具有抗噪机制的音频播放装置及方法与流程

本发明是关于音频播放技术，尤其是关于一种具有抗噪机制的音频播放装置及方法。

背景技术：

为了让用户在聆听音乐时有更好的聆听效果，许多耳机设置有抗噪的机制，以避免环境的噪声对于聆听造成干扰。近年来耳机常配备有主动的抗噪机制，由麦克风接收噪声并依据滤波系数进行滤波打出反相的抗噪音频来抵消噪声的影响。

然而，在一般耳机的应用中如需要使用适应性的滤波机制，由于需要滤波器使用较高的取样率，滤波器的阶数必须达到数百以上才能有足够的频率分辨率。然而如果要使用较低的取样率，额外的降频和升频过程都会增加延迟。当延迟过大时，将造成抗噪机制无法对噪音实时地进行消除。

技术实现要素：

鉴于先前技术的问题，本发明之一目的在于提供一种具有抗噪机制的音频播放装置及方法，以改善先前技术。

本发明之一目的在于提供一种具有抗噪机制的音频播放装置及方法，通过频率翘曲滤波电路的滤波，将收音音频往低频压缩，使频率翘曲滤波电路可在不需要过多的阶数的情形下以高取样率运行。

本发明包含一种具有抗噪机制的音频播放装置，包含：收音电路、调整参数产生电路、频率翘曲(frequencywrapping)滤波电路以及音频播放电路。收音电路配置以接收收音音频。调整参数产生电路配置以至少根据收音音频产生多个调整参数。频率翘曲滤波电路包含：多个相串联之一阶全通滤波单元、多个乘法单元以及叠加电路。一阶全通滤波单元配置以根据收音音频依序进行滤波产生多个滤波结果。乘法单元配置以分别将收音音频以及滤波结果其中之一与调整参数其中之一相乘，产生多个调整滤波结果其中之一。叠加电路配置以叠加调整滤波结果，作为抗噪音频。音频播放电路配置以同时播放实际音频以及抗噪音频。

本发明另包含一种音频播放方法，应用于具有抗噪机制的音频播放装置中，包含：使收音电路接收收音音频；使调整参数产生电路至少根据收音音频产生多个调整参数；使频率翘曲滤波电路包含之多个相串联之一阶全通滤波单元根据收音音频依序进行滤波产生多个滤波结果；使频率翘曲滤波电路包含之多个乘法单元分别将收音音频以及滤波结果其中之一与调整参数其中之一相乘，产生多个调整滤波结果其中之一；使频率翘曲滤波电路包含之叠加电路叠加调整滤波结果，作为抗噪音频；以及使音频播放电路同时播放实际音频以及抗噪音频。

有关本发明的特征、实践与效果，兹配合图式作优选实施例详细说明如下。

附图说明

图1是显示本发明之一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放装置的方框图；

图2是显示本发明之一实施例中，频率翘曲滤波电路更详细的方框图；

图3是显示本发明之一实施例中，频率翘曲延迟电路更详细的方框图；

图4是显示本发明之一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放装置的方框图；

图5是显示本发明之一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放装置的方框图；以及

图6是显示本发明之一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放方法的流程图。

具体实施方式

本发明之一目的在于提供一种具有抗噪机制的音频播放装置及方法，可通过频率翘曲滤波电路的滤波，将收音音频往低频压缩，使频率翘曲滤波电路可在不需要过多的阶数的情形下以高取样率运行。

请参照图1。图1为本发明之一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放装置100的方框图。音频播放装置100包含：收音电路110a、110b、调整参数产生电路120、频率翘曲(frequencywrapping)滤波电路130以及音频播放电路140。

于一实施例中，收音电路110a为内部收音电路，收音电路110b为外部收音电路。于一实施例中，音频播放装置100是例如，但不限于耳机，并可包含一个外壳(housing，未绘示)。用以进行音频处理与播放的电路，例如调整参数产生电路120、频率翘曲滤波电路130以及音频播放电路140是设置于外壳的内部。此外，内部的收音电路110a是设置于外壳的内部，外部的收音电路110b则设置于外壳的外部。

收音电路110a、110b分别接收收音音频aia[n]及aoa[n]。更详细地说，内部的收音电路110a由于设置于外壳的内部，而接收外壳之内的内部收音音频aia[n]。相对的，外部的收音电路110b由于设置于外壳的外部，而接收外壳之外的外部收音音频aoa[n]。参数n随着数值不同，是对应于不同的时间点。

于一实施例中，音频播放装置100可还包含模拟至数字转换电路150a(在图1中标示为a/d)以及减法电路160。模拟至数字转换电路150a自内部收音电路110a接收模拟形式的内部收音音频aia[n]，并进行模拟至数字转换后产生数字形式的内部收音音频aid[n]。由于在外壳内部的音频播放电路140所播放的实际音频xs[n](包含例如音乐或人声)也会被内部收音电路110a所收到，因此减法电路160将减去内部收音音频aid[n]中对应于实际音频xs[n]的部分，来产生实际内部收音音频ais[n]。

于一实施例中，为仿真自音频播放电路140播放到内部收音电路110a接收的路径的响应，音频播放装置100可还包含响应仿真电路170a，以对实际音频xs[n]进行对应该路径响应的滤波产生仿真实际音频xss[n]。减法电路160实际上是将内部收音音频aid[n]以及仿真实际音频xss[n]进行相减，以产生实际内部收音音频ais[n]。

于一实施例中，音频播放装置100可还包含模拟至数字转换电路150b(在图1中标示为a/d)，自外部收音电路110b接收模拟形式的外部收音音频aoa[n]，并进行模拟至数字转换后产生数字形式的外部收音音频aod[n]。由于外部收音电路110b不会接收到外壳内部的音频播放电路140所播放的实际音频xs[n]，不须对于外部收音音频aod[n]进行任何减去。

请同时参照图2。图2为本发明之一实施例中，频率翘曲滤波电路130更详细的方框图。频率翘曲滤波电路130包含：多个相串联之一阶全通滤波单元af1～afk、多个乘法单元mu0～muk以及叠加电路200。

一阶全通滤波单元af1～afk根据外部收音音频aod[n]依序进行滤波产生滤波结果fr0[n]～frk[n]。不同的数值k表示频率翘曲滤波电路130的一阶全通滤波单元af1～afk的阶数。

于一实施例中，各个一阶全通滤波单元af1～afk的响应以z频域来看，可表示为a(z)，且a(z)＝(-a z^-1)/(1-a×z^-1)，其中a为位于0～1之间的数值。于一实施例中，当a的数值愈大，将使滤波结果在高频上有愈少的延迟而呈现较低的分辨率，并在低频上有愈多的延迟而呈现较高的分辨率。

乘法单元mu0～muk分别将外部收音音频aod[n]以及滤波结果fr1[n]～frk[n]其中之一与调整参数w0[n]～wk[n]其中之一相乘，产生调整滤波结果mfr0～mfrk其中之一。

更详细地说，乘法单元mu0使外部收音音频aod与调整参数w0[n]相乘产生调整滤波结果mfr0。乘法单元mu1使滤波结果fr1与调整参数w1[n]相乘产生调整滤波结果mfr1。乘法单元mu2使滤波结果fr2与调整参数w2[n]相乘产生调整滤波结果mfr2。以此类推，直到乘法单元muk使滤波结果frk与调整参数wk[n]相乘产生调整滤波结果mfrk。

叠加电路200叠加调整滤波结果mfr0～mfrk为抗噪音频fas[n]。于一实施例中，叠加电路200包含叠加单元add1～addk，其中叠加单元add1将调整滤波结果mfr0与调整滤波结果mfr1进行叠加。叠加单元add2将叠加单元add1叠加的结果与调整滤波结果mfr2进行叠加。以此类推，直到叠加单元addk将叠加单元addk-1叠加的结果与调整滤波结果mfrk进行叠加，以输出抗噪音频fas[n]。抗噪音频fas[n]的响应可表示为：

由于调整参数w0[n]～wk[n]随着时间变动，因此频率翘曲滤波电路130为适应性的滤波电路。

调整参数产生电路120根据收音音频，例如内部收音音频aid[n]以及外部收音音频aod[n]产生调整参数w0[n]～wk[n]。

于一实施例中，针对内部收音音频aid[n]，调整参数产生电路120实际上是接收实际内部收音音频ais[n]，其为内部收音音频aid[n]减去经过响应仿真电路170a所仿真的仿真实际音频xss[n]所产生。

于一实施例中，针对外部收音音频aod[n]，调整参数产生电路120需接收经由响应仿真与频率翘曲的处理的外部收音音频aod[n]。

更详细地说，音频播放装置100还包含响应仿真电路170b，仿真自音频播放电路140播放到内部收音电路110a接收的路径的响应，对外部收音音频aod[n]进行对应该路径响应的滤波产生滤波后收音音频xos[n]。

进一步地，音频播放装置100还包含频率翘曲延迟电路180，以对滤波后收音音频xos进行滤波延迟产生多个延迟结果dr0[n]～drk[n]。

请同时参照图3。图3为本发明之一实施例中，频率翘曲延迟电路180更详细的方框图。频率翘曲延迟电路180包含：相串联之一阶全通滤波延迟单元afd1～afdk，根据滤波后收音音频xos[n]依序进行滤波延迟产生延迟结果dr0[n]～drk[n]。其中，延迟结果dr0[n]相当于滤波后收音音频xos[n]经过0个延迟的结果。延迟结果dr1[n]为滤波后收音音频xos[n]经过1个一阶全通滤波延迟单元afd1的延迟的结果。延迟结果dr2[n]为滤波后收音音频xos经过2个一阶全通滤波延迟单元afd1、afd2的延迟的结果。以此类推，延迟结果drk[n]为滤波后收音音频xos[n]经过k个一阶全通滤波延迟单元afd1～afdk的延迟的结果。

因此，调整参数产生电路120实际上是接收外部收音音频aod[n]经由响应仿真与频率翘曲处理后产生的延迟结果dr0[n]～drk[n]。

于一实施例中，调整参数产生电路120可根据例如，但不限于最小均方(leastmeansquare；lms)算法来产生调整参数w0[n]～wk[n]。以调整参数w0[n]为例，其可通过下式计算产生：

w0[n]＝w0[n-1]-μ×ais[n]×dr0[n]

其中，w0[n]为对应时间点n的调整参数，w0[n-1]为对应前一个时间点n-1的先前调整参数，ais[n]为对应时间点n的实际内部收音音频，dr0[n]为对应时间点n的延迟结果。而μ为可调整的参数，其大小决定收敛的速度。

所有的调整参数wk[n]均可通过对应的先前调整参数wk[n-1]以及延迟结果drk[n]，与参数μ以及实际内部收音音频ais[n]进行计算产生。其中k为0～k。

于其他实施例中，调整参数产生电路120亦可根据正规化最小均方(normalizedlms；nlms)算法或是其他合适的算法来产生调整参数w0[n]～wk[n]，不为上述的实施方式所限。

根据上述，调整参数产生电路120实际上是根据延迟结果dr0[n]～drk[n]、实际内部收音音频ais[n]以及先前调整参数w0[n-1]～wk[n-1]产生调整参数w0[n]～wk[n]。其中，先前调整参数w0[n-1]～wk[n-1]可如图1所示，由频率翘曲滤波电路130运算后反馈，或是由音频播放装置100额外设置的储存电路(未绘示)储存并在需要时撷取。

因此，频率翘曲滤波电路130在根据调整参数产生电路120产生的调整参数w0[n]～wk[n]对外部收音音频aod进行滤波后，将输出抗噪音频fas[n]。音频播放电路140同时播放实际音频xs[n]以及抗噪音频fas[n]。

于一实施例中，音频播放装置100还包含合成电路190以及数字至模拟转换电路195(在图1中标示为d/a)。合成电路190将实际音频xs[n]以及抗噪音频fas[n]进行叠加，再由数字至模拟转换电路195将叠加结果进行数字至模拟转换并传送至音频播放电路140进行播放。

在部分技术中，滤波电路对于外部收音音频的处理往往需要相当高的滤波单元阶数才能有足够的频率分辨率。即便采用较低的取样率，不仅对于阶数的降低帮助有限，更需要额外对讯号进行升频与降频，造成不需要的延迟。

因此，本发明的音频播放装置100可通过频率翘曲滤波电路130的滤波，将外部收音音频aod[n]往低频压缩，并集中于例如，但不限于人耳容易感知的20赫兹至2千赫兹的范围中。因此，频率翘曲滤波电路130可运行在高取样率(例如但不限于768千赫兹)而不需要过多的阶数(例如但不限于30阶以下)。

在上述的音频播放装置100中，频率翘曲滤波电路130是针对外部收音音频aod[n]进行滤波来产生抗噪音频fas[n]，因此为前馈的机制。于其他实施例中，音频播放装置亦可仅通过内部收音音频aid[n]采用反馈的机制来产生抗噪音频。

请参照图4。图4为本发明之一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放装置400的方框图。音频播放装置400包含：收音电路110a、调整参数产生电路420、频率翘曲滤波电路430以及音频播放电路140。

在本实施例中，音频播放装置400仅包含内部的收音电路110a，以接收内部收音音频aia[n]。

音频播放装置400可还包含模拟至数字转换电路150a(在图4中标示为a/d)以及减法电路160，分别接收模拟形式的内部收音音频aia[n]进行模拟至数字转换后产生数字形式的内部收音音频aid[n]以及将减去内部收音音频aid[n]中对应于实际音频xs[n]的部分，来产生实际内部收音音频ais[n]。

并且，音频播放装置400可还包含响应仿真电路170a，对实际音频xs[n]进行对应路径响应的滤波产生仿真实际音频xss[n]。减法电路160实际上是将内部收音音频aid[n]以及仿真实际音频xss[n]进行相减，产生实际内部收音音频ais[n]。

频率翘曲滤波电路430的结构与图2中所示的频率翘曲滤波电路130相同，因此不再赘述。与图2中所示的频率翘曲滤波电路130的差异在于，频率翘曲滤波电路430是接收实际内部收音音频ais[n]减去先前产生的抗噪音频bas[n-1]所产生的馈入收音音频fis[n]并进行频率翘曲滤波，以输出反馈的抗噪音频bas[n]。于一实施例中，音频播放装置400可还包含响应仿真电路470a以及减法电路460。其中，响应仿真电路470a配置以自频率翘曲滤波电路430接收抗噪音频bas[n-1]进行路径响应的滤波产生仿真抗噪音频bss[n]，再由减法电路460将实际内部收音音频ais[n]减去仿真抗噪音频bss[n]产生馈入收音音频fis[n]传送至频率翘曲滤波电路430进行频率翘曲滤波。

进一步地，调整参数产生电路420根据收音音频，例如实际内部收音音频ais[n]产生调整参数w0[n]～wk[n]。

于一实施例中，音频播放装置400可还包含响应仿真电路470b以及频率翘曲延迟电路480，分别对实际内部收音音频ais[n]进行响应仿真滤波以及频率翘曲延迟的处理，以产生延迟结果dr0[n]～drk[n]。调整参数产生电路420可根据延迟结果dr0[n]～drk[n]、实际内部收音音频ais[n]以及先前调整参数w0[n-1]～wk[n-1]产生调整参数w0[n]～wk[n]。

因此，频率翘曲滤波电路430在根据调整参数产生电路420产生的调整参数w0[n]～wk[n]对外部收音音频aod进行滤波后，将输出抗噪音频bas[n]。音频播放电路140同时播放实际音频xs[n]以及抗噪音频bas[n]。

于一实施例中，音频播放装置400还包含合成电路190以及数字至模拟转换电路195，分别将实际音频xs[n]以及抗噪音频bas[n]进行叠加以及数字至模拟转换并传送至音频播放电路140进行播放。

请参照图5。图5为本发明之一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放装置500的方框图。类似于图1的音频播放装置100，音频播放装置500包含：收音电路110a、110b、调整参数产生电路120、频率翘曲滤波电路130以及音频播放电路140。此些组件与图1的对应组件相同，进行前馈的滤波机制产生抗噪音频fas[n]。

于本实施例中，音频播放装置500还包含反馈滤波电路510，且反馈滤波电路510可具有如图4的音频播放装置400所包含的调整参数产生电路420、频率翘曲滤波电路430、减法电路460、响应仿真电路470a、响应仿真电路470b以及频率翘曲延迟电路480，进行反馈的滤波机制产生抗噪音频bas[n]。

于一实施例中，音频播放装置500还包含合成电路190以及数字至模拟转换电路195，分别将实际音频xs[n]、抗噪音频fas[n]以及抗噪音频bas[n]进行叠加，再将叠加结果进行数字至模拟转换并传送至音频播放电路140进行播放。

因此，音频播放装置500可同时采用前馈与反馈的机制产生抗噪音频。

需注意的是，上述的实施方式是以前馈与反馈机制均为适应性滤波为范例。于其他实施例中，亦可选择性地采用适应性滤波的前馈机制及固定系数滤波的反馈机制，或是固定系数滤波的前馈机制及适应性滤波的反馈机制。

于一实施例中，音频播放装置100为了有更佳的效能，可在模拟至数字转换电路150b后选择性地设置固定系数增强(boost)滤波器，对外部收音音频aod[n]进行增强滤波，以强化特定频带的性能，例如但不限于提高低频的增益，以利后续频率翘曲滤波电路130以及响应仿真电路170b的处理。

于另一实施例中，音频播放装置100为了有更佳的效能，可在模拟至数字转换电路150b至响应仿真电路170b间选择性地设置带通滤波器710，对模拟至数字转换后的外部收音音频aod[n]进行滤波，以强化特定频带的比重，让收敛的效果集中到特定频带，例如但不限于200赫兹至1千赫兹之间，以利后续响应仿真电路170b的处理。

上述的两种滤波机制均可应用于反馈机制的路径上。

请参照图6。图6为本发明一实施例中，一种具有抗噪机制的音频播放方法600的流程图。

除前述装置外，本发明另揭露一种具有抗噪机制的音频播放方法600，应用于例如，但不限于图1的音频播放装置100中。音频播放方法600之一实施例如图6所示，包含下列步骤：

s610：使收音电路接收收音音频。

于一实施例中，收音电路可包含内部收音电路110a及/或外部收音电路110b，以接收包含内部收音音频aia及/或外部收音音频aod的收音音频。

s620：使调整参数产生电路120至少根据收音音频产生调整参数w0[n]～wk[n]。

s630：使频率翘曲滤波电路130包含之一阶全通滤波单元af1～afk根据外部收音音频aod依序进行滤波产生滤波结果fr1[n]～frk[n]。

s640：使频率翘曲滤波电路130包含之乘法单元mu0～muk分别将外部收音音频aod以及滤波结果fr1[n]～frk[n]其中之一与调整参数w0[n]～wk[n]其中之一相乘，产生调整滤波结果mfr0～mfrk其中之一。

s650：使频率翘曲滤波电路130包含之叠加电路200叠加调整滤波结果mfr0～mfrk，作为抗噪音频fas[n]。

s660：使音频播放电路140同时播放实际音频xs以及抗噪音频fas[n]。

上述的流程是以前馈机制进行说明。于一实施例中，上述的流程亦可应用于反馈机制中。

需注意的是，上述的实施方式仅为一范例。于其他实施例中，本领域的通常知识者当可在不违背本发明的精神下进行更动。

综合上述，本发明中的音频播放装置及方法可通过频率翘曲滤波电路的滤波，将收音音频往低频压缩，使频率翘曲滤波电路可在不需要过多的阶数的情形下以高取样率运行。

虽然本发明之实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明之明示或隐含之内容对本发明之技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求之专利保护范畴，换言之，本发明之专利保护范围须视本说明书之权利要求所界定者为准。

【符号说明】

100、400、500音频播放装置

110a、110b收音电路

120、420调整参数产生电路

130、430频率翘曲滤波电路

140音频播放电路

150a、150b模拟至数字转换电路

160、460减法电路

170a、170b、470a、470b响应仿真电路

180、480频率翘曲延迟电路

190合成电路

195数字至模拟转换电路

200叠加电路

510反馈滤波电路

600音频播放方法

s610～s660步骤

add1～addk叠加单元

af1～afk一阶全通滤波单元

afd1～afdk一阶全通滤波延迟单元

aia[n]、aid[n]内部收音音频

ais[n]实际内部收音音频

aoa[n]、aod[n]外部收音音频

bas[n]、bas[n-1]、fas[n]抗噪音频

bss[n]仿真抗噪音频

dr0[n]～drk[n]延迟结果

fis[n]馈入收音音频

fr1[n]～frk[n]滤波结果

mfr0～mfrk调整滤波结果

mu1～muk乘法单元

w0[n]～wk[n]调整参数

w0[n-1]～wk[n-1]先前调整参数

xos[n]滤波后收音音频

xs[n]实际音频

xss[n]仿真实际音频。