一种数字降噪方法、装置和一种音频播放设备与流程

本发明涉及降噪技术领域，特别涉及一种数字降噪方法、装置和一种音频播放设备。

背景技术：

传统的降噪耳机采用模拟电路实现，需要通过复杂的硬件电路来搭建滤波器，不但调试复杂，而且精度较低。随着数字技术的不断发展，数字信号的处理也越来越成熟，降噪耳机开始更加普遍地采用数字技术进行降噪处理。将降噪滤波器改为数字滤波器后，大大简化了降噪耳机的调试过程，仅需在软件中修改几个参数便可进行实测，避免了重复焊接硬件电路的繁琐，同时数字滤波器精度非常高，可保证量产时的一致性。

然而，通过数字信号进行滤波处理，要比直接使用模拟信号进行滤波处理多一个步骤，即需要将模拟信号转换为数字信号。将模拟信号转化为数字信号的装置叫做模数转换器(analog-to-digitalconverter，简写adc)，经adc转化后的数字信号输入到数字信号处理(digitalsignalprocessing，简写dsp)芯片进行处理，再经数模转换器(digital-to-analogconverter，简写dac)转换为模拟信号，用于输出降噪，其装置框图如图1所示，该降噪装置100中，模数转换器110、数字信号处理芯片120和数模转换器130依次连接。在数字降噪设计中，dsp中设置有降噪滤波器，用以得到与外界噪声反相的降噪信号，并输出给扬声器抵消噪声。通常为了得到较高的降噪量，设计的降噪滤波器具有很高的增益，最高增益可达20db以上，图2为一种数字反馈降噪耳机的降噪滤波器曲线，从图2中可见，该降噪滤波器在低频段的增益最高达到30db左右。图3为采用图2所示降噪滤波器的降噪装置在未接入输入时输出信号的傅里叶变换(fastfouriertransformation，简写fft)曲线，其测试设备为audioprecision525音频分析仪。

如图3所示，在现有的数字降噪装置中，数字降噪芯片存在比较大的延迟，在降噪滤波器设计时容易引进高频噪声，再加上adc的噪声被放大，造成本底噪声较大，影响了整体的数字降噪效果。因此，需要提出一种能够降低数字降噪装置本底噪声的方法，来提高降噪效果，提高用户体验。

技术实现要素：

鉴于现有技术数字降噪装置存在较高本底噪声的问题，提出了本发明的一种数字降噪方法、装置和一种音频播放设备，以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

依据本发明的一个方面，提供了一种数字降噪方法，该方法包括：

s110，采集环境噪声的模拟信号；

s120，将所述模拟信号进行放大；

s130，将放大后的所述模拟信号转换为数字信号，并进行反相处理，得到反相数字信号，反相处理的增益降低至0db以下；

s140，将得到的反相数字信号转换为模拟信号，输出到扬声器以抵消环境噪声；

其中，步骤s120中放大的增益量，用以抵消步骤s130中反相处理降低的增益量。

可选地，在步骤s120中，利用可编程增益放大器对所述模拟信号进行放大。

可选地，在步骤s140中，在将转化的模拟信号输出到扬声器之前，还包括步骤：

s141，将转换得到的模拟信号与待播放的音频信号进行叠加，将叠加后的信号输出到扬声器。

依据本发明的另一个方面，提供了一种数字降噪装置，该数字降噪装置包括依次连接的放大单元、模数转换器、数字信号处理芯片和数模转换器；

所述放大单元，用于接收环境噪声的模拟信号，将所述模拟信号放大，并发送给所述模数转换器；

所述模数转换器，用于将放大后的所述模拟信号转换为数字信号，并发送给所述数字信号处理芯片；

所述数字信号处理芯片，用于将接收到的数字信号进行反相处理，得到反相数字信号，并发送给所述数模转换器，所述数字信号处理芯片的增益降低至0db以下；

所述数模转换器，用于将得到的反相数字信号转换为模拟信号，输出到扬声器以抵消环境噪声；

其中，所述放大单元的放大增益量，用以抵消所述数字信号处理芯片降低的增益量。

可选地，所述放大单元为可编程增益放大器。

可选地，该数字降噪装置还包括叠加单元；

所述叠加单元连接在所述数模转换器和扬声器之间，用于接收所述数模转换器发送的模拟信号，并将所述模拟信号与待播放音频信号叠加，将叠加后的信号输出到扬声器。

依据本发明的又一个方面，提供了一种音频播放设备，该音频播放设备包括依次连接的麦克风、放大单元、模数转换器、数字信号处理芯片、数模转换器和扬声器；

所述麦克风，用于采集环境噪声的模拟信号，并发送给所述放大单元；

所述放大单元，用于将接收到的所述模拟信号进行放大，并发送给所述模数转换器；

所述模数转换器，用于将放大后的所述模拟信号转换为数字信号，并发送给所述数字信号处理芯片；

所述数字信号处理芯片，用于将接收到的数字信号进行反相处理，得到反相数字信号，并发送给所述数模转换器，所述数字信号处理芯片的增益降低至0db以下；

所述数模转换器，用于将得到的反相数字信号转换为模拟信号，输出到扬声器以抵消环境噪声；

所述扬声器，用于播放音频；

其中，所述放大单元的放大增益量，用以抵消所述数字信号处理芯片降低的增益量。

可选地，所述放大单元为可编程增益放大器。

可选地，该音频播放设备还包括叠加单元；

所述叠加单元连接在所述数模转换器和所述扬声器之间，用于接收所述数模转换器发送的模拟信号，并将所述模拟信号与待播放音频信号叠加，将叠加后的信号输出到扬声器。

可选地，所述音频播放设备为耳机。

综上所述，本发明的有益效果是：

在对模拟信号进行模数转换之前，加入放大步骤，并将噪声信号反相处理的增益减小到0db以下，由前述放大步骤弥补降噪滤波器减小的增益量，实现了增益前移，这样既保证了降噪所需的整体增益，又避免了模数转换引入的噪声被同时放大，提高了系统的信噪比，改善了用户体验。

附图说明

图1为现有技术一种数字降噪装置组成示意图；

图2为现有技术一种数字降噪装置中数字信号处理芯片中滤波器曲线图；

图3为现有技术一种数字降噪装置的本底噪声fft曲线图；

图4为本发明实施例一提供的一种数字降噪方法流程示意图；

图5为本发明实施例二提供的一种数字降噪装置组成示意图；

图6为本发明实施例二提供的一种数字降噪装置信号处理过程示意图；

图7为本发明实施例二提供的一种数字降噪装置中数字信号处理芯片中滤波器曲线图；

图8为本发明实施例二提供的一种数字降噪装置的本底噪声fft曲线图；

图9为本发明实施例三提供的一种音频播放设备组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的技术构思是，在对模拟信号进行模数转换之前，加入放大步骤，并将反相处理中降噪滤波器的增益减小到0db以下，由前述放大步骤弥补降噪滤波器减小的增益量，这样既保证了降噪所需的整体增益，又避免了模数转换过程引入的噪声被同时放大，提高了系统的信噪比。

参考图2和图3所示，申请人在研发过程中发现，图3的本底噪声fft曲线与图2的滤波器曲线形状基本一致，从而判定滤波器增益使本底噪声抬升，是产生较高本底噪声的重要原因。由于adc本身存在各种噪声，如量化噪声等，这些噪声会同信号一起输入到dsp中，经滤波器滤波后输出到扬声器，导致本底噪声较大，佩戴时主观感受非常明显，例如可听到较大的“沙沙”声，尤其是在有较高降噪量时，外界噪声进入耳机内后被明显降低，本底噪声相对于外界噪声变大，外界噪声对本底噪声的掩蔽作用减弱，使本底噪声被明显听到。

实施例一

为了解决上述问题，本申请提出了如图4流程图所示的数字降噪方法，如图4所示，该方法包括如下步骤：

步骤s110，采集环境噪声的模拟信号。例如，使用麦克风采集环境噪声的模拟信号。

步骤s120，将模拟信号进行放大。

步骤s130，将放大后的模拟信号转换为数字信号，并进行反相处理，得到反相数字信号，反相处理的增益降低至0db以下。

步骤s140，将得到的反相数字信号转换为模拟信号，输出到扬声器以抵消环境噪声。

其中，步骤s120中放大的增益量，用以抵消步骤s130中反相处理降低的增益量。

与现有的主动降噪方法相比，本申请中，数字信号反相处理的增益降低到0db以下，使得反相处理过程不具有信号放大作用，为了弥补降低的增益量，在进行模数转换之前对模拟信号进行放大，实现了增益前移，这样既保证了整个降噪过程的增益量不变，又避免了模数转换过程引入的噪声被同时放大，从而降低了降噪装置的本底噪声，提高了系统输出端的信噪比，改善了用户体验。

其中，对于数字信号的反相处理，可以使用数字信号处理芯片dsp来实现，dsp中设置有数字滤波器，该数字滤波器为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

优选地，在步骤s120中，利用可编程增益放大器对模拟信号进行放大。可编程增益放大器(programmablegainamplifier，简写pga)，是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制。使用可编程增益发达器对模拟信号进行放大，放大倍数可通过程序灵活设定，有利于增益大小的调整，以准确弥补反相过程降低的增益量，例如，当数字信号处理芯片中滤波器的增益降低20db时，通过程序将可编程增益放大器的增益设定为20db，则整体增益可保持不变，对环境噪声的降噪量得到了保持。

优选地，在步骤s140中，在将转化的模拟信号输出到扬声器之前，还包括步骤s141，将转换得到的模拟信号与待播放的音频信号进行叠加，将叠加后的信号输出到扬声器。

本申请的降噪方法可以用于多种情景，例如，可以用于消除车内、工厂内的机器噪声，提供安静环境，此时处理得到的反相噪声模拟信号可直接由扬声器播放；或者，也可以用于降低音频播放时环境声音的干扰，如提高嘈杂环境内的通话质量等，此时，可以将转换得到的模拟信号与待播放的音频信号进行叠加，将叠加后的信号输出到扬声器，以抵消环境噪声，提高通话质量。

实施例二

本申请还公开了一种数字降噪装置，其组成如图5所示，该数字降噪装置包括依次连接的放大单元540、模数转换器510、数字信号处理芯片520和数模转换器530。

放大单元540，用于将接收到的模拟信号进行放大，并发送给模数转换器510。环境噪声的模拟信号，可以有麦克风采集，并发送给放大单元540。

模数转换器510，用于将放大后的模拟信号转换为数字信号，并发送给数字信号处理芯片520。

数字信号处理芯片520，用于将接收到的数字信号进行反相处理，得到反相数字信号，并发送给数模转换器530，数字信号处理芯片520的增益降低至0db以下，即在该噪声信号的反相处理过程中，不存在对信号的放大作用。

数模转换器530，用于将得到的反相数字信号转换为模拟信号，输出到扬声器以抵消环境噪声。

其中，放大单元540的放大增益量，用以抵消数字信号处理芯片520降低的增益量。

该数字降噪装置500的信号处理过程如图6所示，输入信号首先经放大单元放大，放大增益为数字信号处理芯片中滤波器减小的增益放大后的信号再进行模数转换，之后输入到数字信号处理芯片进行滤波处理，滤波器增益限制在0db以下，最后将滤波处理后的数字信号转换为模拟信号输出。通过上述信号处理过程，实现了增益前移，既保证了整个降噪过程的增益量不变，又避免了模数转换引入的噪声被同时放大，降低了降噪装置的本底噪声，提高了装置输出端的信噪比，改善了用户体验。

图7示出了本申请数字降噪装置的数字信号处理芯片中降噪滤波器的曲线图，从图中可见，其增益在0db以下，从而不具有信号放大功能。图8示出了采用本发明数字降噪装置的本底噪声曲线，测试设备和测试条件与图3同等，其中放大电路的增益为数字信号处理芯片中滤波器减小的增益量，从图中可见，本发明数字降噪装置的本底噪声降低20db以上，与滤波器减小的增益一致。

优选地，在本发明的一个实施例中，放大单元540为可编程增益放大器。

优选地，该数字降噪装置500还包括叠加单元(未图示)，叠加单元连接在数模转换器530之后，扬声器之前，用于接收数模转换器530发送的模拟信号，并将模拟信号与待播放音频信号叠加，将叠加后的信号输出到扬声器播放。

实施例三

本发明还公开了一种音频播放设备，如图9所示，该音频播放设备900包括依次连接的麦克风950、放大单元940、模数转换器910、数字信号处理芯片920、数模转换器930和扬声器960。

麦克风950，用于采集环境噪声的模拟信号，并发送给放大单元940。

放大单元940，用于将接收到的模拟信号进行放大，并发送给模数转换器910。

模数转换器910，用于将放大后的模拟信号转换为数字信号，并发送给数字信号处理芯片920。

数字信号处理芯片920，用于将接收到的数字信号进行反相处理，得到反相数字信号，并发送给数模转换器930，数字信号处理芯片920的增益降低至0db以下。

数模转换器930，用于将得到的反相数字信号转换为模拟信号，输出到扬声器960以抵消环境噪声。

扬声器960，用于播放音频。

其中，放大单元740的放大增益量，用以抵消数字信号处理芯片720降低的增益量。

优选地，放大单元740为可编程增益放大器。

优选地，该音频播放设备700还包括叠加单元(未图示)，叠加单元连接在数模转换器730和扬声器760之间，用于接收数模转换器730发送的模拟信号，并将模拟信号与待播放音频信号叠加，将叠加后的信号输出到扬声器760。

优选地，该音频播放设备700为耳机，由于采用了上述降噪结构，能够提高通话质量或音乐播放质量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。