用于有源噪声消除系统的风噪声抑制和方法
1.相关申请的交叉引用本技术要求于2019年4月30日提交的题为“wind noise suppression for active noise canceling systems and methods”的美国专利申请号16/399,980的权益和优先权，该申请通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
2.本技术总体上涉及噪声消除系统和方法，以及更具体地，例如，涉及耳机（例如，罩耳式、贴耳式和入耳式）、耳塞、助听器和其他个人收听设备中的风噪声的自适应消除和/或抑制。


背景技术：

3.有源噪声消除（anc）系统通常通过以下方式来操作：通过参考麦克风感测环境噪声并生成与感测到的环境噪声在幅度上近似相等但在相位上相反的对应抗噪声信号。环境噪声和抗噪声信号在声学上相互抵消，从而允许用户仅听到期望的音频信号。为了实现这种效果，可以实现从参考麦克风到输出抗噪声信号的扬声器的低等待时间、可编程滤波器路径。在操作中，传统的抗噪声滤波系统不能完全消除所有噪声，留下残余噪声和/或生成可能分散用户注意力的可听伪假象（audible artefact）。
4.与环境噪声不同，风噪声由于局部空气湍流而出现在参考麦克风处，并且与到达耳道的环境噪声不相关。风噪声至少在两个方面降低了anc性能。首先，风噪声通常通过自适应滤波器并且将对用户是可听到的。其次，风噪声的存在可导致不正确的参考信号、抗噪声信号和/或anc滤波器的不正确适配。
5.鉴于上述内容，存在对于改进的有源噪声消除系统和方法的持续需要，该系统和方法用于耳机、耳塞和其他可在有风环境中操作的个人收听设备。


技术实现要素：

6.公开了用于可在有风环境中使用的音频收听设备中的有源噪声消除的系统和方法。在一个或多个实施例中，一种有源噪声消除系统包括：参考传感器，其配置成感测环境噪声并生成对应的参考信号；误差传感器，其配置成感测噪声消除区中的噪声并生成对应的误差信号；噪声消除滤波器，其配置成接收参考信号和误差信号并生成抗噪声信号以消除消除区中的环境噪声；适配模块，其配置成接收参考信号和误差信号并自适应地调整抗噪声信号；以及风噪声检测模块，其配置成接收参考信号、检测风噪声事件并响应于风噪声事件信息选择性地启用和禁用适配模块。在一些实施例中，有源噪声消除系统包括被配置成检测参考信号中风噪声的存在的风检测器模块，以及被配置成调整信号增益和/或适配参数以抑制检测到的风噪声的风处理机模块。
7.在各种实施例中，有源噪声消除系统包括被配置成从外部噪声生成参考信号的参考传感器和被配置成从噪声消除区中感测到的噪声生成误差信号的误差传感器。前馈噪声
消除子系统被配置成使用参考信号和误差信号生成第一抗噪声信号，并且反馈噪声消除子系统被配置成使用误差信号生成第二抗噪声信号。风检测模块被配置成确定参考信号中是否存在风噪声并输出风检测状态，并且风处理机模块被配置成根据风检测状态控制前馈噪声消除子系统和反馈噪声消除子系统，并且使用第一抗噪声信号和第二抗噪声信号生成输出抗噪声信号。
8.有源噪声消除系统还可以包括：第一可变增益模块，其配置成调整第一抗噪声信号的第一增益；以及第二可变增益模块，其配置成调整第二抗噪声信号的第二增益。风处理机模块被配置成响应于风检测状态来设置第一增益和第二增益。输出抗噪声信号可以包括经第一增益调整的第一抗噪声信号和经第二增益调整的第二抗噪声信号。风处理机还可以被配置成响应于风噪声检测状态的改变在反馈自适应噪声消除和前馈自适应噪声消除之间转换。在一些实施例中，风处理机模块被配置成响应于检测到的风噪声禁用自适应前馈噪声消除，并且如果未检测到风噪声则禁用自适应反馈噪声消除。
9.有源噪声消除系统可以包括处理器和存储供由处理器执行的程序指令的存储器，并且风处理机模块可以包括存储在存储器中的程序指令。有源噪声消除系统还可包括加法器，所述加法器被配置成组合第一抗噪声信号和第二抗噪声信号以生成输出抗噪声信号。在各种实施例中，有源噪声消除系统可以在有源噪声消除耳机、耳塞、助听器或其他设备中实现。
10.在各种实施例中，一种用于抑制有源噪声消除系统中的风噪声的方法包括：从外部噪声生成参考信号，从噪声消除区中感测到的噪声生成误差信号、使用前馈噪声消除过程使用参考信号和误差信号生成第一抗噪声信号、以及使用反馈噪声消除过程使用误差信号生成第二抗噪声信号。该方法还包括确定参考信号中是否存在风噪声以及设置对应的风噪声检测状态，并根据风噪声检测状态控制前馈噪声消除过程和反馈噪声消除过程中的适配处理以及将第一抗噪声信号与第二抗噪声信号混合以生成输出抗噪声信号。
11.该方法还可以包括响应于风噪声检测状态调整第一抗噪声信号的第一增益和/或第二抗噪声信号的第二增益，并且在调整第一抗噪声信号的第一增益和/或第二抗噪声信号的第二增益之后，通过组合第一抗噪声信号和第二抗噪声信号来生成输出抗噪声信号。该方法还可以包括检测风噪声检测状态的改变以及在反馈自适应噪声消除过程和前馈自适应噪声消除过程之间转换，如果检测到风噪声则禁用自适应前馈噪声消除，和/或如果风噪声不存在则禁用自适应反馈噪声消除。
12.在一些实施例中，控制前馈噪声消除过程的适配处理由数字信号处理器的风处理机模块执行。该方法还可以包括组合第一抗噪声信号和第二抗噪声信号以生成输出抗噪声信号。
13.本发明的范围由权利要求限定，该权利要求通过引用并入本部分中。通过考虑以下详细描述，将向本领域技术人员提供对本公开的实施例的更完整的理解以及其附加优点的实现。将参考将首先简要描述的附图的附页。
附图说明
14.参考以下附图和随后的详细描述可以更好地理解本公开的方面及其优点。应当理解，相似的参考标号用于标识在一个或多个附图中图示的相似元件，其中附图中的示出是
出于说明本公开的实施例的目的而不是出于限制本公开的实施例的目的。附图中的部件不一定按比例，而是将重点放在清楚地说明本公开的原理上。
15.图1图示了根据本公开的一个或多个实施例的提供风噪声消除和/或抑制的有源噪声消除头戴式耳机。
16.图2图示了根据本公开的一个或多个实施例的包括提供风噪声检测和处理的部件的有源噪声消除系统。
17.图3图示了根据本公开的一个或多个实施例的用于在有源噪声消除系统中检测和处理风噪声的过程。
18.图4图示了根据本公开的一个或多个实施例的包括噪声事件检测和处理部件的有源噪声消除系统。
具体实施方式
19.根据各种实施例，公开了用于消除和/或抑制环境噪声和风噪声的改进的有源噪声消除（anc）系统和方法。耳机或其他个人收听设备可包括有源噪声消除（anc）系统以衰减环境噪声。在一般布置中，anc系统包括参考传感器（例如，麦克风或其他音频传感器）、自适应滤波器和误差传感器（例如，麦克风或其他音频传感器）。参考传感器感测环境噪声并生成对应的参考音频信号。自适应滤波器从参考音频信号和误差信号生成抗噪声信号，并将其传递到扬声器或其他换能器以抵消收听者的耳朵处的环境声音。误差传感器监测残余声音，从而提供关于自适应滤波器的性能的反馈。anc系统持续地评估参考音频信号和误差信号，并自适应地校正自适应滤波器以实现更好的环境噪声衰减效果。
20.与环境噪声不同，由于局部空气湍流，在参考传感器处出现风噪声。这种风噪声与由收听者听到的环境噪声不相关，并且至少在两个方面降低了anc性能。首先，风噪声可以通过自适应滤波器并对用户是可听到的。其次，风噪声可能产生不正确的抗噪声，并且anc滤波器可能不正确地适配。在各种实施例中，提供风检测器和风事件处理机以消除和/或抑制不期望的风噪声。当不存在风噪声时，风事件处理机将anc配置成在前馈布置中使用参考信号和误差信号两者来自适应地过滤参考信号并生成抗噪声。当检测到风噪声时，风事件处理机将anc配置成在反馈布置中使用误差信号来自适应地过滤误差信号并生成抗噪声（不使用参考信号）。
21.现在将参考附图描述用于风噪声抑制的自适应噪声消除系统的示例实施例。图1图示了根据本公开的一个或多个实施例的提供风噪声消除和/或抑制的有源噪声消除头戴式耳机。有源噪声消除（anc）系统100包括诸如耳机之类的音频设备110、以及诸如数字信号处理器（dsp）之类的音频处理电路120、数模转换器（dac）130、放大器132、参考麦克风140、扬声器150、误差麦克风162、和其他部件。
22.在操作中，收听者可以通过耳机110的外壳和部件听到外部噪声d（n）。为了消除噪声d（n），参考麦克风140感测外部噪声（诸如环境噪声180），从而产生参考信号x（n），该参考信号x（n）通过模数转换器（adc）142馈送到dsp 120。dsp 120生成抗噪声信号y（n），该抗噪声信号y（n）通过dac 130和放大器132馈送到扬声器150以在噪声消除区160中生成抗噪声。dsp 120被配置成通过生成与噪声消除区160中的噪声d（n）在幅度上相等而在相位上相反的抗噪声来消除和/或抑制噪声消除区160中的噪声d（n）。所得到的噪声和抗噪声的混合被
误差麦克风162捕获，该误差麦克风162生成误差信号e（n）以测量噪声消除的有效性。误差信号e（n）通过adc 164馈送到dsp 120，该dsp 120调整抗噪声信号y（n）的幅度和相位以最小化消除区160内的误差信号e（n）（例如，将误差信号e（n）驱动为零）。
23.在一些实施例中，扬声器150还可以生成由误差麦克风162接收并在由dsp 120（或其他音频部件）处理期间从误差信号e（n）中移除的期望音频（例如，音乐）。将理解的是，图1的实施例是有源噪声消除系统的一个示例，并且本文中公开的系统和方法可以利用包括参考麦克风和误差麦克风的其他自适应噪声消除实施方式来实现。
24.参考麦克风140还可以生成与风噪声相关联的音频信号，诸如从可能撞击（hit）参考麦克风140的风182生成的音频信号。在一些实施方式中，风噪声可以通过dsp 120的标准anc处理并且为收听者播放。在一些实施方式中，dsp 120的标准anc处理可产生抗噪声信号以消除或抑制全部或部分风噪声。然而，由参考麦克风140拾取的风噪声可能与在误差麦克风162和/或收听者的耳道处接收的环境噪声180不相关，从而导致负面影响收听体验的抗噪声伪假象。
25.为了消除和/或抑制风噪声，dsp 120包括风检测器和风处理机部件124，风处理机部件124被配置成检测由参考麦克风140生成的风噪声并管理处理以抑制检测到的风噪声。dsp 120可以包括处理器、微处理器、可编程逻辑设备、数字信号处理器或其他逻辑设备中的一个或多个。风检测器和风处理机部件124、以及本文中公开的其他anc部件和过程可以包括存储在存储器中以供由dsp 120执行的软件指令。
26.在各种实施例中，dsp 120被配置成通过前馈anc（ffanc）子系统和反馈anc（fbanc）子系统处理抗噪声信号。ffanc子系统被配置成分析参考信号x（n）和误差麦克风信号e（n）两者以产生用于噪声消除的抗噪声信号。当不存在风噪声时（例如，当尚未检测到风噪声时），ffanc子系统由风检测器和风处理机部件124激活。fbanc子系统基于误差信号e（n）预测抗噪声信号（例如，抗噪声信号可以基于误差信号e（n）而不使用参考信号x（n））并且被配置成抑制检测到的风噪声。当存在风噪声时（例如，当已经检测到风噪声时），fbanc子系统由风检测和风处理机部件124激活。
27.图2图示了示例有源噪声消除（anc）系统200，其包括改进的风噪声消除性能，与传统系统相比时基本上没有不期望的音频伪假象。anc系统200在产生参考信号x（n）的外部参考麦克风（例如，图1的麦克风140）处感测环境噪声。环境噪声还通过噪声路径p（z），包括收听设备的外壳和部件，并且在误差麦克风（例如，误差麦克风162）处被接收为d（n）。
28.anc系统200包括前馈anc子系统210和反馈anc子系统240，以用于生成抗噪声信号以消除d（n）。前馈anc子系统210可以被实现为经滤波的x最小均方（fxlms）自适应滤波器，或另一种自适应前馈方法。前馈anc子系统210通过数字滤波器214从参考信号x（n）自适应地生成抗噪声信号y（n）。抗噪声信号通过扬声器输出并通过次级路径s（n）262在误差麦克风处接收，该次级路径s（n）262包括从滤波器214通过扬声器到误差麦克风的路径。
29.前馈适配模块212（例如，lms自适应滤波器）基于由误差麦克风测量的误差信号e（n）和参考信号x（n）更新权重w
ff
（z）（例如，用于前馈路径中的数字滤波器214的一组滤波器系数）。在图示的实施例中，参考信号x（n）利用对准参考信号x（n）和误差信号e（n）的相位的次级路径216的模型进行滤波。前馈适配模块212然后自适应地调整滤波器系数/权重
w
ff
（z）以最小化预期的均方误差。
30.反馈anc子系统240被配置成在不使用参考麦克风信号x（n）作为输入的情况下生成抗噪声信号，由此避免许多与前馈风噪声抑制相关联的问题。反馈anc子系统240根据误差信号e（n）和抗噪声信号y（n）的估计来预测环境声音d（n）。通过经由加法器250将误差信号e（n）和估计的抗噪声信号y'（n）的经滤波的版本组合而生成输入信号x'（n），其是环境声音d（n）的估计。滤波器248对次级路径（例如，数字滤波器246和误差麦克风之间的电声学路径）建模以将抗噪声信号y（n）的相位与误差信号e（n）对准。输入信号x'（n）被提供作为到反馈数字滤波器246的输入，并经由滤波器244利用次级路径的模型进行滤波（以计及电声学次级路径中的延迟），以用于到反馈适配块242的输入。反馈适配模块242接收误差信号e（n）和经滤波的估计环境声音x'（n）并更新滤波器246的权重w
fb
（z）以最小化预期的均方误差（例如，使用如以上参考前馈anc子系统210讨论的类似的lms更新过程）。在一些实施例中，数字滤波器214和246可以实现为无限脉冲响应（iir）或有限脉冲响应（fir）滤波器。
31.anc系统200还被配置成使用前馈anc子系统210和反馈anc子系统240两者来抑制风噪声。在一个实施例中，抗噪声y（n）是分别具有g1和g2增益因子的前馈数字滤波器214输出和反馈数字滤波器246输出的叠加（在加法器260处）。在一个实施例中，增益因子的范围在0和1之间，其中g1和g2之和大约等于1。
32.anc系统200还包括风检测器270和风处理机272。风检测器270接收参考麦克风信号x（n）作为输入并且检测参考麦克风信号中风噪声的存在。风处理机272由风检测器270的输出（例如，指示是否已检测到风噪声的输出标志）触发并控制前馈anc适配和反馈anc适配（分别通过前馈适配模块212和反馈适配模块242）和增益值g1和g2。在一些实施例中，风检测器270输出指示检测到风噪声或不存在风噪声的检测状态。风检测器270可以使用多种技术来实现，例如，基于如本领域中已知的功率谱方法和相关方法。可以使用其他风噪声检测部件和过程，其可以检测输入信号中存在或不存在风噪声并产生指示至少两种状态的输出：（i）检测到风噪声和（ii）未检测到风噪声。
33.在一些实施例中，风噪声检测可以根据标题为“wind noise detection system and methods”的同时待审的（co
‑
pending）美国申请序列号16/399,961中公开的风噪声检测系统和方法来执行，该申请与本技术同时提交并且以其整体通过引用并入本文中。例如，风噪声检测器可以被配置成从多个参考麦克风接收多个音频输入信号并输出多个风噪声检测标志，其包括单通道风噪声检测标志和跨通道风噪声检测标志，每个风噪声检测标志指示风噪声的存在或不存在，并且融合平滑模块被配置成接收多个风噪声检测标志并生成输出风噪声检测标志。风处理机配置anc系统以根据如本文中公开的输出风噪声检测标志来生成抗噪声信号。
34.在各种实施例中，风噪声检测器包括可操作以接收单个音频通道并生成单通道风噪声检测标志的单通道检测器。单通道检测器可以可操作以将单个音频通道与风谱模型进行比较，该风谱模型包括一部分频率分量的功率比的平均值和标准偏差以及谱斜率（spectrum slope）。风噪声检测器可以被配置成：如果功率比的平均值小于阈值平均值并且标准偏差大于阈值标准偏差（例如，当确定不存在风噪声时），则清除标志；以及如果谱斜率大于预定阈值谱斜率（例如，当确定存在风噪声时），则设置标志。风噪声检测器还可包括
跨通道检测器，其可操作以计算两个或更多个音频通道之间的自相关和互相关，并且例如，如果自相关小于互相关则设置标志。
35.风处理机272被配置成响应于风检测器270输出来控制anc系统200。例如，风处理机272可以被配置成选择性地激活/去激活前馈anc子系统210和反馈anc子系统240。例如，当检测到风噪声时，风处理机272可以冻结（freeze）前馈适配（例如，经由前馈适配模块212）并启用反馈anc子系统240的适配（例如，通过反馈适配模块242）以生成抗噪声y（n）。在这种状态下，增益值g1设置为零（无增益）并且增益值g2设置为一。当未检测到风噪声时，风处理机272可以冻结反馈适配（例如，经由反馈适配模块242）并启用前馈anc子系统210的适配（例如，通过反馈适配模块242）以生成抗噪声。在这种状态下，增益值g2被设置为零并且增益值g1被设置为一。
36.根据一个或多个实施例，风检测器270被配置成设置风噪声检测标志以指示是否已检测到风噪声，并且风处理机272可操作以响应于风噪声检测标志的改变来配置anc系统200。如果风噪声检测标志从不存在风噪声改变为检测到风噪声状态，则风处理机272冻结前馈适配模块212并且将g1从1改变为0以及将g2从0改变为1，以将抗噪声从前馈anc子系统210转换到反馈anc子系统240。响应于误差信号e（n），反馈适配模块242被激活以自适应地移除风噪声。不同的衰落函数可用于在转换期间增加/减少g1和g2的增益值，以限制不想要的音频伪假象（例如，以避免/减少可听见的点击（click）和弹出（pop））。在各种实施例中，衰落函数可以包括线性、指数、正弦和对数函数并且可以以基于样本或基于帧的方法实现。
37.当风检测器270将风噪声检测标志从检测到风噪声改变为不存在风噪声时，风处理机272冻结反馈适配模块242，将g2从1改变为0并且将g1从0改变为1，以将抗噪声信号从反馈anc子系统240转换到前馈anc子系统210。一个或多个衰落函数可用于逐渐增加/减少增益值g1和增益值g2以使转换平滑并限制不想要的音频伪假象。响应于参考麦克风信号x（n）和误差信号e（n），前馈适配模块212被激活以自适应地生成抗噪声信号。
38.现在将参考图3的过程300来描述图2的有源噪声消除系统200的操作的实施例。过程300使用前馈anc子系统开始操作。在步骤302中，反馈适配被冻结，并且在步骤304中针对前馈路径和反馈路径调整增益以将从前馈anc子系统接收的抗噪声传递到扬声器以进行噪声消除。在步骤306中，执行前馈自适应噪声消除以消除感测到的环境噪声。
39.风检测器监测参考信号以检测风噪声。在步骤308中，如果尚未检测到风噪声，则anc系统继续前馈自适应噪声消除处理。如果检测到风噪声，则处理进行到步骤310以转换anc系统来使用反馈anc子系统，以生成抗噪声信号直到不再检测到风噪声。在步骤310中，前馈适配过程被冻结。在步骤312中，前馈和反馈路径的增益值被调整以将由反馈anc子系统生成的抗噪声信号传递到扬声器以进行噪声消除。在步骤314中，执行反馈适配以自适应地生成抗噪声信号。该过程继续直到不再检测到风噪声（步骤316），然后处理在步骤302中继续以转换回到前馈anc处理模式。
40.在另一个实施例中，图2的有源噪声消除系统200的反馈噪声消除子系统在操作期间保持“开启”。风处理机272被配置成根据来自风检测器270的结果“打开”和“关闭”前馈噪声消除子系统。当检测到风噪声时，前馈路径被“关闭”，并且从反馈路径的输出生成抗噪声信号。当未检测到风噪声时，前馈路径被“打开”，并且抗噪声信号被生成为来自前馈路径的输出和来自反馈路径的输出的叠加。
41.本文中公开的系统和方法可以在各种音频设备（诸如耳机、头戴式耳机、手机、智能电话、平板电脑、和助听器）中实现。实施例可以应用于自适应anc和固定anc两者。在一些实施例中，本公开的教导可以应用于本地参考麦克风噪声（诸如由临时参考麦克风故障引起的噪声）的其他源。例如，如图4中图示，有源噪声消除系统400包括噪声事件检测器模块470和噪声事件处理机模块472以基于检测到的事件的状态在前馈自适应噪声消除子系统410和反馈自适应噪声消除子系统440之间转换。在一些实施例中，噪声事件可以包括检测与环境噪声条件不相关的噪声事件。在操作中，由每个子系统生成的抗噪声信号由增益值g1和g2进行增益调整，并在加法器部件460处结合。
42.前述公开并非旨在将本公开限制于所公开的精确形式或特定使用领域。因此，预期的是，根据本公开，对本公开的各种替代实施例和/或修改（无论是在本文中明确描述还是暗示）都是可能的。已经如此描述了本公开的示例，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在形式和细节方面进行改变。因此，本公开仅由权利要求限制。