АКТИВНОЕ ПОДАВЛЕНИЕ АУДИОШУМОВ
ACTIVE SUPPRESSION OF AUDIO NOISE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к системе подавления аудиошумов и, в частности, но не только, к системе активного подавления аудиошумов для наушников (головных телефонов).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Активное подавление шумов становится все более популярным во многих аудиосредах, в которых нежелательный звук воспринимается пользователями. Например, наушники, содержащие функциональные возможности активного подавления шумов, стали популярными и часто используются во многих аудиосредах, например в шумных производственных помещениях, в самолетах и людьми, управляющими шумным оборудованием.
Наушники с активным подавлением шумов и аналогичные системы основываются на микрофоне, регистрирующем (воспринимающем) аудиосреду, обычно близкую к уху пользователя (например, в пределах акустического объема, созданного наушниками вокруг уха). Сигнал подавления шумов затем излучается в аудиосреду, чтобы снизить результирующий уровень шума. В частности, сигнал подавления шумов стремится предоставить сигнал с противоположной фазой звуковой волны, поступающей в микрофон, посредством этого приводя к деструктивной интерференции, которая по меньшей мере частично уравновешивает шум в аудиосреде. Как правило, система активного подавления шумов реализует контур обратной связи, который формирует сигнал подавления звука на основе звукового сигнала, измеренного микрофоном в присутствии как шума, так и сигнала подавления шумов.
Параметры таких циклов подавления шумов управляются фильтром подавления, реализованным как часть контура обратной связи. Предпринимаются попытки спроектировать такой фильтр подавления, чем можно достичь оптимального эффекта подавления шумов. Известны различные алгоритмы и подходы для проектирования фильтра подавления. Например, подход для проектирования фильтра подавления на основе кепстральной области описывается в J. Laroche "Optimal Constraint-Based Loop-Shaping in the Cepstral Domain", IEEE Signal process letters, 14(4): 225-227, апрель 2007.
Однако, поскольку контур обратной связи по существу представляет фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ), исполнение фильтра подавления ограничивается требованием стабильности контура обратной связи. Стабильность фильтра общего замкнутого цикла обеспечивается путем использования теоремы устойчивости Найквиста, которая требует, чтобы передаточная функция общего замкнутого цикла не окружала точку z=-1 в комплексной плоскости для z=exp(jθ) при 0≤θ<2π.
Однако, тогда как фильтр подавления стремится быть неизменным неадаптивным фильтром, чтобы уменьшить сложность и упростить процесс проектирования, передаточные функции частей контура обратной связи имеют обыкновение существенно меняться. В частности, контур обратной связи содержит вторичный тракт, который представляет другие элементы контура, помимо фильтра подавления, включающие отклик аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, фильтры защиты от наложения спектров, усилитель мощности, громкоговоритель, микрофон и передаточную функцию акустического тракта от громкоговорителя к микрофону ошибок. Передаточная функция вторичного тракта существенно меняется в зависимости от текущей конфигурации наушников. Например, передаточная функция вторичного тракта может существенно изменяться в зависимости от того, находятся ли наушники в нормальной рабочей конфигурации (то есть надеты пользователем), не надеты пользователем, прижаты к голове пользователя и т.д.
Поскольку контур обратной связи должен быть стабильным во всех сценариях, фильтр подавления ограничивается необходимостью обеспечивать стабильность для всех разных возможных передаточных функций во вторичном тракте. Поэтому исполнение фильтра подавления стремится быть основанным на предположении наихудшего случая для передаточной функции вторичного тракта. Однако, хотя такой подход может обеспечить стабильность системы, он имеет тенденцию к сниженной эффективности, так как идеальная функция подавления шумов для определенной текущей передаточной функции вторичного тракта не реализуется фильтром подавления.
Поэтому была бы полезной усовершенствованная система подавления шумов и, в частности, была бы полезной система подавления шумов, обеспечивающая повышенную гибкость, улучшенное подавление шумов, уменьшенную сложность, улучшенный показатель и характеристики стабильности и/или повышенную эффективность.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, изобретение стремится предпочтительно смягчить, ослабить или устранить один или несколько вышеупомянутых недостатков поодиночке или в любом сочетании.
Система подавления шумов, содержащая: микрофон для формирования зарегистрированного сигнала, представляющего звук в аудиосреде; преобразователь звука для излучения звукового сигнала подавления звука в аудиосреде; средство обратной связи от микрофона к преобразователю звука, причем средство обратной связи принимает зарегистрированный сигнал и формирует управляющий сигнал для преобразователя звука и содержит неадаптивный фильтр подавления и переменное усиление; средство определения усиления для определения усиления вторичного тракта по меньшей мере для части вторичного тракта в контуре обратной связи, причем контур обратной связи содержит микрофон, преобразователь звука и средство обратной связи, при этом вторичный тракт не включает в себя неадаптивный фильтр подавления и переменное усиление; и средство настройки усиления для регулирования усиления у переменного усиления в ответ на усиление вторичного тракта.
Подход может обеспечить повышенную эффективность для системы подавления шумов. Сложность может оставаться низкой, позволяя при этом гибкую адаптацию к разным рабочим конфигурациям. В частности, автор изобретения убедился, что изменения во вторичном тракте и, в частности, в передаточной функции для акустической секции от преобразователя звука к микрофону могут преимущественно компенсироваться путем регулирования всего лишь усиления у средства обратной связи. В частности, частотная и фазовая характеристики передаточной функции в фильтре подавления могут поддерживаться постоянными, добиваясь при этом улучшенного подавления шумов. Кроме того, автор изобретения убедился, что определение усиления с небольшой сложностью для вторичного тракта с последующей регулировкой усиления контура обратной связи может быть достаточным, чтобы повысить эффективность подавления шумов для изменений во вторичном тракте. Также автор изобретения убедился, что путем измерения усиления вторичного тракта и соответственного регулирования усиления у средства обратной связи можно уменьшить ограничения стабильности для фильтра подавления, посредством этого позволяя реализацию более оптимального фильтра подавления.
Система подавления шумов выполнена с возможностью регулировки усиления у средства обратной связи, однако не проводятся никакие другие модификации в передаточной функции средства обратной связи в ответ на измеренную характеристику вторичного тракта.
Передаточная функция вторичного тракта может соответствовать передаточной функции всех остальных элементов в контуре обратной связи, помимо фильтра подавления и переменного усиления, и может включать в себя, в частности, акустический тракт от преобразователя звука к микрофону.
Средство определения усиления содержит: средство для введения тестового (измерительного) сигнала в контур обратной связи; средство для определения первого уровня сигнала, соответствующего тестовому сигналу на входе по меньшей мере части вторичного тракта; средство для определения второго уровня сигнала, соответствующего тестовому сигналу на выходе по меньшей мере части вторичного тракта; и средство для определения усиления вторичного тракта в ответ на первый уровень сигнала и второй уровень сигнала.
Это может обеспечить эффективную и высокопроизводительную систему подавления шумов. Тестовый сигнал может вводиться на вход по меньшей мере части вторичного тракта путем сложения (или другого сочетания) сигнала контура обратной связи и тестового сигнала. Первый уровень сигнала может определяться путем измерения объединенного сигнала (из тестового сигнала и сигнала контура обратной связи) на входе по меньшей мере в часть вторичного тракта, например, объединенного с помощью сопоставления с характеристиками тестового сигнала (например, путем полосовой фильтрации). В некоторых вариантах осуществления первый уровень сигнала может определяться как уровень сигнала у тестового сигнала. Например, если уровень сигнала у тестового сигнала существенно превышает сигнал контура обратной связи, то уровень сигнала на входе по меньшей мере части вторичного тракта (например, на выходе блока суммирования/комбинатора, используемого для ввода сигнала) может определяться как уровень сигнала у тестового сигнала, вводимого в блок суммирования/комбинатор.
Второй уровень сигнала может определяться путем непосредственного измерения уровня сигнала на выходе по меньшей мере части вторичного тракта (объединенного с помощью сопоставления с характеристиками тестового сигнала, например в виде полосовой фильтрации) или может определяться, например, путем измерения другого сигнала в контуре обратной связи и определения уровня сигнала на выходе по меньшей мере части его вторичного тракта.
Усиление вторичного тракта может определяться, в частности, в ответ на отношение между вторым уровнем сигнала и первым уровнем сигнала.
В соответствии с необязательным признаком изобретения выход по меньшей мере части вторичного тракта соответствует по меньшей мере одному из входа переменного усиления 117 и входа неадаптивного фильтра подавления.
Это может повысить производительность. В частности, это может обеспечить улучшенную характеризацию контура обратной связи и может позволить, например, учитывать влияние всех элементов вторичного тракта. В частности, это может соответствовать определению усиления для целого вторичного тракта.
В соответствии с необязательным признаком изобретения средство для определения первого уровня сигнала выполнено с возможностью определения первого уровня сигнала в ответ на уровень сигнала у тестового сигнала и без измерения сигнала контура обратной связи.
Это может обеспечить уменьшенную сложность и/или упрощенную работу наряду с сохранением точного определения усиления вторичного тракта во многих вариантах осуществления. Подход может быть пригодным, в частности, для вариантов осуществления, где уровень сигнала у тестового сигнала задается существенно выше сигнала контура обратной связи в точке, где вводится тестовый сигнал.
В соответствии с необязательным признаком изобретения тестовый сигнал является узкополосным сигналом, имеющим полосу пропускания по уровню 3 дБ менее 10 Гц.
Автор изобретения убедился, что типичные изменения в усилении вторичного тракта во многих вариантах осуществления таковы, что колебание усиления на разных частотах достаточно слабое, чтобы позволить полезной компенсации изменений во вторичном тракте основываться на измерении усиления, выполненном в очень узкой полосе частот. Использование узкополосного сигнала может снизить воспринимаемость сигнала для пользователя и может уменьшить влияние тестового сигнала на поведение контура обратной связи и эффективность подавления шумов. Кроме того, это может помочь или позволить тестовому сигналу располагаться на частоте, где его с меньшей вероятностью воспримет пользователь (например, за пределами частотного диапазона обычного человеческого слуха).
В соответствии с необязательным признаком изобретения тестовый сигнал по существу является синусоидой.
Это может обеспечить, в частности, подходящую производительность и/или может облегчить работу и/или уменьшить сложность.
В соответствии с необязательным признаком изобретения тестовый сигнал имеет центральную (несущую) частоту в интервал от 10 Гц до 40 Гц.
Это может обеспечить, в частности, подходящее проведение испытаний и может обеспечить улучшенный компромисс между сигналом, заметным для пользователя и подходящим для точных измерений. В частности, это может позволить преобразователю звука воспроизводить тестовый сигнал, одновременно позволяя, чтобы этот сигнал не воспринимался пользователем (или воспринимался на низком уровне).
В соответствии с необязательным признаком изобретения тестовый сигнал является шумовым сигналом.
Это может обеспечить повышенную эффективность, и/или облегченную реализацию, и/или работу во многих вариантах осуществления.
В соответствии с необязательным признаком изобретения система подавления шумов дополнительно содержит средство для измерения третьего уровня сигнала для сигнала, соответствующего входу по меньшей мере части вторичного тракта при отсутствии тестового сигнала; и средство для настройки уровня сигнала у тестового сигнала в ответ на третий уровень сигнала.
Этот может обеспечить улучшенное определение усиления вторичного тракта и соответственно улучшенные характеристики подавления шумов и/или стабильности. Например, уровень сигнала у тестового сигнала может устанавливаться для обеспечения того, что тестовый сигнал преобладает над вторым уровнем сигнала (например, в полосе пропускания тестового сигнала).
В соответствии с необязательным признаком изобретения ослабление составляющей сигнала, соответствующей тестовому сигналу, посредством неадаптивного фильтра подавления составляет по меньшей мере 6 дБ.
Это может обеспечить облегченную реализацию, и/или работу, и/или повышенную точность при определении усиления вторичного тракта, а соответственно, и улучшенное подавление шумов. Например, это может позволить снизить влияние обратной связи на тестовый сигнал до уровня, где его можно игнорировать, посредством этого облегчая измерение усиления вторичного тракта.
В соответствии с необязательным признаком изобретения система подавления шумов дополнительно содержит средство для подачи пользовательского звукового сигнала в преобразователь звука, и средство определения усиления содержит: средство для определения первого уровня сигнала, соответствующего пользовательскому звуковому сигналу на входе по меньшей мере части вторичного тракта; средство для определения второго уровня сигнала, соответствующего пользовательскому звуковому сигналу на выходе по меньшей мере части вторичного тракта и средство для определения усиления вторичного тракта в ответ на первый уровень сигнала и второй уровень сигнала.
Это может обеспечить повышенную эффективность, и/или облегченную реализацию, и/или работу во многих вариантах осуществления.
В соответствии с необязательным признаком изобретения средство настройки усиления выполнено с возможностью задания усиления у переменного усиления таким образом, что объединенное усиление в составе усиления вторичного тракта и усиления у переменного усиления имеет заранее установленное значение.
Это может обеспечить очень выгодную компенсацию изменений во вторичном тракте во многих вариантах осуществления.
В соответствии с необязательным признаком изобретения вторичный тракт содержит цифровую секцию, и по меньшей мере часть вторичного тракта содержит по меньшей мере один из аналого-цифрового преобразователя и цифроаналогового преобразователя.
Система подавления шумов может быть реализована с использованием цифровых методик, а компенсация применяется, например, для частично цифровых контуров обратной связи.
В соответствии с признаком изобретения предоставляется способ работы для системы подавления шумов, включающей: микрофон для формирования зарегистрированного сигнала, представляющего звук в аудиосреде; преобразователь звука для излучения звукового сигнала подавления звука в аудиосреде; средство обратной связи от микрофона к преобразователю звука, причем средство обратной связи принимает зарегистрированный сигнал и формирует управляющий сигнал для преобразователя звука и содержит неадаптивный фильтр подавления и переменное усиление; при этом способ содержит: определение усиления вторичного тракта по меньшей мере для части вторичного тракта в контуре обратной связи, причем контур обратной связи содержит микрофон, преобразователь звука и средство обратной связи, при этом вторичный тракт не включает в себя неадаптивный фильтр подавления и переменное усиление и регулирование усиления у переменного усиления в ответ на усиление вторичного тракта, причем определение усиления вторичного тракта содержит: введение тестового сигнала в контур обратной связи; определение первого уровня сигнала, соответствующего тестовому сигналу на входе по меньшей мере части вторичного тракта; определение второго уровня сигнала, соответствующего тестовому сигналу на выходе по меньшей мере части вторичного тракта; и определение усиления вторичного тракта в ответ на первый уровень сигнала и второй уровень сигнала.
Эти и другие особенности, признаки и преимущества изобретения станут очевидными и будут разъяснены со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, описываемый ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления изобретения будут описываться только в качестве примера со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг.1 иллюстрирует пример системы подавления шумов в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
фиг.2 иллюстрирует пример пассивной передаточной функции для комплекта закрытых наушников;
фиг.3 иллюстрирует пример аналитической модели для системы подавления шумов в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
фиг.4 иллюстрирует пример аналитической модели для системы подавления шумов в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
фиг.5 иллюстрирует примеры амплитудно-частотных характеристик, измеренных для вторичного тракта в наушниках с подавлением шумов для разных конфигураций;
фиг.6 иллюстрирует пример передаточной функции амплитуды для системы подавления шумов в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения; и
фиг.7 иллюстрирует пример системы подавления шумов в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее описание сосредоточено на вариантах осуществления изобретения, применимых к системе подавления аудиошумов для наушников. Однако нужно будет принять во внимание, что изобретение не ограничивается этим применением, а может применяться ко многим другим прикладным задачам, включающим, например, подавление шумов для транспортных средств.
Фиг.1 иллюстрирует пример системы подавления шумов в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. В конкретном примере система подавления шумов является системой подавления шумов для наушников. Нужно будет принять во внимание, что фиг.1 иллюстрирует типовые функциональные возможности для одного уха и что те же самые функциональные возможности можно реализовать для другого уха.
Система подавления шумов содержит преобразователь звука, который в конкретном примере является динамиком 101 наушников. Система, кроме того, содержит микрофон 103, который расположен близко к уху пользователя. В конкретном примере наушники могут быть полноразмерными наушниками, которые окружают ухо пользователя, и с установленным микрофоном, чтобы регистрировать звуковой сигнал в акустическом пространстве, образованном вокруг уха пользователя полноразмерными наушниками.
Цель системы подавления шумов - ослабить или нейтрализовать звук, воспринимаемый пользователем, и соответственно система стремится минимизировать сигнал ошибки e, измеренный микрофоном 103. Использование закрытых наушников, кроме того, может обеспечить пассивное ослабление шума, которое имеет тенденцию стать особенно эффективным на высоких частотах. Пример типичной пассивной передаточной функции для комплекта закрытых наушников показан на фиг.2. Кроме того, система активного подавления шумов из фиг.1 особенно подходит для подавления шума на низких частотах. Это достигается путем формирования противофазного сигнала для звукового сигнала и передачи этого сигнала в динамик 101 для излучения в акустическую среду, воспринимаемую пользователем. Таким образом, микрофон 103 регистрирует сигнал ошибки, который соответствует акустическому сочетанию аудиошума N, который нужно подавить, и сигналу подавления шумов, предоставленному динамиком 101.
Чтобы сформировать сигнал подавления шумов, система из фиг.1 содержит цепь обратной связи от выхода микрофона 103 до входа в динамик 101, посредством этого создавая замкнутый контур обратной связи.
В примере на фиг.1 контур обратной связи обычно реализуется в цифровой области и соответственно микрофон 103 соединяется с фильтром 105 защиты от наложения спектров (обычно включающим в себя малошумящий усилитель), который дополнительно соединяется с аналого-цифровым преобразователем 107.
Оцифрованный сигнал поступает в цифровую цепь 109 обратной связи, которая дополнительно соединяется с цифроаналоговым преобразователем 111. Результирующий аналоговый сигнал подается в задающую схему 113 (обычно включающую в себя усилитель мощности), которая соединяется с динамиком 101 и которая возбуждает динамик 101 для излучения сигнала подавления шумов.
В этой системе соответственно создается контур обратной связи, который включает в себя цепь 109 обратной связи и вторичный тракт, который содержит элементы, которые не являются частью цепи 109 обратной связи. Вторичный тракт соответственно содержит передаточную функцию, соответствующую объединенной передаточной функции компонентов контура обратной связи за исключением цепи 109 обратной связи. Поэтому передаточная функция вторичного тракта соответствует передаточной функции (разомкнутого контура) тракта от выхода цепи 109 обратной связи до входа цепи 109 обратной связи. В конкретном примере вторичный тракт содержит цифроаналоговый преобразователь 111, задающую схему 113, динамик 101, акустический тракт от динамика 101 к микрофону 103, фильтр 105 защиты от наложения спектров и аналого-цифровой преобразователь 107.
Система подавления шумов из фиг.1, кроме того, содержит функциональные возможности для динамической адаптации контура обратной связи в ответ на изменения в передаточной функции по меньшей мере для части вторичного тракта. Однако адаптация контура обратной связи ограничивается адаптацией усиления обратной связи и отсутствует адаптация какой-либо частотной характеристики (фазовой или амплитудной характеристики). Таким образом, в конкретном примере цепь 109 обратной связи содержит фильтр 115 подавления и переменное усиление 117.
Нужно будет принять во внимание, что в некоторых других вариантах осуществления переменное усиление 117 и фильтр 115 подавления могут быть реализованы вместе, например, путем достижения переменного усиления с помощью изменения коэффициентов фильтра, обеспечивающего фильтр подавления (для того, чтобы изменить усиление, но не частотную характеристику, например, все коэффициенты масштабируются одинаково). Кроме того, нужно будет принять во внимание, что в некоторых вариантах осуществления переменное усиление 117 и фильтр 115 подавления могут быть реализованы в виде отдельных функциональных элементов и могут располагаться по-разному в контуре обратной связи. Например, переменное усиление 117 может располагаться перед фильтром 115 подавления или, например, в аналоговой области (например, оно может быть реализовано как часть задающей схемы 113).
1
2
Фиг.3 иллюстрирует аналитическую модель системы из фиг.1. В модели суммирование звуков, выполненное микрофоном 103, представляется сумматором 301, тракт от микрофона к фильтру 115 подавления представляется первым фильтром 303 вторичного тракта (s), фильтр 115 подавления представляется соответствующей характеристикой 305 фильтра, переменное усиление 117 - функцией 307 усиления, а часть вторичного тракта от переменного усиления 117 до микрофона 103 - вторым фильтром 309 вторичного тракта (s).
1
2
1
2
В модели порядок элементов в цепи обратной связи может чередоваться, и соответственно первый фильтр 303 вторичного тракта (s) и второй фильтр 309 вторичного тракта (s) могут объединяться в единый фильтр 401 вторичного тракта (s=s·s), как показано на фиг.4.
Передаточную функцию замкнутого цикла E(f)/N(f) для шумового сигнала N можно соответственно определить как:
<mrow><mi>H</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>N</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>G</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>G</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
или в цифровой области z-преобразования:
<mrow><mi>H</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>N</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>G</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>G</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mrow /></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
Цель системы подавления шумов - предоставить результирующую передаточную функцию H(f) (или H(z)), которая ослабляет входящий сигнал насколько возможно (то есть приводя к как можно более слабому сигналу e, зарегистрированному микрофоном 103).
Автор данного изобретения убедился, что высокоэффективная адаптация контура обратной связи для компенсации изменений в передаточных функциях вторичного тракта и, в частности, в акустическом тракте от динамика 101 к микрофону 103 может достигаться без необходимости выполнять сложную адаптацию фильтра 115 подавления и особенно без необходимости какой-либо адаптации частотной характеристики этого фильтра. Таким образом используется неадаптируемый фильтр 115 подавления. Вместо сложной адаптации частотной характеристики фильтра подавления может использоваться изменение усиления с небольшой сложностью для обеспечения повышенной эффективности, сохраняя при этом небольшую сложность.
Система из фиг.1 содержит детектор 119 усиления, который выполнен с возможностью определения усиления по меньшей мере для части вторичного тракта в контуре обратной связи. В конкретном примере такое усиление вторичного тракта определяется для передаточной функции от выхода цепи 109 обратной связи до входа цепи 109 обратной связи, которое в конкретном примере соответствует усилению вторичного тракта от входа цифроаналогового преобразователя 111 до выхода аналого-цифрового преобразователя 107. Таким образом, в конкретном примере детектор 119 усиления соединяется с выходом аналого-цифрового преобразователя 107 и входом цифроаналогового преобразователя 111.
В этом примере усиление соответственно определяется для всего вторичного тракта, однако нужно будет принять во внимание, что в других вариантах осуществления усиление может определяться только для части вторичного тракта. Например, элементы, которые маловероятно повлияют на усиление или повлияют на него только статически, можно исключить из определения и можно соответственно проигнорировать или компенсировать. В наиболее типичных системах над изменениями передаточной функции для вторичного тракта будут преобладать изменения в акустическом тракте от динамика 101 к микрофону 103, и определенное усиление вторичного тракта во многих вариантах осуществления будет преимущественно определяться для части второго тракта, которая включает в себя этот акустический тракт.
1
2
В конкретном примере детектор 119 усиления может определить усиление путем измерения первого уровня сигнала x на выходе цепи 109 обратной связи и второго уровня сигнала x на входе цепи 109 обратной связи. Усиление вторичного тракта тогда может определяться как отношение между этими уровнями, то есть
<mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mi>S</mi><mi>P</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
2
Нужно будет принять во внимание, что такое определение может быть практически невозможным во многих вариантах осуществления. В частности, наличие шума N во входном сигнале в микрофон вместе с контуром обратной связи приведет к вышеупомянутому отношению, которое, вероятно, не является точным отражением усиления вторичного тракта. Таким образом, этот конкретный подход для определения усиления вторичного тракта может использоваться, в частности, в сценариях, в которых шумовой сигнал N можно удалить или компенсировать. Например, если система подавления шумов используется для подавления шума от источника шума, который можно выключить (например, машина, которую можно временно выключить), то это может выполняться временно, а вместо этого можно ввести известный шумовой сигнал, чтобы определить усиление вторичного тракта для текущей конфигурации наушников. В качестве другого примера второй микрофон (например, за пределами наушников) может использоваться для оценки шумового сигнала N, и эта оценка может использоваться для компенсации вклада от N во второй уровень сигнала x.
Однако во многих примерах желательно, чтобы подавление шумов адаптировалось динамически и непрерывно для отражения динамических изменений во вторичном тракте и без необходимости специальных операций калибровки (например, выключения источника шума). Разные подходы, полезные для определения усиления вторичного тракта для таких примеров, будут описываться позднее.
Детектор 119 усиления дополнительно соединяется с регулятором 121 усиления, который дополнительно соединяется с переменным усилением 117. Регулятор 121 усиления принимает определенное усиление вторичного тракта и управляет усилением переменного усиления 117 в зависимости от усиления вторичного тракта.
В частности, регулятор 121 усиления может задать усиление у переменного усиления таким, что оно компенсирует отклонение усиления вторичного тракта от номинального значения. В частности, регулятор усиления может задать переменное усиление таким, что объединенное усиление в составе усиления вторичного тракта и переменного усиления является по существу постоянным. Например,
<mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mi>V</mi><mi>G</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>g</mi><mi>N</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mi>S</mi><mi>P</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
VG
N
SP
где g - усиление у переменного усиления 117, g - номинальное усиление, а g - усиление вторичного тракта.
1
2
В других вариантах осуществления переменное усиление может определяться путем подходящего преобразования из усиления вторичного тракта. Преобразование может быть представлено справочной таблицей или может задаваться, например, функцией от x и x.
Полезный подход по адаптации всего лишь усиления контура обратной связи без адаптации частотной характеристики на основе одного определенного усиления для (по меньшей мере части) вторичного тракта основывается на понимании автора изобретения, что типичные изменения вторичного тракта (и, в частности, акустического тракта) для разных конфигураций использования полностью относятся к обеспечению улучшенных характеристик производительности и стабильности без включения подробной частотной характеризации или адаптации.
Например, фиг.5 иллюстрирует примеры изменений в амплитудно-частотной характеристике, измеренной для вторичного тракта наушников с подавлением шумов для четырех разных конфигураций:
- Обычное использование.
- Наушники плотно прижаты к ушам пользователя.
- Наушники на столе (не используются).
- Небольшие утечки между наушниками и головой пользователя.
Как видно, имеются большие колебания частоты в амплитудной характеристике, особенно вплоть до примерно 2 кГц. Соответственно, эффективность подавления шумов может сильно зависеть от конкретной конфигурации и будет стремиться ухудшаться в различных конфигурациях. Кроме того, во всех конфигурациях должна обеспечиваться стабильность, и соответственно значительные ограничения налагаются на исполнение фильтра 115 подавления.
Например, проектирование и реализация фильтра 115 подавления, который подходит для всех четырех вторичных трактов из примера на фиг.5, может привести к значительному ухудшению в некоторых конфигурациях. Например, фиг.6 иллюстрирует результирующую передаточную функцию 601 амплитуды для H(f) для ситуации, где наушники плотно прижаты к голове пользователя. Амплитудная характеристика 601 объединяется с таковой у пассивной передаточной функции наушников (соответствующей кривой 603 на фиг.6). Как видно, существенное улучшение достигается для нижних частот, но на частотах около 800 Гц и выше получается значительное усиление, посредством этого приводя к усилению шума на этих слышимых частотах.
Однако фиг.5 указывает, что изменения во вторичном тракте обладают сильной корреляцией, а именно, что, несмотря на то, что усиление может меняться, форма кривых относительно сходная. Этот эффект используется в системе из фиг.1, чтобы обеспечить компенсацию только на основе усиления в контуре обратной связи, приводящую к значительно усиленной эффективности подавления шумов как из-за уменьшенных функциональных изменений в результирующей передаточной функции H(f), так и благодаря увеличенной свободе в оптимизации фильтра 115 подавления.
Фиг.7 иллюстрирует пример системы из фиг.1, в которой усиление вторичного тракта измеряется путем введения тестового сигнала и измерения уровней сигналов для введенного тестового сигнала. В примере система содержит генератор 701 сигналов, который формирует тестовый сигнал, который добавляется в контур обратной связи между переменным усилением 117 и цифроаналоговым преобразователем 111 с помощью блока объединения, которым является, в частности, блок 703 суммирования.
1
2
Таким образом, система вводит тестовый сигнал, и детектор 119 усиления может быть выполнен с возможностью определения уровня сигнала для этого тестового сигнала на выходе блока 703 суммирования x и на входе фильтра 115 подавления x. Усиление вторичного тракта тогда может формироваться в виде отношения между этими значениями. Нужно будет принять во внимание, что в других примерах сигналы в других местах в контуре обратной связи могут измеряться и использоваться для определения усиления вторичного тракта. Например, элементы, которые обладают постоянным усилением, могут не включаться в измерения.
1
2
Детектор 119 усиления в некоторых вариантах осуществления может просто измерять уровни сигналов у сигналов x и x. Например, если тестовый сигнал значительно больше, чем любой вклад от шумового сигнала N, то непосредственно измеренные уровни сигналов могут считаться по существу такими же, как уровни сигналов у составляющих сигнала, относящихся к тестовому сигналу.
1
2
1
2
Однако в других вариантах осуществления измерения могут быть направлены, в частности, на определение уровней сигналов для составляющих сигнала, которые соответствуют тестовому сигналу (происходят из него). Например, тестовый сигнал может быть псевдошумовым сигналом, который известен детектору 119 усиления. Соответственно, детектор усиления может сопоставить сигналы x и x с известной псевдошумовой последовательностью и может использовать корреляционное значение в качестве оценки уровня сигнала для составляющих сигнала в x и x, которые обусловлены введенным тестовым сигналом.
Использование введенного сигнала во многих сценариях может обеспечить улучшенное и упрощенное определение усиления вторичного тракта. Например, в сценариях, в которых нельзя выключить источник шума или он изолирован от акустического тракта от динамика 101 к микрофону 103, ввод сигнала может позволить точно определить усиление вторичного тракта путем введения тестового сигнала, который, например, значительно сильнее шумового сигнала N.
Тестовый сигнал, в частности, может быть узкополосным сигналом. Более того, автор изобретения убедился, что точная адаптация системы подавления шумов может достигаться путем простого регулирования усиления контура обратной связи на основе усиления вторичного тракта, оцененного в узкой полосе пропускания. Таким образом, путем введения тестового сигнала, который имеет узкую полосу пропускания, усиление вторичного тракта, определенное только для этой небольшой полосы пропускания, расширяется, чтобы обеспечить компенсацию усиления, которая постоянна для всего частотного диапазона.
1
2
Использование тестового сигнала с узкой полосой пропускания может использоваться для снижения воспринимаемости тестового сигнала пользователем. На самом деле тестовый сигнал может иметь полосу пропускания по уровню 3 дБ не более 10 Гц (то есть полоса пропускания, заданная спектральной плотностью сигнала, уменьшаемой на 3дБ, равна 10 Гц или меньше). В частности, подходящая производительность может достигаться с использованием однотонального сигнала (синусоиды), что может реально облегчить определение и измерение уровня сигнала у составляющей тестового сигнала. В частности, детектор 119 усиления может просто выполнить дискретное преобразование Фурье над измеренными сигналами x и x и определить уровень сигнала из величины элемента (элементов) дискретизации, соответствующих частоте тестового сигнала. В качестве альтернативы (или эквивалентно) детектор 119 усиления может сопоставить измеренные сигналы с синусоидой (соответствующей синусоидальному или косинусоидальному сигналу), имеющей такую же частоту, что и тестовый сигнал (и, в частности, может сопоставить измеренные сигналы непосредственно с цифровым тестовым сигналом путем выравнивания тайминга/фазы у микрофонного сигнала с тестовым сигналом и измерения корреляции). В качестве другого примера комплексные значения для синусоиды на тестовой частоте (соответствующие коэффициентам соответствующей строки в матрице DFT) можно сопоставить с микрофонным сигналом и определить результирующую величину. Кроме того, использование синусоиды может упростить формирование тестового сигнала.
Кроме того, узкополосный тестовый сигнал формируется в виде низкочастотного сигнала. В частности, центральная частота тестового сигнала выбирается имеющей центральную частоту в интервале от 10 Гц до 40 Гц (включаются оба значения). Это обеспечивает очень выгодный компромисс, так как позволяет определять показательное усиление для характеристики вторичного тракта обычно вплоть до по меньшей мере 2 кГц на основе одного узкополосного сигнала. Кроме того, в частотном диапазоне предоставляется низкая частота, которую нелегко воспринять слушателю, и соответственно устраняется или уменьшается любое неудобство для пользователя. Также это достигается наряду с разрешением присоединения тестового сигнала на всем акустическом тракте от динамика 101 к микрофону 103. Другими словами, частота является достаточно высокой, чтобы типичные динамики, например, для наушников могли излучать сигнал с приемлемыми уровнями сигналов.
В конкретном примере используется тестовый сигнал, состоящий из одного тона между 15 Гц и 25 Гц (включаются оба значения), с типичной частотой около 20 Гц. Таким образом, подход использует понимание того, что если усиление вторичного тракта известно для одной частоты ниже 2 кГц, то соответствующее усиление вторичного тракта для частот вплоть до 2 кГц известно с достаточной точностью, чтобы обеспечить повышенную эффективность путем выполнения простой адаптации усиления. Таким образом, в контур обратной связи добавляется синусоида с частотой, при которой человеческое ухо невосприимчиво (при условии, что амплитуда не слишком большая), и результирующие уровни сигналов измеряются и используются для оценки усилений вторичного тракта.
1
2
1
2
Нужно будет принять во внимание, что если шумовой сигнал N не равен нулю, то вклад шумового сигнала N в уровни сигналов x и x будет влиять на определенное усиление вторичного тракта. Для узкополосного тестового сигнала измеренные сигналы x и x могут фильтроваться по полосе пропускания (например, используя дискретное преобразование Фурье или путем сопоставления сигналов с тестовым сигналом) с помощью детектора 119 усиления и вклад составляющих сигнала в шумовом сигнале N в этой полосе пропускания может влиять на определенное усиление вторичного тракта.
Однако вклад можно уменьшить до приемлемых или даже незначительных уровней путем обеспечения того, что тестовый сигнал в заданной полосе пропускания обладает уровнем сигнала значительно выше, чем вклад от шумового сигнала N. Например, уровень сигнала для введенного тестового сигнала может быть установлен на уровне, который гораздо выше типичного уровня шума окружающей среды в полосе пропускания, в которой измеряется тестовый сигнал. Кроме того, при использовании узкополосного сигнала вклад тестового сигнала над шумом окружающей среды должен преобладать только в очень небольшой полосе пропускания, которая, кроме того, может выбираться вне частотного диапазона, который обычно является воспринимаемым для пользователя.
В некоторых вариантах осуществления уровень сигнала у тестового сигнала может динамически адаптироваться в зависимости от соответствующего уровня сигнала для шума окружающей среды.
1
1
В частности, детектор 119 усиления может сначала измерить уровень сигнала в точке, где вводится тестовый сигнал, но при отсутствии тестового сигнала. Например, детектор 119 усиления может выключить генератор 701 тестового сигнала и перейти к измерению уровня сигнала для составляющей сигнала x, которая соответствует тестовому сигналу, то есть в конкретном примере он может перейти к измерению уровня сигнала в узкой полосе пропускания, используемой для измерения вклада тестового сигнала в x. Уровень сигнала у тестового сигнала тогда может определяться в зависимости от этого измеренного уровня сигнала. В частности, уровень сигнала может быть установлен значительно выше, например по меньшей мере в десять раз выше измеренного уровня при отсутствии тестового сигнала. Это будет гарантировать, что детектор 119 усиления преимущественно определяет уровни сигналов у составляющих тестового сигнала и что эти составляющие преобладают над вкладом от шума окружающей среды N в определенной полосе пропускания. Кроме того, так как эта полоса пропускания находится вне частотного диапазона, который является слышимым для слушателя, добавление сильного тестового сигнала не ухудшает (неприемлемо) восприятие пользователем.
В некоторых вариантах осуществления шум окружающей среды может использоваться для маскирования тестового сигнала и уровень тестового сигнала можно увеличить для большей точности. Например, может определяться частотный спектр у шума окружающей среды, и эффект маскировки, соответствующий этому спектру, может использоваться для задания характеристики тестового сигнала. Например, уровень сигнала можно установить на уровне, который значительно выше уровня шума окружающей среды на той частоте, но который по-прежнему маскируется, например высокоуровневой составляющей шума окружающей среды на близкой частоте. В некоторых вариантах осуществления частота тестового сигнала дополнительно может выбираться для попадания в область с низким шумом окружающей среды, но с сильным эффектом маскировки. Таким образом, может определяться характеристика маскирования у шума окружающей среды, и характеристика тестового сигнала может быть установлена в ответ на эту характеристику (например, уровень сигнала и/или частота).
В примере на фиг.7 усиление вторичного тракта определяется путем измерения сигналов контура до и после (части) вторичного тракта, для которого нужно определить усиление. Нужно будет принять во внимание, что из-за влияния контура обратной связи на введенный тестовый сигнал обычно недостаточно основывать усиление вторичного тракта просто на сравнении одного измеренного уровня сигнала в контуре обратной связи и уровня сигнала у введенного тестового сигнала (то есть известного уровня сигнала на выходе генератора 701 тестового сигнала, подаваемого в блок 703 суммирования).
1
Однако в некоторых вариантах осуществления уровень сигнала для сигнала x может определяться из уровня сигнала у тестового сигнала, а не путем специального измерения любого сигнала контура. В частности, тестовый сигнал может выбираться таким, что он значительно ослабляется фильтром 115 подавления. Ослабление составляющей сигнала на входе в неадаптивный фильтр 115 подавления, которое происходит от наличия тестового сигнала, может составлять, в частности, 6 дБ или больше (например, в некоторых вариантах осуществления сигнал может ослабляться предпочтительно на 10 дБ или даже на 20 дБ).
1
Таким образом, система может быть спроектирована так, что тестовый сигнал попадает в полосу затухания фильтра 115 подавления. Например, 90% или больше тестового сигнала может находиться вне полосы пропускания фильтра 115 подавления, где полоса пропускания задается как полоса пропускания, в которой усиление фильтра 115 подавления находится в пределах примерно 7дБ максимального усиления фильтра 115 подавления. Таким образом, составляющая тестового сигнала будет ослабляться примерно на 6 дБ фильтром 115 подавления (во многих сценариях могут использоваться даже более высокие значения, например ослабление на 10-20 дБ). В результате над вкладом в x (в рамках полосы пропускания тестового сигнала) преобладает вклад от генератора 701 тестового сигнала при малом и во многих сценариях незначительном вкладе от цепи 109 обратной связи. По существу этот сценарий соответствует системе, в которой фильтр 115 подавления ослабляет (или даже блокирует) сигнал обратной связи для тестового сигнала, так что система в сущности соответствует конфигурации без контура обратной связи для тестового сигнала.
1
Таким образом, в таком варианте осуществления уровень сигнала у сигнала x в соответствующей узкой полосе пропускания (приблизительно) такой же, как и уровень сигнала у тестового сигнала. Таким образом, в таких вариантах осуществления детектор 119 усиления может непосредственно использовать настройку уровня сигнала для тестового сигнала при определении усиления вторичного тракта.
1
2
2
В некоторых системах громкоговоритель 101 также может использоваться для предоставления пользовательского звукового сигнала пользователю. Например, пользователь может слушать музыку с использованием наушников. В таких системах пользовательский звуковой сигнал объединяется с сигналом контура обратной связи (например, на входе в цифроаналоговый преобразователь 111), а сигнал ошибки от микрофона 103 компенсируется путем вычитания вклада, соответствующего предполагаемому пользовательскому звуковому сигналу, зарегистрированному микрофоном 103. В таких системах музыкальный сигнал может использоваться для определения усиления вторичного тракта, и, в частности, значения сигнала x и x могут измеряться и сопоставляться с пользовательским звуковым сигналом (при этом x измеряется перед компенсацией предполагаемого пользовательского звукового сигнала). Таким образом, в таких примерах пользовательский звуковой сигнал также может использоваться в качестве тестового сигнала. Другими словами, в некоторых примерах тестовый сигнал может быть пользовательским звуковым сигналом.
Нужно будет принять во внимание, что вышеприведенное описание для ясности описало варианты осуществления изобретения со ссылкой на разные функциональные блоки и процессоры. Однако станет очевидно, что может использоваться любое подходящее распределение функциональных возможностей между разными функциональными блоками или процессорами без приуменьшения изобретения. Например, функциональные возможности, проиллюстрированные как выполняемые отдельными процессорами или контроллерами, могут выполняться одним процессором или контроллером. Поэтому ссылки на конкретные функциональные блоки нужно рассматривать только в качестве ссылок на подходящее средство для обеспечения описанных функциональных возможностей, а не указания на строгую логическую или физическую структуру или организацию.
Изобретение может быть реализовано в любой подходящей форме, включая аппаратные средства, программное обеспечение, микропрограммное обеспечение или любое их сочетание. Изобретение при желании может быть реализовано, по меньшей мере частично, в виде компьютерного программного обеспечения, выполняемого на одном или нескольких процессорах данных и/или цифровых процессорах сигналов. Элементы и компоненты из варианта осуществления изобретения могут быть физически, функционально и логически реализованы любым подходящим способом. В действительности функциональные возможности могут быть реализованы в одном модуле, во множестве модулей или как часть других функциональных модулей. По существу изобретение может быть реализовано в одном модуле или может быть физически и функционально распределено между разными модулями и процессорами.
Хотя настоящее изобретение описано применительно к некоторым вариантам осуществления, оно не предназначено, чтобы ограничиваться конкретной формой, изложенной в этом документе. Наоборот, объем настоящего изобретения ограничивается только прилагаемой формулой изобретения. Более того, хотя признак может казаться описанным по отношению к конкретным вариантам осуществления, специалист в данной области техники признал бы, что различные признаки описанных вариантов осуществления могут объединяться в соответствии с изобретением. В формуле изобретения термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов.
Кроме того, хотя и не перечислено отдельно, множество средств, элементов или этапов способа могут быть реализованы, например, одиночным модулем или процессором. Более того, хотя отдельные признаки могут включаться в разные пункты формулы изобретения, они могут по возможности выгодно объединяться, и включение в разные пункты формулы не подразумевает, что сочетание признаков не является осуществимым и/или выгодным. Также включение признака в одну категорию пунктов формулы не подразумевает ограничение этой категорией, а скорее указывает, что при необходимости признак в равной степени применим к другим категориям пунктов формулы. Кроме того, порядок признаков в формуле изобретения не подразумевает никакого конкретного порядка, в котором должны обрабатываться признаки, и, в частности, порядок отдельных этапов в пункте формулы изобретения на способ не подразумевает, что этапы должны выполняться в этом порядке. Скорее, этапы могут выполняться в любом подходящем порядке. К тому же единичные ссылки не исключают множественности. Таким образом, ссылки на "первый", "второй" и т.д. не препятствуют множественности. Ссылочные позиции в формуле изобретения предоставляются лишь в качестве поясняющего примера и не должны толковаться как ограничивающие объем формулы изобретения каким-либо образом.