳终端的自适应迭代算法中的局部步长进行调整。由于考虑环境噪声对左耳终端和右耳终端影响的相关性进行左右关联设计，无需依赖于固定阈值的设计即可实现有源消噪自适应迭代过程与环境的适配，从而兼顾算法的收敛性能和稳态误差性能，改善无线耳机消噪效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例的耳机有源降噪方法的流程示意图；

图2为本发明的实施例的耳机有源降噪方法的步骤s3的流程示意图；

图3为本发明的实施例的耳机有源降噪方法的步骤s4的流程示意图；

图4为本发明的实施例的耳机有源降噪方法的左右关联迭代的示意图；

图5为本发明的实施例的耳机有源降噪系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本申请的实施例公开的一种耳机有源降噪方法，包括以下步骤：

s1：分别在左耳终端和右耳终端获取环境噪声，通过利用滤波系数对环境噪声进行数字滤波，得到输出信号；

s2：通过输出信号对环境噪声进行有源抵消，得到有源抵消后的残余噪声；

s3：根据环境噪声和残余噪声通过自适应迭代算法进行迭代，并在迭代过程中分别对左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行更新；以及

s4：对迭代过程中更新的左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行相关程度评估，根据相关程度评估的结果分别对左耳终端和右耳终端的自适应迭代算法中的局部步长进行调整。

考虑到主流的无线降噪耳机产品均配有左、右耳终端，对于较为明显的背景噪声实际上左、右耳终端的噪声传声器均能接收，也即左、右耳终端有源降噪迭代算法所针对的噪声源具有很强的相关性，相应地，在左右耳对应的迭代系数也体现相关性。

在具体的实施例中，步骤s1还包括：在左耳终端和右耳终端环境噪声经过初级通道函数后产生第一噪声。第一噪声为环境噪声经过初级通道后产生的耳机内噪声。

以左侧终端为例：左侧环境噪声xl(n)经过左初级通道pl(z)产生第一噪声d(n)。同时，xl(n)经过左噪声传声器进入左有源消噪控制器w(z)，其l阶数滤波系数为wl＝[wl1wl2wl3wl4……wll]，产生输出信号yl(n)。

在具体的实施例中，步骤s2具体包括：在左耳终端和右耳终端输出信号经过次级通道函数后与第一噪声抵消，得到残余噪声和误差信号。输出信号yl(n)经过次级通道sl(z)驱动消噪扬声器后与d(n)抵消，其残余噪声被左误差传声器接收，得到误差信号el(n)。输出信号经过次级通道驱动消噪扬声器后与第一噪声进行有源抵消。

在具体的实施例中，如图2所示，步骤s3具体包括：

s31：在左耳终端和右耳终端环境噪声经过次级通道的近似传递函数得到第二噪声；

s32：在左耳终端和右耳终端分别将第二噪声与误差信号构成自适应迭代算法的输入进行迭代，在迭代过程中对左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行更新。

以左侧终端为例：环境噪声xl(n)经过左次级通道近似传递函数s’l(z)得到第二噪声x’l(n)，与误差信号el(n)构成左自适应迭代算法的输入进行左有源消噪控制器系数的迭代。右侧终端信号处理流程与左侧相同。

在具体的实施例中，自适应迭代算法包括最小均方误差算法，滤波系数包括l阶数滤波系数wl，wl＝[wl1，wl2，wl3，wl4，…，wll]。自适应迭代算法用于分别根据左/右环境噪声、左/右残余噪声进行滤波系数的迭代运算，从而更新每次迭代的滤波系数，利用滤波系数进行数字滤波然后产生有源消噪后的误差信号。根据环境噪声对左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数的迭代，以实现有源消噪自适应迭代过程与环境的适配。

在具体的实施例中，如图3所示，步骤s4具体包括：

s41：分别计算左耳终端和右耳终端中滤波系数在第n次迭代相对第n-1次迭代的递增量dwl、dwr：

dwl＝wl,n―wl,n-1；

dwr＝wr,n―wr,n-1；

其中，wl,n、wl,n-1分别为左耳终端在第n次和第n-1次迭代中的滤波系数，wr,n、wr,n-1分别为右耳终端在第n次迭代和第n-1次迭代中的滤波系数；

s42：分别在左耳终端和右耳终端通过下式计算的滤波系数的递增量的相关系数rdlr：

rdlr＝dwl·dwr/mean[abs(dwl·dwr)]；

s43：将超过设定门限的相关系数作为相关程度高的权系数位置k：

k＝argminj(rdlr,j>th)；

其中，th为设定门限，j＝1,2,3,…,l；

s44：根据权系数位置将自适应迭代算法中步长向量u＝[u1，u2，u3，…，ul]表示为：

利用左右耳有源降噪迭代中滤波系数体现的相关性，设计左耳终端和右耳终端的关联迭代机制，对相关性强的滤波系数部分局部地调整迭代步长，从而加快算法收敛、降低稳态误差，达到改善有源降噪性能的目的。

在具体的实施例中，在左耳终端和右耳终端分别根据步长向量对滤波系数进行调整，采用相应调大迭代中对应相关程度高部分系数的步长值后系数迭代过程为：

wl,n+1＝wl,n+el(n)·{u.*[xl(n)xl(n+1)xl(n+2)xl(n+3)…xl(n+l-1)]}；

wr,n+1＝wr,n+er(n)·{u.*[xr(n)xr(n+1)xr(n+2)xr(n+3)…xr(n+l-1)]}；

其中，wl,n+1、wr,n+1分别对应于左耳终端和右耳终端的第n+1次迭代的滤波系数，el(n)、er(n)分别为左耳终端和右耳终端的误差信号，xl(n+l-1)、xr(n+l-1)分别为左耳终端和右耳终端的第n+l-1次迭代所采集的环境噪声。由于考虑了左/右耳终端滤波系数的相关性进行迭代步长调整，滤波系数中对应较为强烈环境噪声影响的部分被分配较大的步长，从而以较高的收敛速度进行收敛；在有源消噪算法收敛后，对应较为强烈环境噪声影响的这部分系数迭代中递增量变小，低于门限th后对应步长恢复回原较小值，从而有助于降低算法收敛后的稳态误差。

在本实施例中采用左/右耳耳机作为左/右耳侧终端，其中采用左耳耳机作为左右关联控制的控制端，如图4所示，左/右耳耳机采用i2c接口进行信号和系数的传输及控制，同样也可以采用本领域通用的蓝牙方式实现左/右耳耳机的系数无线传输及控制。针对无线耳机的使用场景，当出现新的环境噪声源对左右耳产生影响时，则对应新出现强烈环境噪声的这部分滤波系数通过左右关联也能对应检测出超出设定门限，随之对相应部分系数分配大的步长，促使算法加快收敛速度以快速对新出现环境噪声产生抵消效果。利用环境噪声对左/右耳影响的相关性进行有源降噪迭代中的局部步长控制，克服了传统有源降噪算法存在的参数调整不方便、收敛慢、稳态误差大的不足，从而改善收敛速度、提高降噪性能。

相对应地，本申请的实施例中还提出了一种耳机有源降噪系统，该系统采用上述提到的耳机有源降噪方法，如图5所示，包括左右关联模块1、局部步长调整模块2以及分别位于左耳终端和右耳终端的噪声传声器3-1、3-2，有源消噪控制器4-1、4-2，抵消扬声器5-1、5-2，误差传声器6-1、6-2和自适应算法迭代模块7-1、7-2，噪声传声器3-1、3-2用于采集环境噪声，有源消噪控制器4-1、4-2用于利用滤波系数对环境噪声进行数字滤波得到输出信号从而驱动抵消扬声器5-1、5-2，抵消扬声器5-1、5-2用于通过输出信号对环境噪声进行有源抵消，误差传声器6-1、6-2用于对有源消噪后作为误差的残余噪声进行采集，自适应算法迭代模块7-1、7-2用于根据环境噪声和残余噪声进行自适应迭代并更新有源消噪控制器4-1、4-2中的滤波系数，左右关联模块1用于根据误差传声器6-1、6-2得到的误差信号对滤波系数进行相关程度评估，局部步长调整模块2用于根据左右关联模块1计算的相关程度评估的结果进行判断，从而分别控制自适应算法迭代模块7-1、7-2对相关程度高的滤波系数进行步长调整。

在具体的实施例中，有源消噪控制器4-1、4-2，左右关联模块1和局部步长调整模块2通过微处理器实现。通过微处理器进行软件编程可以实现上述器件和模块的功能。

在具体的实施例中，噪声传声器3-1、3-2，抵消扬声器5-1、5-2，误差传声器6-1、6-2分别由麦克风和扬声器组成，并通过音频编解码芯片与微处理器连接。硬件实现方式简单易行，硬件连接方便。

在优选的实施例中，左/右耳终端的左/右噪声传声器3-1、3-2、左/右误差传声器6-1、6-2、左/右抵消扬声器5-1、5-2分别由4个麦克风、2个扬声器组成，通过音频编解码芯片wm8978与微处理器接口，并分别设置于无线耳机左/右耳终端上用于采集左/右耳环境噪声及左右残余噪声操作。左/右耳终端的有源消噪控制器4-1、4-2、左/右耳终端的自适应算法迭代模块7-1、7-2、左右关联模块1、局部步长调整模块2均属于数字信号处理模块，在本实施例中采用stm32f405微处理器进行软件编程实现。考虑到无线耳机左/右耳终端有源消噪过程分别进行，本实施例中左、右耳耳机各用一片stm32f405微处理器控制一片wm8978实现与左/右耳终端的左/右噪声传声器、左/右误差传声器、左/右消噪扬声器的接口。

同时，在本实施例中，左耳终端stm32f405微处理器作为左右关联迭代的主控制器，右耳终端stm32f405微处理器通过i2c总线与左耳终端stm32f405微处理器连接，实现数据和控制接口。需指出的是，对于左、右耳终端分离的无线耳机，同样可以通过本领域通用的蓝牙接口方式实现左、右耳无线数据及控制接口。

以左耳终端为例，采用左右关联迭代的耳机有源降噪方法及系统与微处理器的连接方式为：左噪声传声器接wm8978芯片的lin口，左误差传声器接wm8978芯片的rin口，左消噪扬声器接wm8978芯片的lout2口。右侧耳机终端连接方式与此相同。

本发明提出了一种耳机有源降噪方法和系统，通过分别在左耳终端和右耳终端获取环境噪声，通过利用滤波系数对环境噪声进行数字滤波，得到输出信号；通过输出信号对环境噪声进行有源抵消，得到有源抵消后的残余噪声；根据环境噪声和残余噪声通过自适应迭代算法进行迭代，并在迭代过程中分别对左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行更新；以及对迭代过程中更新的左耳终端的滤波系数和右耳终端的滤波系数进行相关程度评估，根据相关程度评估的结果分别对左耳终端和右耳终端的自适应迭代算法中的局部步长进行调整。由于考虑环境噪声对左耳终端和右耳终端影响的相关性进行左右关联设计，无需依赖于固定阈值的设计即可实现有源消噪自适应迭代过程与环境的适配，从而兼顾算法的收敛性能和稳态误差性能，改善无线耳机消噪效果。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。