[发明专利]自适应数字噪声消除器

说明书

技术领域

本发明涉及噪声消除耳机（例如，头戴式耳机、耳塞等）。

背景技术

噪声消除耳机在高噪声环境（如飞机驾驶舱或很响的机器附近）以及其它地方中使用。已经开发出多种技术来提供耳机中的噪声消除。例如，许多传统的噪声消除器使用模拟噪声消除，并且使用反馈或前馈控制技术。反馈噪声消除通常在具有大声腔的耳机中使用。前馈噪声消除通常在耳塞和贴耳式耳机中使用。

前馈噪声消除器使用叠加原理消除到达佩戴者耳朵的不期望的环境噪声信号。例如，前馈噪声消除器使用基于耳机的受控对象模型（plant model）（例如，传递函数）的消除器滤波器来生成抗噪声信号。具体来说，消除器产生幅度上相等或近似相等并相位相反（即，约180°反相）的抗噪声信号来消除不期望的噪声信号。这使用参考麦克风来实现。参考麦克风置于耳机的外面或外围，并感测进入的不期望的噪声信号。对感测到的噪声信号进行处理，并使用受控对象模型生成抗噪声信号。

通常来说，受控对象是使用经验方法来确定的。为使模拟噪声消除器提供最佳性能，必须对消除器滤波器进行微调以匹配实际耳机的动态。例如，这可以通过在监测消除器滤波器的性能时改变或更新该消除器滤波器的参数来实现。然而，为了正确地生成抗噪声信号，噪声消除器必须能够在佩戴着耳机时准确地识别佩戴者耳朵处的噪声信号。然后使用扬声器驱动正常音频信号以及抗噪声信号。

在图1中示出了模拟前馈噪声消除器系统的示例。系统10包括参考麦克风15、扬声器20以及前馈控制器25。音频信号x(t)是来自音频设备的信号，而声信号y(t)是佩戴者耳朵处的信号。耳机受控对象模式是根据d(t)和y(t)来确定的。然而，还存在影响噪声消除的辅路径。在图2中示出了前馈系统30的一个例子，前馈系统30包括误差麦克风35、辅路径模型40、自适应模块45以及消除器滤波器50。当使用误差麦克风35时，受控对象模型指的是参考麦克风15和误差麦克风35之间的传递函数，辅路径通常指的是扬声器20和误差麦克风35之间的通道。为了正确地更新消除器滤波器，精确识别辅路径的传递函数是必要的。

发明内容

使用上述技术，受控对象模型基于测试系统和经验分析，而非实际的系统受控对象。因此，忽略了对系统受控对象的改变。为使得消除器滤波器运行良好（即，生成精确的抗噪声信号），消除器滤波器必须与耳机和佩戴者的组合声相匹配，而耳机和佩戴者的组合声可能与经验模型相差极大且通常不能使用单个统一的受控对象模型来归纳。使用消除器滤波器生成的抗噪声信号必须随着声路径的变化而自适应。例如，除了其它方面，耳机的耳罩和佩戴者头之间的声路径基于耳机在佩戴者上的位置、耳罩的密封性、佩戴者的头部大小、大气压、温度和制造差异而变化。这些因素能够使得消除器滤波器在各种情况下运转不良。使用单个受控对象模型并不会将这些因素考虑在内，因此消除器滤波器会运转不良。另外，由于适当地消除不期望的噪声信号所需要的抗噪声信号会随着不期望的噪声信号的方向变化而变化，因此消除器滤波器必须随着不期望的噪声信号的到达方向的变化而自适应。固定的滤波器无法适应这种变化。

本发明的实施例提供了用于使用自适应无限脉冲响应（“IIR”）滤波器作为消除器滤波器而实现数字前馈噪声消除系统和方法的技术。消除器滤波器不断地进行更新或自适应以将系统和实际的受控对象的变化考虑在内。这种消除器滤波器能够适应实际的受控对象中的变化和不期望的噪声信号的到达方向中的变化两者。当与传统的有限脉冲响应（“FIR”）滤波器相比时，IIR滤波器降低了系统的延迟。FIR滤波器需要数百个抽头，并且在低延迟应用中（例如，耳机）是不实用的。

在一个实施例中，本发明提供了一种系统，该系统包括：三个或更多参考麦克风、误差麦克风、辅路径模块、自适应控制器以及消除器滤波器。使用平衡模型降阶将FIR受控对象模型转换为IIR受控对象（即，自适应IIR滤波器）。由于自适应IIR滤波器的固有的不稳定性，将Schur-Cohn稳定性测试应用于IIR滤波器的传递函数的分母系数，以在更新分母系数之前验证噪声消除系统的稳定性。如果识别到会影响系统稳定性的干扰，则减缓或停止IIR滤波器的传递函数的分母的自适应以维持稳定性。以在线方式识别噪声消除系统的辅路径。如果通信信号（例如，音乐信号）的能量水平近似白噪声信号，则执行辅路径识别。然后，生成抗噪声信号并将其添加到通信信号。在大约60微秒或更少的时间内生成抗噪声信号。