耳机的数字降噪滤波器生成方法及装置与流程

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种耳机的数字降噪滤波器生成方法及装置。

背景技术：

对比于音响来说，耳机有着很多优势，例如，便携性好、私密性高以及对于周围人群的影响比较小等等。其中，具有降噪功能的耳机因其能够对耳机中麦克风拾取到的噪声信号进行滤除，为使用户能够带来更好的使用体验，而最为受到人们的喜爱。

降噪耳机通常是使用降噪滤波器来实现降噪的。而在现有技术中，降噪滤波器通常是需要通过复杂的调试过程才能生成，这导致降噪滤波器的生成过程繁琐并且效率低下。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种耳机的数字降噪滤波器生成方法及装置，对得到的第二传递函数进行系统辨识处理从而自动生成数字降噪滤波器，提高数字降噪滤波器的生成效率。

本发明实施例提供一种耳机的数字降噪滤波器生成方法，包括：

获取第一传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，所述第一传递函数对应于耳机的声学通道；

根据所述第一传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，确定第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，所述第二传递函数对应于所述耳机的数字降噪滤波器；

根据所述第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，对所述数字降噪滤波器进行系统辨识处理，以获得所述数字降噪滤波器。

可选地，所述确定第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线之后，还包括：

对所述第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线进行平滑处理。

可选地，所述根据所述第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，对所述数字降噪滤波器进行系统辨识处理，以获得所述数字降噪滤波器，包括：

输入待处理信号至lms滤波器，调整所述lms滤波器的权重系数，以使得所述lms滤波器的幅度响应曲线和相位响应曲线匹配于所述第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线；

根据所述lms滤波器调整后的权重系数确定所述数字降噪滤波器。

可选地，所述方法还包括：

将所述数字降噪滤波器的响应表达式导入至所述耳机的数字信号处理组件中。

可选地，所述数字降噪滤波器的响应表达式为s域表达式，所述将所述数字降噪滤波器的响应表达式导入至所述耳机的数字信号处理组件中，包括：

将所述s域表达式转化为z域表达式；

将所述z域表达式转化为状态空间表达式；

将所述状态空间表达式导入至所述耳机的数字信号处理组件中。

本发明实施例提供一种耳机的数字降噪滤波器生成装置，包括：

获取模块，用于获取第一传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，所述第一传递函数对应于耳机的声学通道；

确定模块，用于根据所述第一传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，确定第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，所述第二传递函数对应于所述耳机的数字降噪滤波器；

处理模块，用于根据所述第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，对所述数字降噪滤波器进行系统辨识处理，以获得所述数字降噪滤波器。

可选地，所述装置还包括：

平滑模块，用于对所述第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线进行平滑处理。

可选地，所述处理模块包括：

输入单元，用于输入待处理信号至lms滤波器；

调整单元，用于调整所述lms滤波器的权重系数，以使得所述lms滤波器的幅度响应曲线和相位响应曲线匹配于所述第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线；

确定单元，用于根据所述lms滤波器调整后的权重系数确定所述数字降噪滤波器。

可选地，所述装置还包括：

导入模块，用于将所述数字降噪滤波器的响应表达式导入至所述耳机的数字信号处理组件中。

可选地，所述导入模块具体包括：

第一转化单元，用于将所述s域表达式转化为z域表达式；

第二转化单元，用于将所述z域表达式转化为状态空间表达式；

导入单元，用于将所述状态空间表达式导入至所述耳机的数字信号处理组件中。

本发明实施例提供的耳机的数字降噪滤波器生成方法及装置，获取耳机中声学通道对应的第一传递函数的频率响应曲线，其中频率响应曲线中包括幅度响应曲线以及相位响应曲线。然后，根据声学通道对应的第一传递函数的幅度响应曲线以及相位响应曲线确定耳机中数字降噪滤波器对应的第二传递函数的幅度响应曲线以及相位响应曲线。通过系统辨识，根据确定出的第二传递函数的幅度响应曲线以及相位响应曲线生成相应的数字降噪滤波器。而通过系统辨识的方式，只需要获得数字降噪滤波器的幅度响应曲线以及相位响应曲线即可得到对应的数字滤波器，省去了复杂的调试过程，从而提高数字降噪滤波器的生成效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的耳机的数字降噪滤波器生成方法实施例一的流程图；

图2为前馈噪声控制系统的系统框图；

图3为前馈噪声控制系统的响应框图；

图4为系统辨识的原理框图；

图5为本发明实施例提供的耳机的数字降噪滤波器生成装置实施例一的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述xxx，但这些xxx不应限于这些术语。这些术语仅用来将xxx彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一xxx也可以被称为第二xxx，类似地，第二xxx也可以被称为第一xxx。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

图1为本发明实施例提供的耳机的数字降噪滤波器生成方法实施例一的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

s101，获取第一传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，第一传递函数对应于耳机的声学通道。

通常耳机中的噪声控制系统可以包括麦克风、降噪滤波器、扬声器，其中，可选地，降噪滤波器可以是数字降噪滤波器也可以是模拟降噪滤波器，扬声器用于播放信号，麦克风用于拾取信号。可选地，噪声控制系统可以为前馈噪声控制系统或者反馈噪声控制系统。

以前馈噪声控制系统为例，由扬声器到人耳之间声学通道对应的传递函数以及麦克风到人耳之间的声学通道对应的传递函数共同组成前馈噪声控制系统的第一传递函数，并且第一传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线是根据两个传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线而生成的。

扬声器到人耳之间声学通道对应的传递函数可以采用预先测试的方式获得。具体的，可以选取一信号，可选地，此信号可以是扫频信号或者白噪声信号，由扬声器发出该信号，并在人耳处接收该信号，从而，通过人耳处接收到的信号和扬声器发生的信号的测量，即可获得该声学通道对应的传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线。

同时，麦克风到人耳之间的声学通道对应的传递函数同样可以采用预先测试的方式获得。

s102，根据第一传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，确定第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，第二传递函数对应于耳机的数字降噪滤波器。

数字降噪滤波器的响应与声学通道的响应共同决定了噪声控制系统的性能，而设计者们是在确定了噪声控制系统性能的基础上来进行数字降噪滤波器的设计的。因此，可以认为噪声控制系统的响应曲线是已知的，并且在步骤s101中也已经获取了声学通道对应的第一传递函数对应的幅度响应曲线和相位响应曲线，基于此则可以确定出第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，且第二传递函数对应于耳机的数字降噪滤波器。

同样以前馈噪声控制系统为例，图3为前馈噪声控制系统的响应框图。由图3可知，此前馈噪声控制系统中声学通道对应的传递函数与数字降噪滤波器对应的传递函数具有以下关系：p(s)＝h(s)*g(s)，其中，p(s)为麦克风到人耳之间的声学通道对应的传递函数，g(s)为扬声器到人耳之间的声学通道对应的传递函数，h(s)为数字降噪滤波器对应的传递函数。此时，由于p(s)、g(s)的幅度响应曲线和相位响应曲线都是预先测试得到的，是已知的，因此，可以很容易地可以得到数字降噪滤波器对应的第二传递函数h(s)的幅度响应曲线和相位响应曲线。

可选地，在确定出第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线后，此幅度响应曲线和相位响应曲线中有可能会出现毛刺，而毛刺通常是由于噪声的干扰而产生的。此时为了能够不影响数字降噪滤波器的生成效果，此时需要对第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线进行曲线平滑处理。

可选地，也可以采用非线性平滑处理技术，例如众数法进行曲线的平滑处理。众数法可以理解为将信号中某一点的幅值用与其相邻的预设点数的幅值加权平均值来替换。

可选地，可以采用线性平滑处理技术，例如中值法进行曲线的平滑处理。中值法可以理解为将信号中某一点的幅值用与其相邻的预设点数中幅值的中间值来代替。

s103，根据第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，对数字降噪滤波器进行系统辨识处理，以获得数字降噪滤波器。

系统辨识是一种根据系统的输入信号和输出信号确定系统响应的方法。在本发明实施例中，系统可以对应于数字降噪滤波器。系统辨识具体过程可以简述为：将一输入信号输入到某已知的滤波器中，从而可以基于该已知滤波器的输出，获得该已知滤波器的响应曲线。通过不断调节该已知滤波器的滤波系数，使得其响应曲线与未知滤波器的响应曲线匹配，此时，即可根据调整后的该已知滤波器的滤波系数确定该未知滤波器的滤波系数，根据滤波系数即可确定出未知滤波器。其中，未知滤波器就是最终要生成的数字降噪滤波器，其对应的幅度响应曲线和相位响应曲线的就是步骤s102中确定出的第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线。

实际应用中，可以通过多种方法实现系统辨识，例如阶跃响应法、频率响应法、最小二乘法等等。

可选地，本发明中实施例可以通过最小均方算法来对第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线进行系统辨识，以获得数字降噪滤波器。

基于最小均方算法的系统辨识的原理框图如图4所示，其中，数字降噪滤波器对应的幅度响应曲线和相位响应曲线就是第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线。

首先，先将待处理信号x(k)输入至最小均方(leastmeansquare，简称lms)滤波器，从而得到相应的输出信号y1(k)对应的幅度响应曲线和相位响应曲线。然后，将输出信号y1(k)对应的幅度响应曲线和相位响应曲线与第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线进行比较，得到误差信号e(k)对应的幅度响应曲线和相位响应曲线，若比较结果显示两者不一致，则调整lms滤波器的权重系数。

进而，再基于调整后的lms滤波器对该待处理信号x(k)进行滤波处理，再将此时的输出信号y2(k)对应的幅度响应曲线和相位响应曲线与第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线进行比较，再根据比较结果进一步调整lms滤波器的权重系数……直至输出信号yn(k)对应的幅度响应曲线和相位响应曲线与第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线相匹配，则停止调整lms滤波器的权重系数。

可选地，输出信号yn(k)对应的幅度响应曲线和相位响应曲与第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线相匹配可以通过曲线相似度来体现，其中，曲线相似度可以用误差信号e(k)对应的幅度响应曲线和相位响应曲线来表示。当误差信号e(k)对应的幅度响应曲线和相位响应曲线满足一定范围时，则表明输出信号yn(k)对应的幅度响应曲线和相位响应曲与第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线相匹配。

最后，得到的lms滤波器的权重系数也即是数据降噪滤波器响应表达式的系数，因此，可以根据得到的lms滤波器的权重系数即可确定出数字降噪滤波器。

在实际应用中，数字降噪滤波器往往是作为数字信号处理组件中的一个功能组成部分而存在。因此，在根据第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，对数字降噪滤波器进行系统辨识处理，以获得数字降噪滤波器之后，还需要将该数字降噪滤波器的响应表达式导入至耳机的数字信号处理组件中。

可选地，在通过上述方式获得数字降噪滤波器的同时，也即可获得数字降噪滤波器的响应表达式，而该响应表达式对应于s域的形式，此s域又可以称为模拟域，而此形式的响应表达式并不适用于耳机的数字信号处理组件中，因此还需要对s域的响应表达式进行变形以适应耳机的数字信号处理组件。

首先，将s域表达式转化为z域表达式。

在一可选实施例中，本发明实施例提供的耳机的数字降噪滤波器生成方法可以由matlab环境下编辑得到的一段计算机程序来执行。基于此软件环境，可以采用matlab中的bilinear函数将s域的响应表达式转换为z域的响应表达式，此z域又可以称为数字域。其中，bilinear函数的表达形式为[numd,dend]＝bilinear(num,den,fs)，num、den分别为s域中响应表达式的分子和分母的系数矩阵，fs为信号采样率，此采样率可以根据使用场景进行相应设定，numd、dend分别为z域中响应表达式的分子和分母的系数矩阵。根据得到的z域中响应表达式的分子和分母的系数矩阵即可得到z域的响应表达式。

其次，将z域表达式转化为状态空间表达式。

同样基于matlab的软件环境，可以使用tf2sos函数将z域表达式转化为状态空间表达式。其中，tf2sos函数的表达形式为[sos,g]＝tf2sos(numd,dend)，numd、dend为z域响应表达式的分子和分母的系数矩阵，sos为状态空间的系数矩阵，g为增益系数。

最后，将状态空间表达式导入至耳机的数字信号处理组件中。

此状态空间形式的响应表达式才是适用于耳机的数字信号处理组件的形式。将状态空间表达式导入至耳机的数字信号处理组件中后，耳机的数字信号处理组件便可以同时利用此形式的响应表达式对应的数字降噪滤波器来实现耳机的降噪功能。

本实施例中，获取耳机中声学通道对应的第一传递函数的频率响应曲线，其中频率响应曲线中包括幅度响应曲线以及相位响应曲线。然后，根据声学通道对应的第一传递函数的幅度响应曲线以及相位响应曲线确定耳机中数字降噪滤波器对应的第二传递函数的幅度响应曲线以及相位响应曲线。通过系统辨识，根据确定出的第二传递函数的幅度响应曲线以及相位响应曲线生成相应的数字降噪滤波器。而通过系统辨识的方式，只需要获得数字降噪滤波器的幅度响应曲线以及相位响应曲线即可得到对应的数字滤波器，省去了复杂的调试过程，从而提高数字降噪滤波器的生成效率。

图5为本发明实施例提供的耳机的数字降噪滤波器生成装置实施例二的结构示意图，如图2所示，该耳机的数字降噪滤波器生成装置包括：获取模块11、确定模块12、处理模块13。

获取模块11，用于获取第一传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，第一传递函数对应于耳机的声学通道。

确定模块12，用于根据第一传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，确定第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，第二传递函数对应于耳机的数字降噪滤波器。

处理模块13，用于根据第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线，对数字降噪滤波器进行系统辨识处理，以获得数字降噪滤波器。

可选地，该耳机的数字降噪滤波器生成装置还包括：平滑模块21。

平滑模块21，用于对第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线进行平滑处理。

可选地，该耳机的数字降噪滤波器生成装置中的处理模块13包括：

输入单元131，用于输入待处理信号至lms滤波器。

调整单元132，用于调整lms滤波器的权重系数，以使得lms滤波器的幅度响应曲线和相位响应曲线匹配于第二传递函数的幅度响应曲线和相位响应曲线。

确定单元133，用于根据lms滤波器调整后的权重系数确定数字降噪滤波器。

可选地，该耳机的数字降噪滤波器生成装置还包括：导入模块22。

导入模块22，用于将数字降噪滤波器的响应表达式导入至耳机的数字信号处理组件中。

可选地，该耳机的数字降噪滤波器生成装置中的导入模块22具体包括：

第一转化单元211，用于将s域表达式转化为z域表达式。

第二转化单元212，用于将z域表达式转化为状态空间表达式。

导入单元213，用于将状态空间表达式导入至耳机的数字信号处理组件中。

图5所示装置可以执行图1所示实施例的方法，本实施例未详细描述的部分，可参考对图1所示实施例的相关说明。该技术方案的执行过程和技术效果参见图1所示实施例中的描述，在此不再赘述。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以产品的形式体现出来，该计算机产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。