JP2016218456A - Noise reducing sound reproduction - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ノイズ除去音声再生システムに係り、より詳細には、周辺ノイズを除去することにより、ユーザが、例えば、再生した音楽などを楽しむことを可能にするイヤホンを含むノイズ除去システムに関する。 The present invention relates to a noise-removed audio reproduction system, and more particularly to a noise removal system including an earphone that allows a user to enjoy reproduced music or the like by removing ambient noise.
アクティブノイズキャンセル/コントロール(ANC)システムとしても知られるアクティブノイズ除去システムにおいて、同じスピーカ、具体的には、ヘッドフォンの2つのイヤホンの内部に配置されたスピーカはしばしば、ノイズ除去と音楽やスピーチなどの聴きたい音声の再生の両方に使用される。しかしながら、共通するノイズ除去システムは望ましい音声までも少なからず低減するという事実によってアクティブノイズ除去システムを用いた場合と用いなかった場合では音声の印象に大きな差が生じる。このため、このような影響を補償するためには、高度な電気的な信号処理が要求されるか、またはノイズ除去をオンまたはオフにすることに影響を受けて差異が生じる音声の印象を聴き手が受け入れる必要があった。 In an active noise cancellation system, also known as an active noise cancellation / control (ANC) system, the same speaker, specifically a speaker placed inside the two earphones of a headphone, is often used for noise reduction and music and speech, etc. Used for both playing back the audio you want to listen to. However, due to the fact that common denoising systems reduce the desired audio as much as possible, there is a significant difference in the impression of audio when using and not using an active denoising system. For this reason, to compensate for such effects, advanced electrical signal processing is required, or listening to the impression of audio that is affected by turning noise removal on or off. The hands needed to be accepted.
従って、上記欠点を克服すべく改良されたノイズ除去システムが一般的に必要とされている。 Accordingly, there is a general need for an improved noise removal system that overcomes the above disadvantages.
本発明の第1の態様は、スピーカ入力経路に連結されているスピーカと、二次経路を介してスピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォンと、マイクロフォン出力経路と第1の有用信号経路の下流に連結されている第1の減算器と、第1の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタと、アクティブノイズ除去フィルタとスピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第2の有用信号経路に連結されている第2の減算器と、を含み、再生される有用信号が両方の有用信号経路に送信され、有用信号経路の少なくとも1つは1つ以上のスペクトル整形フィルタを含むことよりなる、ノイズ除去音声再生システムである。 A first aspect of the present invention includes a speaker connected to a speaker input path, a microphone acoustically coupled to the speaker via a secondary path and connected to a microphone output path, a microphone output path, A first subtractor coupled downstream of one useful signal path, an active noise cancellation filter coupled downstream of the first subtractor, and coupling between the active noise cancellation filter and the speaker input path And a second subtractor coupled to the second useful signal path, wherein the regenerated useful signal is transmitted to both useful signal paths, at least one of the useful signal paths being one This is a noise-removed sound reproduction system comprising the above spectrum shaping filter.
本発明の第2の態様は、スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信し、二次経路を介してスピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンがスピーカによって放射された信号を受信し、有用信号をマイクロフォン出力信号から減算してフィルタ入力信号を生成し、フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成し、エラー信号から有用信号を減算してスピーカ入力信号を生成し、マイクロフォン出力信号またはスピーカ入力信号または両信号から有用信号を減算する前にこの有用信号を1つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングすること、を含むノイズ除去音声再生方法である。 According to a second aspect of the present invention, an input signal acoustically radiated by a speaker is transmitted to the speaker, and a microphone acoustically coupled to the speaker via a secondary path and transmitting a microphone output signal is a signal radiated by the speaker. Receives and subtracts useful signal from microphone output signal to generate filter input signal, filters filter input signal with active noise removal filter to generate error signal, subtracts useful signal from error signal and speaker input A denoising speech reproduction method comprising generating a signal and filtering the useful signal with one or more spectral shaping filters before subtracting the useful signal from the microphone output signal or the speaker input signal or both signals.
図面に例示されている実施形態に基づいて様々な具体的な実施形態を以下に詳細に説明する。特に明記されていないかぎり、すべての図面を通して同様または同一の構成要素には同様の参照番号が付されている。 Various specific embodiments are described in detail below based on the embodiments illustrated in the drawings. Unless otherwise stated, like or identical components are provided with like reference numerals throughout all of the drawings.
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
ノイズ除去音声再生システムであって、
スピーカ入力経路に連結されているスピーカと、
二次経路を介して前記スピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォンと、
前記マイクロフォン出力経路と第1の有用信号経路の下流に連結されている第1の減算器と、
前記第1の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタと、
前記アクティブノイズ除去フィルタと前記スピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第2の有用信号経路に連結されている第2の減算器と、
を含み、
再生される有用信号が前記2つの有用信号経路に送信され、
前記2つの有用信号経路の少なくとも1つが1つ以上のスペクトル整形フィルタを含む、
ノイズ除去音声再生システム。
(項目2)
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有し、前記スペクトル整形フィルタの少なくとも1つが、前記二次経路伝達特性をモデリングするか又は前記有用信号に関して前記マイクロフォン出力経路上でマイクロフォン信号を線形化する伝達特性を有している、上記項目に記載のシステム。
(項目3)
前記第1の有用信号経路が、前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有する第1のスペクトル整形フィルタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目4)
前記第1のスペクトル整形フィルタが、少なくとも2つのサブフィルタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目5)
前記第1のスペクトル整形フィルタまたは前記第1のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの少なくとも1つが等価フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目6)
前記等価フィルタがトレブルカット等価フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目7)
前記第1のスペクトル整形フィルタまたは前記第1のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの1つがシェルビングフィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目8)
前記シェルビングフィルタがトレブルカットシェルビングフィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目9)
前記第2の有用信号経路が逆の前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有している第2のスペクトル整形フィルタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目10)
前記アクティブノイズ除去フィルタ、第1のスペクトル整形フィルタ、および第2のスペクトル整形フィルタの少なくとも1つが適応フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目11)
ノイズ除去音声再生方法であって、
スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信するステップと、
前記スピーカによって放射された前記信号を、二次経路を介して前記スピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンによって、受信するステップと、
有用信号から前記マイクロフォン出力信号を減算してフィルタ入力信号を生成するステップと、
前記フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成するステップと、
前記エラー信号から前記有用信号を減算して前記スピーカ入力信号を生成するステップと、
前記マイクロフォン出力信号または前記スピーカ入力信号または該両信号から前記有用信号を減算する前に、前記有用信号を1つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングするステップと、
を含む方法。
(項目12)
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有しておりかつ全てのスペクトル整形フィルタが全体として前記二次経路の伝達特性をモデリングする、上記項目に記載の方法。
(項目13)
前記有用信号を前記マイクロフォン出力信号から減算する前に、前記有用信号を前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目14)
前記有用信号のフィルタリングが等価および/またはシェルビングフィルタリングを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目15)
前記有用信号を前記スピーカ入力信号から減算する前に、前記有用信号を前記逆の二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、上記項目のいずれかに記載の方法。
For example, the present invention provides the following items.
(Item 1)
A noise-removal audio playback system,
A speaker connected to the speaker input path;
A microphone that is acoustically coupled to the speaker via a secondary path and coupled to a microphone output path;
A first subtractor coupled downstream of the microphone output path and a first useful signal path;
An active noise removal filter coupled downstream of the first subtractor;
A second subtractor coupled between the active noise removal filter and the speaker input path and coupled to a second useful signal path;
Including
A useful signal to be reproduced is sent to the two useful signal paths,
At least one of the two useful signal paths includes one or more spectral shaping filters;
Noise-removal audio playback system.
(Item 2)
The secondary path has a secondary path transfer characteristic, and at least one of the spectral shaping filters models the secondary path transfer characteristic or linearizes a microphone signal on the microphone output path with respect to the useful signal The system according to the above item, wherein the system has transfer characteristics.
(Item 3)
The system according to any of the preceding items, wherein the first useful signal path includes a first spectral shaping filter having a transfer characteristic that matches a transfer characteristic of the secondary path.
(Item 4)
The system according to any of the preceding items, wherein the first spectral shaping filter comprises at least two sub-filters.
(Item 5)
The system according to any of the preceding items, wherein at least one of the first spectral shaping filter or the sub-filter of the first spectral shaping filter is an equivalent filter.
(Item 6)
The system according to any of the preceding items, wherein the equivalent filter is a treble cut equivalent filter.
(Item 7)
The system according to any of the preceding items, wherein one of the first spectral shaping filter or the sub-filter of the first spectral shaping filter is a shelving filter.
(Item 8)
The system according to any of the preceding items, wherein the shelving filter is a treble cut shelving filter.
(Item 9)
A system according to any of the preceding items, comprising a second spectral shaping filter, wherein the second useful signal path has a transfer characteristic that matches the reverse transfer characteristic of the secondary path.
(Item 10)
The system according to any of the preceding items, wherein at least one of the active noise removal filter, the first spectral shaping filter, and the second spectral shaping filter is an adaptive filter.
(Item 11)
A noise-removal audio playback method,
Transmitting an input signal radiated acoustically by the speaker to the speaker;
Receiving the signal emitted by the speaker by a microphone that acoustically couples with the speaker via a secondary path and transmits a microphone output signal;
Subtracting the microphone output signal from a useful signal to generate a filter input signal;
Filtering the filter input signal with an active noise removal filter to generate an error signal;
Subtracting the useful signal from the error signal to generate the speaker input signal;
Filtering the useful signal with one or more spectral shaping filters before subtracting the useful signal from the microphone output signal or the speaker input signal or both signals;
Including methods.
(Item 12)
A method as described above, wherein the secondary path has secondary path transfer characteristics and all spectrum shaping filters model the transfer characteristics of the secondary path as a whole.
(Item 13)
A method according to any of the preceding items, wherein the useful signal is filtered by a transfer characteristic that matches the transfer characteristic of the secondary path before subtracting the useful signal from the microphone output signal.
(Item 14)
The method according to any of the preceding items, wherein filtering of the useful signal comprises equivalent and / or shelving filtering.
(Item 15)
A method according to any of the preceding items, wherein the useful signal is filtered by a transfer characteristic that matches the reverse secondary path transfer characteristic before subtracting the useful signal from the speaker input signal.
(摘要)
本発明は、スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信し、二次経路を介してスピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンがスピーカによって放射された信号を受信し、有用信号をマイクロフォン出力信号から減算してフィルタ入力信号を生成し、フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成し、エラー信号から有用信号を減算してスピーカ入力信号を生成し、有用信号をマイクロフォン出力信号またはスピーカ入力信号またはこれらの両信号から減算する前にこの有用信号を1つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングすることを含む、ノイズ除去音声再生システムおよび方法を開示している。
(Summary)
The present invention transmits an input signal acoustically radiated by a speaker to the speaker, and acoustically couples with the speaker via a secondary path and transmits a microphone output signal. Is subtracted from the microphone output signal to generate a filter input signal, the filter input signal is filtered by an active noise removal filter to generate an error signal, and a useful signal is subtracted from the error signal to generate a speaker input signal. A denoising audio reproduction system and method is disclosed that includes filtering the useful signal with one or more spectral shaping filters before subtracting the useful signal from the microphone output signal or speaker input signal or both. .
フィードバックANCシステムは、経時的には理想的には同一振幅であるがノイズ信号に比較して逆位相を有するノイズ除去信号をリスニングサイトにて提供することによってノイズなどの妨害信号を除去もしくはキャンセルするために提供されている。ノイズ信号とノイズ除去信号を重畳させることによって得られる信号(「エラー信号」としても知られる)は、理想的には、ゼロに向かう傾向がある。ノイズ除去の品質は、所謂、二次経路、即ち、スピーカと聴き手の耳の代わりのマイクロフォンとの間の音響経路の品質に影響される。ノイズ除去の品質はいわゆるANCフィルタの品質にさらに影響される。このANCフィルタは、マイクロフォンとスピーカとの間に連結されておりかつマイクロフォンによって提供されるエラー信号をフィルタリングするように作用する。また、このANCフィルタは、フィルタリングされたエラー信号がスピーカによって再生された場合、エラー信号をさらに除去するように作用する。しかしながら、特に、同様にフィルタリングされたエラー信号を再生するスピーカによってリスニングサイトで音楽やスピーチなどの有用信号が、追加的に、フィルタリングされたエラー信号へ与えられる時点で、問題が生じる。このため、この有用信号は上述したシステムによって低下する可能性がある。 The feedback ANC system removes or cancels interference signals such as noise by providing a noise removal signal at the listening site that is ideally the same amplitude over time but has an opposite phase compared to the noise signal. Is provided for. A signal obtained by superimposing a noise signal and a noise removal signal (also known as an “error signal”) ideally tends to zero. The quality of the denoising is influenced by the so-called secondary path, ie the quality of the acoustic path between the speaker and the microphone instead of the listener's ear. The quality of noise removal is further influenced by the quality of the so-called ANC filter. The ANC filter is coupled between the microphone and the speaker and serves to filter the error signal provided by the microphone. The ANC filter also acts to further remove the error signal when the filtered error signal is reproduced by a speaker. However, problems arise particularly when useful signals, such as music and speech, are additionally provided to the filtered error signal at the listening site by speakers that also reproduce the filtered error signal. Thus, this useful signal can be degraded by the system described above.
簡略化のため、本明細書において電気信号と音響信号の区別は行わない。しかしながら、スピーカによって送信されマイクロフォンによって受信された全ての信号は実際に音響的な性質を含む。全ての他の信号は電気的な性質を含む。スピーカとマイクロフォンはスピーカ3によって形成された入力段とマイクロフォンによって形成された出力段とを有する音響サブシステム(例えば、スピーカ・ルーム・マイクロフォン・システム)の一部であって、このサブシステムに電気入力信号が送信されこのサブシステムは電気出力信号を送信する。この点において、「経路」は、例えば、信号伝導手段、増幅器、フィルタなどのさらなる要素を含み得る電気的または音響的な連結のことである。スペクトル整形フィルタは入力信号と出力信号のスペクトルが周波数に応じて異なるフィルタである。
For simplicity, no distinction is made between electrical and acoustic signals in this specification. However, all signals transmitted by the speaker and received by the microphone actually contain acoustic properties. All other signals include electrical properties. The speaker and microphone are part of an acoustic subsystem (eg, a speaker room microphone system) having an input stage formed by the
ここで、一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去(ANC)システムを示すブロック図である図1を参照されたい。このフィードバック型のアクティブノイズ除去システムにおいて、妨害信号d[n](ノイズ信号とも呼ばれる)は一次経路1を経由してリスニングサイト、例えば、聴き手の耳へ伝達(放射)される。一次経路1はP(z)の伝達特性を有している。さらに、入力信号v[n]はスピーカ3から二次経路2を介してリスニングサイトへ伝達(放射)される。二次経路2は伝達特性S(z)を有している。
Reference is now made to FIG. 1, which is a block diagram illustrating a general feedback active noise removal (ANC) system. In this feedback-type active noise removal system, the interference signal d [n] (also referred to as a noise signal) is transmitted (radiated) to the listening site, for example, the listener's ear, via the
リスニングサイトに配置されたマイクロフォン4は、妨害信号d[n]と一緒にスピーカ3から生じる信号を受信する。マイクロフォン4はこれらの受信した信号の和を表すマイクロフォン出力信号y[n]を提供する。マイクロフォン出力信号y[n]はフィルタ入力信号u[n]としてANCフィルタ5へ送信され、ANCフィルタ5は加算器6へエラー信号e[n]を出力する。このANCフィルタ5は、適応フィルタであってもよく、伝達特性W(z)を有している。加算器6はまた、例えば、スペクトル整形フィルタ(図示しない)によって必要に応じてプリフィルタ処理された音楽や音声などの有用信号x[n]を受信しスピーカ3に入力信号v[n]を送信する。
The
信号x[n]、y[n]、e[n]、u[n]およびv[n]は離散時間領域内にある。以下の考慮事項には、これらのスペクトル表現、X(z)、Y(z)、E(z)、U(z)およびV(z)が使用される。図1に示したシステムを記述する微分方程式は以下の通りである。 The signals x [n], y [n], e [n], u [n] and v [n] are in the discrete time domain. These spectral representations, X (z), Y (z), E (z), U (z) and V (z) are used for the following considerations. The differential equation describing the system shown in FIG.
方程式(4)〜(7)から分かるように、有用信号の伝達特性M(z)はANCフィルタ5の伝達特性W(z)が増加するにつれてゼロ(0)へ近づくが、二次経路の伝達関数S(z)はニュートラルなレベル1付近、即ち、0[dB]状態を保つ。このため、ANCのオンまたはオフ時に、聴き手がまったく同じに有用信号x[n]を確実に捕えることができるように有用信号x[n]を適宜に適応させる必要がある。また、有用信号の伝達特性M(z)も二次経路2の伝達特性S(z)に影響されかつ有用信号x[n]の適応も伝達特性S(z)とその経時、温度、聴き手の変化などに因る変動とに影響されることから、「オン」と「オフ」との間の一定の差異が明確になる。
As can be seen from equations (4) to (7), the transfer characteristic M (z) of the useful signal approaches zero (0) as the transfer characteristic W (z) of the
図1のシステムにおいて、有用信号x[n]はスピーカ3の上流に連結された加算器6の音響サブシステム(スピーカ、部屋、マイクロフォン)へ送信されるが、図2のシステムにおいて、有用信号x[n]はマイクロフォン4へ送信される。これによって、図2のシステムにおいて、加算器6は省略され、加算器7がマイクロフォン4の下流に配置されて、例えば、プリフィルタ処理された有用信号x[n]とマイクロフォン出力信号y[n]との和を求める。したがって、スピーカ入力信号v[n]はエラー信号[e]に等しい、すなわち、v[n]=[e]であり、フィルタ入力信号u[n]は有用信号x[n]とマイクロフォン出力信号y[n]との和、すなわち、u[n]=x[n]+y[n]である。
In the system of FIG. 1, the useful signal x [n] is transmitted to the acoustic subsystem (speaker, room, microphone) of the
図2に示したシステムを記述する微分方程式は以下の通りである: The differential equation describing the system shown in FIG. 2 is as follows:
図3は、有用信号がスピーカとマイクロフォンの両経路に送信される一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。簡略化するために、一次経路1は、ノイズ(妨害信号d[n])は依然として存在しているが、以下では省略されている。具体的には、図3のシステムは、有用信号x[n]をマイクロフォン出力信号y[n]から減算してANCフィルタ入力信号u[n]を形成する減算器8をさらに設け、加算器6に代えてエラー信号e[n]から有用信号x[n]を減算する減算器9を設けたこと以外は、図1のシステムと同様である。
FIG. 3 is a block diagram showing a general feedback active noise removal system in which useful signals are transmitted to both the speaker and microphone paths. For the sake of simplicity, the
図3に示したシステムを説明する微分方程式は以下のように表される。 A differential equation for explaining the system shown in FIG. 3 is expressed as follows.
図4において、図3のシステムに基づくとともに逆の二次経路の伝達関数1/S(z)によって有用信号x[n]をフィルタリングするために減算器9の上流に連結された等価フィルタ10をさらに含むシステムが示されている。図4に示したシステムを説明する微分方程式を以下に示す。
In FIG. 4, an
式(22)から分かるように、マイクロフォン出力信号y[n]は有用信号x[n]と同一である。つまり、等価フィルタが二次経路伝達特性S(z)の真の逆数であれば、信号x[n]はシステムによって変更されないということである。この等価フィルタ10は、最適な結果、すなわち、理想的には最小の位相、第2経路の伝達特性S(z)の逆数へ向かうその実際の伝達特性の最適な近似に対する最小位相フィルタとなり、従って、y[n]=x[n]となる。この構成は理想的なリニアライザとして作用する。すなわち、この構成はスピーカ3から聴き手の耳となるマイクロフォン4までの伝達によって生じる有用信号の劣化を補償する。よって、この構成は、二次経路S(z)の有用信号x[n]に対する妨害影響を補償または線形化し、これによってヘッドフォンの音響特性に因る負の影響を生じることなく、音源が提供する通りの有用信号が聴き手に到着する。すなわち、y[z]=x[z]である。このように、このような線形フィルタに助けられて、設計不良のヘッドホンであっても、音響的に完全に調整された音声、即ち、線形音声を発生させることができる。
As can be seen from equation (22), the microphone output signal y [n] is identical to the useful signal x [n]. That is, if the equivalent filter is a true reciprocal of the secondary path transfer characteristic S (z), the signal x [n] is not changed by the system. This
図5において、図3のシステムに基づくとともに二次経路の伝達関数S(z)によって有用信号x[n]をフィルタリングするために減算器8の上流に連結された等価フィルタ10をさらに含むシステムが示されている。図5に示したシステムを説明する微分方程式を以下に示す。
In FIG. 5, a system based on the system of FIG. 3 and further comprising an
式(25)から判断して、ANCシステムがアクティブなとき、有用信号の伝達特性M(z)は二次経路伝達特性S(z)に一致していることが分かる。ANCシステムがアクティブでないときも、有用信号の伝達特性M(z)は二次経路伝達特性S(z)に一致している。このように、マイクロフォン4に近い場所での聴き手に対する有用信号が耳に届いた時の聴覚印象はノイズ除去がアクティブであるか否かにかかわらず同じである。
Judging from the equation (25), it can be seen that when the ANC system is active, the transfer characteristic M (z) of the useful signal matches the secondary path transfer characteristic S (z). Even when the ANC system is not active, the transfer characteristic M (z) of the useful signal matches the secondary path transfer characteristic S (z). Thus, the auditory impression when a useful signal for the listener near the
ANCフィルタ5および等価フィルタ10と11は各々、一定の伝達特性を有する固定フィルタまたは調整可能な伝達特性を有する適応フィルタである。図面においてそれ自体のフィルタの適応構造を各ブロックの下に矢印によって示し、適応構造の選択性を破線で示す。
The
図5に示したシステムは、ノイズに関して、例えば、音楽や音声などの有用信号が異なる条件下で再生されるヘッドホンに適用可能であり、特に、ノイズが存在しない場合、聴き手は、ANCシステムのアクティブな状態と非アクティブな状態の音の違いを経験せずに、ANCシステムのスイッチをオフにすることが可能であることを評価するであろう。しかしながら、本明細書に提示されているシステムはヘッドホンのみならず、偶発的なノイズ除去が望まれる全ての他の分野にも適用可能である。 The system shown in FIG. 5 is applicable to headphones in which useful signals such as music and voice are reproduced under different conditions with respect to noise, and in particular, in the absence of noise, the listener can use the ANC system. It will be appreciated that it is possible to switch off the ANC system without experiencing the difference between the active and inactive sounds. However, the system presented herein is applicable not only to headphones, but also to all other fields where accidental noise removal is desired.
図6は、本発明のアクティブノイズ除去システムが使用される可能性のあるイヤホンを例示している。イヤホンは、別の同様のイヤホンと一緒に、ヘッドホン(図示しない)の一部を成し、聴き手の耳12に音響結合される。本発明の実施例において、耳12は、一次経路1を介して、妨害信号d[n]、例えば、周囲ノイズへ露出される。イヤホンは、透音性カバー、例えば、グリル、格子または任意の他の透音性の構造または材料により被覆される穴15を有するカップ状のハウジング14を含む。スピーカ3は、音声を耳12へ放射するように作用しかつハウジング14の穴15に配置され、共にイヤホンキャビティ13を形成する。キャビティ13は、例えば、出入口、通気口、開口などの任意の手段によって気密化され又は通気される。マイクロフォン4はスピーカ3の正面に配置される。音響経路17は、スピーカ3から耳12まで延在し、スピーカ3からマイクロフォン4まで延在する二次経路2の伝達特性によってノイズ抑制目的のために近似される伝達特性を有している。
FIG. 6 illustrates an earphone in which the active noise removal system of the present invention may be used. The earphone, together with another similar earphone, forms part of a headphone (not shown) and is acoustically coupled to the listener's
ヘッドフォンなどの携帯機器に於いて、ANCシステムが使用可能なスペースおよびエネルギはきわめて限定されている。デジタル回路がスペースとエネルギを消費しすぎるため、携帯機器においてアナログ回路がANCシステムの設計に於いてしばしば好ましいとされる。しかしながら、アナログ回路だけではANCシステムの複雑性の可能性を限定することから、アナログ手段だけで二次経路を正確にモデリングすることは困難である。具体的にいえば、ANCシステムに於いて使用されるアナログフィルタは、組立てが簡単、エネルギ消費量が少ない、省スペースであるという理由から、固定フィルタであるかまたは非常に単純な適応フィルタであることが多い。図4、図5および図7を参照して上記に説明したシステムでも、アナログ回路を用いた場合は、二次経路の振舞いに影響されることはほとんどない(図4)または全くない(図5および図7)ので、良好な結果を示した。さらに、図5と図7のシステムは、原則としてほんのわずかな変動にすぎないが、共に開ループ伝達特性W(z)・S(z)を形成する、ANCフィルタの伝達特性W(z)と二次経路のフィルタ特性S(z)に基づいて、および聴き手の頭部に取り付けた時のヘッドホンの音響特性の評価に基づいて、等価フィルタに必要とされる伝達特性の良好な推定を可能とする。 In portable devices such as headphones, the space and energy that the ANC system can use is extremely limited. Analog circuits are often preferred in the design of ANC systems in portable devices because digital circuits consume too much space and energy. However, it is difficult to accurately model the secondary path with analog means alone, as analog circuits alone limit the potential complexity of the ANC system. Specifically, the analog filters used in ANC systems are either fixed filters or very simple adaptive filters because they are easy to assemble, consume less energy, and save space. There are many cases. Even in the system described above with reference to FIGS. 4, 5 and 7, when an analog circuit is used, it is hardly affected by the behavior of the secondary path (FIG. 4) or not (FIG. 5). And FIG. 7) showed good results. Further, the systems of FIGS. 5 and 7 are basically only slight variations, but the ANC filter transfer characteristics W (z), which together form the open loop transfer characteristics W (z) · S (z), A good estimate of the transfer characteristics required for the equivalent filter is possible based on the filter characteristics S (z) of the secondary path and on the acoustic characteristics of the headphones when attached to the listener's head And
ANCフィルタ5は、通常、周波数に対して最大ゲインまで増加しその後周波数に対してゲインは減少して低下を続けてループゲインに至るような低周波数で低ゲインを有する傾向にある伝達特性を有する。ANCフィルタ5が高ゲインである場合、ANCシステムに固有のループは、例えば、1kHz未満の周波数範囲でシステムを線形に保つことからこの周波数範囲においてどの等価も冗長にする。3kHz超の周波数範囲において、このANCフィルタ5は、ブーストもカットもないから従って線形の効果もない。この周波数範囲内のANCフィルタゲインは略ループゲインであるため、有用信号の伝達特性M(z)は、各々のフィルタ、例えば、等価フィルタに追加されるシェルビングフィルタによって補償する必要がある高周波数においてブーストを経験する。1kHz〜3kHzの周波数範囲では、ブーストとカットの両方が発生することがある。聴覚印象に関しては、ブーストがカットより妨害性が高いことから、同様に設計されたカットフィルタによって伝達特性のブーストを補償するだけで十分である。ANCフィルタのゲインが3kHz超にて0dBであれば、線形化の影響はなく、したがって、第1の等価フィルタに加えかつシェルビングフィルタの代わりに、第2の等価フィルタを使用することができる。
The
上記の考察からわかるように、補償には少なくとも2つのフィルタが使用される。図7は、図5のシステムにおける単一フィルタ11ではなく、(少なくとも)2つのフィルタ18および19を用いる例示的なANCシステムを示している。例えば、フィルタ伝達特性S1(z)を有するトレブルカットシェルビングフィルタ(例えば、フィルタ18)と伝達特性S2(z)を有するトレブルカット等価フィルタ(例えば、フィルタ19)において、S(z)=S1(z)・S2(z)である。或いは、トレブルブースト等価フィルタが、例えば、フィルタ18として実施され、トレブルカット等価フィルタが、例えば、フィルタ19として実施され得る。有用信号の伝達特性M(z)がさらにもっと複雑な構造を展開する場合、例えば、トレブルカットシェルビングフィルタが1つとトレブルブースト/カットの等価フィルタが2つの三つのフィルタを用いることができる。使用するフィルタの数は、コスト、フィルタのノイズの振舞い、ヘッドホンの音響特性、システムの遅延時間、このシステムを実施するために使用可能なスペースなどの多くの他の状況に影響される。
As can be seen from the above discussion, at least two filters are used for compensation. FIG. 7 shows an exemplary ANC system that uses (at least) two
図8は、図7のシステムに適用可能なシェルビングフィルタの伝達特性a、bを概略的に示す図である。特に、一次のトレブルブースト(+9dB)シェルビングフィルタ(a)とバスカット(−3dB)シェルビングフィルタ(b)を示す。図9は、図7のシステムに適用可能な等価フィルタの伝達特性c、dを概略的に示す図である。等価フィルタの1つ(c)は1kHzで9dBのブーストを提供し、他のフィルタ(d)はより高いQを有する100Hzで6dBの遮断を提供するので、より鮮明な帯域幅が提供される。 FIG. 8 is a diagram schematically showing transfer characteristics a and b of a shelving filter applicable to the system of FIG. In particular, a first order treble boost (+9 dB) shelving filter (a) and a bass cut (-3 dB) shelving filter (b) are shown. FIG. 9 is a diagram schematically showing transfer characteristics c and d of an equivalent filter applicable to the system of FIG. One of the equivalent filters (c) provides a 9 dB boost at 1 kHz and the other filter (d) provides a 6 dB cutoff at 100 Hz with a higher Q, thus providing a sharper bandwidth.
スペクトル整形関数の範囲は線形フィルタの理論によって支配されるが、これらの関数の調整やこれらが調整されるフレキシビリティは回路のトポロジおよび遂行する必要がある要件に応じて変化する。シェルビングフィルタは通常、コーナーの周波数よりはるかに高いかつはるかに低い周波数の間の相対的なゲインを変更する単純な第一次のフィルタである。低い即ち低音のシェルフは低い周波数のゲインに影響を与えるために調整されるが、そのコーナー周波数を超えてはあまり影響を与えない。高い即ちトレブルのシェルフは高い周波数のみのゲインを調整する。他方で、単一の等価フィルタは、二次のフィルタ関数を実施する。これは三つの調整、即ち、中心周波数の選択、帯域幅のシャープネスを決定する品質(Q)係数の調整、および選択された中心周波数が中心周波数の(はるかに)上下において周波数に対してどの程度ブーストされまたはカットされるかを判断するレベルやゲイン、を伴う。 The range of the spectral shaping function is governed by the theory of linear filters, but the adjustment of these functions and the flexibility with which they are adjusted will vary depending on the topology of the circuit and the requirements that need to be fulfilled. A shelving filter is usually a simple first order filter that changes the relative gain between frequencies much higher and much lower than the corner frequency. The low or bass shelf is adjusted to affect the low frequency gain, but has little effect beyond its corner frequency. A high or treble shelf adjusts the gain at high frequencies only. On the other hand, a single equivalent filter implements a second order filter function. This has three adjustments: selection of the center frequency, adjustment of the quality (Q) factor that determines the sharpness of the bandwidth, and how much the selected center frequency is relative to the frequency (much) above and below the center frequency. Accompanied by a level or gain that determines whether it is boosted or cut.
図10は、有用信号x[n]が、各々が伝達特性S5(z)を有するフィルタ20を介して、または伝達特性S6(z)を有するフィルタ21を介して、マイクロフォンとスピーカ経路の両方へ送信される(ここで、例えば、S(z)=S5(z)・S6(z))、図4および図5に示したシステムの組み合わせを示す。
FIG. 10 shows that the useful signal x [n] is transmitted through the
本発明を実施する様々な実施例を開示してきたが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいて本発明の利点を達成する様々な変更や変形を行ってよいことは当業者にとって明らかであろう。また、同様の機能を果たす他の構成要素によって適切に置き換えてよいことも当業者にとって明らかであろう。本発明の概念についてのこのような変形は添付の特許請求の範囲によって網羅されている。
While various embodiments for practicing the invention have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications may be made to achieve the advantages of the invention without departing from the spirit and scope of the invention. Let's go. It will also be apparent to those skilled in the art that other components that perform similar functions may be appropriately substituted. Such variations on the inventive concept are covered by the appended claims.
Claims (20)
スピーカ入力経路に連結されているスピーカと、 A speaker connected to the speaker input path;
二次経路を介して前記スピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路の第1の端部に連結されているマイクロフォンであって、前記二次経路は、二次経路伝達特性を有する、マイクロフォンと、 A microphone acoustically coupled to the speaker via a secondary path and connected to a first end of a microphone output path, the secondary path having a secondary path transfer characteristic; ,
前記マイクロフォン出力経路の第2の端部と第1の有用信号経路の第1の端部とに連結されている第1の減算器と、 A first subtractor coupled to a second end of the microphone output path and a first end of a first useful signal path;
前記第1の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタと、 An active noise removal filter coupled downstream of the first subtractor;
前記アクティブノイズ除去フィルタと前記スピーカ入力経路との間で連結されている第2の減算器であって、前記第2の減算器は、第2の有用信号経路の第1の端部にさらに連結されている、第2の減算器と A second subtractor coupled between the active noise removal filter and the speaker input path, wherein the second subtractor is further coupled to a first end of a second useful signal path; With a second subtractor
を含み、Including
前記第1の有用信号経路の第2の端部と前記第2の有用信号経路の第2の端部とは、相互に連結されており、かつ、前記スピーカによって再生される有用信号を受信するように構成されており、前記有用信号は、前記第1の減算器または前記第2の減算器における減算前の信号であり、 The second end of the first useful signal path and the second end of the second useful signal path are interconnected and receive a useful signal reproduced by the speaker. The useful signal is a signal before subtraction in the first subtractor or the second subtractor,
前記第1の有用信号経路または前記第2の有用信号経路の少なくとも1つは、1つ以上のスペクトル整形フィルタを含み、前記1つ以上のスペクトル整形フィルタの少なくとも1つは、前記二次経路伝達特性をモデリングする伝達特性を有しており、 At least one of the first useful signal path or the second useful signal path includes one or more spectrum shaping filters, and at least one of the one or more spectrum shaping filters is the secondary path transmission. Has transfer characteristics modeling characteristics,
フィルタ入力信号が、前記第1の減算器によって前記アクティブノイズ除去フィルタに供給され、前記フィルタ入力信号は、前記ノイズ除去フィルタのノイズ除去がアクティブであるときに、ゼロに近づく、システム。 A system, wherein a filter input signal is provided to the active denoising filter by the first subtractor, and the filter input signal approaches zero when denoising of the denoising filter is active.
前記アクティブノイズ除去フィルタ、前記第1のスペクトル整形フィルタ、および前記第2のスペクトル整形フィルタの少なくとも1つは、適応フィルタを含む、請求項2に記載のシステム。 The system of claim 2, wherein at least one of the active noise removal filter, the first spectral shaping filter, and the second spectral shaping filter includes an adaptive filter.
前記第1の有用信号経路および前記第2の有用信号経路の各々は、これらのそれぞれのスペクトル整形フィルタを介して前記有用信号を供給されるように構成されている、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein each of the first useful signal path and the second useful signal path is configured to be provided with the useful signal via their respective spectral shaping filters. .
入力信号をスピーカに供給することであって、前記入力信号は、前記スピーカによって音響的に放射される、ことと、 Providing an input signal to a speaker, wherein the input signal is radiated acoustically by the speaker;
前記スピーカによって放射された信号をマイクロフォンによって受信することであって、前記マイクロフォンは、二次経路を介して前記スピーカに音響結合されており、前記マイクロフォンは、マイクロフォン出力信号を提供するように構成されている、ことと、 Receiving a signal emitted by the speaker by a microphone, the microphone being acoustically coupled to the speaker via a secondary path, the microphone being configured to provide a microphone output signal; And that
第1の減算器を介して有用信号から前記マイクロフォン出力信号を減算して、フィルタ入力信号を生成することと、 Subtracting the microphone output signal from the useful signal via a first subtractor to generate a filter input signal;
アクティブノイズ除去フィルタを用いて前記フィルタ入力信号をフィルタリングして、エラー信号を生成することと、 Filtering the filter input signal with an active noise removal filter to generate an error signal;
第2の減算器を介して前記エラー信号から前記有用信号を減算して、スピーカ入力信号を生成することと、 Subtracting the useful signal from the error signal via a second subtractor to generate a speaker input signal;
前記マイクロフォン出力信号または前記エラー信号のうちの少なくとも1つからの前記有用信号の減算の前に、1つ以上のスペクトル整形フィルタによって前記有用信号をフィルタリングすることと Filtering the useful signal with one or more spectral shaping filters prior to subtraction of the useful signal from at least one of the microphone output signal or the error signal;
を含み、 Including
前記第1の減算器および前記第2の減算器の各々は、アナログデバイスであり、 Each of the first subtractor and the second subtractor is an analog device;
前記フィルタ入力信号は、前記ノイズ除去フィルタのノイズ除去がアクティブなときに、ゼロに近づく、方法。 The method wherein the filter input signal approaches zero when denoising of the denoising filter is active.
スピーカを駆動して可聴音を発生させるために用いられる音響信号を受信するように構成された第1の減算器であって、 A first subtractor configured to receive an acoustic signal used to drive a speaker to generate an audible sound,
前記第1の減算器は、マイクロフォン入力信号を受信するようにさらに構成されており、前記マイクロフォン入力信号は、前記スピーカから受信された前記可聴音と、リスニング空間においてマイクロフォンによって検出される望ましくないノイズとを含み、 The first subtractor is further configured to receive a microphone input signal, the microphone input signal including the audible sound received from the speaker and unwanted noise detected by the microphone in a listening space. Including
前記第1の減算器は、前記マイクロフォン入力信号から前記音響信号を減算し、フィルタ入力信号を生成するようにさらに構成されている、第1の減算器と、 The first subtractor is further configured to subtract the acoustic signal from the microphone input signal to generate a filter input signal; and
前記第1の減算器と通信しているアクティブノイズ除去フィルタであって、前記アクティブノイズ除去フィルタは、前記フィルタ入力信号に基づいてエラー信号を生成するように構成されている、アクティブノイズ除去フィルタと、 An active noise removal filter in communication with the first subtractor, wherein the active noise removal filter is configured to generate an error signal based on the filter input signal; ,
前記アクティブノイズ除去フィルタと通信している第2の減算器であって、前記第2の減算器は、前記エラー信号から前記音響信号を減算し、スピーカ入力信号を出力して、前記スピーカを駆動するように構成されている、第2の減算器と、 A second subtractor in communication with the active noise removal filter, wherein the second subtracter subtracts the acoustic signal from the error signal and outputs a speaker input signal to drive the speaker; A second subtractor configured to:
前記音響信号を受信し、かつフィルタリングするように構成された少なくとも1つのスペクトル整形フィルタであって、前記少なくとも1つのスペクトル整形フィルタは、前記第1の減算器または前記第2の減算器のうちの少なくとも1つに前記フィルタリングされた音響信号を出力するように構成されている、少なくとも1つのスペクトル整形フィルタと At least one spectral shaping filter configured to receive and filter the acoustic signal, the at least one spectral shaping filter being one of the first subtractor or the second subtractor. At least one spectral shaping filter configured to output the filtered acoustic signal to at least one;
を含み、 Including
前記第1の減算器および前記第2の減算器の各々は、アナログデバイスであり、 Each of the first subtractor and the second subtractor is an analog device;
前記フィルタ入力信号は、前記ノイズ除去フィルタのノイズ除去がアクティブなときに、ゼロに近づく、ノイズ除去音声再生システム。 The noise-removed sound reproduction system, wherein the filter input signal approaches zero when noise removal of the noise removal filter is active.
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