(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノイズキャンセリングシステムであって、
オーディオ環境におけるサウンドを表すキャプチャした信号を発生するマイクロホンと、
前記オーディオ環境においてサウンドキャンセリングオーディオ信号を放射するサウンドトランスデューサと、
前記マイクロホンから前記サウンドトランスデューサまでのフィードバック手段であって、前記キャプチャした信号を受け取り、前記サウンドトランスデューサ用駆動信号を生成し、非適応的キャンセリングフィルタと可変ゲインを含む、前記フィードバック手段と、
前記マイクロホンと前記フィードバック手段と前記サウンドトランスデューサとを含むフィードバックループのうち、前記非適応的キャンセリングフィルタと前記可変ゲインを含まない二次的経路の二次的経路ゲインを決定するゲイン決定手段と、
前記二次的経路ゲインに応じて前記可変ゲインのゲインを調節するゲイン設定手段とを有し、
前記ゲイン決定手段は、
前記フィードバックループにテスト信号を注入する手段と、
前記二次的経路の入力において、前記テスト信号に対応する第１の信号レベルを決定する手段と、
前記二次的経路の出力において、前記テスト信号に対応する第２の信号レベルを決定する手段と、
前記第１の信号レベルと前記第２の信号レベルに応じて前記二次的経路ゲインを決定する手段とを有する、
ノイズキャンセリングシステム。
【請求項２】
前記二次的経路の前記出力は、前記可変ゲインの入力と、前記非適応的キャンセリングフィルタの入力の少なくとも一方に対応する、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項３】
前記第１の信号レベルを決定する手段は、前記テスト信号の信号レベルに応じて、前記フィードバックループの信号を測定せずに、前記第１の信号レベルを決定するように構成されている、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項４】
前記テスト信号は１０Ｈｚより小さい３ｄＢ帯域幅を有する狭帯域信号である、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項５】
前記テスト信号は実質的にシヌソイドである、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項６】
前記テスト信号は１０Ｈｚないし４０Ｈｚの区間内に中心周波数を有する、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項７】
前記テスト信号はノイズ信号である、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項８】
前記テスト信号がないとき、前記二次的経路の入力に対応する信号の第３の信号レベルを測定する手段と、
前記第３の信号レベルに応じて前記テスト信号の信号レベルを設定する手段とをさらに有する、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項９】
前記非適応的キャンセリングフィルタによる前記テスト信号に対応する信号成分の減衰は少なくとも６ｄＢである、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項１０】
前記テスト信号は前記サウンドトランスデューサに入力するユーザオーディオ信号である、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項１１】
前記ゲイン設定手段は、前記二次的経路ゲインと前記可変ゲインの前記ゲインの合成ゲインが所定値を有するように、前記可変ゲインの前記ゲインを設定するように構成されている、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項１２】
前記二次的経路は、前記サウンドトランスデューサから前記マイクロホンへの音響経路を有する、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項１３】
前記二次的経路はデジタルセクションを有し、前記二次的経路は、アナログ・デジタル・コンバータとデジタル・アナログ・コンバータのうち少なくとも一方を有する、請求項１に記載のノイズキャンセリングシステム。
【請求項１４】
ノイズキャンセリングシステムの動作方法であって、
オーディオ環境におけるサウンドを表すキャプチャした信号を発生するマイクロホンと、
前記オーディオ環境においてサウンドキャンセリングオーディオ信号を放射するサウンドトランスデューサと、
前記マイクロホンから前記サウンドトランスデューサへのフィードバック手段であって、前記キャプチャした信号を受け取り、前記サウンドトランスデューサ用駆動信号を生成し、非適応的キャンセリングフィルタと可変ゲインを有する、前記フィードバック手段と、を有し、
前記方法は、
前記マイクロホンと前記フィードバック手段と前記サウンドトランスデューサとを含むフィードバックループのうち、前記非適応的キャンセリングフィルタと前記可変ゲインを含まない二次的経路の二次的経路ゲインを決定する段階と、
前記二次的経路ゲインに応じて前記可変ゲインのゲインを調節する段階とを有し、
前記二次的経路ゲインを決定する段階は、
前記フィードバックループにテスト信号を注入する段階と、
前記二次的経路の入力において前記テスト信号に対応する第１の信号レベルを決定する段階と、
前記二次的経路の出力において前記テスト信号に対応する第２の信号レベルを決定する段階と、
前記第１の信号レベルと前記第２の信号レベルに応じて前記二次的経路ゲインを決定する段階とを有する
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーディオノイズキャンセリングシステムに関し、具体的には、限定されるわけではないが、ヘッドホン用アクティブオーディオノイズキャンセリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブノイズキャンセリングは、望まないサウンドがユーザに聞こえてしまう多くのオーディオ環境においてますます人気が高まっている。例えば、アクティブノイズキャンセリング機能を有するヘッドホンが人気であり、ノイズのある工場や飛行機で、及びノイズを出す機器を操作する人々により、多くのオーディオ環境で頻繁に使われている。
【０００３】
アクティブノイズキャンセリングヘッドホン及び同様のシステムは、（例えば、耳のイヤホンが生成する音量内で）ユーザの耳に近いオーディオ環境を検知するマイクロホンに基づく。サウンドレベルを低減するために、ノイズキャンセレーション信号をオーディオ環境に放射する。具体的には、ノイズキャンセレーション信号は、マイクロホンに届く音波と逆位相の信号を供給して、オーディオ環境のノイズを少なくとも部分的にキャンセルする相殺的干渉（destructive  interference）を行う。一般的には、アクティブノイズキャンセリングシステムは、マイクロホンにより測定されたオーディオ信号に基づき、サウンドキャンセリング信号を発生するフィードバックループを設ける。
【０００４】
このようなノイズキャンセレーションループの性能は、フィードバックループの一部として実装されたキャンセリングフィルタにより制御される。キャンセリングフィルタは、最適なノイズキャンセリング効果が得られるように、設計される。キャンセリングフィルタを設計する様々なアルゴリズムとアプローチが知られている。例えば、ケプストラム領域に基づくキャンセリングフィルタの設計アプローチが非特許文献１に記載されている。
【０００５】
しかし、フィードバックループは基本的に無限インパルス応答(ＩＩＲ)フィルタを表し、キャンセリングフィルタの設計は、フィードバックループが安定的であるという要求により制約される。閉ループフィルタの全体的な安定性は、閉ループ伝達関数が全体としてｚ＝ｅｘｐ（ｊθ）（０≦θ≦２π）複素平面のｚ＝−１の点を含まないことを要求する、ナイキストの安定性定理を用いて保証される。
【０００６】
しかし、複雑性を低減し設計プロセスを単純化するために、キャンセリングフィルタは固定的、非適応的フィルタである傾向があり、フィードバックループのパーツの伝達関数は大きく変化する傾向がある。具体的に、フィードバックループは、アナログ・デジタル・コンバータとデジタル・アナログ・コンバータの応答と、アンチエイリアシングフィルタと、パワーアンプと、スピーカと、マイクロホンと、スピーカからエラーマイクロホンへの音響経路の伝達関数とを含む、キャンセリングフィルタ以外のループ要素を表す二次的経路を有する。二次的経路の伝達関数は、ヘッドホンの現在の構成の関数として大きく変化する。例えば、二次的経路の伝達関数は、ヘッドホンが通常動作構成（すなわち、ユーザが装着しているか）どうか、ユーザが装着していないか、ユーザの頭に向けて押されているか、などに応じて、大きく変化する。
【０００７】
フィードバックループはすべてのシナリオで安定でなければならないので、二次的経路のすべての異なる伝達関数の安定性を保証しなければならないことにより、キャンセリングフィルタは制約される。そのため、キャンセリングフィルタの設計は、二次的経路の伝達関数の最悪の場合を想定して行われる傾向がある。しかし、かかるアプローチによりシステムの安定性は保証されるが、現在の二次的経路伝達関数の理想的ノイズキャンセリング機能はキャンセリングフィルタによっては実現されないので、性能は低下しやすい。
【０００８】
そのため、ノイズキャンセリングシステムの改良が望ましく、特に、柔軟性が高く、ノイズキャンセレーション機能がよく、複雑性が低く、安定性に係わる性能と特性がよく、及び／または性能がよいノイズキャンセリングシステムが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.  Laroche.  “Optimal  Constraint-Based  Loop-Shaping  in  the  Cepstral  Domain”,  IEEE  Signal  process.  letters,  １４(４):２２５  to  ２２７,  April  ２００７
【発明の概要】
【００１０】
従って、本発明は、好ましくは、単独でまたは組み合わされて、上記の１つ以上の不利な点を緩和もしくは解消するものである。
【００１１】
ノイズキャンセリングシステムは、オーディオ環境におけるサウンドを表すキャプチャした信号を発生するマイクロホンと、前記オーディオ環境においてサウンドキャンセリングオーディオ信号を放射するサウンドトランスデューサと、前記マイクロホンから前記サウンドトランスデューサへのフィードバック手段であって、前記キャプチャした信号を受け取り、前記サウンドトランスデューサ用駆動信号を生成し、非適応的キャンセリングフィルタと可変ゲインを有する、前記フィードバック手段と、フィードバックループの二次的経路の少なくとも一部の二次的経路ゲインを決定するゲイン決定手段であって、前記フィードバックループは前記マイクロホンと前記サウンドトランスデューサと前記フィードバック手段とを有し、前記二次的経路は前記非適応的キャンセリングフィルタと前記可変ゲインを含まない、ゲイン決定手段と、前記二次的経路ゲインに応じて前記可変ゲインのゲインを調節するゲイン設定手段とを有する。
【００１２】
本アプローチは、ノイズキャンセリングシステムの性能を改善できる。複雑性は低いままで、異なる動作構成への適応が柔軟になる。具体的に、発明者は、二次的経路における変化、特にサウンドトランスデューサからマイクロホンまでの音響セクションの伝達関数における変化を、フィードバック手段のゲインのみを調整することにより、有利に補償できることに気づいた。特に、キャンセリングフィルタの伝達関数の周波数及び位相応答を一定に保っていても、ノイズキャンセレーションを改善できる。さらに、発明者は、二次的経路の複雑でないゲイン決定に続いて、フィードバックループのゲインを調節すれば、二次的経路における変化に対してノイズキャンセリングを十分改善できることに気づいた。また、発明者は、二次的経路ゲインを測定してフィードバック手段のゲインを適宜調節することにより、キャンセリングフィルタの安定化の制約が低減し、より適したキャンセリングフィルタの実施が可能になることに気づいた。
【００１３】
ノイズキャンセリングシステムは、フィードバック手段のゲインを調節するように構成されているが、二次的経路の測定した特性に応じてフィードバック手段の伝達関数への変更はしない。
【００１４】
二次的経路の伝達関数は、キャンセリングフィルタと可変ゲイン以外のフィードバックループのすべての要素の伝達関数に対応し、サウンドトランスデューサからマイクロホンへの音響経路を含む。
【００１５】
ゲイン決定手段は、前記フィードバックループにテスト信号を注入する手段と、前記二次的経路の前記少なくとも一部の入力において、前記テスト信号に対応する第１の信号レベルを決定する手段と、前記二次的経路の前記少なくとも一部の出力において、前記テスト信号に対応する第２の信号レベルを決定する手段と、前記第１の信号レベルと前記第２の信号レベルに応じて前記二次的経路ゲインを決定する手段とを有する。
【００１６】
これにより、効率的かつ高性能のノイズキャンセリングシステムを提供できる。テスト信号は、フィードバックループ信号とテスト信号の加算（その他の合成）により、二次的経路の少なくとも一部の入力において注入される。第１の信号レベルは、二次的経路の少なくとも一部への入力において、（テスト信号とフィードバックループ信号の）（例えば、バンドパスフィルタリングなどのテスト信号特性との相関と合成された）合成信号を測定することにより決定できる。ある実施形態では、第１の信号レベルはテスト信号の信号レベルとして決定できる。例えば、テスト信号の信号レベルがフィードバックループ信号を大きく超えると、加算部／合成器に入力されるテスト信号の信号レベルとして、（例えば、信号を注入するのに用いる加算部／合成器の出力において）二次的経路の少なくとも一部の入力における信号レベルを決定する。
【００１７】
第２の信号レベルは、二次的経路の少なくとも一部の出力における信号レベルを直接測定（バンドパスフィルタリングの形式などでテスト信号特性との相関を合成）することにより決定でき、例えば、フィードバックループにおいて他の信号を測定し、二次的経路の少なくとも一部からの出力における信号レベルを決定することにより決定できる。
【００１８】
二次的経路ゲインは、第２の信号レベルと第１の信号レベルの間の比に応じて具体的に決定できる。
【００１９】
本発明の任意的特徴によると、二次的経路の少なくとも一部の出力は、可変ゲイン１１７の入力と非適応的キャンセリングフィルタの入力のうち少なくとも一方に対応する。
【００２０】
これにより性能がよくなる。特に、フィードバックループの特性を改善し、例えば、二次的経路のすべての要素のインパクトを考慮に入れることができる。具体的に、完全な二次的経路のゲイン決定に対応する。
【００２１】
本発明の任意的特徴によると、第１の信号レベルを決定する手段は、フィードバックループの信号を測定せずに、テスト信号の信号レベルに応じて第１の信号レベルを決定するように構成されている。
【００２２】
これにより、多くの実施形態において、二次的経路ゲインを正確に決定しながら、複雑性を低減し、動作を簡単にできる。本アプローチは、テスト信号を注入した点において、テスト信号の信号レベルをフィードバックループ信号よりも非常に高く設定する実施形態に特に適している。
【００２３】
本発明の任意的特徴によると、前記テスト信号は１０Ｈｚより小さい３ｄB帯域幅を有する狭帯域信号である。
【００２４】
発明者は、多くの実施形態において、二次的経路ゲインの典型的な変化は、異なる周波数におけるゲイン変化は十分に小さく、二次的経路における変化の有利な補償を、非常に狭い周波数帯域において行うゲイン測定に基づいてもよいことに気づいた。狭帯域信号を利用すると、ユーザに対する信号の可聴性が低下し、フィードバックループの振る舞いとノイズキャンセリング効率に対するテスト信号のインパクトが低下する。さらにこれにより、テスト信号を、ユーザにさらに聞こえにくい周波数（例えば、通常の人間の可聴周波数範囲外）にしてもよい。
【００２５】
本発明の任意的特徴によると、前記テスト信号は実質的にシヌソイドである。
【００２６】
これにより、有利な性能となり、及び／または動作が容易になり、及び／または複雑性が低減される。
【００２７】
本発明の任意的特徴によると、前記テスト信号は１０Ｈｚないし４０Ｈｚの区間内に中心周波数を有する。
【００２８】
これにより、テスト性能が特に有利になり、特に、信号がユーザに聞こえることと、正確な測定に適していることの間のトレードオフが改善される。
【００２９】
特に、これにより、サウンドトランスデューサがテスト信号を再生でき、同時に、ユーザには聞こえない（または聞こえても低レベルである）ようにできる。
【００３０】
本発明の任意的特徴によると、テスト信号はノイズ信号である。
【００３１】
これにより、性能が改善し、及び／または、実施が容易になり、及び／または多くの実施形態において動作が容易になる。
【００３２】
本発明の任意的特徴によると、ノイズキャンセリングシステムはさらに、前記テスト信号がないとき、前記二次的経路の前記少なくとも一部の入力に対応する信号の第３の信号レベルを測定する手段と、前記第３の信号レベルに応じて前記テスト信号の信号レベルを設定する手段とをさらに有する。
【００３３】
これにより、二次的経路ゲインの決定が改善され、ノイズキャンセレーション及び／または安定性特性が改善される。例えば、（例えば、テスト信号の帯域幅内において、）テスト信号が第２の信号レベルで支配的になるように、テスト信号の信号レベルを設定できる。
【００３４】
本発明の任意的特徴によると、前記非適応的キャンセリングフィルタによる前記テスト信号に対応する信号成分の減衰は少なくとも６ｄＢである。
【００３５】
これにより、実施及び／または動作が容易になり、及び／または二次的経路ゲインの決定における精度が改善されてノイズキャンセリングが改善する。例えば、これにより、テスト信号へのフィードバックのインパクトが、無視できるレベルまで低減し、二次的経路ゲインの測定が容易になる。
【００３６】
本発明の任意的特徴によると、ノイズキャンセリングシステムはさらに、前記サウンドトランスデューサにユーザオーディオ信号を入力する手段を有し、ゲイン決定手段は、前記二次的経路の前記少なくとも一部の入力において、前記ユーザオーディオ信号に対応する第１の信号レベルを決定する手段と、前記二次的経路の前記少なくとも一部の出力において、前記ユーザオーディオ信号に対応する第２の信号レベルを決定する手段と、前記第１の信号レベルと前記第２の信号レベルに応じて前記二次的経路ゲインを決定する手段とを有する。
【００３７】
これにより、性能が改善し、及び／または、実施が容易になり、及び／または多くの実施形態において動作が容易になる。
【００３８】
本発明の任意的特徴によると、前記ゲイン設定手段は、前記二次的経路ゲインと前記可変ゲインの前記ゲインの合成ゲインが所定値を有するように、前記可変ゲインの前記ゲインを設定するように構成されている。
【００３９】
これにより、多くの実施形態において、二次的経路における変化の有利な補償ができる。
【００４０】
本発明の任意的特徴によると、前記二次的経路はデジタルセクションを有し、前記二次的経路の前記少なくとも一部は、アナログ・デジタル・コンバータとデジタル・アナログ・コンバータのうち少なくとも一方を有する。
【００４１】
本ノイズキャンセリングシステムは、デジタル技術を用いて実施してもよいし、補償は部分的なデジタルフィードバックループなどに好適である。
【００４２】
本発明の一態様によると、ノイズキャンセリングシステムの動作方法は、オーディオ環境におけるサウンドを表すキャプチャした信号を発生するマイクロホンと、前記オーディオ環境においてサウンドキャンセリングオーディオ信号を放射するサウンドトランスデューサと、前記マイクロホンから前記サウンドトランスデューサへのフィードバック手段であって、前記キャプチャした信号を受け取り、前記サウンドトランスデューサ用駆動信号を生成し、非適応的キャンセリングフィルタと可変ゲインを有する、前記フィードバック手段と、前記方法は、フィードバックループの二次的経路の少なくとも一部の二次的経路ゲインを決定する段階であって、前記フィードバックループは前記マイクロホンと前記サウンドトランスデューサと前記フィードバック手段とを有し、前記二次的経路は前記非適応的キャンセリングフィルタと前記可変ゲインを含まない、段階と、前記二次的経路ゲインに応じて前記可変ゲインのゲインを調節する段階とを有し、前記二次的経路ゲインを決定する段階は、前記フィードバックループにテスト信号を注入する段階と、前記二次的経路の少なくとも一部の入力において前記テスト信号に対応する第１の信号レベルを決定する段階と、前記二次的経路の少なくとも一部の出力において前記テスト信号に対応する第２の信号レベルを決定する段階と、前記第１の信号レベルと前記第２の信号レベルに応じて前記二次的経路ゲインを決定する段階とを有する。
【００４３】
本発明の上記その他の態様、特徴、及び利点を、以下に説明する実施形態を参照して明らかにして説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
図面を参照して、本発明の実施形態を例示により説明する。
【図１】本発明の実施形態によるノイズキャンセリングシステム例を示す図である。
【図２】密閉型ヘッドホンのセットのパッシブ伝達関数例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態によるノイズキャンセリングシステムの分析モデル例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態によるノイズキャンセリングシステムの分析モデル例を示す図である。
【図５】異なる構成のノイズキャンセリングヘッドホンの二次的経路について測定した強度周波数応答例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態によるノイズキャンセリングシステムの強度伝達関数例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態によるノイズキャンセリングシステム例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下の説明では、ヘッドホンのオーディオノイズキャンセリングシステムに適用できる、本発明の一実施形態にフォーカスする。しかし、言うまでもなく、本発明は、このアプリケーションに限定されず、例えば、自動車用ノイズキャンセリングを含むその他の多くのアプリケーションに適用できる。
【００４６】
図１は、本発明の実施形態によるノイズキャンセリングシステム例を示す図である。この例では、ノイズキャンセリングシステムはヘッドホン用のノイズキャンセリングシステムである。言うまでもなく、図１は、一方の耳の機能例を示すが、他方の耳については同様の機能を実現できる。
【００４７】
ノイズキャンセリングシステムは、ヘッドホンのスピーカ１０１であるサウンドトランスデューサを有する。本システムは、さらに、ユーザの耳の近くに配置されたマイクロホン１０３を有する。本例では、ヘッドホンは、ユーザの耳を覆う耳覆い型（circumaural）ヘッドホンであり、ユーザの耳の周囲に形成される音響空間内のオーディオ信号をキャプチャするようにマイクロホンがマウントされたものであってもよい。
【００４８】
ノイズキャンセリングシステムの目標は、ユーザに聞こえるサウンドを減衰またはキャンセルすることであり、本システムはマイクロホン１０３が測定するエラー信号を最小化しようとする。密閉型ヘッドホンの利用により、さらに、パッシブノイズが減衰し、これは高い周波数において特に効果的である。密閉型ヘッドホンのセットの一般的なパッシブ伝達関数例を図２に示す。さらに、図１のアクティブノイズキャンセレーションシステムは、低い周波数におけるノイズキャンセリングに特に適している。これは、オーディオ信号の逆位相信号を発生し、それをユーザに聞こえる音響環境に放射するスピーカ１０１に送るころにより実現する。これにより、マイクロホン１０３は、キャンセルするオーディオノイズＮと、スピーカ１０１により得られるノイズキャンセレーション信号との音響的組み合わせに対応するエラー信号をキャプチャする。
【００４９】
ノイズキャンセレーション信号を発生するために、図１のシステムは、マイクロホン１０３の出力からスピーカ１０１の入力にフィードバック経路を有し、閉フィードバックループを組成する。
【００５０】
図１の例では、フィードバックループは、ほぼデジタル領域で実装され、そのために、マイクロホン１０３は（一般的には、低ノイズアンプを含む）アンチエイリアシングフィルタ１０５に結合し、アンチエイリアシングフィルタ１０５はさらにアナログ・デジタル(Ａ／Ｄ)コンバータ１０７に結合している。
【００５１】
デジタル化した信号はデジタルフィードバック経路１０９に送られ、さらに、デジタル・アナログ(Ｄ／Ａ)コンバータ１１１に結合される。得られたアナログ信号を（一般的に、パワーアンプを含む）駆動回路１１３に送る。この駆動回路は、スピーカ１０１に結合し、スピーカ１０１を駆動して、ノイズキャンセレーション信号を放射する。
【００５２】
本システムでは、このように、フィードバック経路１０９と、フィードバック経路１０９の一部ではない要素を有する二次的経路とを含むフィードバックループを生成する。このように、二次的経路は、フィードバック経路１０９を除くフィードバックループのコンポーネントの合成伝達関数に対応する伝達関数を有する。よって、二次的経路の伝達関数は、フィードバック経路１０９の出力からフィードバック経路１０９の入力までの（開ループ）経路の伝達関数に対応する。本例では、二次的経路は、Ｄ／Ａコンバータ１１１、駆動回路１１３、スピーカ１０１、スピーカ１０１からマイクロホン１０３への音響経路、アンチエイリアシングフィルタ１０５、及びＡ／Ｄコンバータ１０７を有する。
【００５３】
図１のノイズキャンセリングシステムは、さらに、二次的経路の少なくとも一部の伝達関数の変化に応じて、フィードバックループを動的に適応させる機能を有する。しかし、フィードバックループの適応は、フィードバックゲインの適応に限定されており、周波数応答の適応はしない（位相応答や振幅応答も）。このように、本例では、フィードバック経路１０９は、キャンセリングフィルタ１１５と可変ゲイン１１７を有する。
【００５４】
言うまでもなく、ある実施形態では、可変ゲイン１１７とキャンセリングフィルタ１１５は、例えば、キャンセリングフィルタとなるフィルタのフィルタ係数を変更することにより実現できる可変ゲインにより、実施できる（周波数応答ではなくゲインを修正するように。例えば、すべての係数を同じくスケーリングする）。さらに、言うまでもなく、ある実施形態では、可変ゲイン１１７とキャンセリングフィルタ１１５は、別の機能要素として実施でき、フィードバックループ中に異なるものとして配置されてもよい。例えば、可変ゲイン１１７は、キャンセリングフィルタ１１５の前に配置してもよいし、例えば、アナログ領域に配置してもよい（例えば、駆動回路１１３の一部として実施できる）。
【００５５】
図３は、図１のシステムの分析モデルを示す。本モデルでは、マイクロホン１０３により行われるオーディオ加算を加算器３０１で表し、マイクロホンからキャンセリングフィルタ１１５への経路を第１の二次的経路フィルタ(ｓ１)３０３により表し、キャンセリングフィルタ１１５を対応するフィルタ応答３０５で表し、可変ゲイン１１７をゲイン関数３０７で表し、可変ゲイン１１７からマイクロホン１０３への二次的経路の一部を第２の二次的経路フィルタ(ｓ２)３０９で表した。
【００５６】
本モデルでは、フィードバック経路の要素の順序は交換でき、図４に示したように、第１の二次的経路フィルタ(ｓ１)３０３と第２の二次的経路フィルタ(ｓ２)３０９を組み合わせて１つの二次的経路フィルタ(ｓ＝ｓ１・ｓ２)４０１にしてもよい。
【００５７】
ノイズ信号Ｎの閉ループ伝達関数Ｅ（ｆ）／Ｎ（ｆ）は、次式のように決まる：
【００５８】
【数１】
0005709760.tif 000002
または、デジタルｚ変換領域において、
【００５９】
【数２】
0005709760.tif 000003
ノイズキャンセリングシステムの目的は、入来信号をできるだけ減衰する伝達関数Ｈ（ｆ）(またはＨ（ｚ）)を提供する（すなわち、マイクロホン１０３でキャプチャした信号ｅをできるだけ低くする）ことである。
【００６０】
本発明の発明者は、二次的経路、特に、スピーカ１０１からマイクロホン１０３への音響経路における伝達関数の変化を補償するフィードバックループの非常に効率的な適応が、キャンセリングフィルタ１１５の複雑な適応を実行しなくても、特に、その周波数応答の適応をしなくても実現可能であることに気づいた。すなわち、非適応的（non-adaptive）キャンセリングフィルタ１１５を用いる。キャンセリングフィルタの複雑な周波数応答適応の替わりに、複雑性が低いゲイン変化を用いて、複雑性を低く抑えたまま、性能を改善する。
【００６１】
図１のシステムは、フィードバックループの二次的経路の少なくとも一部のゲインを決定するように構成されたゲイン検出器１１９を有する。本例では、フィードバック経路１０９の出力からフィードバック経路１０９の入力までの伝達関数について、かかる二次的経路ゲインを決定する。これは、本例では、Ｄ／Ａコンバータ１１１の入力からＡ／Ｄコンバータ１０７の出力までの二次的経路ゲインに対応する。このように、本例では、ゲイン検出器１１９は、Ａ／Ｄコンバータ１０７の出力とＤ／Ａコンバータ１１１の入力に結合している。
【００６２】
本例では、二次的経路全体についてゲインを決定するが、言うまでもなく、他の実施形態では、二次的経路の一部のみについてゲインを決定してもよい。例えば、ゲインに影響しない要素や、ゲインに静的にのみ影響する要素は、判断から除外し、無視するか、補償してもよい。ほとんどの典型的なシステムでは、二次的経路の伝達関数の変化は、スピーカ１０１からマイクロホン１０３への音響経路における変化が支配的であり、多くの実施形態では、決定する二次的経路ゲインは、この音響経路を含む第２の経路の一部について決定する。
【００６３】
本例では、ゲイン検出器１１９は、フィードバック経路１０９の出力において第１の信号レベルｘ１を測定し、フィードバック経路１０９の入力において第２の信号レベルｘ２を測定することにより、ゲインを決定できる。二次的経路ゲインを、これらの測定値の比として決定する、すなわち、
【００６４】
【数３】
0005709760.tif 000004
言うまでもなく、多くの実施形態では、このような決定は現実的ではない。特に、マイクロホンへの入力信号にノイズＮがあるので、フィードバックループとあいまって、上記の比は二次的経路ゲインのゲインを正確に反映していないこのように、二次的経路ゲインを決定するこのアプローチは、ノイズ信号Ｎを除去したり補償したりできるシナリオで用いることができる。例えば、ノイズキャンセリングシステムを用いて、スイッチを切れるノイズ源（例えば、一時的にスイッチを切れるマシン）からのノイズをキャンセルする場合、現在のヘッドホン構成の二次的経路ゲインを決定するために、既知のノイズ信号を入れるのではなく、これを一時的に行うことができる。他の一例として、(例えば、ヘッドホン外部の)第２のマイクロホンを用いて、ノイズ信号Ｎを推定し、その推定を用いて、第２の信号レベルｘ２をＮの貢献分だけ補償してもよい。
【００６５】
しかし、多くの例では、ノイズキャンセリングを動的かつ連続的に、また特に較正操作（ノイズ源のスイッチを切ることなど）を必要とせずに適応して、二次的経路における動的な変化を反映することが望ましい。このような例について二次的経路ゲインを決定するのに有利な別のアプローチは、後で説明する。
【００６６】
さらに、ゲイン検出器１１９はさらにゲインコントローラ１２１に結合し、ゲインコントローラ１２１はさらに可変ゲイン１１７に結合している。ゲインコントローラ１２１は、決定された二次的経路ゲインを受け取り、二次的経路ゲインに応じて可変ゲイン１１７のゲインを制御する。
【００６７】
具体的に、ゲインコントローラ１２１は、二次的経路ゲインの変化を名目値（nominal  value）になるよう補償するように、可変ゲインのゲインを決定する。具体的に、ゲインコントローラは、二次的経路ゲインと可変ゲインの合成ゲインが実質的に一定になるように、可変ゲインを設定できる。例えば、
【００６８】
【数４】
0005709760.tif 000005
ここで、ｇＶＧは可変ゲイン１１７のゲインであり、ｇＮは名目ゲインであり、ｇＳＰは二次的経路ゲインである。
【００６９】
他の実施形態では、二次的経路ゲインからの好適なマッピングにより、可変ゲインを決定してもよい。このマッピングは、ルックアップテーブルで表してもよいし、例えばｘ１とｘ２の関数により定義してもよい。
【００７０】
決定した二次的経路（の少なくとも一部）のゲインに基づき周波数応答を適応せずに、フィードバックループのゲインのみを適応する有利なアプローチは、発明者による異なる利用構成の場合に、二次的経路（及び、特に音響経路）の典型的な変化は、十分に関連しており、詳細な周波数特性や適応をしなくても、性能や安定性特性がよくなるとの、発見に基づく。
【００７１】
例えば、図５は、４つの異なる構成の場合に、ノイズキャンセリングヘッドホンの二次的経路について測定した強度周波数応答の変化例を示す図である。
−通常の使用
−ヘッドホンをユーザの耳に強く押しつけた場合
−ヘッドホンをテーブルに置いた（不使用の）場合
−ヘッドホンとユーザの頭の間に少しリークがある場合。
【００７２】
図から分かるように、強度応答には大きな周波数変化があり、特に約２ｋＨｚまでの周波数変化が大きい。従って、ノイズキャンセリング性能は、具体的な構成に強く依存し、構成によっては劣化する。さらに、すべての構成において安定性を確保しなければならず、そのため、キャンセリングフィルタ１１５の設計には大きな制約が課される。
【００７３】
例えば、図５に示した例の４つの二次的経路すべてに好適なキャンセリングフィルタ１１５を設計・実施すると、構成によっては大きく劣化する場合もある。例えば、図６は、ヘッドホンをユーザの頭に対して強く押しつけた場合に得られる強度伝達６０１関数Ｈ（ｆ）を示す図である。振幅応答６０１をヘッドホンのパッシブ伝達関数の振幅応答と合成する（図６の曲線６０３に対応）。図から分かるように、低周波数では大幅な改善ができたが、約８００Ｈｚまたはそれより上の周波数では、ゲインが大きくなり、この可聴周波数ではノイズが増幅されてしまう。
【００７４】
しかし、図５は、二次的経路における変化が強い相関を有し、特に、ゲインは変化しても、曲線の形状は比較的同じであることを示している。この効果を図１のシステムで使用して、フィードバックループの補償のみに基づきゲインを決めて、伝達関数Ｈ（ｆ）全体の変化の低下と、キャンセリングフィルタ１１５を最適化する際の自由度の増加との両方により、大幅にノイズキャンセリング性能を改善できる。
【００７５】
図７は、テスト信号を注入し、注入したテスト信号の信号レベルを測定することにより、二次的経路ゲインを測定する図１のシステムの一例を示す。本例では、システムは、具体的には加算部７０３である合成部により、可変ゲイン１１７とＤ／Ａコンバータ１１１の間のフィードバックループに加えるテスト信号を発生する信号発生器７０１を有する。
【００７６】
このように、本システムはテスト信号を注入し、ゲイン検出器１１９は、加算部７０３の出力ｘ１とキャンセリングフィルタ１１５の入力ｘ２におけるこのテスト信号の信号レベルを決定するように構成されている。二次的経路ゲインを、これらの値の比として生成する。言うまでもなく、他の例では、フィードバックループの他の位置における信号を測定して、二次的経路ゲインの決定に用いてもよい。例えば、ゲインが一定の要素は測定に含めなくてもよい。
【００７７】
ある実施形態では、ゲイン検出器１１９は、単に信号ｘ１とｘ２の信号レベルを測るものであってもよい。例えば、テスト信号がノイズ信号Ｎの貢献よりも大幅に大きければ、直接測定した信号レベルは、テスト信号に関連する信号成分の信号レベルと実質的に同じであると考えてもよい。
【００７８】
しかし、他の実施形態では、測定はテスト信号に対応する信号成分の信号レベルを決定することを目的とするものであってもよい。例えば、テスト信号は、ゲイン検出器１１９には分かっている擬似ノイズ信号であってもよい。従って、ゲイン検出器は、信号ｘ１とｘ２を既知の擬似ノイズシーケンスと相関させて、相関値を、注入したテスト信号による信号成分ｘ１とｘ２の信号レベルの尺度として用いてもよい。
【００７９】
注入した信号を利用することにより、多くのシナリオにおいて、二次的経路ゲインの決定が改善し簡単になる。例えば、ノイズ源をスイッチオフし、またはスピーカ１０１からマイクロホン１０３への音響経路から切り離せないシナリオでは、例えば、ノイズ信号Ｎよりも非常に強いテスト信号の注入により、二次的経路ゲインを正確に決定できる。
【００８０】
テスト信号は狭帯域信号であってもよい。発明者は、狭帯域で評価した二次的経路のゲインに基づき、フィードバックループのゲインを単に調節することにより、ノイズキャンセリングシステムの正確な適応を達成できることに、ことに気づいた。このように、超帯域のテスト信号を注入することにより、この小さい帯域のみで決定した二次的経路ゲインを拡張して、全周波数範囲で一定のゲイン補償を行う。
【００８１】
狭帯域テスト信号を用いることにより、ユーザに聞こえるテスト信号を小さくする。テスト信号は、１０Ｈｚ未満の３ｄＢ帯域を有する（すなわち、信号が３ｄＢ低下するスペクトル密度により決まる帯域幅は、１０Ｈｚ以下である）。特に、テスト信号成分の信号レベルの検出と測定を容易にする単一トーン信号（正弦波）を用いることにより、性能が有利になる。具体的に、ゲイン検出器１１９は、測定した信号ｘ１とｘ２に離散フーリエ変換を行い、テスト信号の周波数に対応するビン（bin）の大きさから信号レベルを決定する。あるいは（または同様に）、ゲイン検出器１１９は、テスト信号と同じ周波数を有する（正弦信号または余弦信号に対応する）シヌソイドと、測定した信号との相関を取る（また、マイクロホン信号のタイミングと位相をテスト信号と合わせ（aligning）、相関を測定することにより、測定した信号と、デジタルテスト信号との相関を直接とってもよい）。他の例として、（ＤＦＴマトリックスの対応する行の係数に対応する）テスト周波数のシヌソイドの複素値を、マイクロホン信号との相関を取って、その強さを決定してもよい。さらに、シヌソイドを用いるので、テスト信号の発生が簡単になる。
【００８２】
さらに、狭帯域テスト信号を低周波数信号として発生する。特に、テスト信号の中心周波数を、１０Ｈｚないし４０Ｈｚの区間（両端を含む）内に入るように選択する。これにより、非常に有利なトレードオフが得られる。典型的には少なくとも２ｋＨｚまでの二次的経路応答の代表的ゲインを、１つの狭帯域信号に基づき決定できるからである。さらに、リスナには容易に聞こえない周波数範囲の低周波数を用いるので、ユーザには不都合はないか、あっても少ない。また、スピーカ１０１からマイクロホン１０３への音響経路にテスト信号を結合することにより、これを実現できる。言い換えると、周波数は十分高く、例えばヘッドホン用の一般的なスピーカが信号を十分な（reasonable）信号レベルで放射できる。
【００８３】
本例では、１５Ｈｚと２５Ｈｚの間の単一トーンよりなる、典型周波数が約２０Ｈｚであるテスト信号を用いる。このように、本アプローチは、２ｋＨｚより低い１つの周波数について二次的経路ゲインが分かれば、２ｋＨｚまでの周波数の対応する二次的経路ゲインは十分な精度で分かり、簡単なゲイン適応を行うことにより性能を上げられる、との気づきを利用するものである。このように、（振幅が大きすぎないことを条件に）人間の耳には聞こえない周波数のシヌソイド（sinusoid）をフィードバックループに加え、得られた信号レベルを測定して、二次的経路ゲインの決定に用いる。
【００８４】
言うまでもなく、ノイズ信号Ｎがゼロでなければ、信号レベルｘ１とｘ２へのノイズ信号Ｎの貢献は、決定される二次的経路ゲインに影響する。狭帯域テスト信号の場合、測定する信号ｘ１とｘ２はゲイン検出器１１９により（例えば、離散フーリエ変換またはテスト信号との信号の相関を用いて）パスバンドフィルタされ、このパスバンド内のノイズ信号Ｎの信号成分の貢献は、決定する二次的経路ゲインに影響する。
【００８５】
しかし、テスト信号が、あるパスバンド内においてノイズ信号Ｎからの貢献より非常に高い信号レベルを有するようにして、その貢献を、我慢できるレベルや無視できるレベルまで減らすことができる。例えば、注入するテスト信号の信号レベルを、テスト信号を測定するパスバンド内の典型的な外部ノイズレベルより高いレベルに設定してもよい。さらに、狭帯域信号を用いることにより、外部ノイズに対するテスト信号の貢献は、通常ユーザに聞こえる周波数範囲の外から選ぶことができる非常に小さい帯域幅においてのみ支配的になる。
【００８６】
ある実施形態では、テスト信号の信号レベルは、対応する外部ノイズの信号レベルに応じて動的に適応できる。
【００８７】
具体的に、ゲイン検出器１１９は、最初、テスト信号を注入するポイントにおいて、テスト信号無しで信号レベルを測定してもよい。例えば、ゲイン検出器１１９は、テスト信号発生器７０１のスイッチを切って、テスト信号に対応するｘ１の信号成分の信号レベルを測定してもよい。すなわち、本例では、ｘ１に対するテスト信号の貢献を測定するのに用いる狭い帯域幅内で信号レベルを測定してもよい。テスト信号の信号レベルは、この測定した信号レベルに応じて決定してもよい。具体的には、この信号レベルをテスト信号が無いときの測定レベルよりも非常に高く、例えば少なくとも１０倍高く、設定できる。これにより、ゲイン検出器１１９がテスト信号成分の信号レベルを主に決定し、これらの成分がその帯域幅中の外部ノイズＮからの貢献を支配する。さらに、この帯域幅はリスナに聞こえる周波数範囲外にあるので、強いテスト信号を加えてもユーザ体験は（満足できないほど）悪くならない。
【００８８】
ある実施形態では、外部ノイズを用いてテスト信号をマスクし、テスト信号レベルを高くして精度をよくする。例えば、外部ノイズの周波数スペクトルを決定し、このスペクトルに対応するマスキング効果を用いてテスト信号の特性を設定する。例えば、信号レベルは、その周波数において外部ノイズレベルより非常に高いレベルに設定されるが、近い周波数においては、例えば、高いレベルの外部ノイズ成分によりマスクされる。ある実施形態では、テスト信号の周波数は、外部ノイズが低いがマスキング効果が高いエリアになるよう選択される。このように、外部ノイズのマスキング特性を決定し、テスト信号の特性をこれ（例えば、信号レベル及び／または周波数）に応じて設定してもよい。
【００８９】
図７の例では、ゲインを決定する二次的経路（の一部）の前後のループ信号を測定して、二次的経路ゲインを決定する。言うまでもなく、注入したテスト信号におけるフィードバックループの効果のため、単にフィードバックループ中の１つの測定した信号レベルと、注入したテスト信号の信号レベル（すなわち、加算部７０３に入力されるテスト信号発生器７０１の出力における既知の信号レベル）との比較による二次的経路ゲインに基づくのは、一般的には十分ではない。
【００９０】
しかし、ある実施形態では、信号ｘ１の信号レベルは、ループ信号の測定ではなく、テスト信号の信号レベルから決定できる。特に、テスト信号を、キャンセリングフィルタ１１５により減衰されるように、選択する。テスト信号があるために起こる非キャンセリングフィルタ１１５への入力の信号成分の減衰は、具体的には６ｄＢ以上である（例えば、ある実施形態では、信号は１０ｄＢや２０ｄＢまで減衰する）。
【００９１】
このように、システムは、テスト信号がキャンセリングフィルタ１１５のストップバンド（stop  band）になるように設計できる。例えば、９０%以上のテスト信号はキャンセリングフィルタ１１５のパスバンドの外にあり、キャンセリングフィルタ１１５のゲインがキャンセリングフィルタ１１５の最大ゲイン以内に（例えば、７ｄＢ）ある、帯域幅として画定される。このように、テスト信号成分は、キャンセリングフィルタ１１５により約６ｄＢだけ減衰する（多くのシナリオでは、１０−２０ｄＢなどのさらに高い減衰を用いる）。結果として、（テスト信号の帯域幅内の）ｘ１に対する貢献は、テスト信号発生器７０１からの貢献が支配的になり、多くのシナリオでは、フィードバック経路１０９からの貢献は無視できる。要するに、本シナリオは、システムがテスト信号の非フィードバックループ構成に効果的に対応するように、キャンセリングフィルタ１１５がテスト信号のフィードバック信号を減衰（またはブロック）するシステムに対応する。
【００９２】
このように、かかる実施形態では、狭い帯域内の信号ｘ１の信号レベルは、テスト信号の信号レベルと（ほぼ）同じである。このように、かかる実施形態では、ゲイン検出器１１９は、二次的経路ゲインを決定する際に、テスト信号のために設定された信号レベルを直接用いてもよい。
【００９３】
あるシステムでは、スピーカ１０１を用いて、ユーザにユーザオーディオ信号を提供してもよい。例えば、ユーザはヘッドホンを用いて音楽を聴く。かかるシステムでは、（例えば、Ｄ／Ａコンバータ１１１の入力において）ユーザオーディオ信号をフィードバックループ信号と合成し、マイクロホン１０３でキャプチャした推定ユーザオーディオ信号に対応する貢献を減算することにより、マイクロホン１０３からのエラー信号を補償する。かかるシステムでは、音楽信号を用いて二次的経路ゲインを決定でき、具体的には信号値ｘ１とｘ２を測定して、ユーザオーディオ信号との相関を取る（ｘ２は推定ユーザオーディオ信号の補償前に測定する）。このように、かかる例では、ユーザオーディオ信号をテスト信号として用いることもできる。言い換えると、ある例では、テスト信号はユーザオーディオ信号である。
【００９４】
言うまでもなく、上記の説明では、明りょうにするため、異なる機能ユニットとプロセッサを参照して本発明の実施形態を説明した。しかし、言うまでもなく、本発明から逸脱することなく、異なる機能ユニットやプロセッサの間で機能を適宜分配して、用いることができる。例えば、べつのプロセッサやコントローラにより実行される機能は、同じプロセッサやコントローラで実行してもよい。このように、具体的な機能ユニットの参照は、説明した機能を提供する好適な手段の参照であり、論理的あるいは物理的に厳密な構造や組織を表しているわけではない。
【００９５】
本発明は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせを含むいかなる好適な形式で実施することもできる。本発明は、任意的に、１つ以上のデータプロセッサ及び／またはデジタル信号プロセッサ上で実行されるコンピュータソフトウェアとして、少なくとも部分的に実施することができる。本発明の実施形態の構成要素は、いかなる好適な方法で物理的、機能的、論理的に実施してもよい。機能は単一のユニット、複数のユニット、または他の機能ユニットの一部として実施することもできる。このように、本発明は、単一ユニットで実施することもできるし、異なる複数のユニットやプロセッサに物理的かつ機能的に分散して実施することもできる。
【００９６】
実施形態に関して本発明を説明したが、ここに記載した具体的な形態に限定することを意図したものではない。むしろ、本発明の範囲は添付した請求の範囲のみにより限定される。また、具体的な実施形態に関して構成を説明したように見えるかも知れないが、当業者には言うまでもなく、説明した実施形態の様々な構成を、本発明により、組み合わせることができる。請求項では、「有する」という用語は他の要素やステップの存在を排除するものではない。
【００９７】
さらに、個別的に列挙されていても、複数の手段、要素、方法ステップは、例えば単一のユニットまたはプロセッサにより実施してもよい。また、個々の機能（feature）は異なる請求項に含まれていても、これらを有利に組み合わせることが可能であり、異なる請求項に含まれていても、機能を組み合わせられないとか、組み合わせても有利ではないということを示唆するものでもない。また、ある構成をあるカテゴリーのクレームに含めたとしても、そのカテゴリーに限定することを意味するのではなく、むしろその構成が必要に応じて他のクレームカテゴリーにも等しく適用できることを示すものである。さらに、クレーム中の構成の順序は、その構成が機能しなければならない特定の順序を示すものではなく、特に、方法クレームにおける個々のステップの順序はそのステップがこの順序で実行されなければならないことを示すものではない。むしろ、ステップは任意の好適な順序で実行してもよい。また、単数扱いをしても複数の場合を排除するものではない。よって、「１つの」、「第１の」、「第２の」等は複数の場合を排除するものではない。請求項中の参照符号は、明りょうにするために設けており、請求項の範囲を限定するものと解してはならない。
【図１】
0005709760.tif 000006
【図２】
0005709760.tif 000007
【図３】
0005709760.tif 000008
【図４】
0005709760.tif 000009
【図５】
0005709760.tif 000010
【図６】
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【図７】
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