[发明专利]用于降低环境噪声的数字电路装置

说明书

本发明涉及用于或被纳入环境噪声降低控制系统中的，主要用于耳机的数字电路装置；“耳机”是本文所使用的一个术语，其一般涵盖了那些含有在耳内或耳旁使用的扬声器的设备；因此包括了头戴式耳机和电话听筒，以及直接支撑在耳内或耳上的设备。本发明对那些用于个人音乐播放器和蜂窝电话等的便携式电子设备的耳机具有特殊的应用，尽管该应用不是唯一的。 

目前，有些耳机通过短导线和连接器直接连接到它们的声源，而有些耳机通过无线链路，例如“蓝牙”格式，连接到本地发声设备，例如个人音乐播放器或蜂窝电话。本发明可以以有线和无线形式使用。 

还应注意到，现有的用于耳机的环境降噪系统是基于两种截然不同的原理之一，即“反馈”方法和“前馈”方法。 

反馈方法，例如在US 4,455,675中描述的，是基于使用密封腔耳机；也即，其中耳机外壳包住了听者的耳朵，并且有效地将至少一些环境噪声封在外面的一种耳机。在图1a中示意性地示出了一种典型的反馈系统，现参考该图。在形成于耳朵和耳机壳12的内侧之间的空腔11内，一个微型麦克风13被直接放在耳机扬声器14的前面。来自麦克风13的输出信号被通过一个包括了反相放大器16的负反馈回路15被反馈到扬声器14，从而形成一个简单的伺服系统，其中扬声器14不断地试图在麦克风13处创建零声压级。虽然这个原理很简单，其实际实施却存在一些困难。 

这些困难之一是因扬声器的内在相位响应和扬声器与麦克风之间的传播延迟在较高频率下引入相位滞后而引起的。当所产生的相位滞后等于或大于波长的一半时，反馈系统已不再是负的，而是正的，从而造成不稳定，导致连续的大规模振荡。因此，高频(HF)滤波必须纳入反馈回路，对运行频率上限施加严格限制，并且通常将其对频率的有效性限制到约1千赫或以下。当反馈系统纳入了声音输入，如意图引起听者注意的音乐时，则出现了更多的困难，因为反馈回路需要 被配置以使得这样的声音不被抵消。因此，在实践中，虽然反馈类型的环境降噪系统可以用于音乐或其他输入，却对可以实现降噪的频率范围加上了相当大的限制。 

在任何情况下，应注意到，反馈环路中的任何电子时延通过减少发生振荡的频率而将使这个问题恶化，所述减少发生振荡的频率进而减少了耳机的可用频率范围。因此，有必要尽量减少电子反馈回路的群时延(group delay)。为获得良好性能，关键的要求是提供与反相放大器串联的电子滤波器，该滤波器具有具体的幅度和相位响应，以及低的群时延。 

前馈方法在例如US 5,138,664中被公开，且在图1b中以基本的形式描述了一种典型的前馈系统。图1b中的系统被显示为包括了用于音乐或其他意为引起听者注意的声音的输入，因为在前馈系统中分辨有待降低的环境噪声和音乐或其他信号是相对容易的。和反馈系统相反的是，麦克风23被放在头戴式耳机壳22的外部，以检测从麦克风到耳机的路径上的环境噪声信号。被检测到的信号是预放大的且在一个合适的反相放大器27中被反相，且在28处被增加到耳机驱动信号之中，耳机驱动信号由缓冲放大器29供应到组合电路28之中，通过驱动放大器30反馈到耳机扬声器24中，从而创建了合成信号S，其包括了音乐成分和降噪信号成分。结果，在形成于头戴式耳机壳22和外耳之间的腔21内，于邻近扬声器24的输出口处，发生合成信号S的降噪信号成分与进入的环境声学噪声信号之间的消减性的波的减少。为了让这种情况发生，合成信号S的降噪成分必须具有与进入的噪声信号的量值基本相等的量值，且必须与之具有基本相反的极性(即，反相，或相对于噪声信号有180°相移)。 

为获得较好的结果，该必要条件必须在尽可能宽的频带上都被满足。再次，关键的必要条件是提供与反相放大器串联的电子滤波器；该滤波器具有具体的幅度和相位响应，以使得该声学抵消信号尽可能地接近完美声学抵消所需的信号。由此得出结论，抵消信号的时序(timing)相对于环境噪声信号必须是正确的，或换而言之，该电子滤波器的群时延必须正确。如果该时延太小或太大，抵消作用会被削弱。