反馈系统中的不稳定性检测和避免的制作方法

反馈系统中的不稳定性检测和避免的制作方法
【专利摘要】基于反馈的主动降噪系统配置成通过检测与潜在的或实际的不稳定行为(例如，振荡)相关的系统特性来检测实际的或潜在的不稳定性，并且修改系统特性以减轻这种不稳定性。
【专利说明】反馈系统中的不稳定性检测和避免

【技术领域】
[0001] 本发明涉及反馈系统、特别是反馈主动降噪系统中的不稳定性检测和避免。

【背景技术】
[0002] 环境中的环境声学噪声的存在对人的听力具有大范围的影响。环境噪声一些不 例、例如喷气式客机的机舱中的发动机噪声会导致对乘客的轻微的干扰。环境噪声的其他 示例、例如工地上的钻机会导致永久的听力损失。用于减少环境声学噪声的技术是积极的 研究领域，提供例如更愉悦的听力体验和避免听力损失等优点。
[0003] 很多常规的降噪系统使用主动降噪技术来减少用户能够察觉到的噪声的量。主动 降噪系统通常利用前馈方法、反馈方法或前馈方法和反馈方法的组合来实施。基于反馈的 系统一般测量希望降噪的区域附近（例如，在声腔、例如耳腔中）的噪声声波，该噪声声波 可能与其他声波相组合。通常，测量的信号被用来生成"抗噪信号"，该"抗噪信号"是测量 的噪声的相位颠倒且缩放了比例的形式。该抗噪信号被提供给噪声消除驱动器，该噪声消 除驱动器将该信号转变为提供给用户的声波。当噪声消除驱动器产生的抗噪声波与噪声声 波在声腔中组合时，这两个声波由于破坏性的干涉而相互抵消。结果是降低了期望降噪的 区域中用户察觉到的噪声水平。
[0004] 反馈系统通常具有不稳定和产生基于不稳定性的失真的可能。例如，如基于对反 馈的经典分析所能够理解的，如果在反馈环的相位为180°时的频率下反馈环的增益大于 1，那么在该频率下能够生成振荡加性信号。这种情形也可以描述为相位余量，即在增益为 1时的频率下达到180°相位为零或为负的系统余量。
[0005] 在声学主动降噪系统中，反馈路径的至少一部分可以包括声学部件。尽管反馈路 径的电气部件或数字部件能够在主动降噪系统中被直接地控制，但是例如由于音频路径的 物理特性的变化，声学部件可能经历变化。


【发明内容】

[0006] 在一些示例中，由于反馈环增益或传递函数中产生的变化，音频路径的变化可能 导致系统中的不稳定性。例如，声学部件可以具有声学驱动器与反馈麦克风之间的声学传 递函数。声学传递函数变化的情形的一个示例是耳内耳机的穿戴者将耳机的耳塞插入耳道 中时。在插入过程期间，耳塞的柔性末端会例如由于夹在或者折叠在自身上而堵塞。这种 堵塞末端会改变声学传递函数，从而改变总的环增益并且可能导致系统中的不稳定性。
[0007] 需要这样一种系统：其能够检测反馈降噪系统中的不稳定性的特性并调节系统的 环增益以避免不稳定性。
[0008] 在一个方面，一般而言，主动降噪系统通过检测与潜在的或实际的不稳定行为 (例如，振荡）相关的系统特性来检测实际的或潜在的不稳定性，并且修改系统特性以减轻 这种不稳定性。
[0009] 在一些示例中，系统适应于已经导致或者可能导致不稳定行为的反馈路径的声学 部件的特性的变化以改善用户的声学体验。
[0010] 在另一个方面，一般而言，基于反馈的主动降噪系统包括反馈部件和不稳定性检 测器，反馈部件用于形成具有音频路径分段的反馈环的至少一部分，不稳定性检测器用于 检测反馈部件中的不稳定性状态并且基于检测结果形成控制参数。反馈部件包括：用于接 受输入信号的第一信号输入；用于向音频路径分段的驱动器提供驱动器信号的驱动器输 出；用于接受来自第一传感器的响应于音频路径分段上的信号的第一反馈信号的第一反馈 输入；以及用于接受控制参数的控制输入，控制参数用于调节反馈环的增益特性和相位特 性中的至少一个。不稳定性检测器包括：用于接受反馈环信号的反馈环信号输入；用于检 测反馈环信号中的没有体现在输入信号中的振荡信号分量的电路；以及用于向反馈元件的 控制参数输入提供控制参数的控制参数输出。
[0011] 本发明的方面可以包括下述特征中的一个或多个。
[0012] 反馈环信号可以表示驱动器信号。反馈环信号可以表示第一反馈信号。用于检测 反馈环信号中的振荡信号分量的电路可以包括：用于形成修改的反馈环信号的电路，该电 路包括用于从反馈环信号去除输入信号的分量的电路装置；以及用于检测修改的反馈环信 号中的在指定频率范围内的振荡信号分量的电路。
[0013] 用于检测振荡信号分量的电路可以包括：电压控制的振荡器以及用于将电压控制 的振荡器的输出与修改的反馈环信号进行组合的电路。反馈分量可以包括前馈输入，该前 馈输入用于接受来自第二传感器的响应于音频路径分段上的第二信号的第一前馈信号。用 于检测反馈环信号中的振荡信号分量的电路可以包括高通滤波器，该高通滤波器用于从反 馈环信号去除主动降噪信号分量。用于形成修改的反馈环信号的电路可以包括：用于形成 输入信号的分量的滤波元件；以及用于从反馈环信号去除输入信号的分量的信号组合器。
[0014] 滤波元件可以包括控制参数输入，该控制参数输入用于接受用于调节滤波元件的 增益和相位特性的控制参数。用于检测振荡信号的电路可以包括锁相环（PLL)。
[0015] 在另一个方面，一般而言，用于基于反馈的主动降噪的方法包括：在反馈部件的 第一信号输入处接受输入信号，其中反馈部件形成具有音频路径分段的反馈环的至少一部 分；通过反馈部件的驱动器输出向音频路径分段的驱动器提供驱动器信号；在反馈部件的 第一反馈输入处接受来自第一传感器的响应于音频路径分段上的信号的第一反馈信号；在 反馈部件的控制输入处接受控制参数，控制参数用于调节反馈环的增益特性和相位特性中 的至少一个；以及检测反馈部件中的不稳定性状态并且基于检测结果形成控制参数。检测 不稳定性状态包括：在反馈环信号输入处接受反馈环信号；检测反馈环信号中的振荡信号 分量，该振荡信号分量没有体现在输入信号中；以及通过控制参数输出向反馈元件的控制 参数输入提供控制参数。
[0016] 本发明的方面可以包括下述特征中的一个或多个。
[0017] 反馈环信号可以表示驱动器信号。反馈环信号可以表示第一反馈信号。检测反馈 环信号中的振荡信号分量可以包括：形成修改的反馈环信号，这包括从反馈环信号去除输 入信号的分量；以及检测修改的反馈环信号中的在指定频率范围内的振荡信号分量。检测 振荡信号分量可以包括：将电压控制的振荡器的输出与修改的反馈环信号进行组合。该方 法还可以包括在前馈输入处接受来自第二传感器的响应于音频路径分段上的第二信号的 第一前馈信号。
[0018] 检测反馈环信号中的振荡信号分量可以包括：向反馈环信号应用高通滤波器，该 高通滤波器用于从反馈环信号去除主动降噪信号分量。形成修改的反馈环信号可以包括： 在滤波元件处形成输入信号的分量；以及在信号组合器处从反馈环信号去除输入信号的分 量。在滤波元件处形成输入信号的分量可以包括：在滤波元件的控制参数输入处接受用于 调节滤波元件的增益和相位特性的控制参数。检测振荡信号可以包括使用锁相环（PLL)来 检测和追踪振荡信号。
[0019] 实施例可以具有下列优点中的一个或多个。
[0020] 实施例可以需要较少的电子部件，从而与包括通用的数字信号处理（DSP)硬件的 常规系统相比，降低了成本。
[0021] 实施例可以消耗非常少的功率（例如，几微瓦），因为不需要高速/低噪运算放大 器。
[0022] 实施例可以比需要长测量和多次计算的基于DSP的系统更快地对干扰作出反应。 在一些示例中，基于DSP的系统不能够足够快地作出反应以防止大的高声调的声音由于耳 机装置中扬声器驱动器紧邻耳膜而长时间地冲击耳膜。
[0023] 实施例不必单单由声音信号触发，而是能够可靠地检测声音信号存在下的振荡。
[0024] 实施例能够追踪振荡信号的调制。
[0025] 本发明的其他特征和优点将从下文的描述和权利要求中变得显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0026] 图1是包括振荡检测器的反馈降噪系统的框图。
[0027] 图2是振荡检测器的框图。
[0028] 图3是示出增益和相位余量的曲线图。
[0029] 图4是配置成减小在图4a、4b和4c中详细示出的环增益的电路的概略图。
[0030] 图4a是配置成减小环增益的电路的一部分的详图。
[0031] 图4b是配置成减小环增益的电路的一部分的详图。
[0032] 图4c是配置成减小环增益的电路的一部分的详图。
[0033] 图5是示出增益和相位余量的曲线图。
[0034] 图6是配置成减小环增益和带宽的电路。
[0035] 图7是具有堵塞末端的耳内耳机。
[0036] 图8是对于未堵塞情况和堵塞情况的声学阻抗的曲线图。
[0037] 图9是配置成检测堵塞末端的耳内耳机。
[0038] 图10是包括组合式振荡/堵塞末端检测器的反馈降噪的框图。
[0039] 图11是组合式振荡/堵塞末端检测器的框图。
[0040] 图12是示出了用来计算组合式振荡/堵塞末端检测器的输出的逻辑的真值表。
[0041] 图13是对于未堵塞情况和堵塞情况的声学阻抗度量的曲线图。
[0042] 图14是包括振荡检测器的第二反馈降噪系统的框图。
[0043] 图15是第二振荡检测器的框图。
[0044] 图16是增益控制器的框图。
[0045] 图17是包括振荡检测器的第三反馈降噪系统的框图。
[0046] 图18是第二组合式振荡/堵塞末端检测器。

【具体实施方式】
[0047] 1.综述
[0048] 本文描述的系统检测由于基于反馈控制的主动降噪系统中的过度反馈环增益而 导致的实际的或潜在的反馈环不稳定性，并且减轻该不稳定性以使系统恢复至稳定或更稳 定的运行状态。
[0049] 该系统融合了以下认知：
[0050] a)当反馈环的增益在反馈环的相位接近180°时的频率下接近1时，反馈环的增 益的带宽增加。这减小了系统中的相位余量，最终导致不稳定的反馈环，这能够导致在该频 率下的振荡或有阻尼的振荡。
[0051] b)当耳塞的末端被堵塞时，发生显著的声学阻抗变化，从而改变反馈环增益。
[0052] 当检测到反馈环中的不稳定性时，系统通过调节反馈环的增益而减轻不稳定性。
[0053] 2.振荡检测器
[0054] 参照图1，用于声学主动降噪的系统200接收输入信号（例如，声学信号）x(t)，并 将修改形式的输入信号提供至声学驱动器102。声学驱动器102将修改形式的输入信号转 变为声腔104中的声波y(t)。在声腔104中，y(t)经过声学驱动器102与反馈麦克风108 之间的声学传递函数A(用106表示）。y(t)经过A 106的结果与噪声声波N(t)组合以产 生反馈麦克风1〇8测量将声波转变为电信号e (t)。该信号沿着反馈路径传递经 过反馈因子Η 210。
[0055] 在向前的路径中，输入信号x(t)被提供给第一传递函数块Ai (用112表示）。然 后，从第一传递函数块112的输出中减去反馈因子H210的输出。在一些示例中，Ai 112的 输出仅仅包括（或者主要包括）x(t)的位于期望主动降噪带宽内的频率分量，使位于期望 主动降噪带宽外的频率被衰减。减法的结果被提供给第一向前路径增益元件h (用116表 示）。
[0056] 并行地，输入信号x(t)被提供给第二传递函数块A2(用114表示）。第一向前路 径增益元件Gi 116的输出被添加至第二传递函数块114的输出。在一些示例中，A2 114的 输出仅仅包括x(t)的位于期望主动降噪带宽外的频率分量，使位于期望主动降噪带宽内 的频率被衰减。加法的结果被提供给第二向前路径增益元件G 2(用118表示）。第二向前 路径增益元件G2 118的输出被提供给声学驱动器102。
[0057] 在一些示例中，在不同的阶段将输入信号x(t)的不同分量添加到向前路径中的 目的是向输入信号的被认为更重要的分量使用较高的增益。例如，图1的系统将x(t)的位 于主动降噪带宽内的频率分量比x(t)的位于主动降噪带宽外的频率分量更早地添加在系 统内。这导致向位于主动降噪带宽内的频率分量应用较多的增益（即，h 116和62 118两 者）以及向位于主动降噪带宽外的频率分量应用较少的增益（即，仅仅G2 118)。较高的反 馈增益导致较大的降噪。
[0058] 在一些示例中，x(t) =0(8卩，没有提供输入信号）。在这些示例中，主动降噪系统 减小反馈麦克风处的环境噪声，从而将在麦克风处感测到的信号驱动至零。
[0059] 在图1所示的系统中，e(t)是声腔内反馈麦克风108的位置处的声学信号。在频 率内，e (t)能够如下地表达为E (ω)。
[0060]

【权利要求】
1. 一种基于反馈的主动降噪系统，包括： 反馈部件，所述反馈部件用于形成具有音频路径分段的反馈环的至少一部分，所述反 馈部件包括 用于接受输入信号的第一信号输入， 用于向所述音频路径分段的驱动器提供驱动器信号的驱动器输出， 用于接受来自第一传感器的、响应于所述音频路径分段上的信号的第一反馈信号的第 一反馈输入， 用于接受控制参数的控制输入，所述控制参数用于调节所述反馈环的增益特性和相位 特性中的至少一个特性，以及 不稳定性检测器，所述不稳定性检测器用于检测所述反馈部件中的不稳定性状态并且 基于检测结果形成所述控制参数，所述不稳定性检测器包括 用于接受反馈环信号的反馈环信号输入， 用于检测所述反馈环信号中的没有被表示在所述输入信号中的振荡信号分量的电路， 以及 控制参数输出，用于向所述反馈部件的控制参数输入提供所述控制参数。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈环信号表示所述驱动器信号。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈环信号表示所述第一反馈信号。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中用于检测所述反馈环信号中的所述振荡信号分量 的所述电路包括， 用于形成修改的反馈环信号的电路，所述电路包括用于从所述反馈环信号去除所述输 入信号的分量的电路装置，以及 用于检测所述修改的反馈环信号中的、在指定频率范围内的所述振荡信号分量的电 路。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中用于检测所述振荡信号分量的所述电路包括：电 压控制的振荡器以及用于将所述电压控制的振荡器的输出与所述修改的反馈环信号进行 组合的电路。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈分量还包括前馈输入，所述前馈输入用 于接受来自第二传感器的、响应于所述音频路径分段上的第二信号的第一前馈信号。
7. 根据权利要求4所述的系统，其中用于检测所述反馈环信号中的所述振荡信号分量 的所述电路还包括高通滤波器，所述高通滤波器用于从所述反馈环信号去除主动降噪信号 分量。
8. 根据权利要求4所述的系统，其中用于形成所述修改的反馈环信号的所述电路包 括， 用于形成所述输入信号的分量的滤波元件，以及 用于从所述反馈环信号去除所述输入信号的所述分量的信号组合器。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述滤波元件包括控制参数输入，所述控制参数 输入用于接受用于调节所述滤波元件的增益和相位特性的所述控制参数。
10. 根据权利要求1所述的系统，其中用于检测所述振荡信号的所述电路包括锁相环 (PLL)。
11. 一种用于基于反馈的主动降噪的方法，包括： 在反馈部件的第一信号输入处接受输入信号，所述反馈部件形成具有音频路径分段的 反馈环的至少一部分； 通过所述反馈部件的驱动器输出向所述音频路径分段的驱动器提供驱动器信号； 在所述反馈部件的第一反馈输入处接受来自第一传感器的、响应于所述音频路径分段 上的信号的第一反馈信号； 在所述反馈部件的控制输入处接受控制参数，所述控制参数用于调节所述反馈环的增 益特性和相位特性中的至少一个特性；以及 检测所述反馈部件中的不稳定性状态并且基于检测结果形成所述控制参数，检测所述 不稳定性状态包括 在反馈环信号输入处接受反馈环信号， 检测所述反馈环信号中的振荡信号分量，所述振荡信号分量没有被表示在所述输入信 号中，以及 通过控制参数输出向所述反馈元件的控制参数输入提供所述控制参数。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述反馈环信号表示所述驱动器信号。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中所述反馈环信号表示所述第一反馈信号。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中检测所述反馈环信号中的所述振荡信号分量包 括， 形成修改的反馈环信号，包括从所述反馈环信号去除所述输入信号的分量，以及 检测所述修改的反馈环信号中的、在指定频率范围内的所述振荡信号分量。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中检测所述振荡信号分量包括将电压控制的振荡 器的输出与所述修改的反馈环信号进行组合。
16. 根据权利要求11所述的方法，其中还包括在前馈输入处接受来自第二传感器的、 响应于所述音频路径分段上的第二信号的第一前馈信号。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中检测所述反馈环信号中的所述振荡信号分量还 包括向所述反馈环信号应用高通滤波器，所述高通滤波器用于从所述反馈环信号去除主动 降噪信号分量。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中形成所述修改的反馈环信号包括， 在滤波元件处形成所述输入信号的分量；以及 在信号组合器处从所述反馈环信号去除所述输入信号的所述分量。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中在所述滤波元件处形成所述输入信号的所述分 量包括在所述滤波元件的控制参数输入处接受所述控制参数，所述控制参数用于调节所述 滤波元件的增益和相位特性。
20. 根据权利要求11所述的方法，其中检测所述振荡信号包括使用用于检测和追踪所 述振荡信号的锁相环（PLL)。
【文档编号】H04R3/02GK104303519SQ201380025701
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年4月1日 优先权日:2012年4月2日
【发明者】P·N·巴卡洛斯 申请人:伯斯有限公司