EP4002875A1 - Verfahren zur adaption von anc-kopfhörern - Google Patents

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EP4002875A1
EP4002875A1 EP21207962.8A EP21207962A EP4002875A1 EP 4002875 A1 EP4002875 A1 EP 4002875A1 EP 21207962 A EP21207962 A EP 21207962A EP 4002875 A1 EP4002875 A1 EP 4002875A1
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EP
European Patent Office
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anc
filter
feedback
feedforward
headphones
Prior art date
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Pending
Application number
EP21207962.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Perkmann
Daniel Wöhrer
Ludwig KOLLENZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Austrian Audio GmbH
Original Assignee
Austrian Audio GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H04R2460/01—Hearing devices using active noise cancellation

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting or calibrating ANC headphones, according to the preamble of claim 1 and WO 2010/049241 A1 .
  • the final setting of the level can also change the changes that occur over the course of the life of a headphone, be it the quality of the shielding by the headphone shells or their cushions, be it electronic drift in the amplifiers or loudspeakers or in the microphone due to aging processes necessary moving membranes etc. are taken into account.
  • the CN 111 800 694 A shows a method for adjusting ANC headphones, in which the headphones to be adjusted are placed on a measuring device and the ANC circuit is stimulated. A filter function calculation is then carried out in the frequency range. Also the US2011/222696 shows a similar method for adjusting ANC headphones in the frequency domain. The disadvantage of this method is that this type of signal processing is not suitable for all applications and then leads to an increased computing effort.
  • the U.S. 2019/080682 A1 represents a more distant state of the art. It is not dedicated to the filter calculation or the determination of the parameters for Configuration of the ANC headphones after the measurement, but the focus is on the measurement itself.
  • ANC headphones are tuned by measuring the impulse responses of prototypes and determining "mean" (optimized) filter characteristics, which are programmed accordingly on the signal processors (usually ANC ICs). These filter characteristics are used in all headphones in this series.
  • the real impulse response is measured piece by piece and the gain of the ANC microphone is adjusted as best as possible to the difference between the measurement results and the desired end result.
  • ANC headphones are also understood to mean earphones, so-called in-ear, earbud, on-ear and circumaural-ear headphones and also hearing aids of all kinds.
  • a desired transmission path is determined in the course of the development of the headphones, the transmission paths of the produced ANC headphones are measured, complementary filter functions are calculated from the measurements and using the Prony method (recursive) filters for the signal processor are determined in such a way that the headphones achieve the desired (Ideal) transmission path, the filter coefficients and/or amplification factors determined in this way are stored or activated on the signal processor.
  • the method according to the invention includes that in the course of the measurement of the finished product, the filter characteristics are individually changed and adapted to the respective individual product, which is made possible by the structure of the signal processor because they have Bluetooth or other wireless connection options, or via one galvanic interface such as USB or similar are accessible. Since the measurement results are available in digital form and are usually processed digitally (without this being absolutely necessary), it is easy to adapt the digital filter coefficients of the signal processor as desired using these data transmission options.
  • the transfer functions determined in this way are broken down into second-order polynomials, which makes it possible to use the biquadratic cascades that are frequently used in signal processors.
  • the EDP with data transmission is an integral part of the measuring equipment. Accordingly, the measuring arrangement consists not only of the coupler, but also of an EDP that can further process the signal.
  • the method according to the invention uses IIR filters since these require significantly less computing power and memory than FIR filters with the same result. In addition, some ICs only allow IIR filters, so this method can be used universally.
  • This can be a feedforward, feedback or hybrid system.
  • a measuring system determines the impulse responses of the transmission paths (feedforward and feedback). This can be done using all the usual methods, such as excitation using chirps or noise, but is not limited to these.
  • the known characteristics of the microphones and the driver, which are already available, must be added (by means of convolution) to the determined impulse responses of the passive sections.
  • x(n) is the transmission path from the loudspeaker of the ANC headphones to the extinction point of the feedforward ANC system (coupler microphone, artificial head microphone, real head with probe microphone, or similar) and m(n) is the transmission path between the external loudspeaker (noise source) and the feedforward microphone correspond to.
  • the objective function p ( n ) corresponds to the passive transmission path to the extinction point. From the present three For distances x ( n ), m ( n ) and p ( n ), the desired complementary function f ( n ) can be calculated analogously to the feedback system by deconvolution and then approximated using the method according to the invention.
  • the cancellation point describes the point at which the counter wave generated by the ANC system cancels out the sound wave penetrating the headphones from the outside.
  • the feedback path is determined by achieving a target impulse response t(n) through deconvolution.
  • H n ⁇ i n t n
  • the measured real impulse response h(n) also known as the secondary path (corresponding to the transmission path between ANC headphones, loudspeaker and feedback microphone), convolved with the calculated impulse response i ( n ) results in the target function t ( n ).
  • the impulse responses for feedforward and feedback are given.
  • the individual functions and the resulting already approximated complementary filter impulse response are in Fig.4 shown.
  • a given impulse response can be viewed as an FIR filter of the length of the impulse response, with the values of each sample acting as the filter coefficients.
  • a given integrated circuit does not necessarily have the ability to use an FIR filter for ANC due to hardware limitations (such filters require too many taps). With an IIR filter, however, it is already possible, since the feedback structure requires fewer taps. It is therefore advantageous to approximate the given impulse response using an IIR polynomial.
  • the Prony method in 1 shown, used, which approximates the given impulse response by exponentially damped cosine oscillations.
  • the advantage of the Prony method is that, in contrast to filter approximation in the frequency domain, where the result is FIR filters which then require further methods to generate IIR polynomials, the result is an IIR polynomial.
  • the Prony method approximates impulse responses; that means it has to be worked in the time domain. Impulse responses are already given as transmission routes via the measurement, which also makes it obvious not to leave the time range.
  • the approximation of the ANC filter in point e) of the procedure corresponds to the conversion of the ideal FIR impulse response of the filter into an IIR filter function using the Prony method.
  • the determined transfer function has more coefficients than required: ANC filters are usually defined up to 2kHz, since good passive damping can be expected above this. Optionally, the order of the transfer function can be reduced.
  • Impulse responses are typically recorded at a lower sample rate than used in the ANC system. 44.1 or 48kHz are common, while an ANC system is more likely to be clocked at 192 or 384kHz.
  • the determined IIR filter must therefore be scaled from e.g. 48kHz to 384kHz, whereby the frequency response in absolute terms (in Hz) should remain the same (in a relevant range).
  • the DC component (0Hz) can be found at the (Cartesian) coordinate 1 + 0j, while half the sampling frequency can be found at -1 + 0j (Nyquist frequency).
  • the Nyquist frequency is 24kHz. In radians it is ⁇ , which is half the unit circle.
  • ⁇ is half the unit circle.
  • ⁇ equals 192kHz. That means there is more bandwidth (in Hz) in the same range in radians.
  • the angle through which the poles and zeros must be rotated to scale the transfer function for the higher sampling rate is known.
  • the damping factors must be adjusted.
  • the lines of constant damping of the s-plane become spiral-shaped root locus curves on the z-plane by appropriate mapping (bilinear transformation, impulse invariance, or similar). From the original point of a pole or a zero, the position root function to the DC point must be found. The new position of a pole/zero is at the intersection of the square root function and the new angle for the higher sampling rate. The result of this adjustment is in Fig.2 (right above and below).
  • poles/zeros which are at the Nyquist frequency for the low sampling rate: Since this moves for the higher sampling rate (from ⁇ to ⁇ ⁇ ), these poles/zeros must also move and be mirrored along the abscissa by a real value get filters. This process can result in more zeros than poles, resulting in an ill-defined transfer function. Add poles close to the origin point so that their influence is small but the transfer function becomes well defined. It is known that a polynomial with more coefficients in the numerator than in the denominator is not well defined since it would be anti-causal.
  • the scaling can be done after the decomposition into biquadratic filters.
  • the decomposition can be done using partial fractions.
  • the feedback filter is programmed in the signal processor of a feedback ANC system with the coefficients of the calculated complementary function approximated according to the above description.
  • This programming is usually accomplished via the development environment of the respective signal processors (ANC Ics) or by importing firmware provided with the coefficients using the methods already explained.
  • the invention can be modified and changed in various ways, so the measuring device can have or consist of any other arrangement of microphones in addition to the possibilities mentioned of an artificial head, etc., as long as only the required data are recorded that are familiar to the person skilled in the art with knowledge of the invention.
  • Adjustments to headphones that have been in use for a long time are also possible without any problems.
  • Embodiments of the invention provide, for example, that in step b) the transmission links are measured digitally at the sampling rate of the measuring system, that the ANC headphones have a clock rate given by the digital signal processor, that the clock rate is higher than the sampling rate and that the /the approximated ANC filter(s) are scaled in the ratio of the sampling rate to the clock rate, whereby the frequency response of the approximated complementary filter(s) remains the same in absolute terms, in Hertz.
  • the scaling of already approximated ANC filters according to the ratio between the clock rate of the working signal processor in the ANC listener and the sampling rate of the measuring system means that the coefficients of the IIR filter function are changed numerically in order to be identical with the higher clock rate of the signal processor generate frequency response.
  • a further embodiment provides that in step e) the order of the approximated complementary filter(s) is/are higher than the signal processor(s) can process and that the order of the approximated complementary filter(s) is reduced appropriately for the performance of the signal processor(s).
  • DSP Digital signal processors
  • the need to reduce the order results from the fact that the signal processes in the headphones must be processed in real time during operation, since ANC only makes sense for real-time applications.
  • Digital signal processors have hardware-related properties known to those skilled in the art that represent restrictions that must be taken into account when they are used (e.g. arithmetic operations/cycle, clock rates inherent in the processor, energy requirements, etc.). This results in countless reasons or limitations why signal processing processes (e.g. filters) could not be carried out in real time. The list is therefore not to be regarded as conclusive.
  • the utilization of the signal processors can of course depend not only on the pure generation of an ANC signal but also on other factors, such as the processing of the audio signal to be emitted (e.g. music) or Bluetooth streaming.
  • the IIR polynomial or the 2nd order IIR cascade is already a filter implementation.
  • the order is reduced if the signal processor does not have enough power to execute a cascade of 16 second-order filters, for example.
  • 8 filters of the 2nd order are to be reduced. This reduction must be done in such a way that ANC performance is not significantly affected. This is neither trivial nor obvious given that there are already the slightest deviations from the ideal leads to strong negative effects on the sound suppression. This in turn is familiar to anyone skilled in the field and is assumed.
  • pole/zero positions of the IIR filter polynomials which are calculated based on the transmission paths sampled at 48 kHz, for example, must not shift in their position with respect to the natural frequency of the filter during upsampling, otherwise the filter characteristics no longer match the required complementary function.
  • the poles and zeros on the z-plane must be modified to match the higher sampling rate of the ANC system; so that the characteristic of the filter cascade with regard to its natural frequency is retained.
  • the determination described as to whether a reduction in complexity is required is made by the operating specialist or a corresponding algorithm after the measurement according to the method. This decision does not have to be made in real time since the storage of the polynomial is not time sensitive since the adjustment is done before the headphone is sold. In this way it can be ensured that the ANC system can later act in real time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung bzw. Kalibrierung eines ANC-Kopfhörers, der über zumindest einen Signalprozessor verfügt, auf dem zumindest ein ANC-Filter, insbesondere ein IIR-Filter, und dessen Parameter gespeichert sind, das folgende Schritte umfasst:
a) Aufsetzen des Kopfhörers auf ein Messmittel, beispielsweise einen Kuppler, einen Kunstkopf mit Messmikrofonen, oder einen realen Kopf mit Sondenmikrofonen, enthaltend eine EDV mit einer Datenübertragung,
b) Vermessen relevanter Übertragungsstrecken x(n), m(n) sowie p(n) für Feedforward und h(n) für Feedback, unter Anregen des ANC-Kreises eines Kopfhörers, beispielsweise durch Chirpen oder Rauschen,
c) Definition zumindest einer Zielfunktion, ―p(n) für Feedforward oder t(n) für Feedback, zur Kalkulation der Komplementärfunktion, f(n) für Feedforward oder i(n) für Feedback, zumindest eines Zweigs des ANC-Kreises (Feedforward oder Feedback) des Kopfhörers,
d) Berechnen zumindest einer Impulsantwort der Komplementärfunktion/en, f(n) für Feedforward und/oder i(n) für Feedback, aus den Messungen der relevanten Übertragungsstrecken,
e) Approximation der Parameter des/der ANC-Filter/s mittels Prony Methode, die zum Erreichen der Komplementärfunktion/en notwendig sind,
f) Eingeben bzw. Aktivieren der berechneten Parameter im Signalprozessor umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung bzw. Kalibrierung eines ANC-Kopfhörers, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 und der WO 2010/049241 A1 .
  • Diese Druckschrift, entsprechend der US 9,779,714 schlägt vor, dass im Zuge der Herstellung eines ANC-Kopfhörers dieser mit einem aus Versuchen abgeleiteten Filter (entsprechend einem Equalizer) auf einen Kunstkopf mit Mikrofonen aufgesetzt wird, dass das von den Lautsprechern abgestrahlte Signal bei Auftreten (bekannten) äußeren Lärms festgestellt wird, und dass durch Einstellung des Verstärkungspegels des ANC-Mikrofons eine bestmögliche Löschung des Umgebungslärms erzielt wird. Diese Einstellung des Mikrofons wird sodann für die Lebensdauer des Kopfhörers verwendet.
  • Trotz der Einfachheit dieses Verfahrens haften ihm einige Mängel an, insbesondere können keinerlei Abweichungen in der Charakteristik vom Versuchshörer berücksichtigt werden. Durch die endgültige Einstellung des Pegels können auch die im Laufe des Lebens eines Kopfhörers auftretenden Änderungen, sei es die Qualität der Abschirmung durch die Kopfhörerschalen bzw. deren Polster, sei es elektronische Drift bei den Verstärkern oder beim Lautsprecher oder beim Mikrofon durch Alterungsprozesse der dabei unbedingt notwendigen, bewegten Membranen etc. berücksichtigt werden.
  • Die CN 111 800 694 A zeigt ein Verfahren, zur Anpassung von ANC-Kopfhörern, bei dem die anzupassenden Kopfhörer auf eine Messeinrichtung gesetzt und der ANC-Kreis angeregt wird. Im Anschluss wird eine Filterfunktions-Kalkulation im Frequenzbereich durchgeführt. Auch die US 2011/222696 zeigt ein ähnliches Verfahren zur Anpassung von ANC-Kopfhörern im Frequenzbereich. Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass sich diese Art der Signalverarbeitung nicht für alle Anwendungsfälle eignet und dann zu einem erhöhten Rechenaufwand führt.
  • Die US 2019/080682 A1 stellt einen entfernteren Stand der Technik dar. Hier wird nicht dezidiert auf die Filterberechnung oder die Ermittlung der Parameter zur Konfiguration des ANC Kopfhörers nach erfolgter Messung eingegangen, sondern es wird der Fokus auf das Vermessen selbst gelegt.
  • Allgemein kann zum Stand der Technik gesagt werden, dass die Abstimmung von ANC-Kopfhörern durch Messen der Impulsantworten von Prototypen und Bestimmung "mittlerer" (optimierter) Filtercharakteristiken erfolgt, die auf den Signalprozessoren (in der Regel ANC-ICs) entsprechend programmiert werden. Diese Filtercharakteristiken werden bei allen Kopfhörern dieser Serie verwendet. Im Zuge der Herstellung der eigentlichen Produkte wird Stück für Stück die reale Impulsantwort gemessen und es wird die Verstärkung des ANC-Mikrofons bestmöglich an den Unterschied von Messergebnissen und gewünschten Endresultat angepasst.
  • Unter ANC-Kopfhörer werden in der Anmeldung und den Ansprüchen auch Ohrhörer, sogenannte In-Ear, Earbud, On-Ear und Circumaural-Ear Hörer und auch Hörgeräte aller Art verstanden.
  • Es ist Ziel und Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, das in der Lage ist auch derartige Abweichungen sowie Unterschiede zu der gewünschten, für das jeweilige Einzel-Produkt idealen, Filtercharakteristik zu berücksichtigen.
  • Diese Ziele werden erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Kennzeichen erreicht, mit anderen Worten; es wird eine anzustrebende Übertragungsstrecke im Zuge der Entwicklung des Kopfhörers festgelegt, es werden die Übertragungsstrecken des produzierten ANC-Kopfhörers gemessen, aus den Messungen werden Komplementärfilterfunktionen errechnet und mittels der Prony Methode (rekursive) Filter für den Signalprozessor so ermittelt, dass der Kopfhörer die angestrebte (idealen) Übertragungsstrecke aufweist, die so ermittelten Filterkoeffizienten und/oder Verstärkungsfaktoren werden am Signalprozessor gespeichert bzw. aktiviert.
  • Detaillierter ausgeführt, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung bzw. Anpassung eines ANC-Kopfhörers, der über zumindest einen Signalprozessor verfügt, auf dem zumindest ein ANC-Filter, insbesondere ein IIR-Filter, und dessen Parameter gespeichert sind, folgende Schritte:
    1. a) Aufsetzen des Kopfhörers auf ein geeignetes Messmittel, (beispielsweise einen Kuppler, oder einen Kunstkopf mit Messmikrofonen, oder einen realen Kopf mit Sondenmikrofonen) enthaltend eine analoge oder digitale EDV mit einer Datenübertragung,
    2. b) Vermessung der relevanten Übertragungsstrecken unter Anregen des ANC-Systems (ANC-Kreises) des Kopfhörers, beispielsweise durch Chirpen oder Rauschen,
    3. c) Definition zumindest einer Zielfunktion zur Kalkulation der Komplementärfunktion zumindest eines Zweigs der ANC Anwendung (des ANC-Kreises),
    4. d) Berechnen zumindest einer Impulsantwort der Komplementärfunktion/en aus den Messungen der relevanten Übertragungsstrecken,
    5. e) Approximation der Parameter des/der ANC-Filter/s mittels Prony Methode, die zum Erreichen der Komplementärfunktion/en notwendig sind,
    6. f) Eingeben bzw. Aktivieren der berechneten Parameter im Signalprozessor
  • Allgemein gesagt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren, dass im Zuge der Messung beim fertigen Produkt individuell die Filtercharakteristik geändert und an das jeweilige Einzelprodukt angepasst wird, was durch die Struktur der Signalprozessor ermöglicht ist, weil diese über Bluetooth oder andere drahtlose Verbindungsmöglichkeit verfügen, oder aber über eine galvanische Schnittstelle wie USB oder Ähnliches zugänglich sind. Da die Messergebnisse digital vorliegen und im Regelfall digital verarbeitet werden (ohne dass dies zwingend notwendig wäre) ist es ein Leichtes, über diese Datenübertragungsmöglichkeiten die digitalen Filterkoeffizienten der Signalprozessor wunschgemäß anzupassen.
  • Eine derartige Anpassung kann selbstverständlich auch noch nach Jahren am benutzten Produkt vorgenommen werden kann, wenn ein entsprechender Messplatz zur Verfügung steht, um eventuelle Änderungen im akustischen Verhalten durch die eingangs erwähnten Alterungsprozesse auszugleichen.
  • Es soll nur kurz darauf hingewiesen werden, dass die angestrebten Filtereigenschaften nicht nur auf eine möglichst vollständige Reduktion der Außengeräusche abgestimmt werden, sondern auch stets die Stabilität der/des ANC-Kreise/s berücksichtigen, um alle Arten von Übersteuerungen und Klirren zu vermeiden, Da Feedback hier empfindlicher ist als Feedforward. Feedback Systeme arbeiten als geschlossener Regelkreis und müssen Stabilitätskriterien erfüllen (Amplitude <0dB bei Phase 360 Grad (Bereich: +/-180) um kein "Heulen" bzw. Übersteuern bei Instabilität zu erzeugen.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die so bestimmten Transferfunktionen in Polynome zweiter Ordnung zerlegt, wodurch es möglich wird die bei Signalprozessoren häufig verwendeten biquadratischen Kaskaden anzuwenden.
  • Die angeführte EDV mit Datenübertragung ist integraler Teil des Messmittels. Die Messanordnung besteht entsprechend nicht nur aus dem Kuppler, sondern auch einer EDV, die das Signal weiterverarbeiten kann.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
    • die Fig. 1 den Graphen einer Approximation einer erfindungsgemäß errechneten Impulsantwort (Komplementärfunktion), aus gemessenen Übertragungsstrecken und Zielfunktion, mittels Prony Methode,
    • die Fig. 2 ein Beispiel eines IIR Filters von 48kHz umgesetzt für 384kHz. Die linke Spalte zeigt das Original, die Rechte die Version bei höherer Abtastrate. Oben sind die Pole und Nullstellen in der komplexen Ebene dargestellt, unten Magnituden-(strichliert) und Phasengang (durchgezogen),
    • die Fig. 3 das Ergebnis der Abtastratenanpassung der Impulsantwort am Beispiel der mit biquadratischen Filtern (IIR) approximierten Komplementärfilterfunktion und
    • die Fig. 4 die Einzelfunktionen eines Feedback-Systems mit h(n) (links oben), t(n) (links unten) und durch Dekonvolution erhaltene und approximierte Komplementärfilter - Impulsantwort (rechts oben), rechts unten: das Ergebnis der Faltung von Sekundärstrecke und approximiertem Komplementärfilter - Impulsantwort zur Kontrolle der erfolgreichen Synthetisierung der Zielfunktion.
  • Ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das dabei verwendete Optimierungsverfahren (Methode) wird im Folgenden beschrieben:
    Die hier erfindungsgemäße Methode verwendet IIR-Filter, da diese deutlich weniger Rechenleistung und Speicher als FIR-Filter bei gleichem Ergebnis bedürfen. Zusätzlich erlauben manche IC's ausschließlich IIR-Filter, sodass diese Methode universell einsetzbar ist. Es kann sich hierbei um ein Feedforward-, ein Feedback- oder ein Hybrid-System handeln. Ein Messsystem ermittelt die Impulsantworten der Übertragungsstrecken (Feedforward und Feedback). Dies kann mit allen üblichen Methoden erfolgen, etwa durch Anregung mittels Chirps oder Rauschen ist aber nicht auf diese beschränkt. Zu den ermittelten Impulsantworten der passiven Strecken müssen noch die bekannten Charakteristiken der Mikrophone und des Treibers, die ja vorliegen, hinzugefügt werden (mittels Konvolution). Somit ist die Impulsantwort der Feedforward-Strecke gegeben über: x n ∗ m n ∗ f n = − p n
    Figure imgb0001
  • Wobei x(n) der Übertragungsstrecke des Lautsprechers des ANC-Kopfhörers zum Auslöschungspunkt des Feedforward ANC Systems (Kupplermikrofon, Kunstkopfmikrofon, realer Kopf mit Sondenmikrofon, o.Ä.) und m(n) der Übertragungsstrecke zwischen externem Lautsprecher (Noise Source) zum Feedforwardmikrofon entsprechen. Die Zielfunktion p(n) entspricht bei einem Feedforward-System der passiven Übertragungsstrecke zum Auslöschungspunkt. Aus den vorliegenden drei Strecken x(n), m(n) und p(n) kann also analog zum Feedback-System die angestrebte Komplementärfunktion f(n) durch Dekonvolution errechnet und anschließend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren approximiert werden. Der Auslöschungspunkt beschreibt, wie im Stand der Technik üblich, den Punkt, an dem die durch das ANC-System erzeugte Gegenwelle die von außen in den Kopfhörer eindringende Schallwelle auslöscht.
  • Die Feedback-Strecke wird ermittelt, indem eine Ziel-Impulsantwort t(n) durch Dekonvolution erreicht wird. h n ∗ i n = t n
    Figure imgb0002
  • Die gemessene reale Impulsantwort h(n) die auch als Sekundärstrecke (entsprechend der Übertragungsstrecke zwischen ANC-Kopfhörer, Lautsprecher und Feedbackmikrofon) bezeichnet wird, gefaltet mit der errechneten Impulsantwort i(n) ergibt die Zielfunktion t(n). Somit sind die Impulsantworten für Feedforward und Feedback gegeben. Die Einzelfunktionen sowie die resultierende bereits approximierte Komplementärfilter-Impulsantwort sind in Fig.4 dargestellt.
  • Eine gegebene Impulsantwort kann als FIR-Filter der Länge der Impulsantwort betrachtet werden, wobei die Werte der einzelnen Samples als Filterkoeffizienten fungieren. Die Übertragungsfunktion hat somit die Form H z = ∑ i = 0 M b i z − i
    Figure imgb0003
  • Ein IIR-Filter hingegen hat die Form H z = ∑ i = 0 M b i z − i ∑ i = 0 N a i z − i
    Figure imgb0004
  • Ein gegebener integrierter Schaltkreis hat aufgrund von Limitationen der Hardware nicht notwendigerweise die Möglichkeit ein FIR-Filter für ANC zu nutzen (solche Filter benötigt zu viele Taps). Mit einem IIR-Filter ist es hingegen schon möglich, da die rückgekoppelte Struktur weniger Taps benötigt. Daher ist es vorteilhaft die gegebene Impulsantwort durch ein IIR-Polynom zu approximieren.
  • Es gibt hierzu verschiedene Möglichkeiten: In einer Ausführungsform wird die Prony-Methode, in Fig. 1 dargestellt, verwendet, welche die gegebene Impulsantwort durch exponential-gedämpfte Kosinus-Schwingungen approximiert. Der Vorteil der Prony Methode liegt darin, dass im Gegensatz zur Filterapproximation im Frequenzbereich wo das Ergebnis FIR Filter sind welche dann weiterer Methoden bedürfen um IIR Polynome zu erzeugen, als Ergebnis ein IIR Polynom liefert. Die Prony Methode approximiert Impulsantworten; das bedeutet es muss im Zeitbereich gearbeitet werden. Über die Messung sind bereits Impulsantworten als Übertragungsstecken gegeben wodurch es zudem nahe liegt den Zeitbereich nicht zu verlassen. Die Approximation des ANC-Filters in Punkt e) des Verfahrensablaufs entspricht der Überführung der idealen FIR Impulsantwort des Filters in eine IIR Filter-Funktion mittels Prony-Methode. f ^ t = ∑ i = 1 M A i e σ i t cos ω i t + φ i
    Figure imgb0005
  • Durch die Approximation besitzt die ermittelte Transferfunktion mehr Koeffizienten als benötigt: ANC-Filter werden üblicherweise bis 2kHz definiert, da oberhalb eine gute passive Dämpfung erwartet werden kann. Optional kann die Ordnung der Transferfunktion reduziert werden.
  • Impulsantworten werden im Regelfall bei einer geringeren Abtastrate als im ANC-System verwendet aufgezeichnet. Üblich sind 44.1 oder 48kHz, während ein ANC-System eher 192 oder 384kHz getaktet ist. Das ermittelte IIR-Filter muss somit von z.B. 48kHz auf 384kHz skaliert werden, wobei der Frequenzgang absolut gesehen (in Hz) gleich bleiben soll (in einem relevanten Bereich).
  • Die Skalierung eines IIR-Filters ist nicht offensichtlich, da sich die Transferfunktion ändern muss. Die hier vorgeschlagene Methode nutzt Pole und Nullstellen der
  • Transferfunktion H(z). Der Einheitskreis auf der z-Ebene bildet den Frequenzgang ab (welcher auch über die Fourier Transformation ermittelt werden kann), da dort z = e jω
    Figure imgb0006
  • An der (kartesischen) Koordinate 1 + 0j ist der DC-Anteil (0Hz) zu finden, während an -1 + 0j die halbe Abtastfrequenz zu finden ist (Nyquist-Frequenz). Für 48kHz ist die Nyquist Frequenz 24kHz. In Radiant handelt es sich um π, also den halben Einheitskreis. Für die höhere Abtastrate (384kHz) ist π gleich 192kHz. Das bedeutet im selben Bereich in Radiant befindet sich mehr Bandbreite (in Hz).
  • Wird eine Gerade vom Ursprungspunkt (0 + 0j) durch einen Pol (oder eine Nullstelle) bis zu Einheitskreis gezogen ist zunächst deren Winkel (bezogen auf die Abszisse) für die niedrige Abtastrate ersichtlich. Der Punkt am Einheitskreis entspricht einer Frequenz f in Hz. f = ϕ π f s 2 in Hz
    Figure imgb0007
  • Der Punkt am Einheitskreis in Hz kann für die erhöhte Abtastrate in korrespondierenden Radianten umgerechnet werden. ϕ u = f 0.5 f su π
    Figure imgb0008
  • Somit ist der Winkel bekannt um welchen die Pole und Nullstellen gedreht werden müssen um die Transferfunktion für die höhere Abtastrate zu skalieren. Zusätzlich müssen die Dämpfungsfaktoren angepasst werden. Die Linien konstanter Dämpfung der s-Ebene werden durch entsprechende Abbildung (bilineare Transformation, Impuls Invarianz, o.ä.) zu spiralförmigen Wurzel-Ortskurve auf der z-Ebene. Vom ursprünglichen Punkt eines Pols oder einer Nullstelle muss die Orts-Wurzel-Funktion zum DC-Punkt ermittelt werden. Die neue Position eines Pols/ Nullstelle ist an der Intersektion zwischen Orts-Wurzel-Funktion und des neuen Winkels für die höhere Abtastrate. Das Ergebnis dieser Anpassung ist in Fig.2 (rechts oben und unten) dargestellt.
  • Sonderregelungen des Vorgehens sind nötig für Pole/ Nullstellen welche an der Nyquist-Frequenz für die niedrige Abtastrate liegen: Da diese für die höhere Abtastrate wandert (von π zu < π) müssen diese Pole/Nullstellen mitwandern und entlang der Abszisse gespiegelt werden um ein reellwertiges Filter zu erhalten. In Zuge dieses Vorgangs können mehr Nullstellen als Pole entstehen, was zu einer nicht wohldefinierten Übertragungsfunktion führt. Es sind Pole nahe des Ursprungspunkts hinzuzufügen, so dass deren Einfluss gering ist aber die Übertragungsfunktion wohldefiniert wird. Es ist bekannt, dass ein Polynom mit mehr Koeffizienten im Zähler als im Nenner nicht wohldefiniert ist, da es anti-kausal wäre.
  • Nach skalieren der Übertragungsfunktion, entsprechend der Fig. 3, ist diese in Funktionen 2. Ordnung zu zerlegen (biquadratische Kaskade), da diese meist in Ics umgesetzt werden kann und auch stabiler sind. Optional kann die Skalierung auf nach der Zerlegung in biquadratische Filter erfolgen. Die Zerlegung kann mittels Partialbruchzerlegung erfolgen.
  • Die so gewonnenen Koeffizienten für biquadratische, somit rekursive, Filter können in eine Differenzengleichung umgewandelt und in einem passenden integrierten Schaltkreis verwendet werden. Da die meisten ANC Ics in Ihrer Programmieroberfläche/Entwicklungsumgebung die Möglichkeit haben, Filterkoeffizienten i.d.R. IIR manchmal auch FIR direkt einzugeben, ist dies problemlos durchführbar.
  • Dabei wird beispielsweise im Signalprozessor eines Feedback ANC Systems das Feedback Filter mit den Koeffizienten, der nach obiger Beschreibung approximierten, errechneten Komplementärfunktion, programmiert. Diese Programmierung wird in der Regel über die Entwicklungsumgebung der jeweiligen Signalprozessoren (ANC Ics) oder durch einspielen einer mit den Koeffizienten versehenen Firmware über die bereits erläuterten Methoden bewerkstelligt.
  • Die Erfindung kann verschiedentlich abgewandelt und verändert werden, so kann das Messmittel neben den genannten Möglichkeiten eines Kunstkopfes, etc. jede andere Anordnung von Mikrofonen haben bzw. daraus bestehen, solange nur die benötigten, dem Fachmann in Kenntnis der Erfindung geläufigen, Daten erfasst werden.
  • Ob zu Beginn des Verfahrens im Signalprozessor ein beliebiges oder ein aufgrund der Erfahrung schon in etwa angepasstes Filter konfiguriert ist, spielt letztlich keine Rolle, da ein nochmaliges Durchlaufen des Verfahrens vom Schritt b) an, eventuell mit weiteren Wiederholungen, zu einem raschen Erreichen des optimal erreichbaren Zustandes führt.
  • Da sich ANC Kopfhörer während Ihres Lebenszyklus verändern und sich dadurch ihre relevanten Übertragungsstrecken ändern können, kann eine Neukalibrierung sinnvoll sein. Die Aussparung von a) aus dieser Verfahrenswiederholung kommt daher, dass die Wiederholung auch unmittelbar nach der Erstanpassung erfolgen kann, sich die Kopfhörer daher noch auf dem Messkopf befinden.
  • Dies ist insbesondere bei der Endanpassung einer ganzen Serie von Kopfhörern spürbar, bei denen von einer Anfangskonfiguration ausgegangen werden kann, die beispielsweise durch den ersten erfindungsgemäß konfigurierten Kopfhörer erreicht ist.
  • Auch Adjustierungen von bereits länger benutzten Kopfhörern sind problemlos möglich.
  • Ausgestaltungen der Erfindung sehen beispielsweise vor, dass im Schritt b) die Messung der Übertragungsstrecken digital mit der Abtastrate des Messsystems erfolgt, dass der ANC-Kopfhörer eine, vom digitalen Signalprozessor gegebene, Taktrate aufweist, dass die Taktrate höher ist als die Abtastrate und dass die/der approximierte/n ANC Filter im Verhältnis der Abtastrate zur Taktrate skaliert werden, wobei der Frequenzgang der/des approximierten Komplementärfilter/s absolut, in Hertz, betrachtet gleich bleibt. Das skalieren bereits approximierter ANC-Filter, entsprechend dem Verhältnis zwischen Taktrate des arbeitenden Signalprozessors im ANC-Hörer und Abtastrate des Messsystems bedeutet in anderen Worten, dass die Koeffizienten der IIR Filter-Funktion numerisch abgeändert werden, um mit der höheren Taktrate des Signalprozessors einen identen Frequenzgang zu erzeugen.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass im Schritt e) die Ordnung des/der approximierten Komplementärfilter/s höher ist/sind als der/die Signalprozessor(en) verarbeiten kann(können) und dass die Ordnung der/des approximierten Komplementärfilter/s passend für die Leistung des(der) Signalprozessors(en) reduziert wird.
  • Die Notwendigkeit zur Reduzierung der Ordnung ergibt sich aus dem Umstand, dass die Verarbeitung der Signalprozesse im Kopfhörer im Betrieb in Echtzeit erfolgen muss, da ANC nur für Echtzeitanwendungen sinnvoll ist. Digitale Signalprozessoren (DSP) verfügen über der Fachperson bekannte hardwaregebundene Eigenschaften, die Einschränkungen darstellen, welche bei Ihrer Benutzung beachtet werden müssen (z.B. Rechenoperationen/Zyklus, dem Prozessor immanente Taktraten, Energiebedarf, usw.). Daraus ergeben sich unzählige Gründe oder Einschränkungen warum Signalverarbeitungsprozesse (z.B. Filter) nicht in Echtzeit durchgeführt werden könnten. Die Aufzählung ist daher nicht als abschließend anzusehen. Die Auslastung der Signalprozessoren kann selbstverständlich neben der reinen Erzeugung eines ANC-Signals auch von anderen Faktoren, wie etwa der Verarbeitung des abzugebenden Audiosignals (etwa Musik), oder Bluetoothstreaming abhängen. Dabei handelt es sich jedoch um keinen zwingenden Umstand. Es wäre beispielsweise möglich mehrere Signalprozessoren in einem Kopfhörer zu verbauen, wobei jeder eine eigene Aufgaben übernimmt. Der Nachteil daran liegt auf der Hand und findet sich in höheren Kosten und einem größeren Verbrauch an Bauraum und/oder Energie. Da Kopfhörer traditionell mit einem begrenzten Platzangebot in ihrem Gehäuse auskommen müssen ist es vorteilhaft, aber nicht zwingend nötig, einem Signalprozessor mehrere Aufgaben zu übertragen. Aufgrund dieser Möglichkeit der Anpassung der Systemressourcen auf Basis der Zuteilung mehrerer Aufgaben an einen Signalprozessor kann es daher nötig werden die Ordnung des/der approximierten Komplementärfilter/s an den/die Signalprozessor(en) anzupassen.
  • Das IIR-Polynom bzw. die IIR-Kaskade 2ter Ordnung sind bereits eine Filterimplementierung. Die Ordnung wird reduziert falls der Signalprozessor nicht genügend Leistung besitzt um z.B. eine Kaskade aus 16 Filtern 2ter Ordnung auszuführen. Hier ist auf z.B. 8 Filter 2ter Ordnung zu reduzieren. Diese Reduktion muss so geschehen, dass die ANC-Performance nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Dies ist weder trivial noch offensichtlich da bereits geringste Abweichungen vom Ideal zu starken negativen Effekten auf die Schallunterdrückung führt. Das wiederum ist jedem Fachmann auf dem Gebiet geläufig und wird vorausgesetzt.
  • Da digitale Signalprozessoren für ANC Anwendungen in Echtzeit arbeiten müssen, um Schallunterdrückung überhaupt möglich zu machen arbeiten diese bei weit höheren Taktraten (gängig sind z.B. max.768kkHz, typisch 384kHz) als typische Akustik-Messysteme (typisch 48kHz). Routinemäßige Umrechnung von Filtern für eine höhere Abtastrate ist bei bekannten Entwurfsverfahren möglich und dem Fachmann bekannt. Hier jedoch liegt eine Filterkaskade vor, die nicht einer bekannten Entwurfsmethode folgt (wie im Text ausgeführt mittels Approximation der Impulsantwort über die Prony-Methode), daher ist die Skalierung der Filter nicht mehr offensichtlich durchführbar. Die Pol/Nullstellen Positionen der IIR Filterpolynome, welche basierend auf den z.B. mit 48kHz gesampelten Übertragungsstrecken errechnet werden, dürfen sich beim Upsampling in Ihrer Position bezüglich der natürlichen Frequenz des Filters nicht verschieben da ansonsten die Filtercharakteristik nicht mehr zur benötigen Komplementärfunktion passt. Wohl aber müssen die Pole und Nullstellen auf der z-Ebene passend zur höheren Abtastrate des ANC-Systems abgeändert werden; so dass die Charakteristik der Filterkaskade bezüglich ihrer natürlichen Frequenz erhalten bleibt. Dabei treten unterschiedliche Problemstellungen auf: Behandlung von Sonderfällen wie Pole/Nullstellen auf der reellen Achse (0 bzw. Pi) welche bei 0 rad/s ebenso verschoben werden müssen um die Charakteristik beizubehalten. Desweitern bei Pi rad/s: Hier werden die Pole/Nullstellen von der Achse wegbewegt, müssen gespiegelt werden um ein reellwertiges Filter beizubehalten. All dies hat Einfluss auf Magnituden- und Phasengang der Filterkaskade und muss entsprechend kompensiert werden. Dieses Taktraten Anpassung ist aus diesem Grund maßgeblich für die Qualität des ANCs.
  • Die beschriebene Ermittlung, ob eine Reduzierung der Komplexität erforderlich ist wird nach der verfahrensgemäßen Messung von der bedienenden Fachperson oder einem entsprechenden Algorithmus getroffen. Diese Entscheidung muss nicht in Echtzeit geschehen, nachdem die Speicherung des Polynoms nicht zeitsensibel ist, da die Anpassung vor Verkauf des Kopfhörers geschieht. Auf diese Art kann gewährleistet werden, dass das ANC-System später seinerseits in Echtzeit agieren kann.
  • Um die Erfindung mit Blick auf die Figuren noch einmal zu verdeutlichen wird hiermit festgehalten, die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung bzw. Anpassung eines ANC-Kopfhörers der über zumindest einen Signalprozessor verfügt, auf dem zumindest ein ANC-Filter, insbesondere ein IIR-Filter, und dessen Parameter gespeichert sind, das folgende Schritte umfasst:
    1. a) Aufsetzen des Kopfhörers auf ein Messmittel, beispielsweise einen Kuppler, einen Kunstkopf mit Messmikrofonen, oder einen realen Kopf mit Sondenmikrofonen, enthaltend eine EDV mit einer Datenübertragung,
    2. b) Vermessen relevanter Übertragungsstrecken x(n), m(n) sowie p(n) für Feedforward und h(n) für Feedback, unter Anregen des ANC-Kreises eines Kopfhörers, beispielsweise durch Chirpen oder Rauschen,
      dadurch gekennzeichnet, dass es weiters die Schritte
    3. c) Definition zumindest einer Zielfunktion, -p(n) für Feedforward oder t(n) für Feedback, zur Kalkulation der Komplementärfunktion, f(n) für Feedforward oder i(n) für Feedback, zumindest eines Zweigs des ANC-Kreises (Feedforward oder Feedback) des Kopfhörers,
    4. d) Berechnen zumindest einer Impulsantwort der Komplementärfunktion/en, f(n) für Feedforward und/oder i(n) für Feedback, aus den Messungen der relevanten Übertragungsstrecken,
    5. e) Approximation der Parameter des/der ANC-Filter/s mittels Prony Methode, die zum Erreichen der Komplementärfunktion/en notwendig sind,
    6. f) Eingeben bzw. Aktivieren der berechneten Parameter im Signalprozessor umfasst.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Kalibrierung bzw. Anpassung eines ANC-Kopfhörers der über zumindest einen Signalprozessor verfügt, auf dem zumindest ein ANC-Filter, insbesondere ein IIR-Filter, und dessen Parameter gespeichert sind, das folgende Schritte umfasst:
    a) Aufsetzen des Kopfhörers auf ein Messmittel, beispielsweise einen Kuppler, einen Kunstkopf mit Messmikrofonen, oder einen realen Kopf mit Sondenmikrofonen, enthaltend eine EDV mit einer Datenübertragung,
    b) Vermessen relevanter Übertragungsstrecken x(n), m(n) sowie p(n) für Feedforward und h(n) für Feedback, unter Anregen des ANC-Kreises eines Kopfhörers, beispielsweise durch Chirpen oder Rauschen,
    dadurch gekennzeichnet, dass es weiters die Schritte
    c) Definition zumindest einer Zielfunktion, -p(n) für Feedforward oder t(n) für Feedback, zur Kalkulation der Komplementärfunktion, f(n) für Feedforward oder i(n) für Feedback, zumindest eines Zweigs des ANC-Kreises (Feedforward oder Feedback) des Kopfhörers,
    d) Berechnen zumindest einer Impulsantwort der Komplementärfunktion/en, f(n) für Feedforward und/oder i(n) für Feedback, aus den Messungen der relevanten Übertragungsstrecken,
    e) Approximation der Parameter des/der ANC-Filter/s mittels Prony Methode, die zum Erreichen der Komplementärfunktion/en notwendig sind,
    f) Eingeben bzw. Aktivieren der berechneten Parameter im Signalprozessor umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) die Messung der Übertragungsstrecken digital mit einer Abtastrate des Messsystems erfolgt, dass der ANC-Kopfhörer einen digitalen Signalprozessor welcher eine gegebene Taktrate aufweist, dass die Taktrate höher ist als die Abtastrate und dass die/der bereits approximierte/n ANC-Filter im Verhältnis der Abtastrate zur Taktrate skaliert werden, wobei der Frequenzgang von (einem) approximierten Komplementärfilter(n) absolut, in Hertz, betrachtet gleich bleibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt e) die Ordnung eines Polynoms des/der approximierten Komplementärfilter/s höher ist/sind als der/die Signalprozessor(en) in Echtzeit verarbeiten kann(können) und dass die Ordnung der/des approximierten Komplementärfilter/s passend für die Leistung des(der) Signalprozessors(en) reduziert wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Kontrolle und/oder genaueren Kalibrierung ab Schritt b) wiederholt wird.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfhörer einer aus einer Produktionsserie ist, bei der die ursprünglichen Parameter des ANC-Filters aufgrund vorhergehender Tests eingegeben bzw. aktiviert sind, die dann durch die Wiederholung des Verfahrens im Laufe der Lebenszeit des Kopfhörers angepasst werden.
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