一种音频装置的开放式降噪算法的制作方法

阅读：评论：0

1.本发明涉及音频装置，尤其涉及一种音频装置的开放式降噪算法。

背景技术：

2.对于开放式耳机而言，因每个人的耳朵形状大小不同，会导致佩戴开放式音频耳机的相对位置不同，在实验室可以测试到，整个音频系统的传递函数会导致较大变化，导致现有开放式音频产品的降噪功能不足。常见的解决方案包括：
3.方法一，固定系数滤波器实现：
4.请参见图1，类似入耳式耳机的降噪实现方式，通过ff mic拾取外部环境的噪声，通过fb mic拾取喇叭附近的噪声。噪声经过系统内部的滤波器处理，送到喇叭端，喇叭就可以发出反向声波。其优点是成本低，方案成熟；其缺点是不能适应不同耳机的佩戴，有些用户的降噪效果不是最佳的，无法防止啸叫。
5.外界噪声经过ff filter后变成反向的信号送到喇叭，喇叭处的残存噪声经过去除音乐信号处理后，经过fb filter后变成了反向的信号送到喇叭，最终到人耳的噪声信号为0。
6.方式二，半自适应滤波器实现：
7.在喇叭出音口设置一个红外距离传感器，可以实时测量出音口到人的耳孔距离d，实验室测试一组滤波器参数，与d呈现对应关系，系统实时将d和滤波器做匹配，动态更新滤波器的参数，请参见图2。测距方法：用红外传感器测量耳孔到出音孔的距离，用雷达来测量耳孔到出音孔的距离，此方法为业界成熟的方法，故不赘述。该方式的优点是：成本中等，可以适应不同的佩戴姿势。其缺点是：滤波器切换有延迟，对瞬态噪声抑制效果不佳。

技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的上述不足，提供一种通过fb mic实时拾取喇叭附近的噪声，根据算法匹配最合适的滤波器，从而获得较佳瞬态响应和降噪带宽的音频装置开放式降噪算法。
9.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
10.一种音频装置的开放式降噪算法，其包括有如下步骤：
11.采集ff mic处的外界噪声信号x(n)，获取x(n)信号经过自适应滤波器后的输出y(n)，采集fb mic处的噪声信号e(n)，根据下式实时求得最优滤波器系数w(n)：
12.e(n)＝x(n)-y(n)；
13.y(n)＝w
t
(n)*x(n)；
14.则有：
15.e(n)＝x(n)-w
t
(n)*x(n)；
16.根据最小均方误差准则，最小化目标函数j(w)；
17.j(w)＝e{|e(n)|2}＝e{|x(n)-w
t
(n)*x(n)|2}；
18.计算j(w)对w的导数，令导数为0，则有：
19.e{x(n)x
t
(n)}w(n)-e{x(n)e(n)}＝0；
[0020][0021]
优选地，还包括利用瞬时梯度替代j(w)的数学期望：
[0022]
j(w)＝e(n)2＝(x(n)-w
t
(n)*x(n))2；
[0023][0024]
由此得到w(n)的迭代公式：
[0025][0026]
其中，μ为步长，于是有如下公式：
[0027]
w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)；
[0028]
进而得到w(n)的迭代公式。
[0029]
优选地，该算法的代码通过一fpga芯片执行。
[0030]
本发明公开的音频装置的开放式降噪算法中，首先采集ff mic处的外界噪声信号x(n)，获取x(n)信号经过自适应滤波器后的输出y(n)，采集fb mic处的噪声信号e(n)，通过优化公式实时求得最优滤波器系数w((n)，再根据最小均方误差准则，最小化目标函数j(w)，之后计算j(w)对w的导数以及利用瞬时梯度替代j(w)的数学期望，最后得到w(n)的迭代公式。本发明相比现有技术而言的有益效果在于，本发明基于优化的算法，通过fb mic实时拾取喇叭附近的噪声，根据算法匹配最合适的滤波器，从而获得较佳瞬态响应和降噪带宽，能使用户明显感觉到降噪效果的提升，较好地满足了应用需求。
附图说明
[0031]
图1为现有技术中采用固定系数滤波器实现降噪功能的架构图；
[0032]
图2为现有技术中采用半自适应滤波器实现降噪功能的数据表；
[0033]
图3为实现本发明开放式降噪算法的功能模块架构图；
[0034]
图4为无缓冲计算和有缓冲计算的区别示意图；
[0035]
图5为实现本发明开放式降噪算法的系统架构图；
[0036]
图6为fpga芯片的内部架构图；
[0037]
图7为w(n)计算过程的流程图。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
[0039]
本发明公开了一种音频装置的开放式降噪算法，请参见图3，其包括有如下步骤：
[0040]
首先，系统给出一个初始的滤波器参数，通过fb mic实时拾取喇叭附近的噪声，根据算法匹配最合适的滤波器实现静音区，静音区通过传递函数延伸到耳膜。该方案的优点是：可以动态的匹配外界的噪声特性，可以很好的抑制瞬态噪声以及抑制啸叫。系统的基本框架请参见图3；
[0041]
采集ff mic处的外界噪声信号x(n)，获取x(n)信号经过自适应滤波器后的输出y(n)，采集fb mic处的噪声信号e(n)，用于算法测量系统残存噪声；
[0042]
根据下式实时求得最优滤波器系数w(n)：
[0043]
e(n)＝x(n)-y(n)；
[0044]
y(n)＝w
t
(n)*x(n)；
[0045]
在本实施例中，lms算法的目的是，实时求得最优滤波器系数w(n)，w(n)存在的目的是让e(n)最小；
[0046]
基于上式，则有：
[0047]
e(n)＝x(n)-w
t
(n)*x(n)；
[0048]
其中，t是指矩阵或者向量转置，w(n)是行向量，加t后就变成列向量，矩阵相乘是第一个矩阵的列向量乘以第二个矩阵的行向量，w(n)只有加t后才能与x(n)相乘；
[0049]
根据最小均方误差准则(mmse)，最小化目标函数j(w)；
[0050]
j(w)＝e{|e(n)|2}＝e{|x(n)-w
t
(n)*x(n)|2}；
[0051]
为了最小化均方误差函数，需要计算j(w)对w的导数，令导数为0，则有：
[0052]
e{x(n)x
t
(n)}w(n)-e{x(n)e(n)}＝0；
[0053][0054]
最佳w(n)如上式，由于涉及数学期望，在实际应用中，绝大多数情况下无法获得信号真实的自相关矩阵，以及输入信号与数学期望之间的互相关向量；
[0055]
因此，在实际应用中，还包括利用瞬时梯度替代j(w)的数学期望：
[0056]
j(w)＝e(n)2＝(x(n)-w
t
(n)*x(n))2；
[0057][0058]
由此得到w(n)的迭代公式：
[0059][0060]
其中，μ为步长，于是有如下公式：
[0061]
w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)；
[0062]
进而得到w(n)的迭代公式。通过不断地实时计算，让w(n)无限逼近理想w(n)值。
[0063]
实际应用中，在理想的运算环境下，上述方法可以实现显著效果，但由于声速为384米每秒，声音传播1cm的时间是2.6*10^-5秒，约为26us，就需要在噪声到达fb mic前输出反向噪声，因此需要系统的响应时间小于26us才会有降噪效果。现有系统的音频数是一帧一帧处理的方式，每帧的长度为10ms，所以无法在现有系统里面实施。
[0064]
通过本实施例提出的上述算法，将该算法的代码通过一fpga芯片执行实现，fpga通过纯硬件电路实现上述公式，即通过无缓冲计算，持续地将w(n+1)计算出来，并立即应用到ff滤波器，大大减少了算法的延时。相比有缓冲计算的区别请参见图4，根据图4可以看出，导致系统延时的主要因素是音频缓冲区太长，然而本发明则对音频数据实时进行处理，从而避免了音频缓冲延时。
[0065]
请参见图5，在本发明算法的系统架构下，其中bt到fpga的音乐通路用于降噪时，
把ff mic获得的音乐声音消除掉。进一步地，fb mic到fpga的通路用于实现反馈降噪。关于fpga的内部结构请参见图6，在本实施例中，前馈通路的核心点是w(n)的实时计算，所涉及的ff filter和fb filter的实现属于fpga的常规操作，此处不再赘述。
[0066]
在本发明的优选实施例中，关于w(n)的优选计算实现方式请参见图7，其中，z-1
表示将数据延时一个采样点，表示变量相加，表示变量相乘，＞＞表示数据左移1位，每到来一个新的数据采样点，w(n)都会被更新1次。本发明采用fpga的实现方式会大大降低计算w(n)带来的延时，进而带来较好的瞬态响应和降噪带宽。
[0067]
此外，除了本发明提到的lms算法，其它基于lms算法的优化算法，如nlms、fxlms、rls等，都可以在本发明方法中所提出的fpga上予以实现。进一步地，在fpga上验证通过后，将实现方法制作在一颗专用的芯片上，利用这颗专用芯片，可以实现开放式降噪。
[0068]
本发明公开的音频装置的开放式降噪算法中，首先采集ff mic处的外界噪声信号x(n)，获取x(n)信号经过自适应滤波器后的输出y(n)，采集fb mic处的噪声信号e(n)，通过优化公式实时求得最优滤波器系数w(n)，再根据最小均方误差准则，最小化目标函数j(w)，之后计算j(w)对w的导数以及利用瞬时梯度替代j(w)的数学期望，最后得到w(n)的迭代公式。本发明相比现有技术而言的有益效果在于，本发明基于优化的算法，通过fb mic实时拾取喇叭附近的噪声，根据算法匹配最合适的滤波器，从而获得较佳瞬态响应和降噪带宽，能使用户明显感觉到降噪效果的提升，较好地满足了应用需求。
[0069]
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

技术特征：

1.一种音频装置的开放式降噪算法，其特征在于，包括有如下步骤：采集ff mic处的外界噪声信号x(n)，获取x(n)信号经过自适应滤波器后的输出y(n)，采集fb mic处的噪声信号e(n)，根据下式实时求得最优滤波器系数w(n)：e(n)＝x(n)-y(n)；y(n)＝w
t
(n)*x(n)；则有：e(n)＝x(n)-w
t
(n)*x(n)；根据最小均方误差准则，最小化目标函数j(w)；j(w)＝e{|e(n)|2}＝e{|x(n)-w
t
(n)*x(n)|2}；计算j(w)对w的导数，令导数为0，则有：e{x(n)x
t
(n)}w(n)-e{x(n)e(n)}＝0；2.如权利要求1所述的音频装置的开放式降噪算法，其特征在于，还包括利用瞬时梯度替代j(w)的数学期望：j(w)＝e(n)2＝(x(n)-w
t
(n)*x(n))2；由此得到w((n)的迭代公式：其中，μ为步长，于是有如下公式：w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)；进而得到w(n)的迭代公式。3.如权利要求1所述的音频装置的开放式降噪算法，其特征在于，该算法的代码通过一fpga芯片执行。

技术总结

本发明公开了一种音频装置的开放式降噪算法，其包括：采集FF MIC处的外界噪声信号x(n)，获取x(n)信号经过自适应滤波器后的输出y(n)，采集FB MIC处的噪声信号e(n)，通过优化公式实时求得最优滤波器系数W(n)，再根据最小均方误差准则，最小化目标函数J(w)，之后计算J(w)对W的导数以及利用瞬时梯度替代J(w)的数学期望，最后得到W(n)的迭代公式。相比现有技术而言，本发明基于优化的算法，通过FB MIC实时拾取喇叭附近的噪声，根据算法匹配最合适的滤波器，从而获得较佳瞬态响应和降噪带宽，能使用户明显感觉到降噪效果的提升，较好地满足了应用需求。了应用需求。