用于有源噪声控制的控制电路和用于有源噪声控制的方法

摘要

一种用于有源噪声控制ANC的控制电路，其耦接至扬声器(SP)和ANC麦克风(MIC)，该扬声器(SP)基于放大的音频信号来产生扬声器信号(SPS)，该ANC麦克风(MIC)基于外界噪声(NOISE)和扬声器信号(SPS)来产生干扰音频信号。控制电路包括：第一混频器(M1)，其通过将音频信号(IN)与第一补偿信号(CS1)叠加来产生中间音频信号；第一放大器(AMP1)，其基于中间音频信号来产生放大的音频信号；以及补偿单元(CU)，其基于音频信号(IN)来产生第二补偿信号(CS2)。调节单元(TUNE)基于干扰音频信号和第二补偿信号(CS2)来产生经补偿的音频信号。耦接至调节单元(TUNE)的ANC滤波器(ANCF)通过对经补偿的音频信号实施滤波操作来产生第一补偿信号。

说明书

技术领域

本发明涉及用于有源噪声控制的控制电路以及用于针对声音再现装置(尤其是耳机)进行有源噪声控制的控制方法。

背景技术

在例如耳机的声音再现装置中，可以实现有源噪声控制ANC。ANC的目的是减小或者移除来自用户的声印象的不需要的外部噪声。为此，麦克风被置于声音再现装置处或声音再现装置内，用于记录与用户接收到的声音或音乐(包括噪声或其他不需要的外部声音)相对应的声音。对于ANC，为了使环境噪声或其他的干扰声音的影响最小化，评估由麦克风接收到的声音并且产生修正信号。

然而，在用于ANC的现有的解决方案中，包含修正信号可能导致对用户接收到的声音质量或音乐质量的负面影响。

发明内容

本发明的目的是提供针对ANC的改进的概念，以使对要再现的音频信号的不利影响最小化。

通过独立权利要求的主题来实现该目的。从属权利要求的主题是进一步的实施方案和实现方式。

根据改进的概念，除了上文提到的修正信号，基于音频输入信号来产生另外的修正信号。然后在ANC装置中使用该另外的修正信号，以减小由于音频输入信号的处理而引起的不利影响。例如在某频率范围、具体地在低频范围，以这样的方式可以实现改进的声音再现。

根据依据改进的概念的用于ANC的控制电路的实施方案，控制电路被设计为耦接至扬声器和ANC麦克风。扬声器基于放大的音频信号来产生扬声器信号，而ANC麦克风基于外界噪声和扬声器信号产生干扰音频信号。

控制电路包括第一混频器，被配置为通过将音频信号和第一补偿信号叠加来产生中间音频信号。控制电路还包括第一放大器，被配置为基于中间音频信号来产生放大的音频信号。控制电路还包括例如被实现为过滤网络的补偿单元。补偿单元被配置为基于音频信号来产生第二补偿信号。为此，补偿单元对音频信号实施滤波操作。

调节单元耦接至ANC麦克风和补偿单元。调节单元被配置为基于被干扰音频信号和第二补偿信号来产生经补偿的音频信号。最后，控制电路包括ANC滤波器，被配置为通过对经补偿的音频信号实施滤波操作来产生第一补偿信号。

例如，ANC麦克风可以是数字麦克风，动圈式(dynamic)麦克风，电容式麦克风，驻极体麦克风，压电麦克风，或者另一类型的麦克风。

扬声器信号与用户实际上想要听到的声音对应。然而，表示例如环境噪声或其他不想要的外部声音的外界噪声与扬声器信号叠加，其最终导致干扰音频信号。干扰音频信号近似地相应于在没有ANC的情况下用户实际上听到的声音。为了减小来自干扰音频信号的音频信号的残留，或者在理想的情况下完全移除来自干扰音频信号的音频信号的残留，调节单元使用第二补偿信号。那意味着，在理想的情况下，经补偿的音频信号仅仅包含关于经处理的外界噪声的信息，而不包括关于经处理的音频信号的信息。

为此，补偿单元对关于包含在干扰音频信号中的经处理的音频信号的信息进行仿真。此外，在第二补偿信号的产生期间可以加入相位延迟，以说明干扰音频信号到达调节单元和第二补偿信号到达调节单元之间存在时间延迟的事实。

然后，ANC滤波器对经补偿的音频信号实施滤波操作。结果是通过第一混频器与音频信号叠加的第一补偿信号，用于例如说明环境噪声以及用于减小外界噪声的影响或者在理想的情况下消除外界噪声的影响。例如通过ANC滤波器实施的滤波操作也可以分别地说明从扬声器至用户的耳朵之间的声音传输的细节，以及其与从扬声器至ANC麦克风的声音传输的差异。具体地，一方面扬声器关于ANC麦克风以及另一方面扬声器关于耳朵的空间布置可以通过ANC滤波器并入。考虑到扬声器信号和外界噪声的叠加的空间变化，这些方面例如可以是相关的。

例如第一混频器可以被实现为基本上将第一补偿信号与音频信号相加的加法器。在这样的情况下，例如通过ANC滤波器对经补偿的音频信号实施滤波操作包括有效的反相。可替选地，例如第一混合器可以被实现为减法器、加法器-减法器或者具有一个反相的输入和一个非反相的输入的加法器。

在控制电路的实现方式中，通过补偿单元对音频信号实施的滤波操作实现传递函数。传递函数由于以下至少其中之一而具有对于信号的影响的特点：第一放大器、扬声器、ANC麦克风和从扬声器至ANC麦克风的声音传输。

因此，本发明的目的例如是对关于被包含在干扰音频信号中的经处理的音频信号和/或传输的音频信号的信息进行仿真。然而，第二补偿信号的产生不受外界噪声的影响。

通过补偿单元实现的传递函数例如可以在控制电路和/或声音再现装置的制造和/或校准期间被确定。为此，例如，测试信号可以与由通过相应的部件处理的测试信号而相应地产生的信号进行比较。传递函数的确定例如还可以包括对声音再现装置中的声音传输进行仿真。

在控制电路的一些实现方式中，调节单元包括第二混频器。该第二混频器被配置为通过将第二补偿信号与基于干扰音频信号的信号叠加来产生中间噪声信号。具体地，第二混频器被配置为从基于干扰音频信号的信号中减去第二补偿信号。调节单元被配置为基于中间噪声信号来产生经补偿的音频信号。

例如，第二混频器可以被实现为减法器、加法器-减法器或者具有一个反相的输入和一个非反相的输入的加法器。可替选地，第二混频器可以被实现为加法器。在这样的情况下，通过补偿单元对音频信号实施的滤波操作例如包括有效反相。

在控制电路的另外的实现方式中，除了第二混频器，调节单元包括第二放大器。在这样的实施方案中，第二放大器被配置为基于干扰音频信号产生经调节的干扰音频信号。第二混频器被配置为通过将经调节的干扰音频信号与第二补偿信号叠加，特别地通过从经调节的干扰音频信号中减去第二补偿信号，来产生中间噪声信号。

优选地，第二放大器的增益因子是可调节的，例如在控制电路和/或声音再现装置的制造和/或校准期间是可调节的。例如，第二放大器用于补偿例如扬声器和/或ANC麦克风的容限。通常地，相应的容限例如处于若干个分贝的量级，例如处于1db-10db或者约3db的量级。为了提高噪声减小的性能，相应地通过第二放大器将干扰音频信号调节为第二补偿信号。再者，第二放大器例如可以被用于对控制电路中噪声减小的总体性能水平进行控制。

在控制电路的另外的实现方式中，调节单元还包括第三放大器，该第三放大器被配置为通过中间噪声信号的放大或衰减来产生经补偿的音频信号。

这样的实现方式具有下述优点：可以独立于对噪声减小性能的总体水平的控制来执行将经调节的干扰音频信号调节至第二补偿信号。然后，第二放大器例如用于补偿扬声器和/或ANC麦克风的容限。然后第三放大器用于调节噪声减小性能的水平。

在控制电路的另外的实现方式中，其中调节单元包括第三放大器，在操作期间，可以由用户改变通过第三放大器进行的中间噪声信号的放大或衰减。

在控制电路的另外的实现方式中，调节单元包括测试终端，用于向外部读出装置提供中间噪声信号。在调节单元包括第三放大器的实现方式中，测试终端优选地位于第二混频器和第三放大器之间。

测试终端和外部读出装置例如可以用于对麦克风和/或扬声器容限的准确补偿。例如，其可以在控制电路和/或声音再现装置的制造或校准期间被执行。

根据控制电路的另外的实现方式，补偿单元利用延迟元件来产生第二补偿信号。

具体地，延迟元件可以添加相位延迟以说明干扰音频信号到达调节单元和第二补偿信号到达调节单元之间的时间延迟。

例如，延迟元件可以仅添加相位延迟的第一部分，然后通过补偿单元的其他的部件来添加相位延迟的第二部分。可替选地，补偿单元的其他的部件添加相位延迟的第一部分，然后延迟元件添加相位延迟的第二部分。

在控制电路的一些实现方式中，延迟元件包括全通滤波器。

根据改进的概念，还可以提供用于具有扬声器和ANC麦克风的声音再现装置的ANC的方法。因此，扬声器基于放大的音频信号来产生扬声器信号，以及ANC麦克风基于扬声器信号和外界噪声来产生干扰音频信号。在一个实施方案中，根据改进的概念，该方法包括通过将音频信号和第一补偿信号叠加来产生中间音频信号。再者，该方法包括通过将中间音频信号放大来产生放大的音频信号。通过对音频信号实施滤波操作来产生第二补偿信号。然后，基于第二补偿信号和干扰音频信号来产生经补偿的音频信号。最终，通过对经补偿的信号实施滤波操作来产生第一补偿信号。

优选地，通过从基于干扰音频信号的信号中减去第二补偿信号来基于第二补偿信号和干扰音频信号产生经补偿的音频信号。

在该方法的一些实现方式中，通过实现传递函数来对音频信号实施滤波操作。传递函数由于以下至少其中之一而具有对于信号的影响的特点：第一放大器、扬声器、ANC麦克风和从扬声器至ANC麦克风的声音传输第一放大器、扬声器、ANC麦克风和从扬声器至ANC麦克风的声音传输。

在该方法的另外实现方式中，经补偿的音频信号的产生包括通过对音频信号放大或衰减来产生经调节的干扰音频信号。在这样的实施方案中，该方法还包括通过将第二补偿信号和经调节的干扰音频信号叠加，优选地通过从经调节的干扰音频信号中减去第二补偿信号来产生中间噪声信号。然后基于中间噪声信号生成第二补偿信号。

在该方法的另外的实现方式中，经补偿的音频信号的产生还包括中间噪声信号的放大或衰减。

在该方法的另外的实现方式中，在操作期间中间噪声的放大或衰减可以至少部分地由用户执行。

该方法的其他的实现方式包括向外部读出装置提供中间噪声信号。

该方法的另外的实现方式可以容易地从上面描述的控制电路的各种实施方案中得到。

附图说明

在下文中，通过参照附图，借助于示例性实施方案，详细地说明了本发明。功能上相同或者具有相同作用的部件由相同的附图标记来表示。可以仅针对相同的部件或者作用上相同的部件首次出现的附图来描述它们，它们的描述不必要在连续的附图中重复。

图1示出了根据改进的概念的用于ANC的控制电路的示例性实施方案。

图2示出了根据改进的概念的用于ANC的控制电路的另一示例性实施方案。

具体实施方式

图1示出了根据改进的概念的用于ANC的控制电路的示例性实施方案。控制电路包括第一混频器M1和连接至第一混频器M1的第一放大器AMP1。再者，第一放大器AMP1耦接至扬声器SP，该扬声器SP例如是声音再现装置(例如耳机)的一部分。声音再现装置还包括ANC麦克风MIC，该ANC麦克风MIC位于关于麦克风SP的、允许检测与用户听到的声音类似的声音的位置。控制电路包括调节单元TUNE，该调节单元TUNE具有耦接至ANC麦克风MIC的第二放大器AMP2以及连接至该第二放大器AMP2的第二混频器M2。控制电路还包括耦接在第一混频器M1和第二混频器M2之间的ANC滤波器ANCF。最后，控制电路包括补偿单元CU，在示出的实施方案中该补偿单元CU由频率补偿单元FRU来表示。频率补偿单元FRU例如可以被实现为滤波器网络。最后，产生装置G耦接至补偿单元CU和第一混频器M1。

例如，ANC麦克风可以是数字麦克风、动圈式(dynamic)麦克风、电容式麦克风、驻极体麦克风、压电麦克风、或者另一类型的麦克风。

在不同的实现方式中，第一混频器例如可以被设计为加法器、减法器、加法器-减法器或者具有一个反相的输入和一个非反相的输入的加法器。

控制电路接收来自产生装置G的音频信号IN。在某种意义上，音频信号IN表示要被处理并且最终用于通过扬声器SP来产生声音的原始信号。音频信号IN并行地被馈送至第一混频器M1和频率补偿单元FRU。第一混频器M1将音频信号IN和第一补偿信号CS1叠加，以将中间音频信号输出至第一放大器AMP1。在本文中，如后文所述，例如第一补偿信号CS1是有条件的，使得在某种意义上所产生的中间音频信号包含关于外部干扰(例如环境噪声)的反相信息。然后，根据声音再现的一般要求和/或设定，中间音频信号例如通过第一放大器AMP1被放大得到放大的音频信号。

通过产生扬声器信号SPS的扬声器SP来处理放大的音频信号。例如，扬声器信号SPS是例如通过空气传播以到达用户的耳朵的声波的实际叠加。然而，通常存在由外界噪声NOISE表示的环境噪声或其他的干扰外部声音。外界噪声NOISE与扬声器信号SPS叠加，并且实际到达用户的耳朵的声音是外界噪声NOISE和扬声器信号SPS的叠加或者该叠加的某些空间部分。

通过ANC麦克风MIC来分别检测外界噪声NOISE和扬声器信号SPS的不同的叠加或者该叠加的不同的空间部分，基于该叠加产生干扰音频信号。该干扰音频信号被馈送至第二放大器AMP2。因为第二放大器AMP2的增益因子能够被调节，所以第二放大器AMP2是可调节的。第二放大器AMP2对干扰音频信号进行放大或衰减，以产生经调节的干扰音频信号，其被提供至第二混频器M2。第二混频器M2还接收来自频率补偿单元FRU的第二频率补偿信号CS2，并且将经调节的干扰音频信号和第二频率补偿信号CS2两者叠加，具体地从经调节的干扰音频信号中减去第二频率补偿信号CS2。叠加的结果是被馈送至ANC滤波器ANCF的经补偿的音频信号。

第二混频器优选地被实现为减法器，但是其还可以被设计为加法器、加法器-减法器或者具有一个反相的输入和一个非反相的输入的加法器。

由频率补偿单元FRU通过音频信号IN的适应来产生第二补偿信号CS2。为此，频率补偿单元FRU对音频信号IN实施实现传递函数的滤波操作。传递函数由于信号处理和/或声音传输而具有对信号进行修正的特点。具体地，传递函数由于以下至少其中之一而具有对于信号的影响的特点：第一放大器AMP1、扬声器SP、ANC麦克风MIC和从扬声器SP至ANC麦克风MIC的声音传输。因此，第二补偿信号例如可以对关于包含在干扰音频信号中的经处理的音频信号的信息进行仿真。再者，频率补偿单元FRU添加关于干扰音频信号的相位延迟。关于干扰音频信号的相位延迟对于说明干扰音频信号到达调节单元TUNE和第二补偿信号CS2到达调节单元TUNE之间的时间延迟的事实是必要的。

例如，通过第二混频器M2从经调节的干扰音频信号中减去第二补偿信号，然后减小来自干扰音频信号的音频信号IN的残留，或者在理想的情况下完全移除来自干扰音频信号的音频信号IN的残留。在理想的情况下，经补偿的音频信号仅仅包括关于经处理的外界噪声NOISE的信息，而不包括关于经处理的音频信号IN的信息。

在第二混频器M2被实现为加法器的情况下，例如频率补偿单元FRU相应地可以接收(take over)音频信号的高效的反相。然后第二补偿信号CS2与经调节的干扰音频信号相加对应于从经调节的干扰音频信号中减去第二补偿信号CS2。

在图1的实施方案中，通过第二放大器AMP2对干扰音频信号放大或衰减可以用作至少两个潜在目的。首先，它可以提供用于控制控制电路中的噪声减小的总体性能水平的方式。为此，例如在声音再现装置的操作期间，第二放大器AMP2的增益因子还可以改变。其次，第二放大器AMP2可以用于补偿例如扬声器SP和/或ANC麦克风MIC的容限。通常，相应的容限例如处于若干个分贝的量级，例如处于1db-10db或者约3db的量级。因此，将干扰音频信号调节为第二补偿信号CS2以使经补偿的音频信号中的音频信号IN的残留减小或最小化是有利的。通常，例如可以在控制电路和/或声音再现装置的制造和/或校准期间执行对于第二放大器AMP2的增益因子的调节。

然后通过ANC滤波器ANCF来进一步处理经补偿的音频信号以产生第一补偿信号CS1。为此，ANC滤波器对经补偿的音频信号实施滤波操作。例如，可以抑制经补偿的音频信号的某些频率范围。通过ANC滤波器ANCF调节经补偿的音频信号的幅度和/或相位，使得在某种意义上所产生的中间音频信号包括关于例如环境噪声的外界干扰的反相信息。产生中间音频信号的第一混频器M1例如可以被实现为加法器。在这样的情况下，通过ANC滤波器对经补偿的音频信号实施滤波操作例如包括高效的反相。可替选地，第一混频器例如可以被实现为减法器、加法器-减法器或者具有一个反相的输入和一个非反相的输入的加法器。

图2示出了根据改进的概念的用于ANC的控制电路的另一示例性实施方案，该另一示例性实施方案基于图1的实施方案。图2中示出的实施方案与图1中示出的实施方案的不同之处在于调节单元TUNE包括的并且耦接在ANC滤波器ANCF与第二混频器M2之间的第三放大器AMP，以及位于第三放大器AMP3和第二混频器M2之间的测试端子TEST。再者，补偿单元包括耦接在频率补偿单元FRU和第二混频器M2之间的延迟元件DEL。

在示出的实施方案中，延迟元件DEL从频率补偿单元FRU处接收，或者部分地接收相位延迟的添加，以说明第二补偿信号CS2到达调节单元TUNE和干扰音频信号到达调节单元TUNE之间的时间延迟或者第二补偿信号CS2到达第二混频器和干扰音频信号到达第二混频器之间的时间延迟。因此，频率补偿单元FRU仅添加延迟相位的一部分而延迟元件DEL加延迟相位的剩余部分，或者频率补偿单元FRU不添加相位延迟的任何部分而延迟元件DEL加总的相位延迟。例如，延迟元件DEL和频率补偿单元FRU的顺序还可以与图2中示出的顺序相反。

第三放大器AMP3和第二放大器AMP2一起允许控制电路中的ANC的总体性能水平的独立控制以及例如扬声器SP和/或ANC麦克风MIC的容限的补偿。例如，第二放大器AMP2可以用于补偿例如扬声器SP和/或ANC麦克风MIC的容限。然后，第三放大器AMP3用于可以用于控制噪声减小的总体性能水平。例如，可以设计第三放大器AMP3使得在声音再现装置的操作期间可以改变第三放大器AMP3的增益因子。例如，第三放大器AMP3可以被包括在ANC滤波器ANCF中，而不是作为调节单元TUNE的一部分。使第二放大器AMP2和第三放大器AMP3的功能互换也是优选的。

测试终端TEST允许外部读出装置耦接至控制电路。这对于上面提到的例如在控制电路和/或声音再现装置的制造和/或校准期间的容限的准确补偿是有利的。

自然地，基于图1中示出的实施方案，通过不包括图2中示出的实施方案中的所有三个另外的部件而是仅仅包括图2中示出的实施方案中的另外的部件中的一个或两个来获得控制电路的其他实施方案，其中图2中示出的实施方案中的另外的部件即延迟元件DEL、第三放大器AMP3和测试终端TEST。

再者，应当指出的是，控制电路的实施方案或者控制电路的部件包括的所有滤波器部件可以被实现为模拟滤波器、数字滤波器或者甚至基于无源元件。这具体地适于ANC滤波器ANCF和补偿单元CU以及它们的部件。

为了满足特定的需要，还可以组合本文中呈现的用于ANC的控制电路和方法的实施方案或将其分开。

例如，控制电路可以内置于声音再现装置中，例如在耳垫中或者在耳机的另一部件中。另一可能是控制电路内置于产生装置G中。例如产生装置G可以对应于电子装置，诸如移动电话、电话、电视、便携式或者固定的音乐播放器或者无线电话机。

例如，根据改进的概念的控制电路可以在集成电路中实现。该集成电路还可以包括例如用于电力管理的另外的电路。

例如，根据改进的概念的控制电路还可以通过将所描述的控制电路的一部分(具体地包括补偿单元)添加至另一ANC装置来实现。

附图标记

M1、M2 混频器

AMP1、AMP2、AMP3放大器

SP扬声器

MIC ANC麦克风

TUNE调节单元

ANCFANC滤波器

CU补偿单元

FRU 频率补偿单元

G 产生装置

IN音频信号

CS1、CS2 补偿信号

SPS 扬声器信号

NOISE 外界噪声

TEST测试端子

DEL 延迟元件