环境噪声消除的自动极性适应

摘要

一种声音再现设备，所述声音再现设备具有扬声器（202,302），所述扬声器（202,302）被设置为根据音频信号（301）产生声音，所述音频信号（301）由音频信号源提供。麦克风（204，304）被定位为采集环境噪声并且生成包括所述噪声的麦克风信号（305）。环境噪声消除（ANC）系统（400）从所述麦克风中接收所述麦克风信号并且生成与所述麦克风信号中的所述环境噪声相对应的抗噪声。自动极性适应（AAP）系统监测所述ANC系统，并且当满足决策标准时，针对所生成的抗噪声进行极性转换。

说明书

技术领域

本发明涉及声音再现设备的领域，并且更具体地说，涉及具有扬声器、麦克风和 环境噪声消除（ANC）系统的类型的声音再现设备，所述麦克风被定位为采集环境噪 声并且生成包括噪声的麦克风信号，所述ANC系统被构造为从麦克风接收麦克风信 号并且生成与该麦克风信号中的环境噪声相对应的抗噪声。本发明也涉及便携式通信 装置，并且涉及环境噪声消除方法。

背景技术

声音再现设备当然存在许多不同的类型。一种常用的示例是立体声耳机，当立体 声耳机涉及声源、音量等时，立体声耳机允许用户按照私人方式享受音乐、无线电广 播或电视节目，而不需要必须注意其它人的爱好。

为了减少来自环境噪声源的干扰，诸如立体声耳机的声音重新设备有时设置有 “环境噪声消除”系统、或者“自动噪声消除”系统，常常缩写为ANC。ANC系统 中的一个或更多个麦克风采集周围噪声，并且该ANC系统使得一个或更多个扬声器 在用户的耳朵中播放“抗噪声”。这导致在用户的耳膜处的低噪声级。

ANC系统能够是“前馈”或“反馈”类型的，或者上述类型的组合。在图3a中 看到，在至少一个扬声器302被设置为从音频信号301产生声音的情形下，使用反馈 ANC系统300。所产生的声音用于被用户10的耳朵11感知。反馈ANC系统300使 用或多或少位于耳朵11内部（通常，位于外耳的耳甲腔内部或附近）的至少一个麦 克风304。麦克风304感测周围（环境）噪声和抗噪声的总和并且产生包括这些含量 （content）的麦克风信号305。诸如一个或更多个信号滤波器的信号处理装置306处 理麦克风信号305并且用于提供抗噪声输出信号307，该抗噪声输出信号307将抵消 环境噪声。在308处，将抗噪声输出信号307加到被馈送到扬声器302的音频信号 301，并且因而形成的反馈回路将随着时间的推移尽可能多地消除环境噪声。

要注意的是：图3a中的布局是示意性的并且没有示出反馈ANC系统的实际实施 的所有可能元件。例如，通常在信号处理装置306生成抗噪声输出信号307之前移除 麦克风信号305的音频信号分量。这种移除可以通过信号处理装置306自身（访问音 频信号301，如在301’处看到的）中的功能来完成，或通过在附图中没有示出的单 独功能来完成。如反馈ANC系统的领域中公知的，从麦克风信号305中移除音频信 号分量可以例如包括最小均方（LMS）优化滤波器以及其它固定或自适应滤波器的使 用，以便于解释包括扬声器302的电声系统的固定的或变化的传递函数。

前馈系统使用仅感测周围噪声的耳朵外部的（多个）麦克风。参见图3b中的麦 克风304。在商业上使用这两种拓扑结构，各有利弊。为了获得任何消除效果，相比 于周围噪声，必须以反转的极性来播放抗噪声，即信号307。如果极性不正确，则结 果将是更多噪声，而不是更少。

即将到来的趋势是移动电话的听筒模式中的ANC。原理是相同的，但是现在通 过移动电话的耳塞式扬声器来播放抗噪声。仅在一个耳朵中感知该效果，并且通常不 能消除低频。然而，市面上的产品总是使用该功能。麦克风被制造并且安装为具有一 致的极性，以如打算的那样工作。然而，不能总是保证耳塞式扬声器具有一致的极性。 此外，可以将耳塞式扬声器机械地设计为旋转对称，这意味着所述耳塞式扬声器可以 以多于一种方式来适应电话。为了使用耳塞式扬声器进行ANC，部件制造商必须保 证一致的极性并且必须确保移动电话组装。这可意味着部件需要具有引导引脚或使得 不正确的安装不能进行的类似引脚。可能无法使用现成的部件。

发明内容

本发明的目的在于避免、消除或至少减少以上提到的针对具有环境噪声消除 （ANC）系统的声音再现设备的问题中的一个或更多个。

作为本发明背后的一种概念性理解，已经认识到声音再现设备应设置有自动地适 应抗噪声的极性的装置，使得在需要的情况下，所生成的抗噪声的效果在涉及获得噪 声消除时能够被检测并且来自ANC系统的抗噪声信号的极性能够反转。

基于该概念性理解，本发明已经降低到至少根据下面提到的本发明的多个方面和 实施方式来实践。

因此，本发明的一个方面是一种声音再现设备，所述声音再现设备具有：扬声器， 所述扬声器被设置为根据音频信号产生声音，所述音频信号由音频信号源提供；麦克 风，所述麦克风被定位为采集环境噪声并且生成包括所述噪声的麦克风信号；环境噪 声消除（ANC）系统，所述ANC系统被设置为从所述麦克风接收所述麦克风信号并 且生成与所述麦克风信号中的所述环境噪声相对应的抗噪声；以及自动极性适应 （AAP）系统，所述AAP系统被设置为监测所述ANC系统，并且当满足决策标准时， 针对所生成的抗噪声进行极性转换。

在一个实施方式中，所述AAP系统被设置为通过监测所述麦克风信号来监测所 述ANC系统，其中所述决策标准是所述麦克风信号中的所述环境噪声和所生成的抗 噪声的总和超过预定界限。

在一个实施方式中，其中所述ANC系统包括至少一个信号滤波器，并且所述ANC 系统被设置为执行配置所述信号滤波器的滤波器参数的反馈回路适应处理，以便于最 小化所述麦克风信号中的所述环境噪声和所生成的抗噪声的总和，所述决策标准是所 述反馈回路适应处理没有如预期的那样收敛。

所述AAP系统还可以被设置为当满足所述决策标准时，将信息存储在存储器中， 所述存储的信息指示以需要针对所生成的抗噪声进行极性转换的反转极性来安装所 述扬声器，以便于所述ANC系统恰当地工作。所述AAP系统或所述ANC系统中的 至少一个还被有利地设置为将来使用存储在所述存储器中的信息，以基于所述存储的 信息进行所述极性转换。

在一个实施方式中，其中所生成的抗噪声被加入到由所述音频信号源提供的所述 音频信号，以形成产生的音频信号，该产生的音频信号被馈送到所述扬声器，所述 AAP系统被设置为通过反转所述产生的音频信号的极性，针对所生成的抗噪声进行 所述极性转换。

在一个实施方式中，所述AAP系统包括：控制装置，所述控制装置被构造为监 测所述ANC系统；转换装置，所述转换装置被构造为能够被所述控制装置控制，并 且具有被连接到所述扬声器的输出；以及反相器（inverter）装置，所述反相器装置被 构造为接收所述产生的音频信号并且具有与所述转换装置的输入连接的输出。所述控 制装置被设置为当满足所述决策标准时，向所述转换装置发出命令或控制信号，以使 得所述转换装置能够反转所述产生的音频信号的极性，并且将其传送给所述扬声器。

本发明的第二个方面是一种便携式通信装置，所述便携式通信装置包括根据本发 明的第一方面或其实施方式中的任何一个的声音再现设备。所述便携式通信装置有利 地可以是移动终端，诸如用于如GSM、UMTS、D-AMPS、CDMA2000、FOMA或 TD-SCDMA的移动通信系统的移动电话。

本发明的第三个方面是一种环境噪声消除方法，所述环境噪声消除方法包括：采 集环境噪声以生成麦克风信号；设置环境噪声消除（ANC）以生成与所述麦克风信号 中的所述环境噪声相对应的抗噪声；监测所述环境噪声消除；确定满足了决策标准； 以及针对所生成的抗噪声进行极性转换。

应当强调的是：术语“包括/包含”当在本说明书中使用时，被视为指定所陈述 的特征、整体、步骤或部件的存在，但是不排除一个或更多个其它特征、整体、步骤、 部件或它们的组的存在或加入。

附图说明

根据参考附图进行的以下详细描述，本发明的实施方式的目的、特征和优点将变 得显而易见，在附图中：

图1是移动通信网络形式的可以实践本发明的实施方式的环境的非限制性示例 的示意性例示；

图2是移动终端形式的根据本发明的实施方式的便携式通信装置的示意性正视 图；

图3a是表示被称为反馈环境噪声消除的根据第一现有技术方法的环境噪声消除 的示意性框图；

图3b是表示被称为前馈环境噪声消除的根据第二现有技术方法的环境噪声消除 的示意性框图；

图4a是表示根据本发明的第一实施方式的、具有自动极性适应的环境噪声消除 的示意性框图；

图4b是表示根据本发明的第二实施方式的、具有自动极性适应的环境噪声消除 的示意性框图；

图4c是表示根据本发明的第三实施方式的、具有自动极性适应的环境噪声消除 的示意性框图；以及

图5是根据本发明的实施方式的具有自动极性适应的环境噪声消除方法的示意 性流程图。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明的实施方式。然而，本发明可以以多种不同的形式来 具体实施并且不应当被解释为限于本文所阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式 以使本公开将是全面和完整的，并且将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。在 附图中例示的具体实施方式的详细描述所中使用的术语并非旨在限制本发明。在附图 中，相同的附图标记指代相同的元件。

可以以多种不同的形式来具体实施根据本发明的声音再现设备和环境噪声消除 方法。在一个实施方式中，声音再现设备是移动终端（移动电话），该移动终端在图 2中示出并且配置为利用环境噪声消除方法。其它实施方式包括（但不限于）立体声 耳机和例如飞机中的公告扬声器系统。本发明不限于任何具体类型的声音再现设备。

在转向对本发明的不同实施方式中的抗噪声的自动极性适应进行的详细描述之 前，将描述图2的移动终端以及图1中示出的可以使用该移动终端的例示性环境。

从图1开始，移动终端100形式的声音再现设备是蜂窝通信系统的一部分。移动 终端100的用户10可以与可通过蜂窝通信系统访问的其它用户2进行语音通话。除 了语音通话之外，用户1还可以使用各种其它通信服务，诸如因特网浏览、视频通话、 数据通话、传真发送、静态图像发送、视频发送、电子消息发送和电子商务。然而， 在本发明的上下文内，这些通信服务都不是主要的；在这方面，没有对具体的服务集 合进行任何限制。

移动终端100通过无线电链路111和基站112连接到移动通信网络110。移动终 端100和移动通信网络110可以符合任何商业上可用的移动通信标准，包括但不限于 GSM、UMTS、D-AMPS、CDMA2000、FOMA和TD-SCDMA。

常规的公共交换电话网络（PSTN）130连接到移动通信网络110。包括固定电话 131的各种电话终端可以连接到PSTN130。

移动通信网络110还与诸如因特网的广域数据网络120可操作地相关联。服务器 计算机121和客户端计算机122可以连接到广域数据网络120并且因此允许与移动终 端100通信。

在图2中更加详细地例示了移动终端100的实施方式200。移动终端200具有包 括正面201_F的外壳，正面201_F具有人机接口（MMI）或者用户接口，其包括扬声器 （也叫做，耳塞式扬声器或耳塞）202和第一麦克风205，该第一麦克风205被定位 为采集用户10的语音。在扬声器202的附近，还设置有第二麦克风204。该第二麦 克风204是移动终端的ANC系统的一部分并且因而用于感测周围（环境）噪声和抗 噪声的总和（针对反馈ANC系统），或者仅感测周围（环境）噪声（针对前馈ANC 系统）。这将结合图4a-图4c更加详细地说明。

正面201_F还具有显示器203和ITU-T类型的小键盘209。小键盘209具有分布 在小键盘区域209b内的12个字母数字键209a，其中所述键表示数字0-9和字符*和#。 也可以设置某些其它特殊键，诸如软键209c、209d。此外，移动终端200也可以具 有导航输入设备207、诸如控制杆、触摸板、旋转体（rotator）、慢速拨盘或一组箭头 键（导航键）。也可以设置其它公知的外部部件，诸如电源开关、电池、音量控制和 外部天线，但是出于简要的目的，在图2中没有示出这些外部部件。

移动终端200也具有一个或更多个机器-对-机器接口。在图2中，示出了第一接 口206，该第一接口206能够以公知方式使用，以连接诸如充电器的附属设备211。 第一接口206例如可以是诸如通用串行总线（USB）的串行接口。此外，移动终端 200具有第二接口208，该第二接口208是无线的并且能够用于诸如便携式免提单元 的附属装置的无线连接，以及用于短程无线数据通信。第二接口208例如可以符合蓝 牙标准、或IrDA（红外线数据协会）、WLAN（无线局域网）或NFC（近场通信）。

不用说，移动终端200还具有内部硬件和软件结构，其在本技术领域中是公知的 并且因此在本文中没有详细提到。该结构中的一个元件是主控制器，该主控制器通常 由商业上可获得并且适于编程的CPU（“中央处理单元”）、DSP（“数字信号处理器”）、 FPGA（“现场可编程门阵列”）或ASIC（“专用集成电路”）来实施。

其它元件可以包括：显示控制器、I/O接口电路、各种存储器设备（例如，RAM 存储器、ROM存储器、EEPROM存储器、闪存、硬盘或其任何组合）以及无线电接 口。无线电接口包括内部或外部天线以及适当的电子无线电电路，以建立并保持到基 站的无线链路（例如图1中的无线电链路111和基站112）。这种电子无线电电路包 括构成无线电接收器和发送器的模拟部件和数字部件。这些部件可以包括：带通滤波 器、放大器、混合器、本机振荡器、低通滤波器、AD/DA转换器等。无线电接口通 常也包括模块、协议栈和驱动器的形式的相关联通信服务软件。另外，移动终端200 通常将包含实时操作系统和各种应用程序的形式的其它软件。

现在将参照图4a-图4c给出在本发明的不同实施方式中的抗噪声的自动极性适应 的详细描述。

图4a是表示根据本发明的第一实施方式的、具有自动极性适应的环境噪声消除 的示意性框图。该实施方式包括反馈ANC系统400。音频信号301、扬声器302、麦 克风304、麦克风信号305、信号处理装置306、抗噪声信号307和加法器308全部 本质上具有与在图3a的现有技术系统300中相同的目的；因此，使用了相同的附图 标记。反馈ANC系统400例如可以在图2的移动终端200中使用，其中扬声器302 将由扬声器202表示，并且麦克风304将由第二麦克风204表示。另选地，如前所述， 可以在其它种类的声音再现设备中使用反馈ANC系统400。

因而，扬声器302用于根据音频信号301产生声音，该音频信号301由音频信号 源提供。当在图2的移动终端200中使用ANC系统400时，该音频信号源例如可以 是出于生成由正在进行的语音通话产生的音频语音信号301的目的而包括在移动终 端的音频接口中的音频编解码器，或者是出于通过读取并且解码存储的或流式mp3 文件而生成音频音乐信号301的目的的媒体播放器应用。

麦克风304被定位为采集环境噪声并且生成包括该噪声的麦克风信号305。也可 参见图5中的步骤500。更具体地说，由于ANC系统400是反馈类型的，因此麦克 风信号305将包含与环境噪声和由ANC系统400产生的抗噪声的总和相对应的噪声 含量。

ANC系统400被设置为从麦克风接收麦克风信号305。可以从麦克风信号305 中移除音频信号分量，如在301’处所示的以及之前参考图3a说明的。信号处理装 置306用于生成抗噪声，该抗噪声与由麦克风304检测到的环境噪声相对应（图5 中的步骤510）。为此，信号处理装置306具有包括极性反转的一个或更多个滤波器， 并且将处理麦克风信号305并生成将用于消除环境噪声的形式的抗噪声输出信号 307。在加法器308中将抗噪声输出信号307加入到音频信号301，并且将产生的信 号309馈送到扬声器302。因而形成的反馈回路将随着时间的推移，尽可能多地消除 环境噪声。信号处理装置306例如可以由DSP来实施，或者另选地由CPU、FPGA、 ASIC或者能够实施所公开的功能的数字和/或模拟部件的任何其它组合来实施。

根据本发明，还提供了自动极性适应（AAP）系统410。AAP系统410被设置为 针对该AAP系统410的能力（capacity）来监测ANC系统400，以获得噪声消除（图 5中的步骤520）。这可以包括监测信号处理装置306本身，或者针对图4a的实施方 式的情况的麦克风信号305。此外，当满足决策标准时（图5中的步骤530），该AAP 系统410被设置为针对生成的抗噪声进行极性转换（图5中的步骤540）。

在功能级上，在图4a中示出了AAP系统410的元件。控制装置416被设置为读 取麦克风信号305并且确定其噪声含量（环境噪声和生成的抗噪声的总和）是否表现 得如预期的那样。理想地，除了在环境噪声中有突然改变的时段之外，所生成的抗噪 声应当消除环境噪声，使得麦克风信号的产生的噪声含量应当接近零。因此，前述 AAP系统410的决策标准例如可以是麦克风信号305中的环境噪声和生成的抗噪声 的总和超过预定界限。该预定界限可以是绝对值、或者是相对于其它因素而定义的值， 诸如作为一个整体的麦克风信号305的能量含量（也包括输入音频信号301）。在一 些实施方式中，决策标准也可以包括时间因素，诸如麦克风信号305的产生的噪声含 量随着一定时间的推移而发展的行为。为此，控制装置416可以监测麦克风信号305， 以察看该麦克风信号305的产生的噪声含量是否如预期的那样收敛。

如果没有，则满足了AAP系统410的决策标准，并且触发了进一步的功能。这 可能是由于扬声器302的不正确安装引起的。在这种情况下，控制装置416可以向转 换装置414发出命令或者控制信号417，该转换装置414将通过在反相器装置412中 启用或转换而针对所生成的抗噪声进行极性转换。因而，在图4a中看到，转换装置 414被构造为能够被控制装置416控制并且具有连接到扬声器302的输出。反相器装 置412被构造为接收产生的音频信号309并且具有与转换装置414的输入连接的输 出。当满足决策标准时，通过向转换装置414发出命令或控制信号417，控制装置416 将使得转换装置414反转从加法器308产生的音频信号309的极性，并且将其传送给 扬声器302。因而，被馈送到扬声器302的产生的音频信号309将被极性反转，以补 偿或适应没有正确地安装扬声器302的事实。

在上述功能发生在数字域中的实施方式中，反相器装置412可包括对数字信号 309中的每个样本的振幅进行反转的功能。在这种情况下，也可以在图4a的电路中 的适当的位置处设置模拟到数字（ADC）或数字到模拟（DAC）转换器（例如，301 与308之间以及304与306之间的ADC，414与302之间的DAC）。而在上述功能发 生在模拟域中的实施方式中，反相器装置412可实施为与反相器连接的运算放大器。

在所公开的实施方式中，在步骤530中当控制装置416发现满足了AAP系统410 的决策标准时，控制装置416还被设置为在存储器418中存储与该情况有关的信息。 因而，这样的存储信息将指示以需要针对所生成的抗噪声进行极性转换的反转的极性 来安装扬声器302，以便于ANC系统400恰当地工作。该存储器418中的存储信息 将来可以被ANC系统400或AAP系统410使用，以影响抗噪声的生成，例如下一次 声音再现设备上电并且因此也启动了ANC系统400，或者当由于另一原因（重新） 激活ANC系统400时。通过读取并且使用在存储器418中的存储信息，ANC系统 400或AAP系统410可以直接得知所生成的抗噪声所需的极性转换，其中所述极性 转换可快速发生并且不需要干扰用户10。在ANC系统400使用存储器418中的这种 存储信息的实施方式中，可以自动地改变信号处理装置306的滤波器参数或系数中的 任意参数或系数，以实现期望的极性即时改变，例如通过改变信号处理装置306的一 个或更多个起始或默认值。而在AAP系统410使用存储器418中的存储信息的实施 方式中，控制装置416可以向转换装置414直接发出命令或控制信号417，以便于实 现期望的极性即时改变。

要注意的是，AAP系统410的元件412-418并不是必须为结构或物理级上的单独 元件。例如，所有功能元件412-418都可以实施为一个DSP或ASIC。另选地，功能 元件412-418可以由与ANC系统400的信号处理装置306相同的DSP、ASIC等实施。 换言之，尽管在本文中被描述为单独的系统，但是在实际实施中可以在ANC系统400 内具体实现AAP系统410。

图4b是表示根据本发明的第二实施方式的、具有自动极性适应的环境噪声消除 的示意性框图。正如图4a的实施方式，图4b中的实施方式包括反馈ANC系统400， 并且除了以下不同之外，所述两个实施方式在所有实际方面都可以相同。替代麦克风 信号305，图4b中的AAP系统410被设置为监测ANC系统400的信号处理装置306。 （AAP系统410被配置为监测麦克风信号305和信号处理装置306二者的另选实施 方式也可以）。因此，在该实施方式中，AAP系统410的决策标准与信号处理装置306 本身的行为有关。在该实施方式中，信号处理装置306包括一个或更多个数字信号滤 波器。在ANC系统400的操作期间，执行配置（多个）信号滤波器的滤波器参数的 反馈回路适应处理，以便于最小化麦克风信号305中的环境噪声和生成的抗噪声的总 和。AAP系统410监测该反馈回路适应处理，尤其是滤波器参数的适应如何随着时 间的推移而发展，并且决策标准定义一个界限，超过该界限，反馈回路适应处理被视 为不能如预期的那样收敛。

图4c是表示根据本发明的第三实施方式的、具有自动极性适应的环境噪声消除 的示意性框图。该实施方式与图4a和图4b的不同之处在于：它包括前馈类型的ANC 系统400，并且因此仅采集环境噪声，该前馈类型的ANC系统400包括位于用户10 的耳朵11的外部的第一麦克风304’。另外，设置了第二麦克风304，该第二麦克风 304的位置与图4a和图4b中的实施方式中的麦克风304相同，即在耳朵11内，并 且功能与图4a和图4b中的实施方式中的麦克风304相同。因此，第二麦克风304被 将监测它的麦克风信号的AAP系统410使用，以确定何时需要所生成的抗噪声的极 性转换。另一方面，ANC系统400没有必要必须使用来自第二麦克风304的输出； 它可以作为严格的前馈系统来操作并且仅基于来自第一麦克风304’的输出而提供 ANC。然而，在图4c所公开的实施方式中，事实上在第二麦克风304与ANC系统 400之间存在一些可选的连接。这可以通过麦克风304与信号处理装置306之间的虚 线看到，指示可选引导。

上面已参照本发明的一些实施方式对本发明进行了描述。然而，本领域人员容易 理解，在本发明的范围内的其它实施方式也可以，本发明的范围由所附权利要求限定。