Подавление шумов с использованием сегментированного, частотно-зависимого фазового подавления

Шумоподавление в потоке сигналов, содержащем сигнал помехи, называемый шумом, выполняют путем получения оцифрованного сигнала шума и использования схемы цифрового процессора для разделения полученного сигнала шума на различные сегменты полосы частот и, таким образом, генерирования множества сегментированных сигналов шумов. Затем индивидуально для каждого сегментированного сигнала шума процессор сдвигает во времени сегментированный сигнал шума на величину, зависящую от выбранной частоты сегментированного сигнала шума для формирования множества сдвинутых сегментированных сигналов шумов. Точный временной сдвиг, применяемый к каждому сегменту шума, учитывает частотный контент сегмента и время обработки системы. Индивидуально для каждого сегментированного сигнала шума применяют масштабирование амплитуды. Сдвинутые и масштабированные по амплитуде сегментированные сигналы шума затем объединяют для формирования составного сигнала антишума, который выводят в поток сигналов для ослабления шума посредством деструктивных помех. 5 н. и 27 з.п. ф-лы, 22 ил., 1 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в целом, относится к электронным и автоматическим технологиям подавления шумов. Более конкретно, изобретение относится к технологии шумоподавления, которая генерирует частотно-зависимые антишумовые компоненты во множестве сегментов спектра, точно рассчитанных для системы и реализации.

Уровень техники

На протяжении десятилетий ученые и инженеры работают над решением технической задачи электронного автоматического шумоподавления (ANC). Базовые физические аспекты распространения волн предполагают возможность формирования «антишумовой» волны, которая имеет противофазу на 180 градусов относительно сигнала шума, и полностью подавляет шум посредством деструктивной помехи. Это работает достаточно хорошо для простых повторяющихся низкочастотных звуковых сигналов. Тем не менее, данное решение не подходит для динамически быстро меняющихся звуковых сигналов или звуков, содержащих более высокие частоты.

Лучшие современные системы (использующие гибридную структуру, сочетающую в себе прямую связь и обратную связь), могут снизить уровень повторяющегося шума (например, двигатель или вентилятор) на частотах до 2 кГц, используя варианты адаптивной фильтрации LMS (наименьшего среднего квадрата) для формирования сигнала антишума путем повторной оценки передаточной функции, которая генерирует наименьший практический шум на выходе. Хотя компании продолжают инвестировать средства в улучшение ANC результатов, их деятельность, по-видимому, сосредоточена на улучшении этих существующих технологий. Более того, несмотря на наличие значительной вычислительной мощности, очевидно, что ANC, использующий различные адаптивные фильтры, имеет верхний предел частоты где-то ниже 4 кГц, и способность ослаблять сигналы от 10 до 30 дБ.

Раскрытие сущности изобретения

В отличие от традиционного подхода, раскрытая система способна подавлять практически любой частотный диапазон в автономном режиме и, по меньшей мере, полный звуковой спектр в режиме реального времени на коммерчески распространенных скоростях обработки, более эффективно, чем используемые современные способы.

Скорость обработки и вычислительная мощность продолжают быстро увеличиваться (например, закон Мура действует с 1965 года). Некоторые коммерческие и военно-промышленные отрасли промышленности менее чувствительны к затратам (чем большинство потребительских товаров) и могут приспособиться к более высокой стоимости текущих максимальных скоростей/мощности. Кроме того, в ближайшем будущем будет использована необычайная мощь квантовых вычислений. С учетом вышесказанного, авторы настоящего изобретения предложили варианты осуществления раскрытой системы и способа, которые, как ожидается, со временем станут все более коммерчески привлекательными. Таким образом, в настоящем изобретении для простоты изложения количество вариантов осуществления было сокращено до пяти основных вариантов осуществления, определяемых минимальным количеством различных структур аппаратных систем, необходимых для реализации множества реализаций для изобретения. Структуры аппаратных систем являются частью изобретения, поскольку интегрируются особым образом с вариациями того, что называют методологией обработки сигналов «процессор ядра системы». Основные элементы этих пяти вариантов осуществления изображены на фиг. 1-5. В общих чертах, пять вариантов осуществления могут быть описаны как: системы в воздушной среде; телекоммуникационные и персональные системы; автономные системы обработки сигналов; системы шифрования/дешифрования; и системы распознавания, обнаружения и приема сигнатуры сигналов.

Согласно раскрытой технологии генерируют, используют и применяют требуемый точный сигнал антишума по всему спектру сигнала в реальном времени. Система/алгоритм является гибкой, допускающей более высокое или более низкое разрешение и управление в соответствии с требованиями реализации (или, насколько это практически возможно, учитывая ограничения по стоимости вычислительной мощности или другие ограничивающие факторы, наложенные на инженера-разработчика, внедряющего изобретение). Интеграция этой универсальной и эффективной технологии в конкретные структуры аппаратного и программного обеспечения облегчает использование в широком спектре применений. Авторы изобретения условно классифицируют их по пяти областям на основании структур систем, которые были представлены: системы в воздушной среде; телекоммуникационные и персональные системы; автономные системы обработки сигналов; системы шифрования/дешифрования; и системы распознавания, обнаружения и приема сигнатуры сигналов. Очевидно, что данный список следует рассматривать в качестве потенциально возможного для систем, поскольку данный список не предназначен для ограничения объема настоящего изобретения.

В дополнение к полезному эффекту по всему звуковому спектру, раскрытые технологии также могут быть использованы и для электромагнитных сигналов. Таким образом, раскрытые технологии способны подавлять шум практически в любом частотном диапазоне в автономном режиме и, по меньшей мере, по всему звуковому спектру в режиме реального времени с использованием имеющихся в настоящее время в продаже процессоров. Предполагают, что, по мере увеличения скоростей процессора или путем объединения мощности нескольких процессоров, согласно настоящему изобретению будет практически реализован процесс обработки в реальном времени любого электромагнитного сигнала.

Алгоритм обрабатывает отдельные частотные сегменты индивидуально, вычисляя идеальный сигнал антишума для системы или приложения, значительно улучшая характеристики шумоподавления во всем аудиоспектре. Фактически, данный алгоритм может успешно подавлять шумы по всему аудиоспектру в автономных приложениях и приложениях для обработки сигналов. Он также более эффективен по всему аудиоспектру в наушниках и радиосистемах и может обрабатывать более высокие частоты, чем любая другая развертываемая система. Обработка дискретных частотных сегментов (и позволяющая группировать диапазоны или полосы частот, как описано ниже), позволяет настроить алгоритм для высокоэффективной работы любой конкретной реализации в пределах или за пределами аудиоспектра.

Обработка дискретных частотных сегментов позволяет генерировать сигнал антишума для динамических источников шума, которые быстро изменяются во времени. (Текущие способы, применяемые в коммерческих целях, ограничиваются звуковыми сигналами циклического стационарного типа, такими как шум двигателя.) Обработка дискретных частотных сегментов также снижает необходимость использования множества входных микрофонов в наушниках/микронаушниках.

В случае использования аудио, алгоритм также уменьшает количество микрофонов, требуемых для шумоподавления микрофона, и необходимость в сложных алгоритмах «формирования луча» для идентификации полезного речевого сигнала из окружающего шума. В частности, данный аспект относится к телекоммуникационной гарнитуре, потому что сигнал антишума, генерируемый для наушников, должен также эффективно подавлять нежелательные сигналы при добавлении к входному сигналу микрофона с незначительной регулировкой задержки (возможно, с использованием пассивных компонентов для обеспечения требуемой задержки). При желании, в предварительных настройках может быть адаптирована и сохранена обратная связь.

Режим калибровки уменьшает необходимость дорогостоящей настройки системы для различных физических систем, как на стадии разработки продукта, так и при массовом производстве.

Использование полос частот или диапазонов в версиях алгоритма обеспечивает множество преимуществ, включающие в себя:

I. Уменьшите количество необходимой вычислительной мощности и памяти;

II. Обеспечение максимальной производительности системы для конкретных приложений с минимальными задержками и пониженной сложностью;

III. Возможность формирования и развертывания предустановок для различных типов шума, звуков окружающей среды и т.д;

IV. Возможность использования алгоритма для повышения четкости конкретных сигналов в шумах окружающей обстановки. Это позволяет применять алгоритм для использования в слуховых аппаратах (например, лучше различать речь в шумном ресторане), в приложениях аудионаблюдения (анализ речи из окружающего шума), для распознавания сигнатур устройства в сети или в шумовом поле, или в приложениях шифрования/дешифрования.

Дополнительные области применимости станут очевидными из описания, приведенного в данном документе. Описание и конкретные примеры в настоящем документе предназначены только для иллюстрации и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Чертежи, описанные в данном документе, предназначены только для иллюстративных целей выбранных вариантов осуществления и не представляют собой все возможные реализации и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.

Фиг. 1 является блок-схемой первого варианта осуществления устройства глушителя, полезного в обеспечении ослабления шума или подавления шума в системе в воздушной среде.

Фиг. 2 является блок-схемой второго варианта осуществления устройства глушителя, полезного для обеспечения ослабления шума или подавления шума в телекоммуникационном микрофоне, телекоммуникационной гарнитуре или системе наушников/мини наушников.

Фиг. 3 является блок-схемой третьего варианта осуществления устройства глушителя, полезного в обеспечении ослабления шума или подавления шума в системе обработки сигналов;

Фиг. 4 является блок-схемой четвертого варианта осуществления устройства глушителя, полезного для шифрования и дешифрования конфиденциальной информации.

Фиг. 5 является блок-схемой пятого варианта осуществления устройства глушителя, полезного для подавления шума при электромагнитной передаче и для отделения сигнатур конкретного оборудования или сообщений от фонового шума линий электропередач (для использования в технологии передачи информации по электрическим сетям и приложениях интеллектуальной энергосистемы, например).

Фиг. 6 является блок-схемой, иллюстрирующей способ программирования схемы цифрового процессора для выполнения алгоритма процессора ядра системы, используемого в устройстве глушителя.

Фиг. 7 является блок-схемой последовательности операций, дополнительно иллюстрирующей способ программирования схемы цифрового процессора для выполнения алгоритма процессора ядра системы, используемого в устройстве глушителя.

Фиг. 8 является схемой обработки сигналов, иллюстрирующей технологии обработки, реализованные алгоритмом процессора ядра системы по фиг. 6.

Фиг. 9 является подробной схемой обработки сигнала, иллюстрирующей режим калибровки, используемый применительно к алгоритму процессора ядра системы.

Фиг. 10 является схемой процесса процессора ядра системы.

Фиг. 11 является примерной одноблочной системой глушителя в воздушной среде с низким энергопотреблением, сконфигурированной как настольная система персональной тихой зоны.

Фиг. 12 является примерной одноблочной системой глушителя в воздушной среде с низким энергопотреблением, сконфигурированная как оконный блок.

Фиг. 13 является примерной одноблочной системой глушителя в воздушной среде с низким энергопотреблением, сконфигурированная как блок, установленный в воздушной камере.

Фиг. 14 является примерной высокомощной многоблочной системой глушителя в воздушной среде, сконфигурированной для снижения шума автомобильной трассы.

Фиг. 15 является примерной мощной многоблочной системой глушителя в воздушной среде, сконфигурированной для снижения шума в транспортном средстве.

Фиг. 16 является примерной мощной многоблочной системой глушителя в воздушной среде, выполненной с возможностью формировать конус тишины для защиты частного разговора от прослушивания другими.

Фиг. 17 является примерным вариантом осуществления интеграции смартфона.

Фиг. 18 является примерным вариантом осуществления наушников с шумоподавлением.

Фиг. 19 является другим примерным вариантов осуществления наушников с шумоподавлением.

Фиг. 20 иллюстрирует примерную реализацию процессора.

Фиг. 21 иллюстрирует примерный вариант осуществления шифрования-дешифрования.

Фиг. 22 иллюстрирует примерную концепцию обнаружения сигнатуры.

Соответствующие ссылочные позиции обозначают соответствующие части на нескольких видах чертежей.

Осуществление изобретения

Далее будет приведено более полное описание примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Раскрытое устройство глушителя может быть использовано в различных приложениях. В целях иллюстрации далее будет приведено подробное описание пяти примерных вариантов осуществления. Должно быть понятно, что эти примеры обеспечивают понимание некоторых из различных применений, для которых может использоваться устройство глушителя. Другие применения и другие реализации также возможны в рамках прилагаемой формулы изобретения.

Ссылаясь на фиг. 1, был проиллюстрирован первый примерный вариант устройства глушителя. Этот вариант осуществления предназначен для обеспечения шумоподавления для системы в воздушной среде, в котором обнаруживают поступающий шум окружающей среды и генерируют сигнал шумоподавления и транслируют в окружающую область. Как проиллюстрировано, этот вариант осуществления включает в себя схему 10 процессора цифровых сигналов, имеющую ассоциированную память 12, в которой хранят данные конфигурации, упоминаемые в настоящем документе как предустановки для приложений. Схема процессора цифровых сигналов может быть реализована с использованием коммерчески доступной интегральной схемы мультимедийного процессора, такой как четырехъядерный процессор ARM Cortex A53 Broadcom BCM2837 или тому подобное. Ниже представлено описание способа программирования схемы цифрового сигнального процессора. В предпочтительном варианте осуществления схема процессора цифровых сигналов может быть реализована с использованием компьютера Raspberry Pi, такого как Raspberry Pi 3 модель В или лучше. Это устройство включает в себя схему 10 сигнального процессора, а также графический процессор VideoCore IV, встроенную SDRAM, схему приемопередатчика WiFi и Bluetooth, схему беспроводной локальной сети 802.11n и поддержку связи Bluetooth 4.1. Предусмотрено двадцать GPIO шесть портов, а также USB 2 четыре порта, Ethernet 100Base-T порт, DSI порты и CSI порты, 4-полюсный композитный видео/аудиопорт и HDMI 1.4 порт. Эти порты могут использоваться для обеспечения возможности соединения между входами и выходами в схеме 10 процессора сигналов, как показано на блок-схемах фиг. 1-4.

Система шумоподавления в воздушной среде на фиг. 1 включает в себя один или несколько входных микрофонов 14, которые развернуты в физическом местоположении, где они могут определять источник шума, который требуется подавить. Каждый из микрофонов 14 подключен к цифро-аудиопреобразователю или DAC 16, который преобразует форму аналогового сигнала от подключенного микрофона в цифровые данные, как путем выборки. В то время, как могут быть использованы различные частоты дискретизации в зависимости от задачи, в иллюстрируемом варианте осуществления используют частоту 48 кГц как частоту выборки. Частоту дискретизации выбирают с учетом частотного диапазона, занимаемого большей частью звуковой энергии шума, расстояния между входным микрофоном и микрофоном обратной связи и других факторов, относящихся к конкретным реализациям и целям.

Между DAC 16 и схемой 10 процессора цифровых сигналов подключена возможная схема 18 вентиля, которая пропускает энергию шума выше заранее определенного порогового значения и блокирует энергию ниже этого порогового значения. Схема 18 вентиля может быть реализована с использованием программного обеспечения, запущенного на процессоре, или с использованием автономной интегральной схемы шумоподавления порогового действия. Схема вентиля выполнена с возможностью различать уровень окружающего фонового шума, который не считается нежелательным, и более высокий уровень шума, ассоциированный с нежелательным шумом. Например, если система подавления шумов в воздушной среде развернута для устранения прерывистого дорожного шума от близлежащей магистрали, пороговое значение вентиля будет установлено на открытие при обнаружении звуковой энергии движения транспортных средств и на закрытие при обнаружении шуршания листвы деревьев в соседней роще. Таким образом, вентиль помогает снизить нагрузку на процессор 10 цифровых сигналов и предотвратить нежелательную накачку.

Вентиль может быть конфигурируемым пользователем, позволяя пользователю устанавливать пороговое значение шума, так что только звуки, превышающие установленное пороговое значение, будут рассматриваться как шум. Например, в тихом офисе уровень окружающего шума может составлять около 50 дБ SPL. В такой среде пользователь может установить пороговое значение шума так, чтобы он действовал только для сигналов с уровнем SPL более 60 дБ.

К выходу схемы 10 процессора цифровых сигналов подключен цифроаналоговый преобразователь или ADC 20. ADC служит дополнением к DAC 16, преобразуя выходные данные схемы 10 процессора цифровых сигналов в аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал представляет собой специально сконструированный сигнал шумоподавления, предназначенный для подавления шума, обнаруженного входным микрофоном (микрофонами) 14. Подходящий усилитель 22 и система 24 громкоговорителей или преобразователей проецируют или транслируют этот сигнал шумоподавления в воздушную среду, где он будет смешиваться с и подавлять источник шума, который слышен из выгодной точки в пределах эффективной области передачи системы 24 громкоговорителей или преобразователей. По существу, система 24 громкоговорителей расположена между источником шума и слушателем или точкой приема, так что слушатель/приемник может принимать сигнал, достигающий его или ее местоположения, за исключением того, что сигналы от источника шума подавляются сигналом шумоподавления от системы 24 громкоговорителей или преобразователей.

При желании, схема также может включать в себя источник белого или розового шума, который подается на усилитель 22, по существу, смешивая заранее определенное количество белого шума или розового шума с аналоговым сигналом из схемы 10 цифровой обработки сигналов (через ADC 20). Этот источник шума помогает смягчить эффект сигнала шумоподавления, маскируя в противном случае слышимые переходные процессы, которые могут возникнуть, когда сигнал шумоподавления объединяется с сигналом источника шума ниже по потоку от громкоговорителя.

Микрофон 26 обратной связи расположен перед (ниже по потоку) от системы 24 громкоговорителей. Микрофон обратной связи используют для выборки потока сигнала после введения в поток сигнала антишума. Этот микрофон обеспечивает сигнал обратной связи для схемы 10 процессора цифровых сигналов, которую используют для адаптации алгоритма, управляющего процессом генерирования схемой процессора цифровых сигналов надлежащего сигнала шумоподавления. Хотя это не показано на фиг. 1, выходной сигнал микрофона обратной связи может быть обработан подходящими схемами усиления и/или аналого-цифрового преобразователя для обеспечения сигнала обратной связи, используемого алгоритмом шумоподавления. В некоторых реализациях, где используют только амплитуду шума против сигнала шумоподавления, выходной сигнал микрофона обратной связи может быть обработан в аналоговой области для получения амплитуды напряжения сигнала, который может быть обработан усреднением или другими средствами, если необходимо. В других реализациях, где требуется более точная оценка шум против сигнала шумоподавления, также может быть выполнено сравнение фаз с входным сигналом микрофона. В большинстве реализаций этого варианта осуществления системы как фаза, так и амплитуда дискретных сегментов сигнала обратной связи будут анализироваться по сравнению с входным сигналом микрофона или желаемым результатом для приложения (далее в настоящем документе обсуждается формирование и обработка дискретных сегментов). Выходной сигнал микрофона обратной связи может быть дискретизирован и преобразован в цифровой области с использованием аналого-цифрового преобразователя. Микрофон обратной связи может быть подключен либо к микрофонному входу, либо к линейному входу, соединенному с видео/аудиопортом схемы процессора цифровых сигналов.

Дополнительные примеры системы шумоподавления, показанной на фиг. 1, приведены разделе «варианты осуществления различных случаев использования».

Второй вариант осуществления устройства глушителя показан на фиг. 2. Как будет объяснено, этот вариант осуществления имеет два тракта прохождения сигнала: тракта принятого аудиосигнала, который уменьшает шум в наушниках, мини наушниках или громкоговорителях 24а пользователя; и тракт переданного аудиосигнала, где звуки, захваченные микрофоном телефона 34, обрабатывают для уменьшения шума окружающей среды, также захваченного микрофоном телефона 34. Таким образом, тракт принятого аудиосигнала будут использовать для повышения качества звука в наушниках мини наушниках пользователя или через громкоговорители, уменьшая или устраняя звуки окружающей среды. Это облегчает прослушивание музыки или разговор по телефону. Тракт переданного аудиосигнала будут использовать для частичного или полного подавления звуков окружающей среды, таких как шум ветра, поступающих в микрофон телефона 34 пользователя. Конечно, те же способы шумоподавления можно использовать с другими системами, а не только с телефонами, включающие в себя запись звука через микрофон во время концертов, трансляции звука с использованием микрофонов и тому подобное.

Со ссылкой на фиг. 2, иллюстрированный примерный вариант осуществления адаптирован для использования с системой гарнитуры и используют некоторые из тех же компонентов, что и вариант осуществления по фиг. 1. В этом варианте осуществления входной микрофон реализован с использованием одного или более чувствительные к шуму микрофоны 14a, расположенные вне гарнитуры или наушников/мини наушников. Аналогово-цифровая схема, ассоциированная или встроенная в каждый чувствительный к шуму микрофон, преобразует окружающий шум в цифровые сигналы, которые поступают в схему 10 цифровой обработки сигналов. Микрофон 26 обратной связи расположен внутри наушников/мини наушников, в соединении аудио с громкоговорителем (громкоговорителями) 24a гарнитуры, или микрофон обратной связи может быть полностью исключен, в связи с более точным управляемым физическим вариантом осуществления. В системах, включающих в себя микрофон обратной связи, данные микрофона обратной связи включают в себя компоненты составного сигнала, которые могут включать в себя полезный развлекательный контент (например, музыкальный или аудио/видеосаундтрек) и/или речевой сигнал, плюс шум и антишум, и которые могут быть сравнены с шумовым и противошумовым сигналом, или составной входной и полезный сигнал.

Следует отметить, что эта система значительно отличается от обычных систем, поскольку способность эффективно подавлять звуки с частотными компонентами выше 2000 Гц снижает необходимость в способах акустической изоляции, применяемых в обычных наушниках с шумоподавлением. Это позволяет производить более легкие и менее дорогие продукты и способствует эффективному развертыванию в форме «вкладыша».

В этом варианте осуществления обработка шума устройства глушителя может быть реализована независимо для каждого наушника. Для более дешевых продуктов для наушников/мини наушников/гарнитуры обработка может быть реализована совместно для обоих наушников в стереосистеме, или обработка может осуществляться внешним процессором, находящимся в смартфоне или другом устройстве.

Другое важное отличие в этом варианте осуществления состоит в том, что также будут использовать режим калибровки для вычисления соответствующих регулировок амплитуды, требуемых для каждого диапазона частотных диапазонов для компенсации влияния, которое физические свойства конструкции наушников или вкладышей оказывают на окружающий/нежелательный шум до того, как он достигнет уха (режим калибровки и диапазоны частот обсуждаются далее в этом документе).

Аналогичным образом, сигнал антишума, генерируемый системой в этом варианте осуществления, смешивают с желательной музыкой или голосовым сигналом через микшер 30 (требуемая музыка или голосовой сигнал подают телефоном 30, музыкальным проигрывателем, устройством связи и т.д.), и оба часто будут выводиться вместе через общий громкоговоритель. В этом случае, микрофон обратной связи будет работать только во время режима калибровки и может быть опущен на производственных устройствах при определенных обстоятельствах. Альтернативно, микрофон обратной связи может непрерывно функционировать в определенных приложениях с несколькими громкоговорителями этого варианта осуществления (например, в гарнитурах виртуальной реальности и игровых гарнитурах).

В системах гарнитур, которые включают в себя речевой микрофон, выходной сигнал схемы 10 цифрового сигнального процессора может быть подан на схему речевого микрофона, а также на схему громкоговорителей наушников, как описано выше. Это проиллюстрировано на фиг. 2, где первый выходной сигнал подают из схемы 10 процессора цифровых сигналов в первый микшер 30, который поставляет аудиосистемы воспроизведения звука (усилитель 22 и громкоговоритель 24а наушников). Второй выходной сигнал подают из схемы 10 процессора цифровых сигналов во второй микшер 32, который поставляет сигнал в телефон 34 или другую схему обработки голоса. Поскольку сигнал фонового шума дискретизируют в точке (точках), удаленной от позиции коммуникационного/голосового микрофона, полезный голосовой сигнал не будет подавлен. Этот альтернативный сигнал антишума может иметь или не иметь амплитуды полосы частот, отрегулированные в режиме калибровки, как описано выше, в зависимости от применения.

Для критически важных приложений связи, таких как мультимедийное вещание или связь военного истребителя, может потребоваться отдельная схема обработки сигнала, используемая для шумоподавления микрофона. Это позволило бы точно подавить известные сигнатуры шума, обеспечить возможность никогда не подавлять определенные критические информационные полосы частот и облегчить другую настройку для этих критически важных приложений с помощью пользовательской конфигурации или предустановок.

Дополнительные примеры системы шумоподавления по фиг. 2 приведены в разделе «варианты осуществления различных случаев использования» ниже.

Третий, более обобщенный вариант осуществления показан на фиг. 3. В этом варианте осуществления входной сигнал может быть получен из любого источника и выходной сигнал может быть подан в схему или устройство (не показано), которое обычно обрабатывает входной сигнал. Таким образом, вариант осуществления, показанный на фиг. 3, предназначен для размещения внутри или для размещения на линии с устройством обработки сигналов или передачи. В этом варианте осуществления обратная связь обычно не будет использоваться. Известные шумовые характеристики могут быть компенсированы параметрами системы (задают с помощью настроек, помеченных как «предустановки» 12). Если эти характеристики неизвестны, система может быть откалибрована для подавления шума путем обработки части материала, которая имеет шум, но не содержит сигнала (например, система может быть откалибрована по сигнатуре шума с использованием части «предварительного просмотра» видеосегмента). Приложения этого варианта осуществления включают в себя удаление шума из записей событий или аудионаблюдения или удаление их в «живой» ситуации с соответствующей величиной «задержки трансляции», такой как «7-секундная» задержка, используемая в настоящее время для цензуры ненормативной лексики во время прямых трансляций.

Хотя в вышеприведенных примерах была проиллюстрирована автономная схема 10 процессора цифровых сигналов, следует понимать, что процессор в мобильном устройстве, таком как смартфон, может использоваться для выполнения алгоритмов обработки сигналов; или процессор ядра системы может быть реализован как «включать» для программного пакета или интегрирован в другую систему обработки сигналов. Таким образом, описание в настоящем документе также должно использовать термин «процессор ядра системы» для обозначения алгоритмов обработки сигналов, как более полно описано ниже, которые выполняют на процессоре, таком как автономная схема процессора цифровых сигналов, или процессор, встроенный в смартфон или другое устройство. Как показано в варианте осуществления на фиг. 3, процессор ядра системы может использоваться для обработки шума в автономном режиме или в приложениях обработки сигналов, где входной микрофон, выходные усилители и микрофоны обратной связи могут не потребоваться.

Дополнительные примеры системы шумоподавления по фиг. 3 описаны далее в разделе «варианты осуществления различных случаев использования».

Четвертый вариант осуществления показан на фиг. 4. В этом варианте осуществления есть две стороны, желающие обмениваться информацией друг с другом посредством файлов, широковещательных передач, передач сигналов или других средств; и ограничить доступ к этой информации. Этот вариант осуществления требует, чтобы и «сторона кодирования», и «сторона декодирования» имели доступ к оборудованию, содержащему это изобретение.

«Ключ» шифрования/дешифрования представляет собой средство установки диапазона частот, используемого для кодирования информации. Установки «ключа» шифрования и дешифрования будут осуществлены с учетом характеристик шума или другого сигнала, в который будет встроена информация, и эти установки диапазона частотного диапазона включают в себя информацию как частоты, так и амплитуды. Это позволяет встраивать кодированные сигналы в очень узкий сегмент (сегменты) передачи, который может показаться, например, безвредной широкополосной передачей какого-либо другого материала или сигнала «белого шума». В примере, включающем в себя интеллектуальную передачу, что казалось белым шумом, шифрование потребовало бы записи белого шума соответствующей длины для переноса полного сообщения. Эта запись белого шума будет обрабатываться с помощью этого изобретения только для очень узкого частотного диапазона или набора диапазонов (т.е. очень узкий сегмент (сегменты) шума будет «вырезан» процессором ядра системы), при этом, частоты не содержаться в этом определенном наборе диапазонов, передаваемый через систему без изменений (амплитуда по умолчанию будет установлена на 1 для отсутствующих частот в определениях полосы частот на стороне шифрования); и амплитуды для частотного диапазона (диапазонов), который будет содержать данные, которые могут быть отрегулированы для облегчения маскировки в шуме. Информация, подлежащая обмену, может быть закодирована в «несущей сигнала» в узком частотном диапазоне (диапазонах) с использованием частотной модуляции или других способов (обеспечивающих другой уровень шифрования), которые будут смешаны с выходным сигналом системы (шум с сегментами «вырезано»). Это будет эффективно встраивать информацию в то, что может показаться случайным белым сигналом шума в этом примере (или другим типом широкополосной передачи или передачи сигнала, по желанию).

На стороне «дешифрования» необходимо знать установки частоты и амплитуды для диапазона (диапазонов) полосы частот, описывающего, где была записана информация, чтобы служить «ключом дешифрования». На стороне дешифрования амплитуда по умолчанию для отсутствующих частот в определение диапазонов частотных диапазонов, должна быть установлена равной 0. Это означает, что система не будет выводить какие-либо выходные данные для тех частот, которые отсутствуют в определение полос частот, так что выводят только полезный сигнал, который нужно декодировать.

Способность выбирать амплитуду по умолчанию для частот, отсутствующих в определенных диапазонах полосы частот, является одной из определяющих характеристик этого варианта осуществления.

Безопасность передачи информации значительно повышают, если «ключ» шифрования/дешифрования совместно используют стороной посредством альтернативного средства, но он может содержаться в «заголовке калибровки» в передаче или файле, рассчитанный на основании отметки времени или другой установки и т.д.

Дополнительные примеры системы шумоподавления по фиг.4 приведены ниже в разделе «варианты осуществления различных случаев использования».

Пятый вариант осуществления показан на фиг.5. В этом варианте осуществления изобретение используют для помощи в распознавании, обнаружении или приеме передач или сигнатур устройства в области шума, такой как поля шума, присутствующие в насыщенных электромагнитных полях в крупных городах и других районах, которые присущи линиям электропередач и т.д.

Изобретение может использоваться для помощи в обнаружении, распознавании или приеме сигналов в таком шуме путем формирования предустановок для установок диапазона полосы частот, предназначенных для пропускания только целевого сигнала. Эти установки диапазона полосы частот включают в себя информацию о частоте и амплитуде, необходимую для идентификации «отпечатков пальцев» или «сигнатур» целевых сигналов по характеристикам фонового шума, как было определено в результате предварительного анализа. Эта установка будет выполняться путем исключения частотных компонентов целевого сигнала из установок полосы частот и использования амплитуды по умолчанию, равной 0, для частот, отсутствующих в установках полосы, эффективно пропуская только целевые сигналы через систему; и соответствующим образом регулируют амплитуду и частоту смежных частот или гармоник для дополнительного усиления целевого сигнала. Это помогло бы обнаружить слабые сигналы, которые, в противном случае, были бы незамеченными в шумовом поле.

Например, при включении компрессора системы кондиционирования воздуха, передают уникальный импульс в сеть. Подстанция энергетической компании может использовать настоящее изобретение в системе, чтобы помочь им предвидеть пиковые нагрузки путем подсчета импульсов от различных продуктов. В приложениях связи по линиям электропередачи характеристики «нормального» шума и флуктуаций могут быть минимизированы, и полезные сигналы связи могут быть усилены путем использования предустановок, разработанных для этой задачи. Предустановки также могут быть разработаны для обнаружения или улучшения отдаленной или слабой электромагнитной связи. Аналогичным образом, предустановки могут быть разработаны для обнаружения помех в шумовом поле, идентифицированных с определенными типами объектов или другими потенциальными угрозами.

В этом варианте осуществления на сервере могут быть развернуты несколько экземпляров процессора ядра системы (или другом многоядерном или мультиплексном устройстве) для облегчения распознавания, обнаружения или приема множества типов сигналов или сигнатур на одном узле.

Дополнительные примеры системы шумоподавления, показанной на фиг. 5, описаны далее в разделе «варианты осуществления различных случаев использования».

Обзор алгоритма подавления шума процессора ядра системы

Суть алгоритма шумоподавления процессора ядра системы состоит в том, чтобы сформировать идеальный антишум для множества небольших дискретных сегментов, содержащих сигнал шума. Схема 10 цифровой обработки сигналов (реализована ли она как автономная схема или с использованием процессора другого устройства, такого как смартфон) запрограммирована для выполнения алгоритма обработки сигналов, который точно генерирует специализированный набор сигналов с шумоподавлением индивидуально для каждого из набора дискретных частотных сегментов, содержащих целевой сигнал шума, или его части.

Фиг. 6 показывает базовую архитектуру алгоритма шумоподавления процессора ядра системы. Как показано, полученный сигнал шума 40 подразделяют на разные сегменты полосы частот. В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления ширина этих сегментов (и в некоторых вариантах осуществления масштабный коэффициент амплитуды, применяемый к антишуму) в различных частотных диапазонах может быть установлена по-разному для каждой из различных частотных полос 42. Эти параметры для полосы частот могут быть установлены через пользовательский интерфейс, предустановки или динамически на основании критериев в различных вариантах осуществления. Каждый диапазон полосы частот затем дополнительно подразделяют на сегменты полосы частот выбранной ширины. Затем для каждого сегмента полосы частот схема обработки цифрового сигнала сдвигает фазу этого сегмента на величину, зависящую от выбранной частоты сегментного сигнала шума. Например, выбранная частота может быть центральной частотой сегмента полосы. Таким образом, если конкретный сегмент полосы простирается от 100 Гц до 200 Гц, выбранная центральная частота может составлять 150 Гц.

Сегментируя входящий сигнал шума на множество различных частотных сегментов, схема цифровой обработки сигналов способна адаптировать алгоритм шумоподавления к конкретным требованиям данного приложения. Это делается путем выборочного управления размером каждого сегмента в соответствии с конкретным применением. В качестве примера, каждый сегмент во всем частотном диапазоне входящего сигнала шума может быть довольно малым (например, 1 Гц). В качестве альтернативы, различные части частотного диапазона могут быть подразделены на более крупные или более мелкие сегменты с использованием сегментов меньшего размера (с более высоким разрешением), где находится наиболее важный информационный контент, или, если этого требуют короткие длины волн; и использование более крупных (с более низким разрешением) сегментов на частотах, которые несут меньше информации или имеют более длинные длины волн. В некоторых вариантах осуществления процессор не только подразделяет весь частотный диапазон на сегменты, но также может отдельно управлять амплитудой в данном сегменте по-разному на основании установок в диапазонах полосы частот.

Когда требуется чрезвычайно высокая точность шумоподавления, сигнал шума делят на маленькие сегменты (например, 1 Гц или сегменты другого размера) по всему спектру или по всему спектру сигнала шума, в зависимости от ситуации. Такая мелкозернистая сегментация требует значительной вычислительной мощности. Таким образом, в приложениях, где требуется более низкая мощность и более дешевый процессор, алгоритм подавления шума процессора ядра системы выполнен с возможностью разделять сигнал на полосы частот или диапазоны. Количество полос частот может быть отрегулировано в программном коде процессора ядра системы в соответствии с потребностями приложения. При желании, цифровой процессор может быть запрограммирован для разделения полученного сигнала шума путем применения вейвлет-разложения для разделения полученного сигнала шума на различные сегменты полосы частот и, таким образом, генерировать множество сегментированных сигналов шума.

Для каждого конкретного применения размер сегмента и то, как/если размер будет варьироваться по всему спектру, является начальным условием системы, определяемым путем определения параметров для различных частотных диапазонов. Эти параметры могут быть установлены через пользовательский интерфейс и затем сохранены в памяти 12 в качестве предустановок для каждого приложения.

После того как сигнал шума был сегментирован в соответствии с планом сегментации, установленным схемой цифровой обработки сигналов (автоматически и/или на основании пользовательской конфигурации), к каждому сегменту выборочно применяют фазовую коррекция для формирования формы сигнала сегмента, который будет, по существу, подавлять сигнал шума в пределах полосы частот этого сегмента через деструктивные помехи. В частности, схема обработки вычисляет и применяет зависящее от частоты время 46 задержки, учитывая частоту сегмента и учитывая любое распространение системы или время задержки. Поскольку это зависящее от частоты время задержки вычисляют и применяют индивидуально к каждому сегменту, схема 10 обработки вычисляет и применяет эти значения фазовой коррекции параллельно или очень быстро последовательно. После этого сегментированные сигналы шума с фазовой коррекцией (сдвинутые по фазе) объединяют на этапе 48 для формирования составного сигнала антишума 50, который затем выводят в поток сигналов для ослабления шума посредством деструктивных помех. Как показано на фиг. 6, сигнал антишума может быть введен в поток сигнала через систему громкоговорителей с усилителем или другой преобразователь 24. Альтернативно, в определенных приложениях сигнал антишума может быть введен в поток сигнала с использованием подходящего цифрового или аналогового микшера.

В некоторых вариантах осуществления подавление шума может быть дополнительно улучшено путем использования сигнала обратной связи. Таким образом, как показано на фиг. 6, микрофон 26 обратной связи может быть расположен в потоке сигнала, ниже по потоку, где был введен сигнал шума. Таким образом, микрофон обратной связи обнаруживает результаты деструктивных помех между сигналом шума и антишумовым сигналом. Сигнал обратной связи, полученный от микрофона обратной связи, затем подают в схему 10 обработки для использования при регулировке амплитуды и/или фазы сигнала антишума. Эту обработку обратной связи иллюстрируют в целом на этапе 52 на фиг. 6. Обработка 52 обратной связи содержит преобразование сигнала микрофона обратной связи в подходящий цифровой сигнал посредством аналого-цифрового преобразования, и затем корректировку амплитуды и/или фазы сигнала антишума для максимального шумоподавления, используя сигнал микрофона обратной связи в качестве эталона. Когда сигнал антишума и сигнал шума деструктивно создают помехи оптимальным образом, сигнал микрофона обратной связи обнаружит нуль из-за того, что энергия шума и энергия антишума оптимально взаимно компенсируют друг друга.

В одном варианте осуществления амплитуда объединенного сигнала антишума 50 может быть откорректирована на основании сигнала микрофона обратной связи. В качестве альтернативы, амплитуды и фазы каждого сегмента полосы частот можно корректировать индивидуально. Это может быть сделано путем сравнения амплитуды и фазы потока сигнала в точке обратной связи с входным сигналом и корректировки параметров антишума. Альтернативно, частотное содержание и амплитуда самого сигнала обратной связи могут быть проверены, чтобы указать корректировки, необходимые для параметров шумоподавления для улучшения результатов путем точной корректировки частотно-зависимого времени 46 задержки и амплитуды для каждого сегмента.

Определение частотно-зависимой временной задержки

Схема 10 обработки сигналов рассчитывает частотно-зависимую временную задержку для каждого сегмента с учетом ряда факторов. Одним из этих факторов является вычисленное время фазового сдвига на 180 градусов, которое ассоциировано с заранее определенной частотой (например, центральной частотой сегмента) для каждого отдельного сегмента сигнала.

Это вычисление может быть выполнено в режиме калибровки и сохранено в таблице в памяти 12 или непрерывно пересчитано в режиме реального времени, в зависимости от приложения и доступной вычислительной мощности. Точная временная задержка, необходимая для формирования соответствующего антишума, для каждой частоты «f», рассчитывается по формуле: (1/f)/2. То есть:

где f является заранее определенной частотой (например, центральная частота) для этого сегмента.

Другим фактором, используемым схемой обработки сигналов, является время смещения системы, которое, в свою очередь, зависит от двух факторов: времени распространения в воздухе и времени распространения системы.

Для генерирования точных сигналов шумоподавления схема обработки использует априорные знания о скорости распространения звука в воздухе, измеренной как время прохождения сигнала от входного микрофона к микрофону обратной связи. В настоящем описании это время прохождения называется временем распространения в воздухе. Схема обработки также основано на априорном знание времени, которое требуется процессору 10 и ассоциированным компонентам ввода и вывода (например, 14, 16, 18, 20, 22, 24) для генерирования сигнала шумоподавления, упомянутого в данном документе, как время распространения системы. Эти данные необходимы для обеспечения точного фазового согласования сигнала шумоподавления с сигналом шума, чтобы обеспечить идеальные результаты подавления. Скорость, с которой сигнал шума распространяется по воздуху, зависит от множества физических факторов, таких как температура воздуха, давление, плотность и влажность. Время вычисления процессора и время пропускной способности схемы зависят от скорости процессора, скорости шины допуска к памяти 12, и задержек сигнала в цепях ввода/вывода, ассоциированных с процессором 10 в различных вариантах осуществления.

В предпочтительном варианте осуществления эти времена распространения в воздухе и распространения системы измеряют и сохраняют в памяти 12 во время режима калибровки. Режим калибровки может быть запрошен пользователем вручную через пользовательский интерфейс, или процессор 10 может быть запрограммирован на автоматическое выполнение калибровки периодически или в ответ на измеренные температуру воздуха, давление, плотность и влажность.

Таким образом, предпочтительный вариант осуществления измеряет время распространения в воздухе от момента, когда сигнал шума обнаруживается на входном микрофоне 14, до его последующего обнаружения на микрофоне обратной связи 26. В зависимости от применения эти два микрофона могут быть расположены на постоянном фиксированном расстоянии разнесения (например, в варианте осуществления гарнитуры на фиг. 2), или они могут быть расположены на расстоянии разнесения, которое зависит от того, где два микрофона оказались в поле. Временная задержка, относящаяся к времени, необходимому для обработки входного сигнала, выводят в систему 24 (24a) громкоговорителей и принятую в микрофон 26 обратной связи, соответствует времени распространения системы.

После того как время распространения в воздухе и в системе измерено и сохранено в режиме калибровки, схема 10 обработки сигналов вычисляет время смещения системы как арифметическую разность между временем распространения в воздухе и временем распространения системы. Это вычисление разности также может быть либо рассчитано в реальном времени, либо сохранено в памяти 12. В некоторых стационарных приложениях, таких как наушники, может не потребоваться встроенный режим калибровки, поскольку калибровка может быть выполнена на производственной линии или установлена на основании известных фиксированных геометрических размерах наушников. Время системного смещения может быть сохранено как константа (или динамически рассчитана в некоторых приложениях) для использования в расчетах снижения шума, описанных в данном документе.

Для каждого дискретного частотного сегмента, который должен быть обработан, формируют сигнал антишума путем задержки обработанного сигнала на время, равное абсолютному значению: время сдвига фазы на 180 градусов для этого дискретного частотного сегмента минус время смещения системы. Это значение упоминается здесь как применяемая временная задержка. Применяемая временная задержка для каждого частотного сегмента может быть либо сохранена в таблице, либо непрерывно рассчитана в различных реализациях алгоритма.

Фиг. 7 более подробно иллюстрирует способ, которым схема обработки сигналов может быть запрограммирована для реализации алгоритма шумоподавления процессора ядра системы. Запрограммированный процесс начинают с последовательности этапов, которые заполняют набор структур 59 данных в памяти 12, где параметры, используемые алгоритмом, сохраняют для доступа по мере необходимости. Дополнительные подробности процесса процессора ядра системы также обсуждаются ниже со ссылкой на фиг. 10.

Ссылаясь на фиг. 7, сначала запись, содержащая выбранный размер фрагмента, сохраняют в структуре 59 данных. Размер фрагмента представляет собой длину временного сегмента, который должен обрабатываться в каждой итерации, выполняемой процессором ядра системы, как представлено количеством выборок, которые будут обработаны, как группа или «фрагмент» данных. Размер фрагмента в основном зависит от приложения (частотный диапазон, подлежащий обработке и требуемое разрешение), времени распространения системы и времени прохождения между входом и выходом для сигналов шума, которые передают в эфире или иным образом (обработка должна быть завершена, и антишум вводят в поток сигнала до того, как исходный сигнал проходит точку выхода антишума).

Например, для системы в воздушной среде, обрабатывающей весь спектр аудио, расстояние между входным и выходным микрофонами составляет 5,0 дюйма, частота дискретизации 48 кГц и время распространения системы равно 0,2 мс; размер фрагмента 16 был бы уместен (при частоте дискретизации 48 кГц 16 выборок эквивалентны ~ 0,3333 мс по времени; и при стандартных температуре и давлении звук распространяется ~ 4,5 ”в воздухе за это время). Работа процессора может быть оптимизирована для эффективной обработки желаемого размера фрагмента, ограничивая системные вызовы и изменения состояния до одного на фрагмент.

Эта запись размера фрагмента обычно сохраняют в самом начале, когда устройство шумоподавления сконфигурировано для данного приложения. В большинстве случаев нет необходимости или желательно изменять запись о размере фрагмента во время работы алгоритма шумоподавления процессора ядра системы.

Диапазоны полос частот, размеры сегментов в каждом диапазоне полос частот и масштабный коэффициент выходного сигнала для каждой полосы частот задают в качестве начальных условий в зависимости от приложения и сохраняют в структуре 59 данных. Эти параметры могут быть установлены в пользовательском интерфейсе, использованы в качестве предустановок в системе или динамически рассчитаны.

Затем схема обработки на этапе 62 измеряет и сохраняет в структуре 59 данных время распространения системы, соответствующее времени, затрачиваемому схемой обработки и ассоциированными с ней входными и выходными схемами, для выполнения процессов снижения шума. Это выполняется путем работы схемы обработки в режиме калибровки, описанном ниже, где сигнал шума подают в схему обработки, на которую схема обработки воздействует, чтобы генерировать сигнал шума и выходной сигнал. Время, прошедшее между входом сигнала шума до момента вывода сигнала антишума, представляет время распространения системы. Это значение сохраняют в структуре 59 данных.

Дополнительно, схема обработки на этапе 64 измеряет и сохраняет в структуре 59 данных время распространения в воздухе. Эту операцию также выполняют схемой обработки в режиме калибровки, описанном ниже. В этом случае, схема обработки переключается в режим, в котором она не генерирует никакого выходного сигнала. Истекшее время между приемом сигнала на входном микрофоне и приемом сигнала на микрофоне обратной связи измеряют и сохраняют как время распространения в воздухе.

Затем схема обработки на этапе 66 вычисляет и сохраняет в структуре 59 данных время смещения системы, определенное как время распространения в воздухе минус время распространения системы. Это значение необходимо позже, когда схема обработки вычисляет примененную временную задержку.

С учетом вышеупомянутых параметров калибровки, рассчитанных и сохраненных таким образом, алгоритм подавления шума процессора ядра системы теперь может выполнять предварительные вычисления для конкретного сегмента (альтернативно, эти вычисления могут быть выполнены в режиме реального времени, при условии, что имеется достаточная доступная вычислительная мощность).

Как показано, этап 68 и последующие этапы 70 и 72 выполняют параллельно (или быстро последовательно) для каждого сегмента в соответствии с установками полосы частот. Если для данного приложения имеется 1000 сегментов, то этапы 68-70 выполняются 1000 раз, предпочтительно параллельно, и данные сохраняют в структуре 59 данных.

На этапе 70 корректируют время фазового сдвига на 180 градусов путем вычитания ранее сохраненного времени смещения системы для каждого сегмента. Схема процессора вычисляет и сохраняет абсолютное значение этого значения как примененную временную задержку - таким образом, примененное время задержки является положительным числом, представляющим величину фазового сдвига, которая должна быть применена к соответствующему сегменту.

Процессор ядра системы использует эти сохраненные данные для более быстрой обработки частотных сегментов (заранее применяя предварительно рассчитанные временные сдвиги для всех частотных сегментов). Схема процессора на этапе 72 выполняет фазовый сдвиг сигнала сегмента шума, сдвигая по времени сигнал шума сегмента на величину, сохраненную как примененную временную задержку для этого сегмента. Кроме того, если требуется корректировка амплитуды (или точная настройка фазы) в соответствии с установками частотного диапазона или обработкой 52 обратной связи (фиг. 6), эту корректировку также применяют здесь (в некоторых вариантах осуществления корректировку фазового сдвига и амплитуды могут применять одновременно, сохраняя информацию как вектор). Все сегменты обрабатывают параллельно или быстро последовательно, в зависимости от архитектуры системы.

Как только все сегменты для конкретного фрагмента были скорректированы надлежащим образом, схема обработки на этапе 74 затем повторно объединяет все обработанные сегменты для генерирования формы сигнала антишума для вывода в поток сигналов.

Для дальнейшего понимания процесса, выполняемого схемой обработки, обратимся теперь к фиг. 8, которая дает более физическое представление о том, как обрабатывается сигнал шума. Начиная с этапа 80, получают сигнал шума 82. На фиг. 8 сигнал шума изображен в виде изменяющегося во времени сигнала, содержащего множество различных частотных составляющих или гармоник.

На этапе 84 фрагмент спектра сигнала шума подразделяют на сегменты 86 в соответствии с параметрами 59, рассмотренными в связи с фиг. 7. Для иллюстрации на фиг. 7 предполагают, что изменяющийся во времени сигнал шума 82 была выражен в частотной области, где самые низкие частотные составляющие выделены самой левой стороне спектрального графика 86, тогда как самые высокие частотные составляющие или гармоники выделены самой правой стороне спектрального графика. Например, спектральный график 86 может иметь диапазон 20 Гц - 20000 Гц, охватывающий общепринятый полный диапазон человеческого слуха. Конечно, спектр может быть распределен по-разному в зависимости от применения.

Следует признать, что, хотя сигнал шума был представлен в частотной области в спектре 86, сигнал шума по своей природе является изменяющимся во времени сигналом. Таким образом, количество энергии в каждом сегменте частотной области будет изменяться со временем. Для иллюстрации данного колебания изображена каскадная диаграмма 88, показывающая, как энергия внутри каждого частотного сегмента может изменяться с течением времени по вертикальной оси.

Индивидуально для каждого сегмента, как и на этапе 90, применяют частотно-зависимый фазовый сдвиг (т.е. примененную временную задержку). Чтобы проиллюстрировать это, форма 92 сигнала представляет частоту шума в сегменте перед сдвигом. Форма 94 сигнала представляет ту же частоту шума после применения времени смещения системы. Наконец, форма 96 сигнала представляет результирующую частоту шума после того, как было применено время фазового сдвига 180 градусов (обратите внимание, что это только для иллюстративных целей - при фактической обработке применяется только примененная временная задержка, которая является абсолютным значением фазового сдвига 180 градусов минус время смещения системы). Для этой иллюстрации также предполагают, что для обрабатываемых сегментов не требуется масштабирование амплитуды.

Посредством объединения сдвинутых по времени компонентов из каждого сегмента на этапе 98 формируют сигнал антишума 100. Когда этот сигнал антишума выводят в поток сигналов, как на этапе 102, сигнал антишума 100 смешивают с исходным сигналом 104 шума, вызывая деструктивную помеху, эффективно подавляя или ослабляя сигнал шума. Оставшийся сигнал представляет собой любой несущий информацию сигнал 108, который можно извлечь на этапе 106.

Режим калибровки

Фиг. 9 иллюстрирует, как схема 10 обработки, входной микрофон 14, громкоговоритель 24 с усилителем и микрофон 26 обратной связи могут быть использованы для выполнения калибровки путем выборочного использования алгоритма процессора ядра системы при выполнении измерения.

В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления время распространения звука в воздухе вычисляют с отключенной системой шумоподавления процессора ядра системы и выходной мощностью. В этом состоянии время распространения звука в воздухе рассчитывают, как разница во времени между моментом, когда входной шум фиксируется на входе микрофона 14, и временем, когда шум фиксируется на микрофоне 26 обратной связи. Время распространения системы измеряют с помощью системы шумоподавления процессора ядра системы. Тот же самый вход снова вводят во входной микрофон 14. На этот раз обрабатывают процессором ядра системы и выводят через громкоговоритель (например, громкоговоритель 24 или другой подходящий калибровочный громкоговоритель или преобразователь), размещенный перед микрофоном 26 обратной связи. Во время обработки входной сигнал в процессоре ядра системы, его частота может быть изменена таким образом, чтобы выходной импульс отличался от входного импульсного шума (или время/фаза двух сигналов могут быть использованы для различия выходного сигнала системы от исходного шума). Как сигналы, распространяющиеся в воздушной среде, так и генерируемые системой сигналы будут поступать в микрофон обратной связи. Время распространения системы затем может быть рассчитано из времени входного импульсного сигнала для достижения микрофона обратной связи и времени выходного сигнала для достижения микрофона обратной связи.

Следует отметить, что этот режим калибровки может фактически исключить значительное количество инженерного времени, необходимого для «настройки» системы, чтобы учесть незначительные изменения среди используемых микрофонов или физическую геометрию наушников или наушников с шумоподавлением. Это может привести к значительному снижению затрат на разработку продукта. Режим калибровки также устраняет физические недостатки настройки отдельных наборов на производственной линии из-за допусков и отклонений производства отдельных компонентов (особенно в микрофонах), предоставляя автоматизированный способ начальной настройки. Данный аспект представляет собой еще один значительный признак экономии производственных затрат.

Используя время смещения системы, процессор вычисляет временную задержку конкретного сегмента, которую будут применять к каждому сегменту, чтобы сформировать точный антишум, требуемый для сегмента. Чтобы рассчитать точную временную задержку сегмента, процессор определяет время, необходимое для получения фазового сдвига на 180 градусов на центральной частоте конкретного частотного сегмента, и корректирует его по времени смещения системы. В частности, временную задержку сегмента рассчитывают, как абсолютное значение [времени фазового сдвига на 180 градусов минус время смещения системы].

После того, как все временные задержки сегмента антишума рассчитаны, цифровые сигналы для каждого сегмента затем задерживают по времени на вычисленную величину для этого сегмента, и все сгенерированные таким образом сегменты антишума затем объединяют в один сигнал антишума, который затем выводят (например, на акустическую систему).

В вариантах осуществления, в которых используют микрофон обратной связи или другой источник сигнала обратной связи, процессор 10 сравнивает входной сигнал микрофона обратной связи с входным сигналом входного микрофона как по фазе, так и по амплитуде. Процессор использует сравнение фаз для корректировки применяемой временной задержки и использует амплитуду сигнала антишума для корректировки амплитуды генерируемого сигнала шумоподавления. При корректировке амплитуды процессор может управлять амплитудой индивидуально для каждого сегмента в диапазоне частотных диапазонов (и, таким образом, эффективно управляя амплитудой для каждого сегмента). Альтернативно, частотная композиция и амплитуда самого сигнала обратной связи могут использовать для определения необходимых корректировок амплитуды и фазы каждого сегмента.

Подробное описание процесса функционирования процессора ядра системы

Ссылаясь теперь на фиг. 10, приведено подробное объяснение того, как схема 10 обработки сигналов реализует процесс функционирования процессора ядра системы. В частности, на фиг. 10 подробно показана архитектура программного обеспечения, реализованная схемой обработки сигналов в предпочтительном варианте осуществления. Пользователь может взаимодействовать с процессором, выполняющим процесс функционирования процессора ядра системы, несколькими способами. При желании пользователь может запустить режим конфигурации устройства глушителя на этапе 120. Таким образом, пользователь также может возможно сконфигурировать полосы частот и соответствующие ширины и амплитуды сегмента, а также параметр порогового значения шума вентиля (часть структуры 59 данных (см. также фиг. 7). Размер фрагмента также может быть установлен в качестве параметра интерфейса пользователя.

Альтернативно, пользователь может просто инициировать устройство глушителя на этапе 132. При этом, пользователь может дать команду инициировать процесс функционирования процессора ядра системы откалибровать устройство на этапе 134. Процесс калибровки побуждает программное обеспечение 124 процессора ядра системы выполнять процесс калибровки. посредством вызова механизма 126 калибровки, часть программного обеспечения 124 процессора ядра системы, работающего в схеме обработки сигналов, выполняет процесс калибровки, подробно описанный выше, тем самым, заполняя структуру 59 данных временем распространения звука в воздухе, временем распространения системы и другими вычисленными параметрами. Эти сохраненные параметры затем используются механизмом 128 генерирования антишума, также являющимся частью программного обеспечения 124 процессора ядра системы. Как показано, механизм 128 генерирования антишума поставляет сигналы в громкоговоритель, который затем вводит сигнал антишума в поток сигнала на этапе 130.

Требуется ли это как часть процесса калибровки или как часть процесса уменьшения шума во время использования, процессор ядра системы вводит сигналы от входного микрофона и микрофона обратной связи, как показано на 136. Для уменьшения шума во время использования пользователь подает команду устройству подавить шум через пользовательский интерфейс как на этапе 138. Как показано, это вызывает введение сигнала антишума в поток сигналов (например, в эфир 140). Если используется, белый шум или розовый шум также может быть введен в поток сигнала на этапе 142.

С целью дополнительной иллюстрации способа работы схемы обработки сигналов по алгоритму процессора ядра системы на примерных входных данных, ниже приведена таблица. В приведенной ниже таблице указаны примерные определяемые пользователем диапазоны частот. Как можно видеть, примененная временная задержка может быть представлена как число с плавающей запятой, соответствующее времени задержки в секундах. Как показывают данные, типичные применяемые временные задержки могут быть довольно малыми, однако каждая применяемая временная задержка точно рассчитана для каждого данного частотного сегмента.

В отличие от традиционных технологий шумоподавления, алгоритм подавления шума процессора ядра системы обеспечивает исключительные результаты для частот выше 2000 Гц и способствует достижению хороших результатов по всему аудиоспектру (до 20000 Гц) и за его пределами (при условии достаточной скорости обработки). Обычные технологии, применяемые в настоящее время, достаточно эффективны только до приблизительно 2000 Гц и, по существу, неэффективны при частотах выше 3000 Гц.

Варианты осуществления различных случаев использования

Базовая технология, раскрытая выше, может найти широкое применение. Далее будут описаны некоторые из этих вариантов использования.

Варианты осуществления системы (аудио) глушителя в воздушной среде

Система глушителя в воздушной среде может быть реализована, как показано на фиг. 1 и описано выше. Возможны несколько разных вариантов осуществления. К ним относится одноблочная система с низким энергопотреблением, оптимизированная для обеспечения индивидуальной тихой зоны. Как показано на фиг. 11, компоненты, изображенные на фиг. 1, установлены на столе или в корпусе, содержащие громкоговоритель с усилением, который направлен на пользователя. Обратите внимание, что микрофон 26 обратной связи расположен в звуковом поле громкоговорителя. Он может иметь фиксированную конфигурацию или может использовать съемный кронштейн, который также функционирует как подставка для микрофона, чтобы пользователь мог разместить микрофон обратной связи ближе к месту, где пользователь находится. Другим вероятным вариантом осуществления является размещение системы глушителя в смартфон или добавление в качестве приложения для смартфона. В этом варианте осуществления для построения системы можно использовать встроенные микрофоны и динамики телефона, а также микрофон из гарнитуры.

Фиг. 12 показывает альтернативный вариант осуществления, где компоненты по фиг. 1 размещены на монтажной раме, приспособленной для размещения в окне комнаты, при этом оконная рама обозначена буквой W. В этом варианте осуществления входной микрофон 14 захватывает внешний звук и громкоговоритель 24 с усилением вводит в помещение антишумовой аудиосигнал. Микрофон обратной связи может быть расположен на кронштейне или удобно расположен рядом с пользователем. При желании микрофон обратной связи может осуществлять беспроводную связь со схемой 10 обработки, используя Bluetooth или другой протокол беспроводной связи. В этом варианте осуществления регулировки амплитуды для различных диапазонов полосы частот, определенных в калибровочной модели, вероятно, будут существенными (как в варианте осуществления для наушников) из-за того, как стены и окна влияют на первоначальный шум.

На фиг. 13 показан другой вариант осуществления, где компоненты фиг. 1 размещены в монтажном пакете для камеры, приспособленном для установки в воздуховоде HVAC системы или в воздуховоде системы вентилятора (например, потолочный вентилятор в ванной комнате, вентилятор для кухни, вентилятор для промышленной вентиляции и т.п.). В этом варианте осуществления звуки, генерируемые HVAC системой или системой вентиляторов, дискретизируют входным микрофоном 14, и сигнал антишума вводят в систему воздуховодов. В этом варианте осуществления, при желании, могут быть развернуты несколько акустических систем на вентиляционных регистрах по всему дому или в здании, так что HVAC или шум системы вентиляторов дополнительно уменьшают в каждом месте. Такой вариант с несколькими громкоговорителями может использовать отдельные микрофоны 26 обратной связи в каждой комнате, например, рядом с каждым регистром. Схема 10 обработки может подавать сигнал управления громкостью усилителя индивидуально на каждый громкоговоритель с усилением для настройки уровня звукового давления противосигнала шума для каждой комнаты. Помещения, расположенные ближе к источнику шума, могут потребовать более высокого усиления сигнала антишума, чем помещения, расположенные дальше. В качестве альтернативы, может быть установлено отдельное устройство в отдельных регистрах, чтобы обеспечить конкретное управление условиями в конкретном местоположении.

Второй класс устройств глушителя в воздушной среде содержит мощные многоблочные системы, предназначенные для уменьшения шума, исходящего от источников высокой энергии. К ним относятся системы для уменьшения шума, создаваемого на строительных площадках, шума, создаваемого вдоль оживленных улиц или автомагистралей, шума, создаваемого близлежащими аэропортами. Эти же мощные, многоблочные системы также могут быть адаптированы к снижению шума по периметру школы и стадиона. Кроме того, мощные многоблочные системы могут использоваться для уменьшения дорожного шума в кабинах транспортных средств (например, автомобили, грузовики, военные танки, катера, самолеты и т.д.).

Фиг. 14 показывает примерную высокомощную многоблочную систему, развернутую для снижения шума на магистрали. Отдельные устройства глушителя, каждое из которых реализовано так, как показано на фиг. 1, расположены таким образом, что они перехватывают шум магистрали, используя свои соответствующие входные микрофоны 14, и вводят звуковую энергию антишума в окружающую среду, так что шум магистрали подавляют посредством разрушительных помех, расположенном на расстоянии. В качестве альтернативы устройство глушителя может быть расположено непосредственно во дворе дома, чтобы обеспечить более прямое покрытие.

В варианте осуществления шумоподавления на магистрали отдельные устройства глушителя предпочтительно устанавливают на вертикальных стойках или другой подходящей конструкции, чтобы громкоговорители находились значительно выше головы любых людей, стоящих рядом. Микрофоны 26 обратной связи могут быть размещены на значительном расстоянии от устройства глушителя с использованием связи WiFi или другого протокола беспроводной связи для отправки информации обратной связи в схему обработки.

Кроме того, при желании, отдельные устройства глушителя могут быть беспроводным образом объединены в сеть, такую как сеть сотовой связи или локальная сеть, что позволяет устройствам глушителя обмениваться информацией о локальных звуковых входных сигналах и сигналах обратной связи, полученных каждым блоком устройства глушителя. В случае дорожного шума источники громкого шума могут отслеживаться входными микрофонами соответствующих устройств глушителя. Таким образом, в качестве звука от торможения грузовика с полуприцепом или мотоцикла с неэффективными глушителями двигателя вдоль участка защищенной от шума магистрали, система коллективных устройств глушителей может связываться друг с другом и адаптировать свои соответствующие сигналы шума для усиления того, что в противном случае возможно использовать как индивидуальный вход и микрофоны обратной связи. Это реализует форму подавления разнесенного шума, ставшую возможной благодаря тому, что используют два разных, математически ортогональных источника информации: (a) источники микрофонов обратной связи и (b) коллективные входные микрофоны, совместно используемые через сотовую сеть или локальную сеть.

Фиг. 15 иллюстрирует, как мощная многоблочная система может быть развернута в транспортном средстве, таком как автомобильное транспортное средство. Микрофоны с несколькими входами расположены в местах входа шума в кабине. Эти входные данные обрабатывают по отдельности, либо с использованием нескольких ядер многоядерного процессора 10, либо с использованием нескольких процессоров 10 (показанных здесь как значок на информационно-развлекательном экране автомобиля), представляющий случай, когда система установлена на заводе и встроена в электронную систему автомобиля. Поскольку каждый входной сигнал обрабатывают индивидуально, нет необходимости в том, чтобы каждый сигнал сегментировался одинаковым образом. Действительно, каждый отдельный тип сигнала шума, как правило, будет иметь свою собственную сигнатуру шума (шум в шине сильно отличается от шума глушителя, например). Таким образом, каждый входной сигнал сегментируют так чтобы наилучшим образом соответствовать частотному спектру и уровням звукового давления в каждом отдельном месте шума, чтобы обеспечить желаемые результаты в каждом местоположении пассажира.

Хотя в салоне транспортного средства могут быть использованы специальные антишумовые колонки, также можно использовать звуковую систему, уже имеющуюся в транспортном средстве. Таким образом, в проиллюстрированном варианте осуществления схема 10 обработки подает стереофонический или альтернативный аудиосигнал объемного звука, который смешивается со звуком, поступающим из развлекательной системы в салоне. Микширование может выполняться как в цифровой, так и в аудиообласти. Однако в любом случае, схема 10 обработки принимает сигнал данных, снабжающий схему обработки информацией о том, какой уровень громкости пользователь выбрал для развлекательной системы. Процессор использует эту информацию для регулировки громкости сигнала антишума, чтобы он надлежащим образом нейтрализовал источники шума независимо от того, какой уровень громкости пользователь выбрал для развлекательной системы. Таким образом, когда пользователь увеличивает уровень громкости музыки, схема 10 обработки уменьшает сигнал шума, подаваемый в микшер для компенсации. Процессор запрограммирован на то, чтобы в кабине генерировались правильные уровни звукового давления, не влияющие на шум, независимо от того, как пользователь установил уровень звука для прослушивания развлекательного контента.

Еще один класс системы глушителя в воздушной среде обеспечивает функцию инвертирования в воздухе. В этом типе системы система глушителя конфигурируется в обратном порядке, чтобы сформировать «конус молчания», который позволяет частному разговору происходить публично, при этом другие не могут четко слышать, что говорится. Как показано на фиг. 16, устройство глушителя развернуто с одним или несколькими обращенными наружу громкоговорителями. Входные микрофоны расположены в центре расположения громкоговорителей, таким образом, помещая людей в частном разговоре на стороне «шумового ввода» аудиопотока. В этом варианте осуществления микрофоны 26 обратной связи развернуты в местах, где сторонние слушатели (нежелательные слушатели) не могут легко перекрывать эти микрофоны и, таким образом, изменять генерируемый сигнал шума для отмены этого разговора.

Телекоммуникационный микрофон, телекоммуникационная гарнитура и персональные наушники/вкладыши (аудио)

Система телекоммуникаций/наушников может быть реализована, как показано на фиг. 2 и описано выше. Возможны несколько разных вариантов осуществления.

Один такой вариант осуществления, показанный на фиг. 17, представляет собой приложение для смартфона, где входной микрофон находится на задней панели смартфона, динамик является динамиком приемника смартфона, процессор ядра системы реализован с использованием процессора смартфона, и микрофон обратной связи не используется (из-за фиксированной геометрии). В этом варианте осуществления тот же самый антишум может быть добавлен к передаче микрофона. Альтернатива этого варианта осуществления включает в себя пассивную гарнитуру, подключенную к разъему для микрофона/наушников, разъему фонарика и т.д. Чтобы этот альтернативный вариант был эффективным, микрофон на телефоне должен быть подвержен воздействию окружающего шума, а не находится в кармане, кошельке или рюкзаке.

Другим вариантом потребительского уровня могут быть наушники, гарнитура или вкладыши с шумоподавлением, причем обработку процессора ядра системы выполняют с использованием процессора и входного микрофона (микрофонов), включенных в состав гарнитуры, наушников или вкладышей, как показано на фиг. 18. В этом варианте осуществления (как описано ранее) общий процессор может использоваться для обоих ушей стереосистемы для продуктов с более низкой стоимостью/производительностью, а отдельные процессоры могут использоваться для каждого уха для продуктов с более высокой стоимостью/производительностью.

В коммерческих продуктах и военных изделиях, вероятно, будут использоваться более быстродействующие процессоры, отдельная обработка для каждого наушника и отдельный процессор для шумоподавления микрофона. Для наиболее важных применений дополнительный входной микрофон (микрофоны) будет использоваться для захвата окружающего шума высокой интенсивности (из-за скопления людей на стадионе, ветра, транспортных средств, боеприпасов и т.д.), процессор ядра системы будет находиться в непосредственной близости от фактической передачи микрофона, как показано на фиг. 19. Например, Navy Seals на F470 Combat Rubber Raiding Craft могут отказаться от горловых микрофонов, которые они используют в настоящее время, и могут получить преимущество в улучшении связи с использованием этого типа системы. Точно так же спортивные комментаторы будут наслаждаться меньшим, более легким, менее навязчивым, более «дружественным к камере» дизайном гарнитуры.

Автономная обработка сигналов (аудио)

Система автономной обработки сигналов может быть реализована, как показано на фиг. 3 и описано выше. В этом варианте осуществления известные шумовые характеристики могут быть уменьшены или исключены из записей или в ситуации работы в режиме реального времени с соответствующей задержкой между действием и фактической трансляцией. В этом варианте осуществления процессор ядра системы может представлять собой «плагин» другой системы программного обеспечения для редактирования или обработки, встроенный в другой процессор сигналов или в качестве автономного устройства, как показано на фиг. 20. Если характеристики шума должны быть удалены (или, в качестве альтернативы, сигнала, который будет передаваться в неизвестной шумовой среде: исключение этих частот из установок диапазона полосы частот и установка коэффициента масштабирования амплитуды на 1 для частот, отсутствующих в определениях диапазона полосы частот, позволят только этим частотам пройти), системные параметры могут быть установлены вручную (или через предустановки), чтобы эффективно удалить шум и передать целевой сигнал. В качестве альтернативы, режим калибровки можно использовать для анализа шума части «предварительной прокатки», чтобы определить соответствующие установки антишума. Варианты использования для этого варианта осуществления включают в себя удаление шума из старых записей, снижение шума в «живой» ситуации без отрицательного влияния на качество речи диктора, удаление шума из записи в системе наблюдения, усиление звука в записи наблюдения и т.д.

Шифрование/дешифрование (аудиодиапазон или за его пределами)

Система шифрования/дешифрования может быть реализована, как показано на фиг. 4, и описано выше. Основным вариантом использования здесь является передача частной информации путем тайного кодирования ее в узкие сегменты широкополосной передачи или сигнала шума таким образом, который не оказывает существенного влияния на широкополосный сигнал. Другим вариантом использования этого варианта осуществления является включение дополнительных данных или информации о широкополосной передаче. Как показано на фиг. 21, «ключ» шифрования будет включать в себя информацию о частоте и амплитуде для «выделения» дискретных «каналов» в широкополосном сигнале, которые не окажут существенного влияния на широкополосный контент (например, белый шум). Кодированный сигнал будет размещаться на «несущих» соответствующих частот посредством модуляции, поэтому, когда «несущие» добавляют к широкополосному контенту, он будет казаться «нормальным» для наблюдателей. Ключ «дешифрования» будет предписывать установки амплитуды и частоты для диапазонов полосы частот, что приведет к аннулированию всей информации, кроме тех «несущих», которые затем могут быть демодулированы и декодированы. Ожидается, что это будет достигаться чаще всего путем исключения частот «несущей» из определений полосы частот и установки амплитуды по умолчанию из исключенных частот, установленных на 0. Сохранение сигналов «несущей» может быть дополнительно улучшено путем соответствующего масштабирования амплитуды антишума, сформированной в непосредственной близости от «несущих» частот как часть определения «ключа дешифрования».

В альтернативном варианте осуществления система шифрования/дешифрования может не выполнять этап «выделения» дискретных каналов в широкополосном сигнале. Скорее, эти дискретные каналы просто идентифицируют процессором на основании частной априорной информации, какие части частотных спектров следует выбирать. Такую априорную информацию о выбранных каналах сохраняют в памяти, к которой обращается процессор, а также доводится до сведения предполагаемого получателя сообщения тайным или личным способом. Сообщение, которое должно быть отправлено, затем модулируют на подходящей несущей, которая содержит сообщение в этих дискретных каналах, но смешивается с сигналом шума, который присутствует в противном случае. Весь широкополосный сигнал (включающий в себя дискретные каналы, маскированные шумом) затем передают. После приема широкополосный сигнал обрабатывают на стороне декодирования с использованием процессора, который запрограммирован для разделения широкополосного сигнала на сегменты, идентифицируют дискретные каналы, несущие сообщение (на основании априорной информации о частотах канала), и выполняют операцию снижения шума на каналах передачи сообщений.

Улучшение процесса обнаружения, приема или распознавания сигнатуры сигнала (аудиодиапазон и выше)

Улучшение распознавания, обнаружения или приема сигнатуры может быть реализовано, как показано на фиг. 5, и описано выше. Этот вариант осуществления процессора ядра системы облегчает распознавание, обнаружение или улучшение конкретных типов передач или сигнатур устройства в поле шума. На фиг. 22 показана возможность распознавания или обнаружения множества сигнатур в одном поле шума или передачи данных путем развертывания нескольких экземпляров процессора ядра системы для исследования этого поля. В отличие от других вариантов осуществления, где микрофон используют для захвата входящего сигнала шума, в этом варианте осуществления шум, производимый конкретным устройством, захватывается в течение предварительно определенного периода времени, и затем захваченные данные обрабатывают путем вычисления скользящего среднего или другой манипуляции статистического сглаживания для разработки сигнатуры шума для этого устройства. В зависимости от природы устройства эта сигнатура шума может быть сигнатурой звуковой частоты (например, представляющей звук двигателя вентилятора), или она может быть сигнатурой электромагнитной частоты (например, представляющей радиочастотные помехи, создаваемые коммутируемым двигателем или мотором с электронным управлением). После этого сигнатура шума для этого устройства используется для генерации сигнала антишума. Сигнатура шума, разработанная таким образом, может храниться в памяти (или в базе данных для доступа других систем), и при необходимости к ним может обращаться схема обработки сигналов, чтобы уменьшить шум конкретных устройств или классов устройств.

В дополнение к возможности снижения шума конкретных устройств, база данных хранимых сигнатур шума также может быть полезна для идентификации устройств по сигнатуре создаваемых шумов, путем установки процессора ядра системы для обработки только этих сигнатур. Один из вариантов использования предусматривает возможность энергетическим компаниям обнаруживать активацию неинтеллектуальных сетевых продуктов, чтобы помочь предвидеть нагрузку на сеть, вызванную унаследованными продуктами (системами HVAC, холодильниками и т.д.). Другим вариантом использования будет обнаружение или усиление отдаленной или слабой электромагнитной связи с известными характеристиками. Альтернативно, параметры частоты и амплитуды диапазонов частотных диапазонов могут быть установлены для обнаружения помех в поле передачи или шума, ассоциированного с конкретными инцидентами, такими как: электромагнитные помехи, которые могут быть вызваны беспилотным или другим объектом, пересекающим линию передачи или шумовое поле, активация оборудования наблюдения или контрнаблюдения, вмешательство в источники передачи или поля, атмосферные или земные события и т.д.

Вышеприведенное описание вариантов осуществления предоставлено в целях иллюстрации и описания. Настоящий документ не является исчерпывающим или ограничивающим настоящее изобретение. Отдельные элементы или признаки конкретного варианта осуществления, как правило, не ограничиваются этим конкретным вариантом осуществления, но, где это применимо, являются взаимозаменяемыми и могут использоваться в выбранном варианте осуществления, даже если специально не показано или не описано. То же самое может быть изменено во многих отношениях. Такие изменения не должны рассматриваться как отступление от настоящего изобретения, и все такие модификации должны находиться в рамках объема изобретения.

1. Способ снижения шума в потоке сигнала, содержащем ложный сигнал, относящийся к шуму, содержащий этапы, на которых:

получают оцифрованный сигнал шума;

используют схему цифрового процессора для разделения полученного сигнала шума на различные сегменты полосы частот и генерирования множества сегментированных сигналов шумов;

используют, индивидуально для каждого сегментированного сигнала шума, схему цифрового процессора для сдвига во времени сегментированного сигнала шума, тем самым формируя множество сдвинутых сегментированных сигналов шумов, при этом величина сдвига во времени зависит от выбранной частоты сегментированного сигнала шума, при этом принимают во внимание как время распространения, ассоциированное с сигналом шума, так и время распространения системы, ассоциированное со скоростью обработки схемы цифрового процессора и любого ассоциированного оборудования;

объединяют множество сдвинутых сегментированных сигналов шумов для формирования составного сигнала антишума;

выводят сигнал антишума в поток сигналов для снижения шума за счет деструктивной помехи.

2. Способ по п. 1, в котором сдвиг во времени сегментированного сигнала шума соответствует сдвигу по фазе сегментированного сигнала шума.

3. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы, на которых:

применяют, индивидуально для каждого сегментированного сигнала шума, коэффициент масштабирования амплитуды, подходящей для применения;

объединяют множество сдвинутых и масштабированных по амплитуде сегментированных сигналов шума для формирования составного сигнала антишума.

4. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором используют схему цифрового процессора для разделения полученного сигнала шума на набор различных диапазонов полос частот и дополнительного разделения каждого диапазона полосы частот на упомянутые сегменты полосы частот.

5. Способ по п. 1, в котором размер каждого отдельного сегмента полосы частот и коэффициента масштабирования амплитуды устанавливают посредством программирования схемой цифрового процессора.

6. Способ по п. 1, в котором размер каждого из набора различных диапазонов полос частот и соответствующие коэффициенты масштабирования амплитуды устанавливают посредством программирования схемой цифрового процессора.

7. Способ по п. 1, в котором схема цифрового процессора запрограммирована на сдвиг фазы сегментированного сигнала шума на величину, соответствующую времени сдвига фазы, вычисленному в качестве половины инверсии выбранной частоты для каждого сегмента.

8. Способ по п. 1, в котором схема цифрового процессора запрограммирована для измерения и вычисления времени смещения системы, учитываемого как время распространения, ассоциированное с сигналом шума, так и время распространения системы, ассоциированное с пропускной способностью схемы цифрового процессора, и любого ассоциированного оборудования.

9. Способ по п. 8, в котором схема цифрового процессора запрограммирована на сдвиг фазы сегментированного сигнала шума на величину, соответствующую времени сдвига фазы, рассчитанную как половина инверсии выбранной частоты и дополнительно скорректированную временем смещения системы.

10. Способ по п. 9, в котором схема цифрового процессора запрограммирована для корректировки сегментированного сигнала антишума с помощью коэффициента масштабирования амплитуды.

11. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором преобразуют сигнал антишума в аналоговый сигнал и выводят сигнал антишума в поток сигнала посредством смешивания его с исходным шумом в пределах потока сигнала.

12. Способ по п. 11, дополнительно содержащий этап, на котором смешивают сигнал антишума с исходным шумом в потоке сигнала, с использованием громкоговорителя с усилением или другого преобразователя, расположенного в потоке сигнала.

13. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором захватывают сигнал шума в потоке с использованием по меньшей мере одного микрофона, соединенного с аналого-цифровым преобразователем, для формирования полученного оцифрованного сигнала шума.

14. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы, на которых:

получают сигнал обратной связи посредством выборки потока сигнала после вывода сигнала антишума в поток сигналов; и

осуществляют обработку сигнала обратной связи с использованием схемы цифрового процессора для корректировки амплитуды и/или фазы сигнала антишума для увеличения степени ослабления сигнала шума.

15. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы, на которых:

получают сигнал обратной связи посредством выборки потока сигналов после вывода сигнала антишума в поток сигнала; и

осуществляют обработку сигнала обратной связи с использованием схемы цифрового процессора для корректировки амплитуды и/или фазы, по меньшей мере, одного из сдвинутых сегментированных сигналов шумов для увеличения степени ослабления шума.

16. Способ по п. 1, дополнительно содержащий использование цифрового процессора для разделения полученного сигнала шума посредством применения преобразования Фурье к полученному оцифрованному аудиосигналу шума и генерирования множества сегментированных сигналов шумов в частотной области.

17. Способ по п. 1, дополнительно содержащий использование цифрового процессора для разделения полученного сигнала шума посредством применения алгоритма вычисления свертки.

18. Способ по п. 1, дополнительно содержащий использование цифрового процессора для разделения полученного сигнала шума посредством применения вейвлет-разложения для разделения полученного сигнала шума на различные сегменты полосы частот и, таким образом, формирования множества сегментированных сигналов шумов.

19. Способ по п. 8, дополнительно содержащий этап, на котором определяют время распространения сигнала посредством:

получения сигнала обратной связи путем выборки потока сигнала без вывода сигнала антишума в поток; и

использования цифрового процессора для измерения промежутка времени между моментом получения оцифрованного сигнала шума и моментом получения сигнала обратной связи и сохранения упомянутой разности в памяти в качестве времени распространения.

20. Способ по п. 8, дополнительно содержащий этап, на котором определяют время распространения системы посредством

получения сигнала обратной связи путем выборки потока сигнала после вывода сигнала антишума в поток; и

использования цифрового процессора для измерения промежутка времени между моментом получения оцифрованного сигнала шума и моментом получения сигнала обратной связи и сохранения упомянутой разности в памяти в качестве времени распространения.

21. Способ снижения уровня аудиошума в персональном устройстве, содержащий этапы, на которых:

получают информационный сигнал;

получают оцифрованный сигнал шума;

используют схему цифрового процессора для разделения полученного сигнала шума на различные сегменты полосы частот и, таким образом, генерирования множества сегментированных сигналов шумов;

используют, индивидуально для каждого сегментированного сигнала шума, схему цифрового процессора для сдвига во времени сегментированного сигнала шума, тем самым формируя множество сдвинутых сегментированных сигналов шумов, при этом величина сдвига во времени зависит от выбранной частоты сегментированного сигнала шума, при этом принимают во внимание как время распространения, ассоциированное с сигналом шума, так и время распространения системы, ассоциированное со скоростью обработки схемы цифрового процессора и любого ассоциированного оборудования;

объединяют множество сдвинутых сегментированных сигналов шумов для формирования составного сигнала антишума;

смешивают сигнал антишума с информационным сигналом для ослабления шума посредством деструктивных помех, формируя, тем самым, выходной сигнал; и

подают выходной сигнал на преобразователь аудиовоспроизведения персонального устройства.

22. Способ по п. 21, в котором сдвиг во времени сегментированного сигнала шума соответствует сдвигу по фазе сегментированного сигнала шума.

23. Способ по п. 21, в котором сдвиг во времени сегментированного сигнала шума соответствует сдвигу во времени, компенсирующему время смещения системы.

24. Способ по п. 21, в котором информационный сигнал содержит по меньшей мере одно из развлекательного контента и голоса.

25. Способ по п. 21, в котором преобразователь аудиовоспроизведения представляет собой устройство персональной гарнитуры или громкоговоритель, установленный внутри персонального устройства.

26. Способ снижения шума в системе обработки сигналов, содержащий этапы, на которых:

получают оцифрованный сигнал шума;

используют схему цифрового процессора для разделения полученного сигнала шума на различные сегменты полосы частот и, таким образом, генерирования множества сегментированных сигналов шумов;

сохраняют множество сегментированных сигналов шумов в памяти;

получают сигнал, несущий информацию, отдельно от получения оцифрованного сигнала шума;

осуществляют обработку полученного сигнала, несущего информацию, посредством:

(а) извлечения сохраненного множества сегментированных сигналов шумов из памяти;

(b) использования, индивидуально для каждого сегментированного сигнала шума, схемы цифрового процессора для сдвига во времени сегментированного сигнала шума, тем самым формируя множество сдвинутых сегментированных сигналов шумов, при этом величина сдвига во времени зависит от выбранной частоты сегментированного сигнала шума, при этом принимают во внимание как время распространения, ассоциированное с сигналом шума, так и время распространения системы, ассоциированное со скоростью обработки схемы цифрового процессора и любого ассоциированного оборудования; и

(c) объединения множества сдвинутых сегментированных сигналов шумов с полученным сигналом, несущим информацию для ослабления шума посредством деструктивных помех; и

выводят обработанный полученный сигнал, несущий информацию.

27. Способ по п. 26, в котором сдвиг во времени сегментированного сигнала шума соответствует сдвигу по фазе сегментированного сигнала шума.

28. Способ по п. 26, в котором сдвиг во времени сегментированного сигнала шума соответствует сдвигу во времени, компенсирующему время смещения системы.

29. Способ шифрования и передачи информационного сигнала, содержащий этапы, на которых:

получают широкополосный сигнал;

используют схему цифрового процессора для разделения полученного широкополосного сигнала на различные сегменты полосы частот и, таким образом, генерирования множества сегментированных широкополосных сигналов;

используют, индивидуально для каждого сегментированного сигнала шума, схему цифрового процессора для сдвига во времени сегментированного сигнала шума, тем самым формируя множество сдвинутых сегментированных сигналов шумов, при этом величина сдвига во времени зависит от выбранной частоты сегментированного сигнала шума, при этом принимают во внимание как время распространения, ассоциированное с сигналом шума, так и время распространения системы, ассоциированное со скоростью обработки схемы цифрового процессора и любого ассоциированного оборудования;

объединяют множество сдвинутых сегментированных сигналов шумов для формирования составного сигнала фазового подавления;

смешивают сигнал фазового подавления с полученным широкополосным сигналом, для удаления множества сегментов полосы частот и, тем самым, определения множества каналов;

размещают информационный сигнал во множестве каналов посредством модулирования несущих частот в удаленном множестве сегментов полосы частот для определения сигнала шифрования; и

передают шифрованный сигнал.

30. Способ по п. 29, дополнительно содержащий этап, на котором дешифруют шифрованный сигнал посредством:

обеспечения, для станции декодирования, ключа дешифрования, идентифицирующего модулированные несущие частоты, используемые для размещения информации во множестве каналов;

используют схему цифрового процессора декодирования станции декодирования для разделения сигнала шифрования на упомянутые различные сегменты полосы частот и, таким образом, генерирования множества сегментированных сигналов шифрования;

используют схему цифрового процессора декодирования для демодуляции сегментированных сигналов шифрования, соответствующих модулированным несущим частотам, идентифицированным ключом дешифрования.

31. Способ снижения шума устройства, производящего шум, содержащий этапы, на которых:

получают оцифрованный репрезентативный сигнал шума устройства, производящего шум

используют схему цифрового процессора для разделения полученного сигнала шума на различные сегменты полосы частот и, таким образом, генерирования множества сегментированных сигналов шума;

используют, индивидуально для каждого сегментированного сигнала шума, схему цифрового процессора для сдвига во времени сегментированного сигнала шума, тем самым, формируя множество сдвинутых сегментированных сигналов шумов, при этом величина сдвига во времени зависит от выбранной частоты сегментированного сигнала шума, при этом принимают во внимание как время распространения, ассоциированное с сигналом шума, так и время распространения системы, ассоциированное со скоростью обработки схемы цифрового процессора и любого ассоциированного оборудования;

объединяют множество сдвинутых сегментированных сигналов шума для формирования составного сигнала антишума;

выводят сигнал антишума в поток сигналов для снижения уровня шума за счет деструктивной помехи.

32. Способ по п. 31, в котором сигнал шума, ассоциированный с устройством, производящим шум, захватывают в течение заданного периода времени, устанавливаемого посредством вычисления скользящего среднего для получения репрезентативного сигнала шума.