在噪音消除个人音频设备中误差信号含量控制的次级和泄漏路径模型的调适 |
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申请号 | CN201380024363.2 | 申请日 | 2013-04-18 | 公开(公告)号 | CN104303228B | 公开(公告)日 | 2017-10-03 |
申请人 | 美国思睿逻辑有限公司; | 发明人 | 杰弗里·奥尔德森; J·D·亨德里克斯; Y·陆; | ||||
摘要 | 一种个人音频设备例如无线电话,从误差麦克 风 信号 产生抗噪音信号,并且将该抗噪音信号注入到扬声器或其他变换器输出以导致周围音频声音的消除。麦克风测量周围音频声音并且也包含归因于变换器声输出的分量。适应性 滤波器 使用来估计从噪音消除 电路 穿过变换器到至少一个麦克风的电声路径以便可以从麦克风信号去除源音频。进行确定存在于麦克风信号中的周围声音相比于源音频的变换器输出存在于麦克风信号中的量的相对量,以确定是否更新适应性响应。 | ||||||
权利要求 | 1.一种个人音频设备,包括: |
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说明书全文 | 在噪音消除个人音频设备中误差信号含量控制的次级和泄漏路径模型的调适 技术领域[0001] 本发明总体上涉及包括适应性噪音消除(ANC)的个人音频设备例如无线电话,并且更具体地,涉及在使用误差信号含量的测量来控制次级和泄漏路径估计的调适的个人音频设备中的ANC的控制。 背景技术[0002] 无线电话例如移动电话/蜂窝式电话、无绳电话及其他消费性语音设备例如mp3播放器应用广泛。可通过使用麦克风测量周围声事件及随后使用信号处理将抗噪音信号插入至设备的输出中以消除周围声事件,来提供噪音消除从而改进这些设备在清晰度方面的性能。 [0003] 噪音消除操作可以通过在变换器处测量设备的变换器输出得到改进从而利用误差麦克风确定噪音消除的效果。变换器的测量输出理想地是源音频,例如在电话中的下行链路音频,和/或在专用音频播放器或电话中的回播音频,因为噪音消除信号在变换器的位置理想地被周围噪音消除。为了从误差麦克风信号去除源音频,从变换器穿过误差麦克风的次级路径可以被估计并且被用来过滤源音频到正确相位和幅度以从误差麦克风信号减去。相似地,ANC性能可以通过建模从变换器到参考麦克风的泄漏路径来提高。然而,当源音频不存在时,次级路径估计和泄漏路径估计通常不能被更新。并且,当源音频幅度较低时,次级路径估计和泄漏路径估计不能被精确地更新,由于误差麦克风信号和/或参考麦克风信号可能由其他声音支配。 [0004] 因此,期望提供一种个人音频设备包含无线电话,其利用次级路径估计和/或泄漏路径估计提供噪音消除来分别从误差信号和参考信号去除变换器的输出,并且其可以确定是否调适次级路径和泄漏路径估计。 发明内容[0005] 在一种个人音频设备、一种操作方法及一种集成电路中完成提供个人音频设备的上述目的,个人音频设备提供包括次级路径估计和/或 泄漏路径估计的噪音消除,次级路径估计和/或泄漏路径估计在检测到相对于周围声音的充足源音频幅度时被调适。 [0006] 个人音频设备包括用于再现音频信号的输出变换器,音频信号包括用于提供给听者的源音频和用于抵抗周围音频声音在变换器的声输出中的影响的抗噪音信号两者。麦克风提供周围声音的测量,但其包含源音频归因于变换器输出的分量。个人音频设备还包含在外壳内的适应性噪音消除(ANC)处理电路,其用于从至少一个麦克风信号适应性地产生抗噪音信号,以便抗噪音信号导致周围音频声音的基本消除。ANC处理电路通过补偿从处理电路的输出穿过变换器到至少一个麦克风中的电声音路径,来控制适应性滤波器的调适,以便可以校正至少一个麦克风的输出的分量以去除源音频归因于变换器输出的分量。ANC处理电路允许适应性滤波器仅在至少一个麦克风信号归因于存在于变换器输出中的源音频的含量相对于麦克风信号归因于周围音频的含量大于阈值时,才进行调适,以便正确地建模声路径和电路径。 附图说明[0008] 图1A为连接到耳塞EB的无线电话10的视图,其是本文公开的技术可以在其内实施的个人音频设备的示例。 [0009] 图1B为在图1A中的电声信号路径的视图。 [0010] 图2为在无线电话10内的电路的方框图。 [0011] 图3为描述图2的CODEC集成电路20的ANC电路30的实施例的方框图。 [0012] 图4为描述在CODEC集成电路20内的信号处理电路和功能模块的方框图。 具体实施方式[0013] 本发明涵盖可在个人音频设备例如无线电话中实施的噪音消除技术及电路。个人语音设备包含适应性噪音消除(ANC)电路,其测量周围声环境并产生注入扬声器(或其他变换器)输出中以消除周围声事件的信号。提供参考麦克风以测量周围声环境,并且包含误差麦克风以测量周围语音和在变换器处的变换器输出,从而给出噪音消除效果的指示。次级路径估计适应性滤波器使用来从误差麦克风信号中去除回 播音频以便产生误差信号。使用泄漏路径估计适应性滤波器来从参考麦克风信号去除回播音频以产生校正泄漏的参考信号。然而,取决于变换器输出相对于存在于误差麦克风信号中的周围音频的相对量,次级路径估计和泄漏路径估计不能被正确地更新。因此,在周围音频相对于存在于误差麦克风信号中的变换器输出源音频含量的相对量超过阈值时,次级路径估计和泄漏路径估计的更新被暂停或甚至被管理。 [0014] 图1表示邻近人耳朵5的无线电话10。所示无线电话10为可采用根据本发明的实施例的技术的设备的一实例,但是应了解并非需要所示无线电话10或后续图解中所描绘的电路中所体现的元件或配置的全部。无线电话10通过无线或有线连接例如BLUETOOTHTM连接(BLUETOOTH是商标或Bluetooth SIG有限公司)连接到耳塞EB。耳塞EB具有变换器例如扬声器SPKR,其重现包括从无线电话接收的远端语音、铃声、存储的音频程序材料、以及近端语音(即无线电话10的用户的语音)的注入的源音频。源音频还包括需要无线电话10再现的任何其他音频,例如由无线电话10从网页或其他网络通信接收的源音频,以及音频指示例如电池电量低及其他系统事件通告。参考麦克风R提供到耳塞EB的壳体的表面上用于测量周围声环境。提供另一个麦克风,误差麦克风,以便当耳塞EB插入到耳朵5的外部中时,通过提供对周围音频结合由靠近耳朵5的扬声器SPKR再现的音频的测量,进一步提高ANC操作。虽然图示示例示出噪音消除系统的耳塞实施例,但是本文公开的技术也可以实施在无线电话或其他个人音频设备中,其中输出变换器和参考/误差麦克风都设置在无线电话或其他个人音频设备的壳体上。 [0015] 无线电话10包括适应性噪音消除(ANC)电路及特征,它们将抗噪音信号注入至扬声器SPKR中以改进远端语音及扬声器SPKR所重现的其他语音的清晰度。在无线电话10内的示例性电路14包含音频CODEC集成电路20,其接收来自参考麦克风R、近端语音麦克风NS及误差麦克风E的信号并与其他集成电路例如含有无线电话收发器的RF集成电路12对接。在本发明的其他实施例中,本文所揭示的电路及技术可结合到单个集成电路,该单个集成电路含有用于实施整个个人音频设备,例如片上MP3播放器集成电路的控制电路及其他功能。替代地,ANC电路可以包括在耳塞EB的壳体内或者在沿着在无线电话10与耳塞EB之间的有线连接设置的模块中。为了图示之目的,ANC电路将被描述为设 置在无线电话10内,但上述变形是本领域的技术人员可以理解的,并且可以容易地为那些变形确定在耳塞EB、无线电话10以及第三模块(如果需要)之间需要的结果信号。近端语音麦克风NS设置在无线电话10的壳体处以捕捉从无线电话10传输至其他会话参与者的近端语音。替代地,近端语音麦克风NS设置在无线电话10的壳体的外表面上,或者在附接到耳塞EB的悬臂(耳机麦克风延伸部)上。 [0016] 图1B示出音频CODEC集成电路20的简化示例性视图,其在联接到参考麦克风R时包括提供周围音频声音Ambient的测量的ANC处理,周围音频声音Ambient由在音频CODEC集成电路20内的ANC处理电路滤波。音频CODEC集成电路20产生由放大器A1放大并且提供给SPKR的输出。音频CODEC集成电路20(取决于具体配置无线或有线地)接收来自参考麦克风R、近端语音麦克风NS及误差麦克风E的信号并与其他集成电路例如含有无线电话收发器的RF集成电路12对接。在其他配置中,本文公开的电路和技术可以结合到单个集成电路中,该单个集成电路含有用于实施整个个人音频设备,例如片上MP3播放器集成电路的控制电路及其他功能。替代地,可以使用多个集成电路,例如,当从耳塞EB到无线电话10提供无线连接时和/或当一些或全部ANC处理在耳塞EB或沿着将无线电话10连接到耳塞EB的线缆设置的模块内执行时。 [0017] 一般而言,本发明的ANC技术测量撞击在参考麦克风R上的环境声事件(与扬声器SPKR和/或近端语音的输出相对),并且还测量撞击在误差麦克风E上的相同环境声事件。所示无线电话10的ANC处理电路调适从参考麦克风R的输出产生的抗噪音信号以具有使在误差麦克风E处的环境声事件的振幅最小化的特性。因为声路径P(z)从参考麦克风R延伸至误差麦克风E,所以ANC电路本质上结合去除电声路径S(z)的影响来估计声路径P(z),电声路径S(z)代表CODEC集成电路(IC)20的音频输出电路的响应和扬声器SPKR的声/电转换函数。估计的响应包括在特定声环境中在扬声器SPKR与误差麦克风E之间的耦合,其受耳朵5和其他实物的靠近和结构以及可能邻近耳塞EB的人头部结构的影响。在扬声器SPKR与参考麦克风R之间的泄漏,即声耦合会导致在由CODEC IC 20内的ANC电路产生的抗噪音信号中的误差。具体地,意在由扬声器SPKR再现的期望下行链路语音和其他内部音频 会由于在扬声器SPKR与参考麦克风R之间的泄漏路径L(z)而被部分地消除。因为由参考麦克风R测量的音频被认为是总体上应该消除的周围音频,泄漏路径L(z)代表下行链路语音和其他内部音频存在于参考麦克风信号中并且导致上述的误操作。因此,在CODEC IC 20内的ANC电路包括泄漏路径建模电路,其补偿泄漏路径L(z)的存在。虽然所示无线电话10包含具有第三近端语音麦克风NS的双麦克风ANC系统,但是可以构造不包含误差麦克风和参考麦克风的系统。替代地,当近端语音麦克风NS设置为靠近扬声器SPKR和误差麦克风E时,近端语音麦克风NS可以使用来执行参考麦克风R的功能。并且,在仅设计用于音频回播的个人音频设备中,将通常不包括近端语音麦克风NS,并且在下文更详细描述的电路中的近端语音信号路径可省略。 [0018] 现参考图2,在无线电话10内的电路展示在方框图中。CODEC集成电路20包括:模数转换器(ADC)21A,其用于接收参考麦克风信号并且产生参考麦克风信号的数字表示ref;ADC21B,其用于接收误差麦克风信号并且产生误差麦克风信号的数字表示err;以及ADC21C,其用于接收近端语音麦克风信号并且产生近端语音麦克风信号的数字表示ns。 CODEC IC 20从放大器A1产生用于驱动扬声器SPKR的输出,该放大器A1放大接收合成器26的输出的数模转换器(DAC)23的输出。合成器26合成来自内部音频源24的音频信号ia、由ANC电路30所产生的抗噪音信号anti-noise(其根据约定具有与参考麦克风信号ref中的噪音相同的极性且因此被合成器26减除)、近端语音信号ns的一部分,以便无线电话10的使用者听到其自己与接收自射频(RF)集成电路22的下行链路语音ds成适当关联的语音。根据本发明的实施例,下行链路语音ds被提供给ANC电路30。合成下行链路语音ds和内部音频ia形成源音频(ds+ia),其被提供给合成器26,以便源音频(ds+ia)总是存在以利用在ANC电路30中的次级路径适应性滤波器估计音频路径S(z)。近端语音信号ns还提供至RF集成电路22且作为上行链路语音经由天线ANT传输给服务提供者。 [0019] 图3表示可以使用来实施图2的ANC电路30的ANC电路30的细节的一个示例。合成器36A从参考麦克风信号ref去除已估计泄漏信号,其在一个示例中由具有建模泄漏路径L(z)的响应LE(z)的泄漏路径适应性滤波器34C提供。合成器36A产生校正泄漏参考麦克风信号 ref’。适应性滤波器32接收校正泄漏参考麦克风信号ref’并且在理想情况下将它的转换函数W(z)调适为P(z)/S(z)以产生抗噪音信号anti-noise,其被提供到将抗噪音信号与由扬声器SPKR重现的音频合成的输出合成器,例如由图2的合成器26示例。适应性滤波器32的系数由W系数控制模块31控制,该W系数控制模块31使用两个信号的相关性确定适应性滤波器 32的响应,该适应性滤波器32通常在最小均方意义上使存在于误差麦克风信号err中的校正泄漏参考麦克风信号ref’的那些分量之间的误差最小化。由W系数控制模块31处理的信号为由滤波器34B提供的路径S(z)的响应(即响应SECOPY(z))的估计的拷贝塑形的校正泄漏参考麦克风信号ref’以及包含误差麦克风信号err的另一信号。通过用路径S(z)的响应,响应SECOPY(z),的估计的拷贝变换校正泄漏参考麦克风信号ref’,并且在去除误差麦克风信号err归因于源音频的回播的分量之后,将误差麦克风信号err最小化,适应性滤波器32调适到P(z)/S(z)的期望响应。 [0020] 除误差麦克风信号err以外,与滤波器34B的输出一起由W系数控制模块31处理的另一信号包括相反数量的源音频(ds+ia),其包括下行链路音频信号ds和内部音频ia。源音频(ds+ia)由具有响应SE(z)的滤波器34A处理,其中响应SECOPY(z)是一拷贝。滤波器34B本身不是滤波器,而是具有被调谐来匹配适应性滤波器34A的响应的可调节响应,以便滤波器34B的响应追踪适应性滤波器34A的调适。通过注入已经由响应SE(z)滤波的相反数量的源音频(ds+ia),阻止适应性滤波器32调适到存在于误差麦克风信号err中的相对较大量的源音频(ds+ia)。通过利用路径S(z)的响应的估计变换下行链路音频信号ds和内部音频ia的反向拷贝,在处理前从误差麦克风信号err去除的源音频(ds+ia)应该与在误差麦克风信号err重现的下行链路音频信号ds和内部音频ia的预期版本匹配。源音频(ds+ia)匹配源音频(ds+ia)存在于误差麦克风信号err中的量,因为S(z)的电路径及声路径为源音频(ds+ia)到达误差麦克风E所采用的路径。 [0021] 为了实施上述内容,适应性滤波器34A具有由SE系数控制模块33控制的系数,该SE系数控制块33在由合成器36去除上述经过滤的下行链路音频信号ds和内部音频ia之后,处理源音频(ds+ia)和误差麦克风信号err,上述经过滤的下行链路音频信号ds和内部音频ia已 通过适应性滤波器34A过滤以代表递送至误差麦克风E的预期源音频。适应性滤波器34A因此被调适来从下行链路音频信号ds和内部音频ia产生误差信号e,该误差信号e在被从误差麦克风信号err中减去时,包含误差麦克风信号err不归因于源音频(ds+ia)的含量。相似地,通过调适来产生代表存在于参考麦克风信号ref中的源音频(ds+ia)的输出,LE系数控制33B也被调适来使源音频(ds+ia)存在于校正泄漏参考麦克风信号ref’中的分量最小化。然而,如果下行链路音频信号ds和内部音频ia都不存在或幅度较低,那么误差麦克风信号err和参考麦克风信号ref的含量将主要由周围声音组成,其不适合于调适响应SE(z)和响应LE(z)。因此,误差麦克风信号err可能具有足够的幅度,并且然而在含量方面又不能够适合于使用作为响应SE(z)的训练信号。相似地,参考麦克风信号ref可能不包含训练响应LE(z)的正确含量。在ANC电路30中,源音频检测器35A检测是否有足够的源音频(ds+ia)存在,并且如果有足够的源音频(ds+ia)存在,如由控制信号Source Level的幅度所指示,那么比较模块39更新次级路径估计和泄漏路径估计。应用来确定是否有足够的源音频(ds+ia)存在的阈值可以从参考麦克风信号ref的幅度所确定,如由参考位准检测器35B确定,并且如由控制信号Reference Level的幅度所指示。比较模块39与控制信号Reference Level的幅度比较地确定控制信号Source Level的幅度是否足够大并且解除确认控制信号haltSE以只有在足够的源音频(ds+ia)存在时才允许SE系数控制33A更新响应SE(z)。相似地,比较模块39解除确认控制信号haltLE以只有在足够的源音频(ds+ia)存在时才允许LE系数控制 33B更新响应SE(z),并且可以应用与控制信号haltSE相同的标准,或可以使用不同阈值。位准检测器35B既包括幅度检测又可选地包括滤波以获得参考麦克风信号ref的幅度。在一个示例性实施例中,参考位准检测器35B使用宽带均方根(RMS)检测器以确定周围声音的幅度。在另一个示例中,参考位准检测器35B包括一滤波器,其滤波参考麦克风信号ref以在进行RMS测量之前选择一个或多个频带,以便可以阻止将会导致响应SE(z)和响应LE(z)的不正确调适的特定频率导致这种击穿,同时在调适响应SE(z)和响应LE(z)时可以允许周围噪音的其他源。 [0022] 使用源音频检测器35A以确定源音频(ds+ia)存在于误差麦克风 信号err中的相对量的替代方案是使用音量控制信号Vol ctrl作为由扬声器SPKR再现的源音频(ds+ia)的幅度的指示。音量控制信号Volctrl由增益级g1应用到源音频(ds+ia),增益级g1也控制源音频(ds+ia)被提供到适应性滤波器34A和适应性滤波器34C的量。附加地,无论是音量控制信号Vol ctrl还是控制信号Source Level与由控制信号Reference Level提供的阈值进行比较,在听者耳朵与个人音频设备10之间的耦合程度都可以由耳朵压力估计模块38估计来进一步提炼确定是否可以调适响应SE(z)和响应LE(z)。耳朵压力估计模块38产生在听者耳朵与个人音频设备10之间的耦合程度的指示,控制信号pressure。比较模块39然后可以使用控制信号Pressure来减少由控制信号Reference Level提供的阈值,因为值越高的控制信号Pressure总体上指示存在于扬声器SPKR的声输出中的周围音频更有效地耦合到听者耳朵,并且因此对于给定位准的源音频(ds+ia),源音频(ds+ia)由听者听到的量相对周围噪音的位准而增加。可以使用来实施比较模块39的、用于确定在听者耳朵与个人音频设备10之间的耦合程度的技术公开在主题名称为“EAR-COUPLING DETECETION AND ADJUSTMENT OF ADAPTIVE RESPONSE IN NOISE-CANCELING IN PERSONAL AUDIO DEVICES(在个人音频设备的噪音消除中的耳朵耦合检测和适应性响应调节)”的美国专利申请公开号USA1中,其公开在此通过参考并入本文。 [0023] 现在参考图4,示出ANC系统的方框图,其用于实施如图3描述的ANC技术,并且具有如可以实施在图2的CODEC集成电路20中的处理电路40。处理电路40包括联接到存储器44的处理器核42,在存储器44中存储包括计算机程序产品的程序指令,其实施上面所述ANC技术的一些或全部,以及其他信号处理。可选地,专用数字信号处理(DSP)逻辑46可以被提供用来实施由处理电路40提供的ANC信号处理的一部分,或替代地全部。处理电路40还包括ADC 21A-21C,分别用于接收来自参考麦克风R、误差麦克风E和近端语音麦克风NS。DAC 23A和放大器A1也由处理电路40提供用于提供变换器输出信号,包括如上所述的抗噪音。 [0024] 虽然已特别参考本发明的优选实施例展示及描述本发明,但是本领域的技术人员理解可在不脱离本发明的精神及范围的情况下在其中作出上述及其他形式及细节的改变。 |