CN116940980A - 声学噪声消除的复杂度降低的实现 - Google Patents
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Abstract
本文描述的主题提供了用于使用主动噪声消除(ANC)对音频信号进行滤波的系统和技术。常规ANC系统中的信道响应有限脉冲响应(CR FIR)滤波器可以被替换为两个滤波器级联配置。级联滤波器配置中的第一滤波器可以是具有交织零系数的CR FIR滤波器,并且第二滤波器可以是作为固定内插器的响应内插器滤波器。该两个滤波器级联中的CR FIR滤波器可以是自适应的,并且可以使其非零系数被跟踪、更新、适配和/或计算。该两个滤波器级联中的固定内插器可以是固定的,因此是非自适应的。该两个滤波器级联配置的信道频率响应曲线可以类似于由级联滤波器配置所替代的常规CR FIR滤波器的信道频率响应曲线。
Description
背景技术
主动噪声消除(ANC)系统基于从前馈麦克风和/或反馈麦克风接收的外部噪声来为音频回放系统的用户降低或去除噪声。使用这些麦克风,ANC系统从环境噪声发出抗噪音频信号,并将该信号添加到音频回放系统的音频输出,使得其消除或降低用户耳膜处的噪声。另外,这些麦克风被用来由音频回放系统的扬声器处的残余噪声生成校正音频信号。还将校正音频信号添加到音频回放系统的音频输出或从音频回放系统的音频输出中减去该校正音频信号,使得其消除或降低用户耳膜处的噪声。这种ANC系统的计算架构包括获取/记录要消除的噪声的组件、使用传输路径传递函数和/或信道响应滤波器对噪声进行滤波的信道响应滤波器,以及从音频输出中减去所得/重建的抗噪声信号和/或校正信号的组件。信道响应滤波器可以包括信道响应无限脉冲响应(CR IIR)滤波器和常规信道响应有限脉冲响应(CR FIR)滤波器。与这些滤波器的抽头(taps)相关联的系数可以不断地适于跟踪传输路径和/或信道响应,因为传输路径和/或信道不断地变化。然而,结果,使用传统的CRFIR滤波器可能具有若干缺点。特别地,由于需要大量抽头,例如64-2048个抽头,这种滤波器可能具有大的响应持续时间。另外,由于其复杂度,使用这种滤波器将在计算上是昂贵的,并且在ANC系统中产生显著的功耗。另外,常规CR FIR滤波器的抽头的适配和/或跟踪系数将在计算上是昂贵的,并且可能导致ANC系统设计的稳定性问题。
发明内容
本公开涉及在主动噪声消除(ANC)系统中使用级联滤波器配置。级联滤波器配置可以包括组合使用的简化CR FIR滤波器和响应内插器滤波器。
通常,本说明书中描述的主题的一个方面包括主动噪声消除系统。该系统可以包括无限脉冲响应滤波器,该无限脉冲响应滤波器被配置成对数字信号进行滤波并输出第一滤波数字信号。该系统可以进一步包括与所述无限脉冲响应滤波器通信的级联滤波器配置。所述级联滤波器配置被配置成对所述第一滤波数字信号进行滤波并输出音频信号。无限脉冲响应滤波器可以耦合在模数转换器和级联滤波器配置之间。所述级联滤波器配置可以包括自适应有限脉冲响应滤波器,该自适应有限脉冲响应滤波器被配置成对所述第一滤波数字信号进行滤波并输出第二滤波数字信号,并且可以包括响应内插器滤波器,该响应内插器滤波器被配置成对所述第二滤波数字信号进行滤波并输出所述音频信号。主动噪声消除系统可以包括以下特征中的一个、若干个或全部。主动噪声消除系统可以包括与所述级联滤波器配置通信的自适应跟踪器。所述自适应跟踪器可以被配置成基于信道响应来跟踪所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中的至少一个的非零系数。所述非零系数可以由所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中的所述至少一个使用。所述响应内插器滤波器是固定内插器。级联滤波器配置可以具有有限脉冲响应滤波器的频率响应,其中该有限脉冲响应滤波器的抽头数大于级联滤波器配置的抽头数。所述自适应有限脉冲响应滤波器可以具有交织零系数。所述自适应有限脉冲响应滤波器可以被实现为多相滤波器。所述无限脉冲响应滤波器可以被实现为多相滤波器。主动噪声消除系统可以进一步包括与所述无限脉冲响应滤波器通信的模数转换器。所述模数转换器可以被配置成将至少一个模拟信号转换成所述数字信号。所述系统可以进一步包括与所述级联滤波器配置通信的减法器。所述减法器可以被配置成接收回放信号,以及从所述回放信号中减去所述音频信号。所述主动噪声消除系统可以在耳塞内。
本主题的另一方面包括一种用于主动噪声消除的过程。可以使用无限脉冲响应滤波器对数字信号进行滤波以产生第一滤波数字信号。可以使用自适应有限脉冲响应滤波器对所述第一滤波数字信号进行滤波以输出第二滤波数字信号。可以使用响应内插器滤波器对所述第二滤波数字信号进行滤波。可以基于所述响应内插器滤波器的输出来产生音频信号。可以基于信道响应来跟踪所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中的至少一个的非零系数。输出所述非零系数以供所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中的所述至少一个使用。可以将至少一个模拟信号转换成所述数字信号。可以接收回放信号。可以从所述回放信号中减去所述音频信号。
本主题的又一方面包括一种存储指令的非暂时性计算机可读介质,所述指令在由一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行各种操作。可以使用无限脉冲响应滤波器对数字信号进行滤波以产生第一滤波数字信号。可以使用自适应有限脉冲响应滤波器对所述第一滤波数字信号进行滤波以输出第二滤波数字信号。可以使用响应内插器滤波器对所述第二滤波数字信号进行滤波。可以基于所述响应内插器滤波器的输出来产生音频信号。可以基于信道响应来跟踪所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中的至少一个的非零系数。输出所述非零系数以供所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中的所述至少一个使用。可以将至少一个模拟信号转换成所述数字信号。可以接收回放信号。可以从所述回放信号中减去所述音频信号。
在ANC系统中使用级联滤波器配置而不是常规的CR FIR滤波器设计可能是有利的。特别地,与使用常规CR FIR滤波器设计相比,在ANC系统设计中使用的此类级联滤波器配置可以具有更低的计算要求、更少数量的抽头、降低的复杂度、更低的功耗、具有更快收敛能力的快速响应持续时间、更高程度的稳定性,并且在计算上可能是廉价的。
例如,常规ANC系统中的CR FIR滤波器可以用两个滤波器级联配置代替。级联滤波器配置中的第一滤波器可以是具有交织零系数的CR FIR滤波器,并且第二滤波器可以是作为固定内插器的响应内插器滤波器。该两个滤波器级联中的CR FIR滤波器可以是自适应的,并且可以使用自适应跟踪器来跟踪、更新、适配或计算其非零系数。自适应跟踪器可以跟踪传输路径或信道响应,以便更新、适配或计算CR FIR滤波器的系数。该两个滤波器级联中的固定内插器是固定的,因此是非自适应的。固定内插器可以具有固定数量的抽头,诸如5-17个抽头。该两个滤波器级联配置的信道频率响应曲线可以类似于由级联滤波器配置所替代的常规CR FIR滤波器的信道频率响应曲线。当与常规系统相比时,级联滤波器配置可以具有较低的计算要求。
在ANC系统中使用的级联滤波器配置可以具有减少数量的非零滤波器抽头,诸如当与常规系统相比时,少两到五倍的抽头。这可允许自适应跟踪器可能需要跟踪、更新、适配或计算的更少非零系数。作为另一示例,因为计算复杂度可以与滤波器中的非零滤波器抽头的数量成比例,所以当与常规系统相比时,在ANC系统中使用级联滤波器配置可能导致更低的计算复杂度,诸如低两到五倍。因此,这可能导致级联滤波器和ANC系统的更低功耗。作为又一示例,因为该两个滤波器级联中仅CR FIR滤波器可以是自适应的,所以当与常规系统相比时,可能存在更少的系数和/或抽头来适配,诸如要适配的系数/抽头少四到八倍。可以通过插值比来确定与要适配的更少数量的系数和/或抽头相关联的这种因子。因此,对于K倍固定插值,可以实现缩放到K的各种节省,诸如要适配的系数和/或抽头的数量。由于要适配的系数和/或抽头的数量更少,所以级联滤波器配置内的该CR FIR滤波器的系数跟踪和/或适配可能不太复杂。当与常规系统相比时,这可以导致更快的收敛速率。
附图说明
图1描绘了根据本公开的方面的音频回放系统的示意图。
图2描绘了根据本公开的各方面的ANC系统的框图。
图3描绘了根据本公开的各方面的具有降低的复杂度的ANC系统的框图。
图4示出了根据本公开的各方面的在ANC系统中使用的滤波器的信道频率响应的示例曲线图。
图5描绘了根据本公开的方面的ANC系统中的滤波器的示例实现方式的框图。
图6是根据本公开的方面的用于对音频信号进行滤波的示例过程的流程图。
图7是根据本公开的方面的示例电子设备的框图。
具体实施方式
图1描绘了音频回放系统100的示意图。音频回放系统100可以包括壳体160,该壳体160包含系统的各种组件,包括管道110、前馈麦克风120、ANC系统130、扬声器140和反馈麦克风150。源101可以是壳体160外部的任何噪声或音频信息,包括环境噪声等。音频回放系统100可以是扬声器、耳机、耳塞等。尽管未示出,但是音频回放系统100可以与诸如移动电话、平板计算机、智能手表等的计算设备通信。例如,音频回放系统100可以包括图1中未示出的其它组件,诸如通信接口、无线收发器等。计算设备可以向音频回放系统100提供输出声音(诸如语音、音乐、播客、系统警报声音、其它音频信号等)的指令。
前馈麦克风120、反馈麦克风150和扬声器140可以与ANC系统130电通信。这种电通信可以使得ANC系统130能够分析由前馈麦克风120和反馈麦克风150接收的噪声,同时还向扬声器140提供信号以发出音频信号,诸如发出抗噪声信号和声音。前馈麦克风120可以沿着壳体160的表面被容纳并且可以背离壳体。前馈麦克风120可以直接从源101接收外部噪声。反馈麦克风150可以容纳在壳体160内,并且可以面向壳体的内部部分。反馈麦克风150可以通过管道110接收来自源101的外部噪声、来自扬声器140的音频信号和/或壳体160内的其它残余噪声。
壳体160可以包括从外壳内部通向外壳外部的出口开口161。因此,出口开口161可以允许来自扬声器140的输出离开音频回放系统100。例如,在音频回放系统100是耳塞的情况下,出口开口161可以允许输出音频从扬声器140进入用户的耳朵。
ANC系统130可以基于从前馈麦克风120和/或反馈麦克风150接收的外部噪声来为音频回放系统100的用户降低或去除噪声。使用这些麦克风,ANC系统130可以从环境噪声发出抗噪声音频信号,并且可以将该信号添加到音频回放系统100的音频输出,使得其可消除或降低用户耳膜处的噪声。另外,这些麦克风可以用于从音频回放系统的扬声器处的残余噪声生成校正音频信号。校正音频信号还可以被添加到音频回放系统的音频输出,使得其可以消除或降低用户耳膜处的噪声。如下面将进一步详细描述的,ANC系统130的计算架构可以包括若干组件。例如,ANC系统130可以包括可识别要消除的噪声的组件、可以使用传输路径传递函数和/或信道响应滤波器对噪声进行滤波的信道响应滤波器、以及可以从音频输出中减去所得的抗噪声信号和/或校正信号的组件。
图2描绘了ANC系统200的框图。虽然结合图1描述的ANC系统130在系统组件级被描绘,但是ANC系统200描绘了可以位于ANC系统130内的特定电路。类似于图1的ANC系统130,ANC系统200可以被包括在音频回放系统(诸如图1的音频回放系统100)内。ANC系统200包括麦克风202、模数转换器204、信道响应无限脉冲响应(CR IIR)滤波器206、自适应跟踪器208、信道响应有限脉冲响应(CR FIR)滤波器210和减法器212。
麦克风202可以是结合图1描述的前馈和/或反馈麦克风。特别地,麦克风202可以包括前馈麦克风,该前馈麦克风可以直接从源接收外部噪声信号。所接收的信号可以是模拟信号。麦克风202可以包括反馈麦克风,该反馈麦克风可以接收来自源的外部噪声信号、来自扬声器的其它音频信号和/或其它残余噪声信号。所接收的信号可以是模拟信号。麦克风202可以将其接收的信号输出到模数转换器(ADC)204。
模数转换器(ADC)204将模拟信号转换成数字信号。ADC 204可以从麦克风202接收模拟噪声和/或音频信号,并将这些信号转换成数字信号。特别地,数字信号可以由ANC系统200的示出和未示出的各种组件进一步处理。
数字信号可以由信道响应无限脉冲响应(CR IIR)滤波器206进行滤波。CR IIR滤波器206可以是递归滤波器。CR IIR滤波器206可以是具有无限持续时间的脉冲响应的滤波器。CR IIR滤波器206可以使用当前输入和先前输入以及先前输出的线性组合来计算其当前输出。作为使用其先前输出的结果,CR IIR滤波器206可以被认为包括来自其输出的反馈。当前和先前输入以及先前输出的线性组合可以利用一个或多个滤波器系数作为这些输入/输出中的每一个的权重。滤波器系数可以与CR IIR滤波器206的抽头相关联。CR IIR滤波器206可以在对输入信号进行滤波时使用其抽头,诸如通过使用其抽头来计算其当前和先前输入及其先前输出的线性组合以计算输出信号。CR IIR滤波器206可以是自适应滤波器。可以不断地适配与CR IIR滤波器206的抽头相关联的系数。例如,可以不断地更新、适配和/或计算CR IIR滤波器206的系数,以跟踪与CR IIR滤波器206的使用相关联的传输路径和/或信道的传输路径和/或信道响应。该传输路径和/或信道可以不断变化,从而使CR IIR滤波器206的系数不断变化。系数可以例如以离散的规则时间间隔改变。CR IIR滤波器206可以使用自适应跟踪器208来基于其从自适应跟踪器208接收的输入信息来确定其系数的值。CR IIR滤波器206的数学表示可以是HIIR_OS。CR IIR滤波器206的输出可以被输入到CRFIR滤波器210以供CR FIR滤波器210进一步处理。
自适应跟踪器208可以跟踪传输路径和/或信道响应,以便更新、适配和/或计算滤波器系数。例如,为了模仿音频信号和/或噪声通过传输路径和/或信道(诸如结合图1描述的音频回放系统100在其中操作的传输路径和/或信道),自适应跟踪器208可以进行与传输路径和/或信道相关联的各种测量。自适应跟踪器208可以基于这些测量值计算各种滤波器系数。自适应跟踪器208可以将这些系数输出到CR IIR滤波器206和/或CR FIR滤波器210以用作这些滤波器中的抽头系数。
CR FIR滤波器210可以是具有有限持续时间的脉冲响应的滤波器,在有限时间内稳定到零。CR FIR滤波器210可以使用当前和先前输入的线性组合,以便计算其当前输出。CR FIR滤波器210可以不使用来自其先前输出的反馈来计算当前输出。当前和先前输入的线性组合可以利用一个或多个滤波器系数作为这些输入中的每一个的权重。滤波器系数可以与CR FIR滤波器210的抽头相关联。CR FIR滤波器210可以在对输入信号进行滤波时使用其抽头,诸如通过使用其抽头来计算其当前和先前输入的线性组合以计算输出信号。
CR FIR滤波器210可以是自适应滤波器。可以不断地适配与CR FIR滤波器210的抽头相关联的系数。例如,CR FIR滤波器210的系数可以不断地被更新、适配和/或计算,以跟踪与CR FIR滤波器210的使用相关联的传输路径和/或信道的传输路径和/或信道响应。该传输路径和/或信道可以不断变化,从而导致CR FIR滤波器210的系数不断变化。系数可以例如以离散的规则时间间隔改变。CR FIR滤波器210可以使用自适应跟踪器208来基于其从自适应跟踪器208接收的输入信息来确定其系数的值。CR FIR滤波器210的数学表示可以是HFIR_OS。CR FIR滤波器210的输出可以是减法器212的输入。
CR IIR滤波器206和CR FIR滤波器210可以一起模仿音频信号和/或噪声通过传输路径和/或信道,诸如结合图1描述的ANC系统200和音频回放系统100在其中操作的传输路径和/或信道。因此,CR IIR滤波器206和CR FIR滤波器210可以用于模拟音频回放系统100在其中操作的传输路径和/或信道的信道响应。
减法器212可以从它接收的回放和/或语音音频信号中减去它从CR FIR滤波器210接收的输出信号。可以从计算设备接收输入到减法器212的回放和/或语音音频信号。具体地,计算设备可以向ANC系统200在其中操作的音频回放系统提供信号和/或指令以输出音频回放信号,诸如声音、音乐、播客、系统警报声音和/或语音信号。这些信号可以被输入到减法器212,并且可以从这些信号中减去来自CR FIR滤波器210的输出信号。减法器212可以将减法的结果输出到扬声器,诸如结合图1描述的扬声器140。在一些示例中,减法器212可以替代地由加法器代替,该加法器向回放和/或语音音频信号添加抗噪声信号,诸如来自CRFIR滤波器210的输出信号或其变体。
ANC系统200和/或ANC系统200的组件可以部分地或全部地以软件实现,例如以子例程和代码实现,和/或以硬件实现,例如以专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、专用或通用数字信号处理器、控制器、状态机、门控逻辑、分立硬件组件或任何其它合适的设备,和/或软件和硬件的组合实现。
ANC系统200可以以显著高于音频信号的带宽的速率操作,其中,ANC系统200从该音频信号中降低或去除噪声。此类高速率操作可能导致ANC系统中的信号的过采样。例如,ANC系统200可以以192至768kHz(千赫兹)的采样率操作,而音频带宽可以小于40kHz。结果,CR FIR滤波器210可以具有大/长响应持续时间,并且可以包括大量抽头。例如,CR FIR滤波器210可以具有在64和2048之间的多个抽头。由于抽头数量大,因此需要跟踪、更新、适配和/或计算的滤波器系数的数量可能很大。对滤波器系数的这种跟踪在计算上可能是昂贵的,并且可能导致显著的功耗。另外,CR IIR滤波器206可以对过采样输入信号进行操作,这可能导致极点和零点接近滤波器的极点-零点图上的实轴。这可能导致CR IIR滤波器206的较差灵敏度,这是由于其变化的系数以及该滤波器的低稳定性所导致的。除了计算上昂贵之外,跟踪/更新/适配/计算CR IIR滤波器206和CR FIR滤波器210两者的大量滤波器系数可能导致ANC系统200的稳定性问题。
图3描绘了ANC系统300的框图,与ANC系统200(图2)相比,ANC系统300具有降低的复杂度等。ANC系统300包括麦克风302、模数转换器304、CR IIR滤波器306、自适应跟踪器308、处于级联滤波器配置310的CR FIR滤波器310a和响应内插器滤波器310b,以及减法器312。ANC系统300可以类似于结合图2描述的ANC系统200,然而,ANC系统200中的CR FIR滤波器210可以由级联滤波器配置310中的CR FIR滤波器310a和响应内插器滤波器310b代替。在一些示例中,CR IIR滤波器306也可以与CR IIR滤波器206不同。
麦克风302可以是结合图1描述的前馈和/或反馈麦克风。特别地,麦克风302可以包括前馈麦克风,该前馈麦克风可以直接从源接收外部噪声信号。该接收信号可以是模拟信号。麦克风302可以包括反馈麦克风,该反馈麦克风可以接收来自源的外部噪声信号、来自扬声器的其它音频信号和/或其它残余噪声信号。所接收的信号可以是模拟信号。麦克风302可以将其接收的信号输出到模数转换器(ADC)304。
ADC 304可以将模拟信号转换成数字信号。ADC 304可以从麦克风302接收模拟噪声/音频信号,并且可以将这些信号转换成数字信号。然后,数字信号可以由CR IIR滤波器306进行滤波。
CR IIR滤波器306可以是递归滤波器。CR IIR滤波器306可以是具有无限持续时间的脉冲响应的滤波器。CR IIR滤波器306可以使用当前输入和先前输入以及先前输出的线性组合,以便计算其当前输出。作为使用其先前输出的结果,CR IIR滤波器306可以被认为包括来自其输出的反馈。当前和先前输入以及先前输出的线性组合可以利用一个或多个滤波器系数作为这些输入/输出中的每一个的权重。滤波器系数可以与CR IIR滤波器306的抽头相关联。CR IIR滤波器306可以在对输入信号进行滤波时使用其抽头,诸如通过使用其抽头来计算其当前和先前输入及其先前输出的线性组合以计算输出信号。CR IIR滤波器306可以是自适应滤波器。可以不断地调整与CR IIR滤波器306的抽头相关联的系数。例如,可以不断地更新、适配和/或计算CR IIR滤波器306的系数,以跟踪与CR IIR滤波器306的使用相关联的传输路径和/或信道的传输路径和/或信道响应。该传输路径和/或信道可以不断变化,从而使CR IIR滤波器306的系数不断变化。系数可以例如以离散的规则时间间隔改变。CR IIR滤波器306可以使用自适应跟踪器308来基于其从自适应跟踪器308接收的输入信息来确定其系数的值。CR IIR滤波器306的数学表示可以是HIIR_CFC。CR IIR滤波器306的输出可以被输入到CR FIR滤波器310a以供CR FIR滤波器310a进一步处理。
自适应跟踪器308可以跟踪传输路径和/或信道响应,以便更新、适配和/或计算滤波器系数。例如,为了模仿音频信号和/或噪声通过传输路径和/或信道(诸如结合图1描述的音频回放系统100在其中操作的传输路径和/或信道),自适应跟踪器308可以进行与传输路径和/或信道相关联的各种测量。自适应跟踪器308可以基于这些测量来计算各种滤波器系数。自适应跟踪器308可以将这些系数输出到CR IIR滤波器306和/或CR FIR滤波器310a,以用作这些滤波器中的抽头系数。
CR FIR滤波器310a可以是具有有限持续时间的脉冲响应的滤波器,在有限时间内稳定到零。CR FIR滤波器310a可以使用当前和先前输入的线性组合,以便计算其当前输出。CR FIR滤波器310a可以不使用来自其先前输出的反馈来计算当前输出。当前和先前输入的线性组合可以利用一个或多个滤波器系数作为这些输入中的每一个的权重。滤波器系数可以与CR FIR滤波器310a的抽头相关联。CR FIR滤波器310a可以在对输入信号进行滤波时使用其抽头,例如通过使用其抽头来计算其当前和先前输入的线性组合以计算输出信号。CRFIR滤波器310a可以是自适应滤波器。可以不断地适配与CR FIR滤波器310a的抽头相关联的系数。例如,CR FIR滤波器310a的系数可以被不断地更新、适配和/或计算,以跟踪与CRFIR滤波器310a的使用相关联的传输路径和/或信道的传输路径和/或信道响应。该传输路径和/或信道可以不断变化,从而导致CR FIR滤波器310a的系数不断变化。系数可以例如以离散的规则时间间隔改变。CR FIR滤波器310a可以使用自适应跟踪器308来基于其从自适应跟踪器308接收的输入信息来确定其系数的值。CR FIR滤波器310a的数学表示可以是HFIR_CFC。CR FIR滤波器310a的输出可以被输入到响应内插器滤波器310b。
响应内插器滤波器310b可以是固定的,因此是非自适应的。响应内插器滤波器310b可以具有固定系数和预定数量的抽头。响应内插器滤波器310b可以从CR FIR滤波器310a接收输出信号。响应内插器滤波器310b可以对其接收的信号进行上采样和滤波。在一些示例中,响应内插器滤波器310b可以基于ANC系统300的功率限制和/或ANC系统300正被用于的回放或语音信号的类型来先验地或在ANC系统300的操作期间调整其抽头数量。例如,如果ANC系统300受功率约束和/或回放或语音信号具有低保真度,则可以减少由响应内插器滤波器310b使用的抽头的数量。在这种情况下,响应内插器滤波器310b的频率响应曲线的形状可能不平滑。作为另一示例,如果ANC系统300不受功率约束和/或回放或语音信号具有高保真度,则可以增加由响应内插器滤波器310b使用的抽头的数量。在这种情况下,响应内插器滤波器310b的频率响应曲线的形状可能是平滑的。
响应内插器滤波器310b可以有利地以多种不同的方式实现。首先,响应内插器310b可以具有恒定长度,并且可以将CR FIR滤波器310a的复合响应分解成长度减小的CRFIR滤波器和响应内插器滤波器310b,以根据需要实现该两个滤波器设计之间的任意小的误差。第二,响应内插器滤波器310b的设计可以从多个内插器设计中选择,这取决于所需的滤波器响应并产生进一步的经济性。第三,响应内插器310b可以被分解成若干较小的滤波器,诸如级联积分梳状(CIC)滤波器,以获得额外的经济性。第四,响应内插器滤波器310b可以以多相形式分解,诸如下文更详细描述的。
CR IIR滤波器306、CR FIR滤波器310a和响应内插器滤波器310b一起可以模仿音频信号和/或噪声通过传输路径和/或信道,例如ANC系统300和结合图1描述的音频回放系统100在其中操作的传输路径和/或信道。因此,CR IIR滤波器306、CR FIR滤波器310a和响应内插器310b可以用于模拟音频回放系统100在其中操作的传输路径和/或信道的信道响应。
响应内插器滤波器310b的输出可以被输入到减法器312。减法器312可以从它接收的回放和/或语音音频信号中减去它从内插器滤波器310b接收的输出信号。可以从计算设备接收输入到减法器312的回放和/或语音音频信号。具体地,计算设备可以向ANC系统300在其中操作的音频回放系统提供信号和/或指令以输出音频回放信号,诸如声音、音乐或播客和/或语音信号。这些信号可以被输入到减法器312,并且可以从这些信号中减去来自CRFIR滤波器310b的输出信号。减法器312可以将结果输出到扬声器,诸如结合图1描述的扬声器140。在一些示例中,减法器312可以替代地由加法器替换,该加法器向回放和/或语音音频信号添加抗噪声信号,诸如来自响应内插器滤波器310b的输出信号或其变体。
ANC系统300和/或ANC系统300的组件可以部分地或全部地以软件实现,例如以子例程和代码实现,和/或以硬件实现,例如以专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、专用或通用数字信号处理硬件、控制器、状态机、门控逻辑、分立硬件组件或任何其它合适的设备,和/或软件和硬件的组合实现。
CR FIR滤波器310a和响应内插器滤波器310b可以是级联滤波器配置310。在一些示例中,CR FIR滤波器310a和响应内插器滤波器310b可以一起被包括在单个硬件模块中。当与结合图2描述的CR FIR滤波器210相比时,CR FIR滤波器310a在复杂度和/或实现方面可以更简单。CR FIR滤波器310a可以包括与零系数交织的若干非零系数。结果,当与FIR滤波器210相比时,CR FIR滤波器310a可以具有与非零系数相关联的更少数量的抽头。例如,当与FIR滤波器210相比时,FIR滤波器310a可以具有少四倍到八倍的非零系数和滤波器抽头。例如,CR FIR滤波器310a可以包括比零系数更少的非零系数。
另外,自适应跟踪器308可以仅跟踪和更新CR FIR滤波器310a的非零系数,并输出这些系数值供CR FIR滤波器310a使用。当与自适应跟踪器208相比时,这可以导致自适应跟踪器308跟踪和更新更少的系数。因此,当与用于CR FIR滤波器210的系数跟踪相比时,用于级联滤波器配置内的CR FIR滤波器310a的系数跟踪可以没有那么复杂。因此,由于这种降低的复杂度,当与CR FIR滤波器210的收敛速率相比时,CR FIR滤波器310可以具有更快的收敛速率。另外,响应内插器滤波器310b可以具有少量抽头并且具有不适配的固定系数。例如,响应内插器滤波器310b可以具有5至17个抽头。
作为其上述降低的复杂度的结果,当与CR FIR滤波器210相比时,级联滤波器配置310可以具有更低的计算要求,其中级联滤波器配置310可以在ANC系统中替代CR FIR滤波器210。例如,当与CR FIR滤波器210相比时,诸如当K=4或K=8时,由HFIR_CFC表示的CR FIR滤波器310a可以具有少四倍到八倍的非零滤波器系数。另外,响应内插器滤波器310b可以具有未适配的固定数量的抽头,诸如5至17个抽头。因此,当与CR FIR滤波器210相比时,级联滤波器配置310中的CR FIR滤波器310a和响应内插器滤波器310b可以具有少两倍到五倍的非零滤波器系数和对应的滤波器抽头。因此,因为计算复杂度可以与滤波器中的非零滤波器系数/抽头的数量成比例,所以当与CR FIR滤波器210相比时,级联滤波器配置310中的CR FIR滤波器310a和响应内插器滤波器310b可以具有低两倍至五倍的计算复杂度。另外,当与CR FIR滤波器210相比时,这种降低的计算复杂度可以实现级联滤波器配置310中的CRFIR滤波器310a和响应内插器滤波器310b(这些滤波器可以替换CR FIR滤波器210)的对应更低的功耗。此外,由HIIR_CFC表示的CR IIR滤波器306可以具有远离滤波器的极点-零点图上的单位圆的极点和零点。这可以允许在较低字宽下更容易地实现滤波器。
如上所述,当与CR FIR滤波器210相比时,级联滤波器配置310中的滤波器抽头的数量可以减少。级联滤波器配置310可以有效地替代ANC系统中的CR FIR滤波器210,从而导致复杂度降低并且保真度没有任何显著损失。作为示例,如果结合图2描述的CR FIR滤波器210包括64个滤波器抽头并且需要对其输入信号进行4x过采样,则级联滤波器配置310可以包括25个非零抽头。特别地,级联滤波器配置的CR FIR滤波器310a可以包括64/4=16个抽头,其中,抽头数目的减少是从4x过采样中消除零系数抽头的结果。响应内插器滤波器310b可以包括9个抽头。因此,级联滤波器配置310可以具有16+9=25个抽头,并且可以具有64个抽头/25个抽头=2.6的复杂度降低。作为另一示例,如果结合图2描述的CR FIR滤波器210包括256个滤波器抽头并且需要对其输入信号进行8X过采样,则级联滤波器配置310可以包括49个非零抽头。特别地,级联滤波器配置的CR FIR滤波器310a可以包括256/8=32个抽头,其中,抽头数量的减少是从8x过采样中消除零系数抽头的结果。响应内插器滤波器310b可以包括17个抽头。因此,级联滤波器配置310可以具有32+17=49个抽头,并且可以具有256个抽头/49个抽头=5.2的复杂度降低。
作为上述级联滤波器配置310的复杂度降低的结果,当与在ANC系统200内执行的滤波相比时,在ANC系统300内执行的信号滤波可以具有诸如更低的计算要求、更少数量的滤波器抽头、降低的复杂度、更低的功耗、具有更快的收敛能力的更快的响应持续时间、高度的稳定性以及更低的计算费用的益处。
图4示出在ANC系统中使用的滤波器的信道频率响应的示例曲线图。图4可以包括信道频率响应曲线图410、420和430。滤波器的信道频率响应曲线图可以示出响应于输入的滤波器的输出频谱的定量测量。特定滤波器的这种信道频率响应曲线图可以示出特定滤波器增强或衰减某些频率的幅度。例如,信道频率响应曲线图410可以示出常规ANC系统中的CR FIR滤波器(诸如结合图2描述的CR FIR滤波器210)的频率响应。作为另一示例,信道频率响应曲线图420可以示出复杂度降低的ANC系统中的CR FIR滤波器(诸如结合图3描述的CR FIR滤波器310a)的频率响应。作为又一示例,信道频率响应曲线图430可以示出复杂度降低的ANC系统中的响应内插器滤波器(诸如结合图3描述的响应内插器滤波器310b)的频率响应。图4示出了级联滤波器配置310的组合信道频率响应曲线(其可以是曲线图420和430的组合)可以基本上类似于/等于如曲线图410所示的(由级联代替的)常规CR FIR滤波器的信道频率响应曲线。因此,尽管当与常规CR FIR滤波器相比时,级联滤波器配置可以具有降低的复杂度,但是级联滤波器配置的滤波能力和频率响应曲线可以基本上类似于/等于常规CR FIR滤波器。
在一些示例中,可以以特定方式实现CR FIR滤波器,诸如结合图3描述的CR FIR滤波器310a。例如,可以通过生成用于在奈奎斯特频率(Nyquist frequency)下操作的CR FIR滤波器并用整数k个延迟替换滤波器中的每个延迟来实现该滤波器。所得的滤波器HFIR_CFC的数学表示可以是HFIR_CFC(z-1)=HFIR_NYSQUIST(z-K),其中,HFIR_NYQUIST可以是为在奈奎斯特频率下操作而生成的CR FIR滤波器的数学表示。HFIR_NYQUIST可以表示CR FIR滤波器的“零移除”版本。在一些示例中,所得的滤波器(其可以在数学上表示为HFIR_CFC)可以具有与结合图4描述的信道频率响应曲线图420中所示的频率响应曲线基本上类似的频率响应曲线。如上所述,曲线图420可以示出CR FIR滤波器(诸如CR FIR滤波器310a)的零交织脉冲响应。由HFIR_NYQUIST生成并在数学上表示的滤波器可以具有比常规CR FIR滤波器短K倍的响应,并且还可以具有比常规CR FIR滤波器更低的计算要求。
在一些示例实现方式中,CR IIR滤波器306可以在奈奎斯特频率下操作,且滤波器中的每个延迟可以由整数k个延迟替代。所得的滤波器HIIR_CFC的数学表示可以是HIIR_CFC(z-1)=HIIR_NYQUIST(z-K),其中HIIR_NYQUIST可以是为在奈奎斯特频率下操作而生成的CR IIR滤波器的数学表示。HIIR_NYQUIST可以表示CR IIR滤波器的“零移除”版本。在一些示例中,当与常规CR IIR滤波器相比时,可以在数学上表示为HIIR_CFC的所得的滤波器在抽头数量或阶数方面可能不具有长度的减小。由HIIR_NYQUIST生成和数学表示的滤波器可以具有远离滤波器的极点-零点图上的实轴的极点和零点。当与常规CR IIR滤波器相比时,这可以允许滤波器的更好的稳定性和更低的灵敏度。
图5描绘了ANC系统500中的滤波器的示例实现方式的框图。ANC系统500包括实现CR IIR滤波器506的一组滤波器506a-c、实现CR FIR滤波器510的一组滤波器510a-k以及响应内插器滤波器512。ANC系统500可以类似于结合图3描述的ANC系统300,然而,ANC系统300中的CR IIR滤波器306可以由CR IIR滤波器506代替,CR FIR滤波器310a可以由CR FIR滤波器510代替,并且响应内插器滤波器310b可以由响应内插器滤波器512代替。CR IIR滤波器506可以在数学上由HIIR_CFC表示,并且可以被实现为多相滤波器。CR FIR滤波器510可以在数学上由HFIR_CFC表示,并且可以被实现为多相滤波器。特别地,多相滤波器的每个相位可以实现滤波器的“零移除”版本。例如,如上所述,CR IIR滤波器506的零移除版本可以在数学上由HFIR_NYQUIST表示。作为另一示例,如上所述,CR FIR滤波器510的零移除版本可以在数学上由HFIR_NYQUIST表示。CR IIR滤波器506的多相实现方式可以具有并行操作的整数k个滤波器,如元件506a-c所示。CR FIR滤波器510的多相实现方式可以具有并行操作的K个滤波器,如元件510a-c所示。并行操作的K个滤波器路径中的每一个可以与其接收的输入信号的多个样本相关联。例如,包括滤波器506a和510a的滤波器路径(也称为相位)可以接收要滤波的输入信号的第1个、第(k+1)个、第(2k+1)个等输入样本。作为另一示例,包括滤波器506b和510b的滤波器路径可以接收输入信号的第2个、第(k+2)个、第(2k+2)个等输入样本。作为又一示例,包括滤波器506c和510c的滤波器路径可以接收输入信号的第k个、第2k个、第3k个等输入样本。选择器开关等可以不是不同的,其中这些选择器开关可以将输入样本路由到连续滤波器506a、506b和506c并且可以收集来自滤波器510a、510b和510c的输出。在一路径/相位中的滤波器中的每一个(诸如滤波器506a及510a)可以执行N/K乘法以及累加运算以产生输出样本。在此,N可以是CR IIR和CR IIR滤波器的常规版本中的抽头的整数数量。如果每个路径/相位在每个时间段Ts接收到输入,则路径/相位将在每个时间段Ts输出一个样本。多相滤波器中的路径/相位的每个输出可以被输出到响应内插器滤波器512。响应内插器滤波器512在形式和功能上可以基本上类似于结合图3描述的响应内插器滤波器310b。当与常规CR IIR滤波器和CR FIR滤波器设计相比时,这种使用CR IIR滤波器506和CR FIR滤波器510的多相设计可以将计算复杂度降低K倍。
图6是用于对音频信号进行滤波的示例过程600的流程图。作为示例,过程600可以由在电子设备内操作或作为电子设备的一部分操作的ANC系统来执行,诸如结合图1至图5和图7所描述的。虽然以特定顺序描述了过程600的操作,但是应当理解到,可以修改顺序并且可以并行地执行操作。此外,应当理解到,可以添加或省略操作。
在框610中,可以从ANC系统中的麦克风(诸如结合图3描述的麦克风302)接收模拟噪声/音频信号,并且可以将这些信号转换成数字信号。例如,结合图3描述的ADC 304可以将模拟信号转换成数字信号。数字信号可以在由ANC系统内的滤波器处理之前被进一步处理。
在框620中,数字信号可以由CR IIR滤波器(诸如结合图3描述的CR IIR滤波器306或结合图5描述的CR IIR滤波器506)滤波。CR IIR滤波器可以是自适应滤波器,其可以具有被更新、适配和/或计算的滤波器系数,以跟踪与CR IIR滤波器的使用相关联的传输路径和/或信道的传输路径和/或信道响应,诸如参考图3所描述的内容。CR IIR滤波器可以对数字信号进行滤波并输出滤波数字信号。
在框630中,由CR IIR滤波器输出的数字信号可以由CR FIR滤波器(诸如结合图3描述的CR FIR滤波器310a或结合图5描述的CR FIR滤波器510)滤波。CR FIR滤波器可以是自适应滤波器,该自适应滤波器可以使其非零滤波器系数被更新、适配和/或计算以跟踪与CR FIR滤波器的使用相关联的传输路径和/或信道的传输路径和/或信道响应,诸如参考图3所描述的内容。CR FIR滤波器可以对来自CR IIR滤波器的数字信号进行滤波并输出滤波数字信号。
在框640中,由CR FIR滤波器输出的数字信号可以由响应内插器滤波器(诸如结合图3描述的响应内插器滤波器310b或结合图5描述的响应内插器滤波器512)滤波。响应内插器滤波器可以具有固定的滤波器系数以及固定且预定数量的抽头。响应内插器可以对来自CR FIR滤波器的数字信号进行滤波并输出滤波数字信号。
图7是示例电子设备700的框图。电子设备700可以包括一个或多个处理器710、系统存储器720、总线730、联网接口740和其它组件(未示出),诸如存储装置、输出设备接口、输入设备接口。总线730可以用于在处理器710、系统存储器720、联网接口740和其它组件之间进行通信。
取决于期望的配置,处理器710可以是任何类型,包括但不限于微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)或它们的任何组合。处理器710可以包括一个或多个级别的高速缓存(诸如级别1高速缓存711和级别2高速缓存712)、处理器核713和寄存器714。处理器核713可以包括算术逻辑单元(ALU)、浮点单元(FPU)、DSP核或它们的任何组合。存储器控制器715也可以与处理器710一起使用,或者在一些实现方式中,存储器控制器715可以是处理器710的内部部分。
取决于期望的配置,物理存储器720可以是任何类型的,包括但不限于易失性存储器(诸如RAM)、非易失性存储器(诸如ROM、闪存等)或它们的任何组合。物理存储器720可以包括操作系统721、一个或多个应用722和程序数据724。应用722可以包括将数据写入物理存储器的过程。非暂时性计算机可读介质程序数据724可以包括存储指令,所述指令在由一个或多个处理设备执行时,实现用于对音频信号723进行滤波的过程。在一些示例中,应用722可以被布置为与操作系统721上的程序数据724一起操作。
电子设备700可以具有附加的特征或功能,以及附加的接口,以便于基本配置701与任何所需的设备和接口之间的通信。
物理存储器720可以是计算机存储介质的示例。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术,或者可以用于存储期望的信息并且可以由电子设备700访问的任何其它介质。任何这样的计算机存储介质可以是设备700的一部分。
网络接口740可以将电子设备700耦合到网络(未示出)和/或另一电子设备(未示出)。以这种方式,电子设备700可以是电子设备的网络的一部分,诸如局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)、内联网或诸如互联网的网络的网络。在一些示例中,电子设备700可以包括用于形成到网络的网络连接的网络连接接口和用于形成与另一设备的共享连接(tetheringconnection)的本地通信连接接口。连接可以是有线的或无线的。电子设备700可以桥接网络连接和共享连接以经由网络接口740将另一设备连接到网络。电子设备700的任何或所有组件都可以与本公开的主题结合使用。
电子设备700可以被实现为小型便携式(或移动)电子设备的一部分,诸如扬声器、头戴式耳机、耳塞、蜂窝电话、智能电话、智能手表、个人数字助理(PDA)、个人媒体播放器设备、平板计算机(平板)、无线网络手表设备、个人头戴式耳机设备、可穿戴设备、专用设备或包括任何上述功能的混合设备。电子设备700还可以被实现为包括膝上型计算机和非膝上型计算机配置两者的个人计算机。电子设备700还可以被实现为服务器或大规模系统。
本公开的各方面可以被实现为计算机实现的过程、系统或诸如存储器设备或非暂时性计算机可读存储介质的制品。计算机可读存储介质可以是电子设备可读的,并且可以包括用于使电子设备或其它设备执行本公开中描述的过程和技术的指令。计算机可读存储介质可以由易失性计算机存储器、非易失性计算机存储器、固态存储器、闪存驱动器和/或其它存储器或其它非暂时性和/或暂时性介质来实现。本公开的各方面可以以不同形式的软件、固件和/或硬件来执行。此外,本公开的教导可以由例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它组件来实现。
本公开的各方面可以在单个设备上执行,或者可以在多个设备上执行。例如,包括本文描述的一个或多个组件的程序模块可以位于不同的设备中,并且可以各自执行本公开的一个或多个方面。如本公开中所使用的,除非另有具体说明,否则术语“一”或“一个”可以包括一个或多个项目。此外,除非另有具体说明,否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。
本公开的上述方面是说明性的。选择它们是为了解释本公开的原理和应用,而不旨在穷举或限制本公开。所公开的方面的许多修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。
除非另有说明,否则前述替代示例不是相互排斥的,而是可以以各种组合来实现以实现独特的优点。由于可以在不脱离由权利要求限定的主题的情况下利用上面讨论的特征的这些和其它变型和组合,因此示例的前述描述应当通过说明的方式而不是通过限制由权利要求限定的主题的方式来理解。另外,本文描述的示例的提供以及措辞为“诸如”、“包括”等的子句不应被解释为将权利要求的主题限制于具体示例;相反,这些示例旨在仅说明许多可能示例中的一个。此外,不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
在本申请中描述了许多实施例,并且仅为了说明的目的而呈现。所描述的示例在任何意义上不是并且不旨在是限制性的。本领域普通技术人员将认识到,所公开的主题可以用各种修改和变更来实施,诸如结构、逻辑、软件和电气修改。应当理解到,除非另有明确说明,否则所描述的特征不限于在参考其描述的一个或多个特定示例或附图中的使用。
Claims (20)
1.一种主动噪声消除系统,所述系统包括:
无限脉冲响应滤波器,所述无限脉冲响应滤波器被配置成对数字信号进行滤波并输出第一滤波数字信号;以及
与所述无限脉冲响应滤波器通信的级联滤波器配置,所述级联滤波器配置被配置成对所述第一滤波数字信号进行滤波并输出音频信号;
其中,所述级联滤波器配置包括:
自适应有限脉冲响应滤波器,所述自适应有限脉冲响应滤波器被配置成对所述第一滤波数字信号进行滤波并输出第二滤波数字信号,以及
响应内插器滤波器,所述响应内插器滤波器被配置成对所述第二滤波数字信号进行滤波并输出音频信号。
2.根据权利要求1所述的系统,进一步包括与所述级联滤波器配置通信的自适应跟踪器,所述自适应跟踪器被配置成:基于信道响应来跟踪所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中至少一个的非零系数。
3.根据权利要求2所述的系统,其中,所述非零系数由所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中的所述至少一个使用。
4.根据权利要求1所述的系统,其中,所述响应内插器滤波器是固定内插器。
5.根据权利要求1所述的系统,其中,所述自适应有限脉冲响应滤波器包括交织的零系数。
6.根据权利要求1所述的系统,其中,所述自适应有限脉冲响应滤波器被实现为多相滤波器。
7.根据权利要求1所述的系统,其中,所述无限脉冲响应滤波器被实现为多相滤波器。
8.根据权利要求1所述的系统,进一步包括与所述无限脉冲响应滤波器通信的模数转换器,所述模数转换器被配置成将至少一个模拟信号转换成数字信号。
9.根据权利要求1所述的系统,进一步包括与所述级联滤波器配置通信的减法器,所述减法器被配置成:
接收回放信号,以及
从所述回放信号中减去所述音频信号。
10.根据权利要求1所述的系统,其中,所述主动噪声消除系统被布置在耳塞内。
11.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质,所述指令在由一个或多个处理器执行时,使所述一个或多个处理器:
使用无限脉冲响应滤波器对数字信号进行滤波以产生第一滤波数字信号;
使用自适应有限脉冲响应滤波器对所述第一滤波数字信号进行滤波以输出第二滤波数字信号;
使用响应内插器滤波器对所述第二滤波数字信号进行滤波;以及
基于所述响应内插器滤波器的输出来产生音频信号。
12.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质,其中,所述指令在由所述一个或多个处理器执行时,使所述一个或多个处理器:
基于信道响应来跟踪所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中至少一个的非零系数。
13.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质,其中,所述指令在由所述一个或多个处理器执行时,使所述一个或多个处理器:
输出所述非零系数以供所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中的所述至少一个使用。
14.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质,其中,所述指令在由所述一个或多个处理器执行时,使所述一个或多个处理器:
将至少一个模拟信号转换成数字信号。
15.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质,其中,所述指令在由所述一个或多个处理器执行时,使所述一个或多个处理器:
接收回放信号,以及
从所述回放信号中减去所述音频信号。
16.一种主动噪声消除的方法,所述方法包括:
使用无限脉冲响应滤波器对数字信号进行滤波以产生第一滤波数字信号;
使用自适应有限脉冲响应滤波器对所述第一滤波数字信号进行滤波以输出第二滤波数字信号;
使用响应内插器滤波器对所述第二滤波数字信号进行滤波;以及
基于所述响应内插器滤波器的输出来产生音频信号。
17.根据权利要求16所述的方法,进一步包括:
基于信道响应来跟踪所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中至少一个的非零系数。
18.根据权利要求17所述的方法,进一步包括:
输出所述非零系数以供所述无限脉冲响应滤波器和所述自适应有限脉冲响应滤波器中的所述至少一个使用。
19.根据权利要求16所述的方法,进一步包括:
将至少一个模拟信号转换成数字信号。
20.根据权利要求16所述的方法,进一步包括:
接收回放信号,以及
从所述回放信号中减去所述音频信号。
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