噪声分离式混合型主动抗噪系统
1.本技术要求发明名称为“雜訊分離式混合型主動抗噪系統”，专利号为109127714的中国台湾专利的优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本技术属于噪声处理技术领域，提供一种混合型主动抗噪系统，尤其涉及一种能提升降噪效果的噪声分离式混合型主动抗噪系统。


背景技术：

3.主动抗噪技术(active noise control，anc)是一种能够把指定的噪音隔除，而其他的声音却不受影响的装置。主要的原理为根据声源接收装置接收指定的噪音，并利用声音发送装置送出相位完全相反的声波，让两种声波得以互相抵消，从而把所述噪音予以滤除的技术。目前主动抗噪技术已被广泛应用在飞机、战机的隔音喇叭以及降噪耳机上。
4.传统混合型主动抗噪系统主要将反馈式抗噪与前馈式抗噪电路进行混合，并通过反馈电路与前馈电路中的滤波器(fir filter)将接收到的误差信号转换为对应的反向信号，以滤除噪声。然而，输入至反馈式抗噪模块与输入至前馈式抗噪模块的误差信号有可能使位于电路中的有限脉冲响应滤波器(fir filter) 前端的自适应运算发散，导致降噪的效果不佳。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本技术实施例提供一种噪声分离式混合型主动抗噪系统，包括：基准收信装置、误差收信装置、音频输出装置、高频噪声整形器、前馈降噪处理器、低频噪声整形器、反馈降噪处理器以及混和器。
6.所述基准收信装置接收基准音源信号并输出基准信号。
7.所述误差收信装置接收误差音源信号并输出误差信号。
8.所述音频输出装置输出音频信号。所述高频噪声整形器的输入端连接至所述误差收信装置以接收所述误差信号，所述高频噪声整形器包括高频噪声带宽侦测器、输入端连接至所述高频噪声带宽侦测器的高频系数修正器以及输入端连接至所述高频系数修正器的1至n阶高频噪声消除双二阶滤波器，所述高频噪声带宽侦测器计算所述误差信号的带宽，所述高频系数修正器依据所述误差信号的带宽修正所述1至n阶高频噪声消除双二阶滤波器的系数，所述1至n 阶高频噪声消除双二阶滤波器依据修正后的系数将下一取样的所述误差信号的高频噪声进行消除并输出高频错误整型信号。
9.所述前馈降噪处理器的输入端连接至所述基准收信装置以及所述高频噪声整形器的输出，所述前馈降噪处理器将接收的所述基准信号依据所述高频错误整形信号进行低频降噪后输出低频降噪信号至所述音频输出装置。
10.所述低频噪声整形器的输入端连接至所述误差收信装置以接收所述误差信号，所述低频噪声整形器包括低频噪声带宽侦测器、输入端连接至所述低频噪声带宽侦测器的低
频系数修正器以及输入端连接至所述低频系数修正器的1至 n阶低频噪声消除双二阶滤波器，所述低频噪声带宽侦测器计算所述误差信号的带宽，所述低频系数修正器依据所述误差信号的带宽修正所述1至n阶低频噪声消除双二阶滤波器的系数，所述1至n阶低频消除双二阶滤波器依据修正后的系数将下一取样的所述误差信号的低频噪声进行消除并输出低频错误整型信号。
11.所述反馈降噪处理器的输入端连接至所述误差收信装置以及所述低频噪声整形器，所述反馈降噪处理器将接收的所述误差信号依据所述低频错误整形信号进行高频降噪后输出高频降噪信号。
12.所述混和器接收所述低频降噪信号与所述高频降噪信号并于混合后输出降噪信号至所述音频输出装置。
13.基于上述方案，本技术较现有技术能预先降低误差信号中的高频噪声及低频噪声，根据需求消除高频噪声与低频噪声后，可以进一步地避免自适应滤波器的运算发散导致降噪效果降低的问题。
附图说明
14.图1为本技术噪声分离式混合型主动抗噪系统的模块示意图。
15.图2为本技术高频噪声整形器的模块示意图。
16.图3为本技术中高频噪声消除双二阶滤波器的结构示意图。
17.图4为本技术1至n阶高频噪声消除双二阶滤波器阶层配置的模块示意图。
18.图5为本技术噪声分离式混合型主动抗噪系统的控制逻辑示意图。
19.图6为本技术低频噪声整形器的模块示意图。
20.图7为本技术中低频噪声消除双二阶滤波器的结构示意图。
21.图8为本技术1至n阶低频噪声消除双二阶滤波器阶层配置的模块示意图。
22.图9为本技术噪声分离式混合型主动抗噪系统的流程示意图。
23.10：基准收信装置；20：误差收信装置；30：音频输出装置；40：高频噪声整形器；50：前馈降噪处理器；51：前馈次级路径滤波器；52：前馈lms 运算器；54：前馈自适应滤波器；60：低频噪声整形器；70：反馈降噪处理器； 71：反馈混合前次级路径滤波器；72：反馈混合器；73：反馈次级路径滤波器； 74：反馈lms运算器；76：反馈自适应滤波器；80：混合器。
具体实施方式
24.有关本技术的详细说明及技术内容，现结合附图说明如下。再者，本技术中的附图，为说明方便，其比例未必照实际比例绘制，所述等附图及其比例并非用于限制本技术的范围，在此先行说明。
25.本技术在一实施例中可实施于包括有线头戴式耳机、智能电话手机、无线耳机或其他头部佩戴式音频装置的个人收听系统中之降噪装置或降噪控制器，于本技术中不予以限制。
26.在本技术中，所述的装置、器、模块及其对应执行的功能，可以由单一芯片或多个芯片的组合协同执行，这些芯片配置的数量本技术不做限制。此外，所述的芯片可以为但不限定于处理器(processor)、中央处理器(centralprocessing unit，cpu)、微处理器
(microprocessor)、数字信号处理器(digitalsignal processor，dsp)、特殊应用集成电路(application specific integratedcircuits，asic)、可程序化逻辑设备(programmable logic device，pld)等装置的组合，在本技术中不予以限制。前述的芯片可共有记忆单元，所述记忆单元用于协助进行数据的保存。本技术另一实施例中，所述装置、器、模块或其组合可以为音频装置(例如行动装置、穿戴式装置)提供的芯片，或是为整合或分离于有线耳机、无线耳机或头戴式装置的音频处理芯片所构成，本技术对此不做限制。
27.以下针对本技术的其中一个实施例进行说明，请参阅图1，为本技术噪声分离式混合型主动抗噪系统，如图所示：
28.本实施例提供一种噪声分离式混合型主动抗噪系统100主要包括基准收信装置10、误差收信装置20、音频输出装置30、高频噪声整形器40、前馈降噪处理器50、低频噪声整形器60、反馈降噪处理器70以及混合器80。
29.所述基准收信装置10主要用于接收基准音源信号，基准音源信号主要包括环境噪声ns。基准收信装置10在一实施例中可以为麦克风、拾音器及其对应设置的音频处理芯片等可以接收环境音波并进一步转换为模拟-数字音频的装置。在一实施例中，基准收信装置10依序包括基准麦克风12、连接于基准麦克风12后端的前置放大器14、连接于前置放大器14后端的抗混迭滤波器16 以及连接于抗混迭滤波器16后端的模拟-数字转换器18。最终，模拟-数字转换器18输出基准信号至前馈降噪处理器50。
30.所述误差收信装置20主要用于接收误差音源信号，误差收信装置20一般设置于抗噪区域范围内的位置，误差收信装置20所接收到的声音信号相当于基准音源信号与扬声器所输出的声音之间的差值，在此定义所述差值为误差音源信号。误差收信装置20在一实施例中可以为麦克风、拾音器及其对应设置的音频处理芯片等可以用于接收环境音波并进一步转换为模拟、数字音频的装置。在一实施例中，误差收信装置20包括误差麦克风22、连接于误差麦克风22后端的前置放大器24、连接于前置放大器后端24的抗混迭滤波器26以及连接于抗混迭滤波器26后端的模拟-数字转换器28。最后，模拟数字转换器28输出误差信号至高频噪声整形器40与低频噪声整形器60。
31.所述的音频输出装置30主要用于输出用于抵消环境噪声ns的反向信号与原声音信号。音频输出装置30在一实施例中可以为扬声器、喇叭及其对应设置的音频处理芯片等用于输出声音的装置，在此定义所输出之声音为音频信号。在一实施例中，音频输出装置30依序包括扬声器38、连接于扬声器38前端的功率放大器36、连接于功率放大器36前端的重建滤波器34以及连接于重建滤波器34前端的数字-模拟转换器32。其中，数字模拟转换器32接收混合器80 的降噪信号与原声音信号，所述原声音信号输入至混合器80另一输入端的位置 (图中未示出输入位置及用于输出原声音信号的模块)。前述的原声音信号为尚未进空间且未受到环境噪声ns影响的音乐、人声或其他声音，于本技术中不予以限制。
32.所述高频噪声整形器40主要用于降低误差信号的高频噪声，并将降低高频噪声后的误差信号定义为高频错误整形信号。请一并参阅图2、图3、图4，为本技术中高频噪声整形器40的模块示意图、高频噪声消除双二阶滤波器的结构示意图、1至n阶高频噪声消除双二阶滤波器阶层配置的模块示意图，如图所示：
33.所述的高频噪声整形器40的输入端连接至所述误差收信装置20的输出端以接收误差信号。在一实施例中，所述高频噪声整形器40依序包括高频噪声带宽侦测器42、输入端
detector) (图中未示出)。具体而言，1至n阶低频噪声消除双二阶滤波器66中个别低频噪声消除双二阶滤波器包括有输入端连接至所述低频系数修正器64的输出端以配合所述高频系数修正器44的输出指令修正各阶双二阶滤波器的系数(图中未示出)；所述1至n阶低频噪声消除双二阶滤波器66的1阶低频噪声消除双二阶滤波器661包括有另一输入端连接至所述误差收信装置20，依序经过各阶双二阶滤波器后最终由第n阶低频噪声消除双二阶滤波器66n输出低频错误整形信号至反馈降噪处理器70。
40.前述的1至n阶低频噪声消除双二阶滤波器66的阶层配置如下，请参阅图7：1阶低频噪声消除双二阶滤波器661的输出端连接至2阶低频噪声消除双二阶滤波器662的另一输入端；2阶低频噪声消除双二阶滤波器662的输出端连接至3阶低频噪声消除双二阶滤波器663的另一输入端，依此类推，最终n-1 阶低频噪声消除双二阶滤波器66n-1的输出端连接至n阶低频噪声消除双二阶滤波器66n的另一输入端。
41.请再参阅图1，所述反馈降噪处理器70的多个输入端分别连接至低频噪声整形器60的输出端、误差收信装置20的输出端与所述扬声器38的输入端，用于将所接收的误差信号与低频错误整形信号进行自适应运算并利用所生成的信号与环境噪声ns中的高频噪音抵消以达到高频降噪效果，在此定义反馈降噪处理器70所输出用于抵消环境噪声ns中高频噪音的信号为高频降噪信号。
42.在一实施例中，请一并参阅图5，反馈降噪处理器70包括反馈混合器72 (mixer)、反馈lms运算器74(least mean square filter)以及反馈自适应滤波器76(adaptive filter)。
43.所述反馈混合器72的输入端连接至所述误差收信装置20并接收输入扬声器38的回授信号后混合输出反馈混合信号；所述反馈lms运算器74的输入端连接至所述反馈混合器72，另一输入端连接至所述低频噪声整形器60；所述反馈自适应滤波器76的多个输入端分别连接至所述反馈lms运算器74与反馈所述混合器72，输出端连接至混合器80的另一输入端。
44.在本实施例中，输入至所述扬声器38的信号回授至所述反馈混合器72的路径上具有混合前次级路径滤波器71，用于预先对输入扬声器38的回授信号进行滤波；所述反馈混合器72输出端与所述反馈lms运算器74输入端的路径之间具有反馈次级路径滤波器73用于预先对反馈混合信号进行滤波。所述混合前次级路径滤波器71、反馈次级路径滤波器73作为估测实际路径的转移函数，使反馈lms运算器74依据所接收到的所述反馈混合信号与所述低频错误整型信号更新所述反馈自适应滤波器76的系数，所述反馈自适应滤波器76依据更新后的系数将所述反馈混合信号进行高频降噪并输出所述高频降噪信号至混合器80。
45.所述的混合器80(mixer)用于将低频降噪信号与高频降噪信号混合，并输出降噪信号。混合器80的输入端连接至前馈降噪处理器50的输出端、令一输入端连接至反馈降噪处理器70的输出端，混合器80的输出端连接至音频输出装置30的输入端，由此将混合低频降噪信号与高频降噪信号的降噪信号输出至音频输出装置30。
46.以上为针对本技术硬件架构的具体实施例进行说明，有关于本技术的噪声分离式混合型主动抗噪方法将在下面进行更进一步的说明，请一并参阅图5、图9为本技术噪声分离式混合型主动抗噪系统100的控制逻辑示意图、流程示意图，如图所示：
47.本流程中步骤s2031-2034为高频噪声整形器40与前馈降噪处理器50的流程；步骤
s2041-2045为低频噪声整形器60与反馈降噪处理器70的流程；上述前馈降噪路径(步骤s2031-2034)与反馈降噪路径(步骤s2041-2045)流程两者间的处理步骤并无先后顺序，在此先行说明。
48.首先，请一并参阅图1，环境噪声ns通过基准收信装置10的基准麦克风 12接收，经由基准收信装置10将环境噪声换成数字音频的基准信号至前馈降噪处理器50；基准麦克风12接收的环境噪声ns经过主要路径mp传送至误差收信装置20(步骤s201)。其中，主要路径mp为基准收信装置10至误差收信装置20之间的传输路径。
49.误差收信装置20接收误差音源信号，并将误差音源信号转换成数字音频的误差信号至高频噪声整形器40与低频噪声整形器60(步骤s202)。其中，误差音源信号为基准信号与音频输出装置30所输出的音频信号之间的差值。
50.以下说明步骤s2031-s2034。请一并参阅图2，高频噪声整形器40的高频噪声带宽传感器42接收误差信号并输出与误差信号的中心频率相同带宽的高频噪声带宽信号至高频系数修正器44(步骤s2031)。其中，高频噪声带宽信号的中心频率由所述高频噪声带宽侦测器42依据以下公式和所述误差信号获得：
[0051][0052]
hk＝0,...,m
h-1；
[0053]
其中，xh[n]为n阶段由所述误差收信装置20输入的误差信号，f
hk
为所述高频噪声带宽侦测器42输出的所述中心频率，f
hk
共有mh个输出，mh为预设的输出数量。
[0054]
高频系数修正器44依据基准麦克风信号与高频噪声带宽信号来计算用于调整系数的系数修正信号至1至n阶高频噪声消除双二阶滤波器46(步骤 s2032)。换句话说，本技术1至n阶高频噪声消除双二阶滤波器46的系数能由高频系数修正器44修正而调整需要修正的高频噪声。请一并参阅图3、图4，所述高频系数修正器44依据以下公式修正个别高频噪声消除双二阶滤波器 461-46n的系数：
[0055][0056]
其中，w
h0
为中心角频率数值，αh为固有频率参数，b
h0
、b
h1
、b
h2
、a
h1
、 a
h2
为高频噪声消除双二阶滤波器的系数。
[0057]
前述的中心角频率数值w
h0
以及所述固有频率参数αh由所述高频系数修正器44依据以下公式获得：
[0058][0059][0060]
其中，f
hk
为由所述高频噪声带宽侦测器42输入的中心频率，f
hs
为由所述基准麦克风12输入的基准麦克风信号的频率，qh为默认的品质参数，w
h0
为中心角频率数值，αh为固有频率参数。前述提及的质量参数基于质量因素而决定；固有频率参数基于固有频率因子而决定。
[0061]
接着，1至n阶高频噪声消除双二阶滤波器46依据修正后的系数将下一取样的误差信号的高频噪声进行消除后，由n阶高频噪声消除双二阶滤波器46n 输出高频错误整形信号(步骤s2033)。所述的个别高频噪声消除双二阶滤波器461-46n系依据以下公式对所述误差信号进行滤波：
[0062]
yh[n]＝b
h0
×
xh[n]+b
h1
×
xh[n-1]+b
h2
×
xh[n-2]-a
h1
×
yh[n-1]-a
h2
×
yh[n-2]；
[0063]
其中，xh[n]、xh[n-1]、xh[n-2]系为第n阶、第n-1阶、及第n-2阶时点所接收到的误差信号，yh[n]、yh[n-1]、yh[n-2]系为第n阶、第n-1阶、及第 n-2阶时点输出的所述高频错误整型信号，b
h0
、b
h1
、b
h2
、a
h1
、a
h2
系为个别高频噪声消除双二阶滤波器461-46n的系数。于本实施例中，前述的xh[n-1]、 xh[n-2]、yh[n-1]、yh[n-2]视为已知参数。
[0064]
前馈lms运算器52依据高频错误整形信号与基准信号更新前馈自适应滤波器54系数，使前馈自适应滤波器54将接收的基准信号调整成能降低低频噪音的反向信号并输出低频降噪信号(步骤s2034)。其中，基准信号经由前馈次级路径滤波器51输入至前馈lms运算器52，前馈自适应滤波器51将接收到的基准信号调整成与环境噪声ns的低频噪音大小相同、相位相反的低频降噪信号后输出低频降噪信号至混合器80。
[0065]
以下将针对步骤s2041-s2045详细说明。请一并参阅图1、图5及图6，低频噪声整形器60的低频噪声带宽传感器62接收误差信号，输出与误差信号的中心频率相同带宽的低频噪声带宽信号至低频系数修正器64(步骤s2041)。其中，所述低频噪声带宽信号的中心频率由所述低频噪声带宽侦测器62依据以下公式和所述误差信号获得：
[0066][0067]
lk＝0,...,m
l-1；
[0068]
其中，x
l
[n]为n阶段由所述误差收信装置20输入的误差信号，f
lk
为所述低频噪声带宽侦测器62输出的所述中心频率，f
lk
共有m
l
个输出，m
l
为预设的输出数量。
[0069]
接着，低频系数修正器64依据误差麦克风信号与低频噪声带宽信号来计算用于调整系数的系数修正信号至1至n阶低频噪声消除双二阶滤波器66(步骤 s2042)。换句话说，本技术的1至n阶低频噪声消除双二阶滤波器66的系数能由低频系数修正器64修正而调整需要修正的低频噪声。请一并参阅图7、图 8，所述低频系数修正器64依据以下公式修正个别低频噪声消除双二阶滤波器 661-66n的系数：
[0070][0071][0072][0073][0074]
[0075]
其中，w
l0
为中心角频率数值，α
l
为固有频率参数，b
l0
、b
l1
、b
l2
、a
l1
、a
l2
为低频噪声消除双二阶滤波器的系数。
[0076]
前述的中心角频率数值w
l0
以及所述固有频率参数α
l
由所述低频系数修正器64依据以下公式获得：
[0077][0078][0079]
其中，f
lk
为由所述低频噪声带宽侦测器62输入的中心频率，f
ls
为由所述误差麦克风22所输入的误差麦克风信号的频率，q
l
为默认的品质参数，w
l0
为中心角频率数值，α
l
为固有频率参数。前述提及的质量参数基于质量因素而决定；固有频率参数基于固有频率因子而决定。
[0080]
接着，1至n阶低频噪声消除双二阶滤波器66依据修正后的系数将下一取样的误差信号的低频噪声进行消除后，由n阶低频噪声消除双二阶滤波器66n 输出低频错误整形信号(步骤s2043)。所述的个别低频噪声消除双二阶滤波器661-66n系依据以下公式对所述误差信号进行滤波：
[0081]yl
[n]＝b
l0
×
x
l
[n]+b
l1
×
x
l
[n-1]+b
l2
×
x
l
[n-2]-a
l1
×yl
[n-1]-a
l2
×yl
[n-2]；
[0082]
其中，x
l
[n]、x
l
[n-1]、x
l
[n-2]系为第n阶、第n-1阶、及第n-2阶时点所接收到的误差信号，y
l
[n]、y
l
[n-1]、y
l
[n-2]系为第n阶、第n-1阶、及第n-2 阶时点输出的所述低频错误整型信号，b
l0
、b
l1
、b
l2
、a
l1
、a
l2
系为个别低频噪声消除双二阶滤波器661-66n的系数。本实施例中，x
l
[n-1]、x
l
[n-2]视为已知参数。
[0083]
在前述步骤s202与下述步骤s2045之间，具有一步骤s2044，说明如下：反馈混合器72将输入扬声器38的回授信号与误差信号混合并输出一反馈混合信号(步骤s2044)。于本实施例中，输入扬声器38的回授信号经过混合前次级路径滤波器71输入至反馈混合器72。于本技术噪声分离式混合型主动抗噪系统100启动时，由于尚未有输入扬声器38的回授信号，因此将直接把误差信号经由反馈混合器72输出。
[0084]
接着，反馈lms运算器74依据低频错误整形信号与反馈混合信号更新反馈自适应滤波器76系数，使反馈自适应滤波器76将接收的反馈混合信号调整成能降低高频噪音的反向信号并输出高频降噪信号(步骤s2045)。其中，反馈混合信号经由反馈次级路径滤波器73输入至反馈lms运算器74，反馈自适应滤波器76将接收到的反馈混合信号调整成与环境噪声ns的高频噪音大小相同、相位相反的高频降噪信号后输出高频降噪信号至混合器80。
[0085]
最后，混合器80将接收到的低频降噪信号与高频降噪信号混合输出降噪信号至音频输出装置20，音频输出装置20输出包含降噪信号与原声音信号的音频信号(步骤s205)。换句话说，所述的环境噪声ns通过上一阶的降噪信号达到降噪效果，并将降噪信号与原声音信号转换输出成模拟音频后输出音频信号，使原声音信号不受环境噪声ns影响而进入人耳。
[0086]
综上所述，比起公知技术，本技术较现有技术能预先降低误差信号中的高频噪声及低频噪声，根据需求调整消除的高频噪声与低频噪声后，进一步地避免自适应滤波器的运算发散导致降噪效果降低。
[0087]
以上已将本技术做详细说明，但是，以上所述的内容，仅为本技术的较佳实施例而已，不能以此限定本技术实施的范围，即凡依本技术专利范围所作的同等变化与修饰，都应仍属于本技术的专利涵盖范围内。