ES2918204T3 - Cancelación de ruido que usa cancelación de fase dependiente de frecuencia, segmentada - Google Patents

Abstract

La reducción de ruido dentro de una corriente de señal que contiene señal no deseada denominada ruido se realiza mediante la adquisición de una señal de ruido digitalizada y utilizando un circuito de procesador digital para subdividir la señal de ruido adquirida en diferentes segmentos de banda de frecuencia y, por lo tanto, generar una pluralidad de señales de ruido segmentadas. Luego, individualmente para cada señal de ruido segmentada, el procesador cambia en el tiempo la señal de ruido segmentada en una cantidad dependiente de una frecuencia seleccionada de la señal de ruido segmentada para producir una pluralidad de señales de ruido segmentadas desplazadas. El cambio de tiempo preciso aplicado a cada segmento de ruido considera el contenido de frecuencia del segmento y el tiempo de procesamiento del sistema. Individualmente para cada señal de ruido segmentada, se aplica la escala de amplitud. Las señales de ruido segmentadas desplazadas y con escala de amplitud se combinan para formar una señal anti-nominal compuesta que se emite en la corriente de señal para reducir el ruido a través de la interferencia destructiva. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Cancelación de ruido que usa cancelación de fase dependiente de frecuencia, segmentada

Referencia cruzada a la aplicación relacionada

Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente de utilidad de EE. UU. n.° 15/497.417, presentada el 26 de abril de 2017 y también reclama el beneficio de la solicitud provisional de EE. UU. n.° 62/455.180, presentada el 6 de febrero de 2017.

Campo

Esta divulgación se refiere generalmente a técnicas de cancelación de ruido electrónicas y automáticas. Más particularmente, la divulgación se refiere a una técnica de cancelación de ruido que genera componentes antirruido dependientes de frecuencia en una pluralidad de segmentos de espectro, calculados con precisión para el sistema y la aplicación.

Antecedentes

Los científicos e ingenieros han estado trabajando en el problema de la cancelación de ruido automática, electrónica (ANC) durante décadas. La física básica de la propagación de ondas sugiere que es posible crear una onda “antirruido” que esté desfasada 180 grados con respecto a la señal de ruido y cancelar el ruido por completo a través de una interferencia destructiva. Esto funciona razonablemente bien para sonidos simples, repetitivos y de baja frecuencia. Sin embargo, no funciona bien con sonidos dinámicos que cambian rápidamente o para aquellos que contienen frecuencias más altas.

Los mejores sistemas actuales (que usan un diseño híbrido que combina alimentación directa y realimentación), pueden reducir el ruido repetitivo (como un motor o un ventilador) a frecuencias de hasta 2 kHz usando variantes de filtrado adaptativo LMS (least mean square, media de cuadrados mínimos) para crear la señal antirruido mediante la estimación repetitiva de la función de transferencia que creará el menor ruido práctico en la salida. Aunque las empresas continúan invirtiendo en mejorar los resultados de ANC, su actividad parece estar centrada en mejorar estas técnicas existentes. Además, a pesar de tener una mayor potencia de procesamiento disponible, parece que el ANC que usa varios filtros adaptativos tiene un límite de frecuencia superior en algún punto por debajo de 4 kHz y la capacidad de atenuar las señales entre 10 dB y 30 dB.

El documento WO 2016/195239 A1 da a conocer un dispositivo auricular que tiene una función de cancelación de ruido y un método de cancelación de ruido.

El documento US 5425105 A da a conocer un elemento de cancelación de ruido activo de filtro adaptativo múltiple.

El documento US 8718291 B2 da a conocer una cancelación activa de ruido para auriculares Bluetooth.

El documento US 6 654 467 B1 da a conocer un aparato de cancelación activa de ruido y un método correspondiente.

La presente invención proporciona un método de reducción de ruido dentro de un flujo de señales que contiene una señal no deseada denominada ruido tal como se define en la reivindicación independiente 1. La presente invención proporciona además un sistema correspondiente para la reducción de ruido en un flujo de señales de audio que contiene una señal de ruido tal como se define en la reivindicación independiente 14. En contraste con el enfoque convencional, el sistema dado a conocer es capaz de cancelar prácticamente cualquier intervalo de frecuencia en modo fuera de línea, y al menos el espectro de audio completo en tiempo real a velocidades de procesamiento comercialmente comunes, de manera más eficaz que los métodos actuales en uso.

La velocidad de procesamiento y el poder de computación continúan aumentando rápidamente (por ejemplo, la Ley de Moore se cumple desde 1965). Algunos mercados comerciales y militares son menos sensibles a los costes (que la mayoría de las aplicaciones de productos de consumo) y pueden adaptarse al mayor coste de las velocidades/potencia superiores actuales. Además, el extraordinario poder de la computación cuántica está en el horizonte. Por tanto, se prevén e incluyen realizaciones del sistema y método dados a conocer que se espera que sean cada vez más comercialmente viables con el tiempo. Por tanto, en la presente divulgación, por motivos de sencillez, se ha reducido el número de realizaciones a cinco realizaciones principales definidas por un número mínimo de estructuras de sistemas de hardware diferentes requeridas para realizar la miríada de aplicaciones de la invención. Las estructuras de sistemas de hardware forman parte de la invención en el sentido de que se integran de maneras específicas con variaciones de lo se denomina metodología de procesamiento de señales de “motor central”. Los elementos esenciales de estas cinco realizaciones se representan en las figuras 1-5. En términos generales, las cinco realizaciones pueden describirse como: sistemas por aire; sistemas de telecomunicaciones y de uso personal; sistemas de procesamiento de señales fuera de línea; sistemas de cifrado/descifrado; y sistemas de reconocimiento, detección y recepción de firmas de señales.

La técnica dada a conocer construye, utiliza y aplica un antirruido preciso que se necesita en todo el espectro de señal en tiempo real. El sistema/algoritmo es flexible, lo que permite una resolución y un control más altos o más bajos según lo requiera la aplicación (o según sea práctico, dadas las restricciones de coste en cuanto a potencia de procesamiento u otros factores limitantes impuestos a un ingeniero de producto que implementa la invención). La integración de esta técnica versátil y eficaz en estructuras de sistemas de hardware y software particulares facilita una amplia variedad de aplicaciones. Se clasifican libremente en cinco categorías según las estructuras de sistemas que se han concebido hasta ahora: sistemas por aire; sistemas de telecomunicaciones y de uso personal; sistemas de procesamiento de señales fuera de línea; sistemas de cifrado/descifrado; y sistemas de reconocimiento, detección y recepción de firmas de señales. Es mejor tener en consideración esta lista representativa del potencial del sistema, ya que no pretende limitar el alcance de esta divulgación.

Además de ser útiles en todo el espectro de audio, las técnicas dadas a conocer también pueden usarse en señales electromagnéticas. Por tanto, las técnicas dadas a conocer son capaces de cancelar prácticamente cualquier intervalo de frecuencia en modo fuera de línea, y al menos el espectro de audio completo en tiempo real, usando procesadores disponibles comercialmente en la actualidad. Se anticipa que a medida que aumentan las velocidades del procesador, o mediante la adición de potencia de múltiples procesadores, será posible el procesamiento en tiempo real de cualquier señal electromagnética con esta invención.

El algoritmo procesa segmentos de frecuencia discretos de manera individual mediante el cálculo del antirruido ideal para el sistema o la aplicación, lo que mejora en gran medida el rendimiento de cancelación de ruido en todo el espectro de audio. De hecho, este algoritmo puede cancelar con éxito todo el espectro de audio en aplicaciones de procesamiento de señales y fuera de línea. También es más eficaz en todo el espectro de audio en auriculares y sistemas por aire, y puede gestionar frecuencias más altas que cualquier otro sistema implementado. El procesamiento de segmentos de frecuencia discretos (y permitir que se agrupen intervalos o bandas de frecuencias, tal como se describe más adelante), permite personalizar el algoritmo para que funcione correctamente para cualquier aplicación específica, dentro o mucho más allá del espectro de audio.

El procesamiento de los segmentos de frecuencia discretos permite crear antirruido para fuentes de ruido dinámicas, que cambian rápidamente en el tiempo. (Los métodos actuales que se implementan comercialmente se limitan a sonidos cíclicos de estado estable, tal como el ruido de un motor). El procesamiento de segmentos de frecuencia discretos también reduce la necesidad de múltiples micrófonos de entrada en auriculares/audífonos.

En la aplicación de audio, el algoritmo también reduce la cantidad de micrófonos necesarios para la cancelación de ruido del micrófono y la necesidad de algoritmos complejos de “formación de haces” para identificar el habla deseada del ruido ambiental. Este es especialmente el caso de los auriculares de telecomunicaciones porque el antirruido creado para los auriculares también debería cancelar de manera eficaz las señales no deseadas cuando se añaden a la señal de entrada del micrófono con un ajuste de retardo menor (quizás utilizando componentes pasivos para proporcionar el retardo requerido). Si se desea, el procesamiento de realimentación puede adaptarse y almacenarse en preajustes.

Un modo de calibración reduce la necesidad de ajustes costosos del sistema para diversos sistemas físicos, tanto en la etapa de desarrollo de producto como en la producción en masa.

El uso de bandas o intervalos de frecuencia en las versiones del algoritmo proporciona una variedad de ventajas, que incluyen:

i. Reducir la cantidad de potencia de procesamiento y de memoria necesaria;

ii. Facilitar la maximización del rendimiento del sistema para aplicaciones específicas de manera rápida y sencilla;

iii. Permitir la creación y el despliegue de preajustes para diversos tipos de ruido, entornos, etc.;

IV. Permitir el uso del algoritmo para mejorar la claridad de señales específicas dentro de un entorno ruidoso. Esto permite que el algoritmo se implemente para su uso en audífonos (discernir mejor el habla en un restaurante ruidoso, por ejemplo), en aplicaciones de vigilancia de audio (analizar el habla del ruido ambiental), en el reconocimiento de firmas de dispositivos en una red o en un campo de ruido, o en aplicaciones de cifrado/descifrado.

Otras categorías de aplicabilidad resultarán evidentes a partir de la descripción proporcionada en el presente documento. La descripción y los ejemplos específicos en este sumario están destinados únicamente a fines ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la presente divulgación.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos descritos en el presente documento presentan únicamente fines ilustrativos de realizaciones seleccionadas y no de todas las implementaciones posibles, y no pretenden limitar el alcance de la presente divulgación.

La figura 1 es un diagrama de bloques de una primera realización de un dispositivo silenciador, útil para proporcionar reducción de ruido o cancelación de ruido en un sistema por aire.

La figura 2 es un diagrama de bloques de una segunda realización de un dispositivo silenciador, útil para proporcionar reducción de ruido o cancelación de ruido en un micrófono de telecomunicaciones, auriculares de telecomunicaciones o sistema de auriculares/audífonos.

La figura 3 es un diagrama de bloques de una tercera realización de un dispositivo silenciador, útil para proporcionar reducción de ruido o cancelación de ruido en un sistema de procesamiento de señales;

la figura 4 es un diagrama de bloques de una cuarta realización de un dispositivo silenciador, útil para cifrar y descifrar comunicaciones confidenciales.

La figura 5 es un diagrama de bloques de una quinta realización de un dispositivo silenciador, útil para despejar el ruido de una transmisión electromagnética y para separar firmas o comunicaciones de equipos específicos del ruido de fondo de las líneas eléctricas (para su uso en comunicaciones por línea eléctrica y aplicaciones de redes inteligentes, por ejemplo).

La figura 6 es un diagrama de bloques que ilustra una manera de programar un circuito de procesador digital para realizar el algoritmo de motor central usado en el dispositivo silenciador.

La figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra adicionalmente una manera de programar un circuito de procesador digital para realizar el algoritmo del motor central usado en el dispositivo silenciador.

La figura 8 es un diagrama de procesamiento de señales que ilustra técnicas de procesamiento implementadas por el algoritmo de motor central de la figura 6.

La figura 9 es un diagrama de procesamiento de señales detallado que ilustra el modo de calibración usado en relación con el algoritmo de motor central.

La figura 10 es un diagrama de procedimiento de motor central.

La figura 11 es un sistema de silenciador por aire, con una única unidad, de baja potencia, a modo de ejemplo, configurado como un sistema de zona silenciosa personal de escritorio.

La figura 12 es un sistema de silenciador por aire, con una única unidad, de baja potencia, a modo de ejemplo, configurado como una unidad montada en una ventana.

La figura 13 es un sistema de silenciador por aire, con una única unidad, de baja potencia, a modo de ejemplo, configurado como un paquete montado en una cámara de aire.

La figura 14 es un sistema de silenciador por aire, con múltiples unidades, de alta potencia, a modo de ejemplo, configurado para la reducción del ruido de carretera.

La figura 15 es un sistema de silenciador por aire, con múltiples unidades, de alta potencia, a modo de ejemplo, configurado para reducir el ruido en un vehículo.

La figura 16 es un ejemplo de sistema de silenciador por aire, con múltiples unidades, de alta potencia configurado para crear un cono de silencio para proteger una conversación privada de ser escuchada por otros.

La figura 17 es una realización de integración de teléfono inteligente a modo de ejemplo.

La figura 18 es una realización de auriculares con cancelación de ruido a modo de ejemplo.

La figura 19 es otra realización de auriculares con cancelación de ruido a modo de ejemplo.

La figura 20 ilustra una implementación de procesador a modo de ejemplo.

La figura 21 ilustra una realización de cifrado-descifrado a modo de ejemplo.

La figura 22 ilustra un concepto de detección de firma a modo de ejemplo.

Los números de referencia correspondientes indican partes correspondientes en la totalidad de las diversas vistas de los dibujos.

Descripción de realizaciones preferidas

Ahora se describirán realizaciones a modo de ejemplo con más detalle con referencia a los dibujos adjuntos.

El dispositivo silenciador dado a conocer puede implementarse en una variedad de aplicaciones diferentes. Con fines ilustrativos, en este caso se comentarán en detalle cinco realizaciones a modo de ejemplo. Se entenderá que estos ejemplos proporcionan una comprensión de algunos de los diferentes usos para los que puede emplearse el dispositivo silenciador. También son posibles otros usos y otras aplicaciones dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Con referencia a la figura 1, se ha ilustrado una primera realización a modo de ejemplo del dispositivo silenciador. Esta realización está diseñada para proporcionar cancelación de ruido para un sistema por aire, en donde se detecta el ruido ambiental entrante y se genera una señal de cancelación de ruido y se transmite al área circundante. Tal como se ilustra, esta realización incluye un circuito de procesador de señales digitales 10 que tiene una memoria asociada 12 en la que se almacenan datos de configuración, denominados en el presente documento preajustes para aplicaciones. El circuito de procesador de señales digitales puede implementarse usando un circuito integrado de procesador multimedia disponible comercialmente, tal como el procesador Broadcom BCM2837 Quad Core ARM Cortex A53, o similares. Los detalles de cómo se programa el circuito de procesador de señales digitales se proporcionan a continuación. En una realización preferida, el circuito de procesador de señales digitales puede implementarse usando un ordenador Raspberry Pi, tal como un Raspberry Pi 3 modelo B, o mejor. Este dispositivo incluye el circuito de procesador de señales 10, así como una GPU VideoCore IV, integrada en SDRAM, un circuito de transceptor WiFi y Bluetooth, un circuito de LAN inalámbrico 802.11n y soporte para comunicación Bluetooth 4.1. Se proporcionan veintiséis puertos GPIO, así como cuatro puertos USB 2, un puerto Ethernet 100Base-T, puertos d S i y CSI, un puerto de video/audio compuesto de 4 polos y un puerto HDMI 1.4. Estos puertos pueden usarse para proporcionar conectividad entre las entradas y salidas del circuito de procesador de señales 10 tal como se muestra en los diagramas de bloques de las figuras 1-4.

El sistema de cancelación de ruido por aire de la figura 1 incluye uno o más micrófonos de entrada 14 que se despliegan en una ubicación física en donde pueden detectar la fuente de ruido que desea cancelarse. Cada uno de los micrófonos 14 está acoplado a un conversor de digital a audio o DAC 16 que convierte la forma de onda de la señal analógica del micrófono acoplado en datos digitales, como por muestreo. Aunque pueden utilizarse diferentes frecuencias de muestreo según sea apropiado para la tarea, la realización ilustrada usa frecuencia de muestreo de 48 kHz. La frecuencia de muestreo se elige teniendo en cuenta el intervalo de frecuencia ocupado por la mayor parte de la energía sonora del ruido, la distancia entre los micrófonos de entrada y de realimentación y otros factores relacionados con la aplicación y los objetivos específicos.

Acoplado entre el DAC 16 y el circuito de procesador de señales digitales 10 se encuentra un circuito de compuerta opcional 18 que hace pasar la energía de ruido por encima de un umbral predeterminado y bloquea la energía por debajo de ese umbral. El circuito de compuerta 18 puede implementarse usando software ejecutado en el procesador o usando un circuito integrado de compuerta de ruido independiente. El propósito del circuito de compuerta es discriminar entre un nivel de ruido ambiental de fondo que no se considera objetable y un nivel de ruido más alto asociado con un ruido objetable. Por ejemplo, si el sistema de cancelación de ruido por aire se implementa para reducir un ruido de carretera intermitente de una carretera cercana, el umbral de compuerta se configuraría para abrirse cuando se detecte la energía del sonido del tráfico de vehículos y para cerrarse cuando solo se detecta el susurro de una arboleda de árboles cercana. De esta manera, la compuerta ayuda a reducir la carga en el procesador de señales digitales 10 y evita un bombeo no deseado.

La compuerta puede configurarse por el usuario, lo que permite al usuario establecer un umbral de ruido de modo que solo los sonidos por encima de ese umbral se traten como ruido. Por ejemplo, en una oficina tranquila, el nivel de ruido ambiental puede rondar los 50 dB SPL. En un entorno de este tipo, el usuario puede establecer el umbral de ruido para que actúe solo sobre señales superiores a 60 dB SPL.

Acoplado a la salida del circuito de procesador de señales digitales 10 se encuentra un conversor de digital a analógico o ADC 20. El ADC actúa como complemento del DAC 16, convirtiendo la salida del circuito de procesador de señales digitales 10 en una señal analógica. La señal analógica representa una señal de cancelación de ruido construida específicamente diseñada para cancelar el ruido detectado por el/los micrófono(s) de entrada 14. Un amplificador 22 adecuado y un sistema de transductor o altavoz 24 proyecta o transmite esta señal de cancelación de ruido al aire en donde se mezclará y cancelará la fuente de ruido que se escucha desde una posición ventajosa dentro del área de transmisión eficaz del sistema transductor o altavoz 24. En esencia, el sistema de altavoz 24 se coloca entre la fuente de ruido y el oyente o punto de recepción, de modo que el oyente/receptor pueda recibir la señal que alcanza su ubicación, excepto aquellas señales procedentes de la fuente de ruido que se anulan por la señal de cancelación de ruido del sistema de transductor o altavoz 24.

Si se desea, el circuito también puede incluir una fuente de ruido blanco o rosa que se alimenta al amplificador 22, mezclando esencialmente una cantidad predeterminada de ruido blanco o rosa con la señal analógica del circuito de procesamiento de señales digitales 10 (a través del ADC 20). Esta fuente de ruido resulta útil para suavizar el efecto de la señal de cancelación de ruido al enmascarar los transitorios audibles que pueden producirse cuando la señal de cancelación de ruido se combina con la señal de fuente de ruido aguas abajo del altavoz.

Un micrófono de realimentación 26 se coloca delante (aguas abajo) del sistema de altavoz 24. El micrófono de realimentación se usa para muestrear el flujo de señales después de la introducción del antirruido en el flujo. Este micrófono proporciona una señal de realimentación al circuito de procesador de señales digitales 10 que se usa para adaptar el algoritmo que controla cómo el circuito de procesador de señales digitales genera la señal de cancelación de ruido adecuada. Aunque no se muestra en la figura 1, la salida del micrófono de realimentación puede procesarse mediante circuitos amplificadores y/o conversores de analógico a digital adecuados para proporcionar la señal de realimentación usada por el algoritmo de cancelación de ruido. En algunas aplicaciones en donde solo se utiliza la amplitud de la señal de cancelación de ruido frente a ruido, la salida del micrófono de realimentación puede procesarse en el dominio analógico para derivar una señal de tensión de amplitud, que puede procesarse realizando un promedio o mediante otros medios si se desea. En otras aplicaciones en donde se desea una evaluación más precisa del ruido frente a señal de cancelación de ruido, también puede realizarse una comparación de fase con la señal de micrófono de entrada. En la mayoría de las implementaciones de esta realización del sistema, tanto la fase como la amplitud de los segmentos discretos de la señal de realimentación se analizarán en comparación con la señal de micrófono de entrada, o el resultado deseado para la aplicación (la creación y el procesamiento de segmentos discretos se analiza más adelante en este documento). La salida del micrófono de realimentación puede muestrearse y convertirse al dominio digital usando un conversor de analógico a digital. El micrófono de realimentación puede conectarse o bien a una entrada de micrófono o a una entrada de línea acoplada al puerto de video/audio del circuito de procesador de señales digitales.

Para ejemplos adicionales del sistema de reducción de ruido de la figura 1, véase la sección titulada “Diferentes realizaciones de casos de uso” a continuación.

Una segunda realización del dispositivo silenciador se ilustra en la figura 2. Tal como se explicará, esta realización presenta dos trayectorias de señal, una trayectoria de señal de audio recibida que reduce el ruido en los auriculares o altavoces del usuario 24a; y una trayectoria de señal de audio transmitida en donde los sonidos captados por el micrófono del teléfono 34 se procesan para reducir el ruido ambiental también captado por el micrófono del teléfono 34. La trayectoria de señal de audio recibida se usaría, por tanto, para mejorar lo que el usuario escucha en sus auriculares, audífonos o parlantes, reduciendo o eliminando los sonidos ambientales del entorno. Esto hace que escuchar música o escuchar una conversación telefónica sea más fácil. La trayectoria de señal de audio transmitida se usaría para cancelar parcial o totalmente los sonidos ambientales, tal como el ruido del viento, que entran en el micrófono del teléfono 34 del usuario. Por supuesto, las mismas técnicas de cancelación de ruido pueden usarse con otros sistemas, no solo con teléfonos, lo que incluye micrófonos de grabación en vivo, micrófonos de transmisión y similares.

Con referencia a la figura 2, la realización a modo de ejemplo ilustrada está adaptada para su uso con un sistema de auriculares y comparte algunos de los mismos componentes que la realización de la figura 1. En esta realización, el micrófono de entrada se implementa usando uno o más micrófonos de detección de ruido 14a dispuestos en el exterior de los auriculares o audífonos/elementos de escucha. Los circuitos analógicos a digitales asociados o solidarios con cada micrófono de detección de ruido convierten el ruido circundante en señales digitales que se alimentan al circuito de procesamiento de señales digitales 10. El micrófono de realimentación 26 está dispuesto dentro de los auriculares/elementos de escucha, mediante acoplamiento de audio con el/los altavoz/altavoces de auriculares 24a, o el micrófono de realimentación puede eliminarse por completo porque se trata de una realización física más estrictamente controlada. En los sistemas que incluyen el micrófono de realimentación, los datos de micrófono de realimentación incluyen componentes de señal compuesta que pueden incluir el contenido de entretenimiento deseado (por ejemplo, música o banda sonora de audio/video) y/o señal de voz, más el ruido y antirruido, y que pueden compararse con la señal de antirruido y ruido, o una combinación de la señal deseada y la entrada.

Debe observarse que este sistema difiere significativamente de los sistemas convencionales porque la capacidad de cancelar de manera eficaz los sonidos con componentes de frecuencia superiores a 2000 Hz reduce la necesidad de los métodos de aislamiento acústico implementados en los auriculares con cancelación de ruido convencionales. Esto permite la producción de productos más livianos y menos costosos, y facilita la implementación eficaz en el factor de forma de “auricular”.

En esta realización, el procesamiento de ruido del dispositivo silenciador puede implementarse de forma independiente para cada auricular. Para productos de audífonos/auriculares/elementos de escucha de menor coste, el procesamiento puede implementarse conjuntamente para ambos auriculares en un sistema estéreo, o el procesamiento puede gestionarse por un procesador externo que resida en un teléfono inteligente u otro dispositivo.

Otra diferencia importante en esta realización es que el modo de calibración también se usará para calcular los ajustes de amplitud apropiados requeridos para cada intervalo de banda de frecuencia para compensar el efecto que tienen las propiedades físicas de la construcción de auriculares o elementos de escucha sobre el ruido circundante/no deseado antes de que alcance el oído (el modo de calibración y los intervalos de banda de frecuencia se comentan más adelante en este documento).

De manera similar, el antirruido producido por el sistema en esta realización se mezcla con la señal de voz o música deseada a través del mezclador 30 (la señal de voz o música deseada se proporciona por un teléfono 30, reproductor de música, dispositivo de comunicaciones, etc.), y los dos a menudo se emitirán en conjunto a través de un altavoz común. En ese caso de uso, el micrófono de realimentación solo funcionará durante el modo de calibración y puede omitirse en las unidades de producción bajo determinadas circunstancias. Alternativamente, el micrófono de realimentación puede funcionar continuamente en determinadas aplicaciones de múltiples altavoces de esta realización (en auriculares de RV y de juego, por ejemplo).

En los sistemas de auriculares que incluyen un micrófono de voz, la salida del circuito de procesador de señales digitales 10 puede alimentarse al circuito de micrófono de voz así como al circuito del altavoz de auriculares, tal como se describió anteriormente. Esto se ha ilustrado en la figura 2, en donde se alimenta una primera señal de salida desde el circuito de procesador de señales digitales 10 hasta un primer mezclador 30 que alimenta el sistema de reproducción de audio (amplificador 22 y altavoz de auriculares 24a). Una segunda señal de salida se alimenta desde el circuito de procesador de señales digitales 10 hasta un segundo mezclador 32 que alimenta al teléfono 34 u otro circuito de procesamiento de voz. Dado que la señal de ruido ambiental se muestrea en una ubicación/ubicaciones alejada(s) de la posición del micrófono de comunicaciones/voz, la señal de voz deseada no se cancelará. Esta señal antirruido alternativa puede o no tener las amplitudes de banda de frecuencia ajustadas durante el modo de calibración tal como se describió anteriormente, dependiendo de la aplicación.

Para aplicaciones de comunicaciones muy importantes, tales como transmisiones de medios o comunicaciones de combatientes, puede desearse el uso de un circuito de procesamiento de señal independiente para la cancelación de ruido de micrófono. Esto permitiría una cancelación precisa de firmas de ruido conocidas, brindaría la capacidad de nunca cancelar determinadas bandas de frecuencia de información muy importante y facilitaría otras personalizaciones para estas aplicaciones de misión muy importante a través de la configuración de usuario o preajustes.

Para ejemplos adicionales del sistema de reducción de ruido de la figura 2, véase la sección titulada “diferentes realizaciones de casos de uso” a continuación.

Una tercera realización más generalizada se muestra en la figura 3. En esta realización, la señal de entrada puede derivarse de cualquier fuente y la señal de salida puede acoplarse a un circuito o dispositivo (no mostrado) que normalmente procesa la señal de entrada. Por tanto, la realización de la figura 3 está diseñada para interponerse dentro de o colocarse en línea con un dispositivo de procesamiento de señales o transmisión. En esta realización, normalmente no se usará realimentación. Las características de ruido conocidas pueden compensarse con los parámetros del sistema (establecidos usando los ajustes denominados “preajustes” 12). Si no se conocen esas características, el sistema puede calibrarse para cancelar el ruido mediante el procesamiento de una sección del material que tiene ruido, pero no contiene señal (por ejemplo, el sistema se puede calibrarse con respecto a la firma de ruido usando la parte “pre-rollo” de un segmento de video). Las aplicaciones de esta realización incluyen eliminar el ruido de las grabaciones de eventos o la vigilancia de audio, o eliminarlo en una situación “en directo” con una cantidad apropiada de “retardo de transmisión”, tal como el retardo de “7 segundos” que se usa en la actualidad para permitir la censura de palabras malsonantes durante transmisiones en directo.

Si bien en los ejemplos anteriores se ha ilustrado un circuito de procesador de señales digitales independiente 10, se apreciará que el procesador dentro de un dispositivo móvil, tal como un teléfono inteligente, puede usarse para realizar los algoritmos de procesamiento de señales; o el motor central podría implementarse como un “complemento” para un paquete de software, o integrarse en otro sistema de procesamiento de señales. Por tanto, la descripción en el presente documento también usará el término motor central para referirse a los algoritmos de procesamiento de señales, tal como se describe más detalladamente a continuación, que se ejecutan en un procesador, tal como un circuito de procesador de señales digitales independiente o un procesador integrado en un teléfono inteligente u otro dispositivo. Tal como se representa en la realización de la figura 3, el motor central puede usarse para procesar ruido en un modo fuera de línea o en aplicaciones de procesamiento de señales en donde no se requieren micrófono de entrada, altavoces amplificados de salida ni micrófono de realimentación.

Para ejemplos adicionales del sistema de reducción de ruido de la figura 3, véase la sección titulada “diferentes realizaciones de casos de uso” a continuación.

Una cuarta realización se muestra en la figura 4. En esta realización, existen dos partes que desean compartir información entre sí a través de archivos, retransmisiones, transmisiones de señales u otros medios; y limitar el acceso a esa información. Esta realización requiere que tanto la “parte codificadora” como la “parte decodificadora” tengan acceso al equipo que contiene esta invención.

La “clave” de cifrado/descifrado es la receta para los ajustes de intervalo de banda de frecuencia usados para codificar la información. Los ajustes para la “clave” de cifrado y descifrado se crearán teniendo en consideración las características del ruido u otra señal en donde se incluirá la información, y estos ajustes de intervalo de banda de frecuencia incluyen tanto información de frecuencia como de amplitud. Esto permite incluir señales codificadas en segmento(s) muy estrecho(s) de una transmisión que parecería ser una transmisión de banda ancha inocua de algún otro material o una señal de “ruido blanco”, por ejemplo. En un ejemplo que incluye una transmisión de inteligencia en lo que parece ser ruido blanco, el cifrado requeriría una grabación de ruido blanco de una longitud adecuada para transmitir el mensaje completo. Esa grabación de ruido blanco se procesaría con esta invención solo para un intervalo de frecuencia muy estrecho o conjunto de intervalos (es decir, el motor central “tallaría” segmentos muy estrechos del ruido), haciéndose pasar las frecuencias no incluidas en este conjunto definido de intervalos a través del sistema sin cambios (la amplitud por defecto se establecería en 1 para las frecuencias no incluidas en las definiciones de banda de frecuencia en el lado de cifrado); y las amplitudes para el/los intervalo(s) de frecuencia que contendrá(n) la inteligencia pueden ajustarse para facilitar la ocultación dentro del ruido. La información que se compartirá podría codificarse en una “señal portadora” dentro del/de los intervalo(s) de frecuencia estrecho(s) usando modulación de frecuencia u otras técnicas (proporcionando otra capa de cifrado), que se mezclaría con la salida del sistema (el ruido con los segmentos “tallados”). Esto incluirá de manera eficaz la información en lo que parecería ser una señal de ruido blanco aleatoria, en este ejemplo (u otro tipo de banda ancha o transmisión de señal, según se desee).

En el lado de “descifrado”, sería necesario conocer los ajustes de frecuencia y amplitud para el/los intervalo(s) de banda de frecuencia que describen dónde se grabó la información, para que sirvan como la “clave de descifrado”. En el lado de descifrado, la amplitud por defecto para las frecuencias no incluidas en la definición de los intervalos de banda de frecuencia debe establecerse en 0. Esto significa que el sistema no producirá ninguna salida para aquellas frecuencias que no están incluidas en la definición de bandas de frecuencia, de modo que solo se emite la señal que desea decodificarse.

La capacidad de seleccionar la amplitud por defecto para frecuencias no incluidas en intervalos de banda de frecuencia definidos es una de las características definitorias de esta realización.

La seguridad de la transferencia de información mejora en gran medida si la “clave” de cifrado/descifrado se comparte entre las partes por medios alternativos, pero podría concebirse incluirla en un “encabezado de calibración” en la transmisión o el archivo, calculado en base a una marca de tiempo u otra configuración, etc.

Para ejemplos adicionales del sistema de reducción de ruido de la figura 4, véase la sección titulada “diferentes realizaciones de casos de uso” a continuación.

Una quinta realización se muestra en la figura 5. En esta realización, la invención se implementa para ayudar en el reconocimiento, detección o recepción de transmisiones o firmas de dispositivos en un campo de ruido, tal como los campos de ruido presentes en la densidad de campos electromagnéticos en las principales ciudades y otras áreas, que son inherentes a las líneas de transmisión de energía, etc.

La invención puede usarse para ayudar en la detección, reconocimiento o recepción de señales en tal ruido mediante la creación de preajustes para los ajustes de intervalo de banda de frecuencia diseñados para hacer pasar solo la señal objetivo. Estos ajustes de intervalo de banda de frecuencia incluyen información tanto de frecuencia como de amplitud necesarias para identificar las “huellas” o “firmas” de las señales objetivo frente a las características del ruido de fondo, según lo determinado por un análisis previo. Esta configuración se lograría excluyendo las componentes de frecuencia de señal objetivo de los ajustes de la banda de frecuencia y usando una amplitud por defecto de 0 para las frecuencias no incluidas en los ajustes de banda, haciendo pasar de manera eficaz solo las señales objetivo a través del sistema; y ajustando apropiadamente la amplitud y frecuencia de las frecuencias o armónicos adyacentes para mejorar adicionalmente la señal objetivo. Esto ayudaría a detectar señales débiles que, de otro modo, pasarían desapercibidas en el campo de ruido.

Por ejemplo, cuando el compresor de un sistema de acondicionamiento de aire se enciende, se imparte un único impulso a la red. Una subestación de una compañía eléctrica puede implementar esta invención en un sistema para ayudarlos a anticipar cargas máximas contando los impulsos de diversos productos. En las aplicaciones de comunicaciones de línea eléctrica, las características del ruido y fluctuaciones “normales” pueden minimizarse y las señales de comunicación deseadas pueden mejorarse mediante la implementación de preajustes diseñados para esa tarea. Los preajustes también pueden diseñarse para detectar o mejorar las comunicaciones electromagnéticas distantes o débiles. De manera similar, los preajustes pueden diseñarse para detectar perturbaciones en un campo de ruido identificado con determinados tipos de objetos u otras posibles amenazas.

En esta realización, pueden implementarse múltiples instancias del motor central en un servidor (u otro dispositivo de múltiples núcleos o multiplex) para facilitar el reconocimiento, detección o recepción de una variedad de tipos de señales o firmas en un único nodo.

Para ejemplos adicionales del sistema de reducción de ruido de la figura 5, véase la sección titulada “diferentes realizaciones de casos de uso” a continuación.

Descripción general del algoritmo de cancelación de ruido de motor central

La esencia del algoritmo de cancelación de ruido de motor central es crear el antirruido perfecto para muchos segmentos pequeños y discretos que comprenden una señal de ruido. El circuito de procesamiento de señales digitales 10 (ya se implemente como un circuito independiente o usando el procesador de otro dispositivo, tal como un teléfono inteligente) está programado para realizar un algoritmo de procesamiento de señales que genera con precisión un conjunto personalizado de señales de cancelación de ruido individualmente para cada uno de un conjunto de segmentos de frecuencia discretos que comprenden la señal de ruido objetivo, o partes de la misma.

La figura 6 muestra la arquitectura básica del algoritmo de cancelación de ruido de motor central. Tal como se ilustra, la señal de ruido adquirida 40 se subdivide para dar diferentes segmentos de banda de frecuencia. En una realización en la actualidad preferida, la anchura de esos segmentos (y en algunas realizaciones un factor de escala de amplitud que se aplicará al antirruido) en diversos intervalos de frecuencia puede establecerse de manera diferente para cada una de las diferentes bandas de frecuencia 42. Estos parámetros para las bandas de frecuencia pueden establecerse a través de una interfaz de usuario, preajustes o basarse dinámicamente en criterios, en diversas realizaciones. Cada intervalo de banda de frecuencia se subdivide adicionalmente a posteriori para dar segmentos de banda de frecuencia de la anchura seleccionada. Luego, para cada segmento de banda de frecuencia, el circuito de procesamiento de señales digitales cambia la fase de ese segmento una cantidad que depende de una frecuencia seleccionada de la señal de ruido segmentada. Por ejemplo, la frecuencia seleccionada puede ser la frecuencia central del segmento de banda. Por tanto, si un segmento de banda en particular se extiende desde 100 Hz. hasta 200 Hz., la frecuencia central seleccionada puede ser de 150 Hz.

Al segmentar la señal de ruido entrante para dar una pluralidad de segmentos de frecuencia diferentes, el circuito de procesamiento de señales digitales es capaz de adaptar el algoritmo de cancelación de ruido a los requisitos particulares de una aplicación dada. Esto se realiza controlando de manera selectiva el tamaño de cada segmento para adaptarse a la aplicación particular. A modo de ejemplo, cada segmento en todo el intervalo de frecuencias de la señal de ruido entrante puede ser bastante pequeño (por ejemplo, 1 Hz). Alternativamente, diferentes partes del intervalo de frecuencia pueden subdividirse para dar segmentos más grandes o más pequeños, usando segmentos más pequeños (mayor resolución) donde reside el contenido de información más importante, o las longitudes de onda cortas lo requieren; y usando segmentos más grandes (de menor resolución) en frecuencias que transportan menos información o tienen longitudes de onda más largas. En algunas realizaciones, el procesador no solo subdivide el intervalo de frecuencia completo para dar segmentos, sino que también puede manipular por separado la amplitud dentro de un segmento dado de manera diferente en base a los ajustes en los intervalos de banda de frecuencia.

Cuando se desea una precisión de cancelación de ruido extremadamente alta, la señal de ruido se divide para dar pequeños segmentos (por ejemplo, 1 Hz u otros tamaños de segmentos) en todo el espectro, o en todo el espectro de la señal de ruido, según corresponda. Tal segmentación tan detallada requiere una potencia de procesamiento significativa. Por tanto, en aplicaciones en donde se desea un procesador de menor potencia y menor coste, el algoritmo de cancelación de ruido de motor central está configurado para dividir la señal para dar bandas o intervalos de frecuencia. El número de bandas de frecuencia puede ajustarse en el código de software de motor central para adaptarse a las necesidades de la aplicación. Si se desea, el procesador digital puede programarse para subdividir la señal de ruido adquirida aplicando descomposición wavele para subdividir la señal de ruido adquirida para dar diferentes segmentos de banda de frecuencia y generar de este modo una pluralidad de señales de ruido segmentadas.

Para cada aplicación dada, el tamaño del segmento y la manera/si el tamaño variará a lo largo del espectro es una condición inicial del sistema, determinada por parámetros definitorios para diversos intervalos de frecuencia. Estos parámetros pueden configurarse a través de una interfaz de usuario y luego almacenarse en la memoria 12 como preajustes para cada aplicación.

Una vez que la señal de ruido se ha segmentado según el plan de segmentación establecido por el circuito de procesamiento de señales digitales (automáticamente y/o en base a la configuración de usuario), se aplica de manera selectiva una corrección de fase a cada segmento para producir una forma de onda de segmento que anulará sustancialmente la señal de ruido dentro de la banda de frecuencia de ese segmento a través de interferencias destructivas. Específicamente, el circuito de procesamiento calcula y aplica un tiempo de retardo dependiente de frecuencia 46, teniendo en consideración la frecuencia del segmento y teniendo en cuenta cualquier propagación del sistema o tiempo de retardo. Debido a que este tiempo de retardo dependiente de frecuencia se calcula y aplica individualmente a cada segmento, el circuito de procesamiento 10 calcula y aplica estos valores de corrección de fase en paralelo o muy rápidamente en serie. A continuación, las señales de ruido segmentadas con corrección de fase (cambio de fase) se combinan en 48 para producir una señal antirruido compuesta 50 que luego se emite al flujo de señales para reducir el ruido mediante interferencia destructiva. Tal como se ilustra en la figura 6, la señal antirruido puede introducirse en el flujo de señales a través de un sistema de altavoces amplificados u otro transductor 24. Alternativamente, en determinadas aplicaciones, la señal antirruido puede introducirse en el flujo de señales usando un mezclador digital o analógico adecuado.

En algunas realizaciones, la reducción de ruido puede mejorarse adicionalmente mediante el uso de una señal de realimentación. Por tanto, tal como se muestra en la figura 6, un micrófono de realimentación 26 puede colocarse dentro del flujo de señales, aguas abajo de donde se introdujo la señal antirruido. De esta forma, el micrófono de realimentación detecta los resultados de la interferencia destructiva entre la señal de ruido y la señal antirruido. A continuación, se suministra una señal de realimentación derivada del micrófono de realimentación al circuito de procesamiento 10 para su uso en el ajuste de la amplitud y/o la fase de la señal antirruido. Este procesamiento de realimentación se ilustra generalmente en 52 en la figura 6. El procesamiento de realimentación 52 comprende convertir la señal del micrófono de realimentación para dar una señal digital adecuada, a través de la conversión de analógico a digital, y luego ajustar la amplitud y/o la fase de la señal antirruido para una reducción del ruido máxima, usando la señal del micrófono de realimentación como referencia. Cuando la señal antirruido y la señal de ruido interfieren destructivamente de manera óptima, la señal del micrófono de realimentación detectará un nulo debido al hecho de que la energía de ruido y la energía antirruido se cancelan de manera óptima entre sí.

En una realización, la amplitud de la señal antirruido combinada 50 puede ajustarse en base a la señal del micrófono de realimentación. Alternativamente, las amplitudes y la fase de cada segmento de banda de frecuencia pueden ajustarse individualmente. Esto puede realizarse comparando la amplitud y la fase del flujo de señales en el punto de realimentación con la señal de entrada y ajustando los parámetros antirruido. Alternativamente, puede examinarse el contenido de frecuencia y amplitud de propia la señal de realimentación para indicar los ajustes necesarios para los parámetros antirruido para mejorar los resultados mediante la realización ajustes finos al tiempo de retardo dependiente de frecuencia 46 y la amplitud para cada segmento.

Determinación del tiempo de retardo dependiente de frecuencia

El circuito de procesamiento de señales 10 calcula el retardo de tiempo dependiente de frecuencia para cada segmento teniendo en cuenta una serie de factores. Uno de estos factores es un tiempo de cambio de fase de 180 grados calculado que está asociado con la frecuencia predeterminada (por ejemplo, la frecuencia central del segmento) para cada segmento de señal individual.

Este cálculo puede realizarse en modo de calibración y almacenarse en una tabla en la memoria 12, o recalcularse continuamente en tiempo real, dependiendo de la aplicación y la potencia de procesamiento disponible. El retardo de tiempo exacto requerido para crear el antirruido apropiado para cada frecuencia “f” se calcula mediante la fórmula: (1/f)/2. Es decir:

en donde f es la frecuencia predeterminada (por ejemplo, frecuencia central) para ese segmento

Otro factor usado por el circuito de procesamiento de señales es el tiempo de compensación del sistema, que a su vez depende de dos factores, el tiempo de propagación por aire y el tiempo de propagación de sistema.

Para generar señales de cancelación de ruido precisas, el circuito de procesamiento se basa en el conocimiento a priori de la velocidad de propagación del sonido por aire, medida como el tiempo de tránsito para que una señal se desplace desde un micrófono de entrada hasta el micrófono de realimentación. Tal como se usa en el presente documento, este tiempo de tránsito se denomina tiempo de propagación por aire. El circuito de procesamiento también se basa en el conocimiento a priori del tiempo que tarda el procesador 10 y los componentes de entrada y salida asociados (por ejemplo: 14, 16, 18, 20, 22, 24) para generar la señal de cancelación de ruido, al que se hace referencia en el presente documento como tiempo de propagación de sistema. Estos datos son necesarios para garantizar que la señal de cancelación de ruido coincida de manera precisa en fase con la señal de ruido, de modo que se obtengan resultados de cancelación perfectos. La velocidad a la que la señal de ruido se propaga a través del aire depende de una variedad de factores físicos, tales como la temperatura, la presión, la densidad y la humedad del aire. El tiempo de cálculo del procesador y el tiempo de procesamiento del circuito dependen de la velocidad del procesador, la velocidad del bus que accede a la memoria 12 y los retardos de señal a través de los circuitos de entrada/salida asociados con el procesador 10 en las diversas realizaciones.

En la realización preferida, estos tiempos de propagación por aire y de propagación del sistema se miden y almacenan en la memoria 12 durante un modo de calibración. El modo de calibración puede ser solicitado o bien manualmente por un usuario a través de la interfaz de usuario, o bien el procesador 10 puede programarse para realizar automáticamente la calibración periódicamente o en respuesta a las condiciones de temperatura, presión, densidad y humedad del aire medidas.

Por tanto, la realización preferida mide el tiempo de propagación por aire desde que se detecta la señal de ruido en el micrófono de entrada 14 hasta que se detecta más tarde en el micrófono de realimentación 26. Según la aplicación, estos dos micrófonos pueden disponerse a una distancia de separación fija permanente (tal como en la realización de auriculares de la figura 2), o pueden colocarse a una distancia de separación que depende de dónde se colocaron los dos micrófonos en el campo. El retardo de tiempo atribuido al tiempo que tarda la señal de entrada en procesarse, enviarse al sistema de altavoces 24 (24a) y recibirse en el micrófono de realimentación 26 corresponde al tiempo de propagación de sistema.

Una vez que los tiempos de propagación por aire y de sistema se miden y almacenan en el modo de calibración, el circuito de procesamiento de señales 10 calcula un tiempo de compensación de sistema como la diferencia aritmética entre el tiempo de propagación por aire y el tiempo de propagación de sistema. Este cálculo de diferencia también puede calcularse en tiempo real o almacenarse en la memoria 12. En algunas aplicaciones fijas, tales como auriculares, puede que no sea necesario un modo de calibración integrado, ya que la calibración puede realizarse en la línea de producción o establecerse en base a la geometría fija conocida de los auriculares. El tiempo de compensación de sistema puede almacenarse como una constante (o calcularse dinámicamente en algunas aplicaciones) para usarse en los cálculos de reducción de ruido descritos en el presente documento.

Para cada segmento de frecuencia discreto que va a procesarse, la señal antirruido se crea retardando la señal procesada un tiempo igual al valor absoluto de: el tiempo de cambio de fase de 180 grados para ese segmento de frecuencia discreto menos el tiempo de compensación de sistema. Este valor se denomina en el presente documento retardo de tiempo aplicado. El retardo de tiempo aplicado para cada segmento de frecuencia puede o bien almacenarse en una tabla, o bien calcularse continuamente en diversas implementaciones del algoritmo.

La figura 7 ilustra con mayor detalle la manera en que puede programarse un circuito de procesamiento de señales para implementar el algoritmo de cancelación de ruido de motor central. El proceso programado comienza con una serie de etapas que llenan un conjunto de estructuras de datos 59 dentro de la memoria 12, en donde los parámetros usados por el algoritmo se almacenan para acceder a los mismos según sea necesario. Detalles adicionales del proceso de motor central también se comentan más adelante en relación con la figura 10.

Haciendo referencia a la figura 7, en primer lugar se almacena en la estructura de datos 59 un registro que contiene el tamaño de fragmento seleccionado. El tamaño del fragmento es la duración del segmento de tiempo que va a procesarse en cada iteración realizada por el motor central, tal como se representa por la cantidad de muestras que van a procesarse como un grupo o “fragmento” de datos. El tamaño del fragmento se basa principalmente en la aplicación (intervalo de frecuencia que va a procesarse y la resolución requerida), el tiempo de propagación de sistema y el tiempo de desplazamiento entre la entrada y la salida para las señales de ruido que se transmiten por aire o de otro modo (el procesamiento debe completarse y el antirruido introducirse en el flujo de señales antes de que la señal original pase por el punto de salida del antirruido).

Por ejemplo, para un sistema por aire que procesa todo el espectro de audio, una distancia entre los micrófonos de entrada y salida de 5,0”, una frecuencia de muestreo de 48 kHz y un tiempo de propagación de sistema de 0,2 ms; un tamaño de fragmento de 16 sería apropiado (a una velocidad de muestreo de 48 kHz, 16 muestras equivalen a ~ 0,3333 ms en tiempo; y a temperatura y presión estándar, el sonido se desplaza ~ 4,5” por aire durante ese periodo de tiempo). El funcionamiento del procesador puede optimizarse para el procesamiento eficaz del tamaño de fragmento deseado al limitar las llamadas de sistema y los cambios de estado a una vez por fragmento.

Este registro de tamaño de fragmento generalmente se almacena desde el principio, cuando el dispositivo de cancelación de ruido se configura para una aplicación determinada. En la mayoría de los casos, no es necesario ni deseable alterar el registro de tamaño de fragmento mientras el algoritmo de cancelación de ruido de motor central está funcionando.

Los intervalos de banda de frecuencia, los tamaños de segmento dentro de cada intervalo de banda de frecuencia y el factor de escala de salida para cada banda de frecuencia se establecen como condiciones iniciales que dependen de la aplicación y se almacenan en la estructura de datos 59. Estos parámetros pueden configurarse en una interfaz de usuario, incluirse como preajustes en un sistema o calcularse dinámicamente.

A continuación, el circuito de procesamiento en 62 mide y almacena en la estructura de datos 59 el tiempo de propagación de sistema correspondiente al tiempo consumido por el circuito de procesamiento y sus circuitos de entrada y salida asociados para realizar los procesos de reducción de ruido. Esto se realiza haciendo funcionar el circuito de procesamiento en un modo de calibración, descrito a continuación, en donde se suministra una señal de ruido al circuito de procesamiento, sobre la que actúa el circuito de procesamiento para generar la señal antirruido y la salida. El tiempo transcurrido entre la entrada de la señal de ruido hasta la salida de la señal antirruido representa el tiempo de propagación de sistema. Este valor se almacena en la estructura de datos 59.

Además, el circuito de procesamiento en 64 mide y almacena en la estructura de datos 59 el tiempo de propagación por aire. Esta operación también la realiza el circuito de procesamiento en el modo de calibración comentado a continuación. En este caso, el circuito de procesamiento conmuta a un modo en donde no genera ninguna salida. El tiempo transcurrido entre la recepción de una señal en el micrófono de entrada y la recepción de la señal en el micrófono de realimentación se mide y almacena como el tiempo de propagación por aire.

A continuación, el circuito de procesamiento en 66 calcula y almacena en la estructura de datos 59 el tiempo de compensación de sistema, definido como el tiempo de propagación por aire menos el tiempo de propagación de sistema. Este valor se necesita más adelante cuando el circuito de procesamiento calcula el tiempo de retardo aplicado.

Con los parámetros de calibración anteriores calculados y almacenados de este modo, el algoritmo de cancelación de ruido de motor central ahora puede realizar los cálculos previos específicos de segmento (alternativamente, estos cálculos pueden realizarse en tiempo real siempre y cuando haya suficiente potencia de procesamiento disponible).

Tal como se ilustra, la etapa 68 y las etapas posteriores 70 y 72 se realizan en paralelo (o rápidamente en serie) para cada segmento según los ajustes de banda de frecuencia. Si hay 1000 segmentos para la aplicación dada, entonces las etapas 68-70 se realizan 1000 veces, preferiblemente en paralelo, y los datos se almacenan en la estructura de datos 59.

En la etapa 70, el tiempo de cambio de fase de 180 grados se ajusta luego restando el tiempo de compensación de sistema previamente almacenado para cada segmento. El circuito de procesador calcula y almacena el valor absoluto de este valor como el tiempo de retardo aplicado; por tanto, el tiempo de retardo aplicado es un número positivo, que representa la cantidad de cambio de fase que va a aplicarse al segmento correspondiente.

El motor central usa estos datos almacenados para procesar segmentos de frecuencia más rápidamente (mediante la aplicación de cambios de tiempo calculados previamente para todos los segmentos de frecuencia por adelantado). El circuito de procesador en la etapa 72 realiza el cambio de fase de la señal de ruido de segmento cambiando el tiempo de la señal de ruido de segmento la cantidad almacenada como el tiempo de retardo aplicado para ese segmento. Además, si se requiere un ajuste de amplitud (o un ajuste de fase de sintonización fina) según los ajustes de intervalo de frecuencia o el procesamiento de realimentación 52 (figura 6), ese ajuste también se aplica en este caso (en algunas realizaciones, el cambio de fase y el ajuste de amplitud pueden aplicarse simultáneamente almacenando la información como un vector). Todos los segmentos se procesan en paralelo o rápidamente en serie, según la arquitectura del sistema.

Una vez que todos los segmentos para un fragmento particular se han ajustado apropiadamente, el circuito de procesamiento en 74 recombina entonces todos los segmentos procesados para generar la forma de onda antirruido para emitirse al flujo de señales.

Para una comprensión adicional del proceso que realiza el circuito de procesamiento, remítase ahora a la figura 8, que proporciona una representación más física de cómo se procesa la señal de ruido. Comenzando en la etapa 80, se adquiere la señal de ruido 82. En la figura 8, la señal de ruido se representa gráficamente como una señal variable en el tiempo que comprende muchas componentes de frecuencia o armónicos diferentes.

En la etapa 84, un fragmento del espectro de señal de ruido se subdivide para dar segmentos 86, según los parámetros 59 comentados en relación con la figura 7. Con fines ilustrativos, en la figura 7 se asume que la señal de ruido variable en el tiempo 82 se ha expresado en el dominio de frecuencia, en donde las componentes de frecuencia más bajas se asignan al lado más a la izquierda de la gráfica de espectro 86, mientras que las componentes o armónicos de frecuencia más altos se asignan al lado más a la derecha de la gráfica de espectro. Por ejemplo, la gráfica de espectro 86 podría abarcar desde 20 Hz. Hasta 20.000 Hz, cubriendo el intervalo completo generalmente aceptado de audición humana. Por supuesto, el espectro puede asignarse de manera diferente según la aplicación.

Debe reconocerse que aunque la señal de ruido se ha representado en el dominio de frecuencia en el espectro 86, la señal de ruido es por naturaleza una señal variable en el tiempo. Por tanto, la cantidad de energía en cada segmento de dominio de frecuencia fluctuará con el tiempo. Para ilustrar esta fluctuación, también se representa una gráfica de cascada 88, que muestra cómo la energía dentro de cada segmento de frecuencia puede variar a medida que el tiempo fluye a lo largo del eje vertical.

Individualmente para cada segmento, como en la etapa 90, se aplica el cambio de fase dependiente de frecuencia (es decir, el tiempo de retardo aplicado). Para ilustrar esto, la forma de onda 92 representa una frecuencia de ruido dentro del segmento antes del cambio. La forma de onda 94 representa la misma frecuencia de ruido después de que se haya aplicado el tiempo de compensación de sistema. Finalmente, la forma de onda 96 representa la frecuencia de ruido resultante después de que se haya aplicado el tiempo de cambio de fase de 180 grados (debe observarse que esto es solo para fines ilustrativos, en el procesamiento real solo se aplica el tiempo de retardo aplicado, que es el valor absoluto del tiempo de cambio de fase de 180 grados menos el tiempo de compensación de sistema). Para esta ilustración, también se asume que no se requiere escalado de amplitud para los segmentos que se procesan.

Al combinar los componentes desplazados en el tiempo de cada segmento en la etapa 98, se construye la señal antirruido 100. Cuando esta señal antirruido se emite al flujo de señales, tal como en la etapa 102, la señal antirruido 100 se mezcla con la señal de ruido original 104 provocando que las dos interfieran destructivamente, cancelando o reduciendo de manera eficaz la señal de ruido. Lo que queda es cualquier señal portadora de información 108 que pueda recuperarse en la etapa 106.

Modo de calibración

La figura 9 ilustra cómo pueden utilizarse el circuito de procesamiento 10, el micrófono de entrada 14, el altavoz amplificado 24 y el micrófono de realimentación 26 para realizar la calibración, habilitando y deshabilitando de manera selectiva el algoritmo de motor central a medida que se toman las medidas.

En una realización en la actualidad preferida, el tiempo de propagación por aire se calcula con el sistema antirruido de motor central y la salida desactivados. En este estado, el tiempo de propagación por aire se calcula como la diferencia en tiempo entre el momento en que el ruido de entrada se capta en la entrada del micrófono de entrada 14 y el momento en que el ruido se capta en el micrófono de realimentación 26. El tiempo de propagación de sistema se mide con el sistema antirruido de motor central habilitado. La misma entrada se introduce de nuevo en el micrófono de entrada 14. Esta vez se procesa por el motor central y se emite a través de un altavoz (por ejemplo, un sistema de altavoces 24 u otro altavoz o transductor de calibración adecuado) colocado antes del micrófono de realimentación 26. Mientras se procesa la señal de entrada en el motor central, puede alterarse su frecuencia de modo que el impulso de salida se distinga del ruido de impulso de entrada (o puedan usarse la temporización/fase de las dos señales para distinguir la salida de sistema del ruido original). Tanto las señales generadas por aire como las generadas por el sistema alcanzarán el micrófono de realimentación. El tiempo de propagación de sistema puede calcularse a partir del tiempo que tarda la señal de impulso de entrada en alcanzar el micrófono de realimentación y el tiempo que tarda la señal de salida en alcanzar el micrófono de realimentación.

Debe observarse que este modo de calibración puede eliminar virtualmente la cantidad significativa de tiempo de ingeniería requerido para “afinar” el sistema para tener en cuenta las variaciones mínimas entre los micrófonos usados o la geometría física de los sistemas de audífonos o auriculares con cancelación de ruido. Esto puede dar como resultado un ahorro espectacular en los costes de desarrollo de productos. El modo de calibración también resuelve los desafíos físicos de sintonizar conjuntos individuales en la línea de producción debido a las tolerancias y variaciones de producción de componentes individuales (especialmente en los micrófonos), al proporcionar un método automatizado de sintonización inicial. Este es otro ahorro de costes espectacular en la producción.

Mediante el uso del tiempo de compensación del sistema, el procesador calcula un retardo de tiempo de segmento específico que se aplicará a cada segmento para crear el antirruido preciso requerido para el segmento. Para calcular el retardo de tiempo de segmento preciso, el procesador determina el tiempo requerido para producir una cambio de fase de 180 grados en la frecuencia central del segmento de frecuencia particular y un ajusta mediante el tiempo de compensación de sistema. Específicamente, el retardo de tiempo de segmento se calcula como el valor absoluto de [el tiempo de cambio de fase de 180 grados menos el tiempo de compensación de sistema].

Después de calcular todos los retardos de tiempo de segmento antirruido, las señales digitales para cada segmento se retardan en el tiempo la cantidad calculada para ese segmento, y todos los segmentos antirruido generados de este modo se ensamblan para dar una única señal antirruido que luego se emite (por ejemplo, al sistema de altavoces).

En realizaciones que emplean el micrófono de realimentación u otra fuente de señal de realimentación, el procesador 10 compara la señal de entrada de micrófono de realimentación con la señal de entrada de micrófono de entrada tanto en fase como en amplitud. El procesador usa la comparación de fase para ajustar el tiempo de retardo aplicado y usa la amplitud antirruido para ajustar la amplitud de la señal de cancelación de ruido generada. Al ajustar la amplitud, el procesador puede manipular la amplitud individualmente para cada segmento en un intervalo de banda de frecuencia (y, por tanto, controlar de manera eficaz la amplitud de cada segmento). Alternativamente, la composición de frecuencia y la amplitud de la propia señal de realimentación pueden usarse para determinar los ajustes necesarios en cuanto a la amplitud y la fase de cada segmento.

Detalles del proceso del motor central

Con referencia ahora a la figura 10, se realiza una explicación detallada de cómo el circuito de procesamiento de señales 10 implementa el proceso del motor central. Específicamente, la figura 10 detalla la arquitectura de software implementada por el circuito de procesamiento de señales en una realización preferida. El usuario es capaz de interactuar con el procesador que ejecuta el proceso del motor central de diversas maneras. Si se desea, el usuario puede iniciar el modo de configuración del dispositivo silenciador tal como en 120. Al hacerlo, el usuario también puede configurar opcionalmente las bandas de frecuencia y las anchuras y amplitudes de segmento correspondientes, así como el parámetro de compuerta de umbral de ruido (parte de la estructura de datos 59 (véase también la figura 7). El tamaño de fragmento también puede configurarse como un parámetro de interfaz de usuario.

Alternativamente, el usuario puede simplemente iniciar el dispositivo silenciador tal como en 132. Al hacerlo, el usuario puede controlar el proceso del motor central para calibrar el dispositivo tal como en 134. El proceso de calibración provoca que el software del motor central 124 efectúe el proceso de calibración al invocar el motor de calibración 126, ejecutando una parte del software de motor central 124 en el circuito de procesamiento de señales, realiza el proceso de calibración detallado anteriormente, llenando de este modo la estructura de datos 59 con el tiempo de propagación por aire, tiempo de propagación de sistema y otros parámetros calculados. Estos parámetros almacenados luego se usan por el motor de generación de antirruido 128, que también forma parte del software de motor central 124. Tal como se ilustra, el motor de generación de antirruido 128 suministra señales al altavoz, que luego introduce la señal antirruido en el flujo de señales tal como en 130.

Ya sea que se requiera como parte del proceso de calibración o como parte del proceso de reducción de ruido durante el uso, el motor central introduce las señales desde el micrófono de entrada y el micrófono de realimentación tal como en 136. Para reducir el ruido durante el uso, el usuario controla el dispositivo para suprimir el ruido a través de la interfaz de usuario tal como en 138. Tal como se ilustra, esto provoca que la señal antirruido se introduzca en el flujo de señales (por ejemplo, por el aire 140). Si se utiliza, también puede introducirse ruido blanco o ruido rosa en el flujo de señales tal como en 142.

Para ilustrar adicionalmente cómo funciona el circuito de procesamiento de señales que ejecuta el algoritmo del motor central con datos de entrada a modo de ejemplo, remítase a la siguiente tabla. En la siguiente tabla, se especifican intervalos de frecuencia definidos por el usuario a modo de ejemplo. Tal como puede observarse, el retardo de tiempo aplicado puede representarse como un número de punto flotante correspondiente al tiempo de retardo en segundos. Tal como muestran los datos, los retardos de tiempo aplicados habituales pueden ser bastante pequeños, aunque cada retardo de tiempo aplicado se calcula de manera precisa para cada segmento de frecuencia dado.

A diferencia de las técnicas de cancelación de ruido convencionales, el algoritmo de cancelación de ruido de motor central permite resultados excepcionales para frecuencias superiores a 2.000 Hz y facilita la obtención de buenos resultados en todo el espectro de audio (hasta 20.000 Hz) y más allá (siempre y cuando haya suficiente velocidad de procesamiento). Las técnicas convencionales que se implementan en la actualidad son razonablemente eficaces solo hasta aproximadamente 2.000 Hz, y son esencialmente ineficaces por encima de 3.000 Hz.

Realizaciones de casos de uso diferentes

La tecnología básica dada a conocer anteriormente se puede utilizar para una amplia variedad de usos diferentes. A continuación se describirán algunos de estos casos de uso.

Realizaciones del sistema de silenciador por aire (audio)

El sistema de silenciador por aire puede implementarse tal como se ilustra en la figura 1 y se describió anteriormente. Son posibles diversas realizaciones diferentes. Estas incluyen un sistema de una única unidad de baja potencia optimizado para proporcionar una zona de silencio personal. Tal como se muestra en la figura 11, los componentes representados en la figura 1 están montados en una caja de escritorio o de mesa que contiene el altavoz amplificado, que está dirigido al usuario. Debe observarse que el micrófono de realimentación 26 está dispuesto dentro del campo de sonido del altavoz. Puede tener una configuración fija o puede desplegar un brazo de extensión desmontable que también funciona como soporte de micrófono para permitir que el usuario coloque el micrófono de realimentación más cerca de donde está situado el usuario. Otra realización probable es que el sistema de silenciador esté codificado en un teléfono inteligente o agregado como una aplicación de teléfono inteligente. En esta realización, los micrófonos y altavoces integrados en el teléfono, así como un micrófono de un auricular, pueden utilizarse para crear el sistema.

La figura 12 muestra una realización alternativa en donde los componentes de la figura 1 están desplegados en un armazón de montaje adaptado para encajarse dentro de la ventana de una habitación, mostrándose el armazón de la ventana en W. En esta realización, el micrófono de entrada 14 capta el sonido desde el exterior de la ventana y el altavoz amplificado 24 introduce el audio antirruido en la sala. El micrófono de realimentación puede situarse en un brazo de extensión o colocarse convenientemente cerca del usuario. Si se desea, el micrófono de realimentación puede comunicarse de manera inalámbrica con el circuito de procesamiento 10 usando Bluetooth u otro protocolo inalámbrico. En esta realización, los ajustes de amplitud para los diversos intervalos de banda de frecuencia determinados en el modelo de calibración probablemente serían significativos (tal como en la realización de los auriculares) debido a la forma en que las paredes y las ventanas impactan en el ruido original.

La figura 13 muestra otra realización en donde los componentes de la figura 1 están desplegados en un paquete de montaje impelente adaptado para encajarse dentro de un conducto de aire de un sistema HVAC, o dentro del conducto de un sistema de ventilación (por ejemplo, ventilador de techo de baño, ventilador de ventilación de cocina, ventilador de ventilación industrial o similares). En esta realización, los sonidos generados por el sistema HVAC o el sistema de ventilación se muestrean mediante el micrófono de entrada 14 y la señal antirruido se introduce en el sistema de conductos de aire. En esta realización, si se desea, pueden implementarse diversos sistemas de altavoces en los registros de ventilación en toda la casa o el edificio, de modo que el ruido del sistema HVAC o ventilador se reduzca adicionalmente en cada ubicación. Una realización de múltiples altavoces de este tipo puede emplear micrófonos de realimentación individuales 26 dentro de cada sala, tal como adyacentes a cada registro. El circuito de procesamiento 10 puede suministrar una señal de control de volumen de amplificador individualmente a cada altavoz amplificado, para adaptar el nivel de presión sonora de la señal antirruido para cada sala. Las salas que están más cerca del ventilador que produce ruido pueden requerir una mayor amplificación de la señal antirruido que las salas ubicadas más lejos. Alternativamente, puede montarse un dispositivo individual en registros individuales para proporcionar un control específico de la ubicación.

Una segunda clase de dispositivos silenciadores por aire comprenden sistemas de múltiples unidades de alta potencia diseñados para reducir el ruido procedente de fuentes de alta energía. Estos incluyen sistemas para reducir el ruido creado en obras de construcción, el ruido creado a lo largo de calles o carreteras concurridas, el ruido creado por aeropuertos cercanos. Estos mismos sistemas de múltiples unidades de alta potencia también pueden estar adaptados para reducir el ruido del perímetro de escuelas y estadios. Además, los sistemas de múltiples unidades de alta potencia pueden usarse para reducir el ruido de carreteras en cabinas de vehículos (por ejemplo, automóviles, camiones, tanques militares, embarcaciones, aviones, etc.)

La figura 14 muestra un sistema de múltiples unidades de alta potencia a modo de ejemplo desplegado para la reducción de ruidos de carreteras. Los dispositivos silenciadores individuales, cada uno implementado tal como se muestra en la figura 1, están colocados de modo que intercepten el ruido de carreteras usando sus micrófonos de entrada 14 respectivos e introducen energía de audio antirruido en el entorno de modo que el ruido de carreteras se cancele a través de la interferencia destructiva en la subdivisión ubicada a una distancia determinada. Alternativamente, el dispositivo silenciador puede ubicarse directamente en el patio de una vivienda para proporcionar una cobertura más directa.

En la realización de reducción de ruido de carreteras, los dispositivos silenciadores individuales se montan preferiblemente en soportes verticales u otra estructura adecuada, de modo que los altavoces se encuentran muy por encima de las cabezas de las personas que se encuentren en las proximidades. Los micrófonos de realimentación 26 pueden colocarse a una distancia considerable del dispositivo silenciador, usando comunicación WiFi u otro protocolo de comunicación inalámbrica para enviar información de realimentación al circuito de procesamiento.

Asimismo, si se desea, los dispositivos silenciadores individuales pueden unirse de manera inalámbrica en una red, tal como una red de malla o una red de área local, lo que permite que los dispositivos silenciadores compartan información sobre señales de entrada de sonido local y las señales de realimentación obtenidas por cada unidad de dispositivo silenciador. En el caso de ruido de carreteras, los micrófonos de entrada de los dispositivos silenciadores respectivos pueden rastrear fuentes de ruido fuerte. Por tanto, como un freno de aire de semirremolque o una motocicleta con motores de silenciador ineficaces a lo largo de un tramo de carretera protegido contra el ruido, el sistema colectivo de dispositivos silenciadores puede comunicarse entre sí y adaptar sus señales antirruido respectivas para aumentar lo que de otro modo sería posible usando micrófonos de entrada y realimentación individuales. Esto implementa una forma de cancelación de ruido de diversidad que es posible gracias al hecho de que se usan dos fuentes de información matemáticamente ortogonales diferentes: (a) las fuentes de micrófono de realimentación y (b) los micrófonos de entrada colectivos compartidos a través de la red de malla o red de área local.

La figura 15 ilustra cómo el sistema de múltiples unidades de alta potencia puede implementarse en un vehículo, tal como un vehículo automóvil. Se colocan múltiples micrófonos de entrada en ubicaciones de entrada de ruido dentro de la cabina. Estos datos de entrada se procesan individualmente, ya sea usando varios núcleos de un procesador de múltiples núcleos 10 o usando varios procesadores 10 (en este caso se muestra como un icono en la pantalla de infoentretenimiento del automóvil, que representa el caso en donde el sistema está instalado en la fábrica e integrado en la electrónica del coche. Debido a que cada señal de entrada se procesa individualmente, no es necesario que cada señal se segmente de la misma manera. De hecho, cada tipo diferente de señal de ruido normalmente tendrá su propia firma de ruido (el ruido de los neumáticos es bastante diferente del ruido del silenciador, por ejemplo). Por tanto, cada señal de entrada se segmenta de la manera que mejor se adapte al espectro de frecuencias y a los niveles de presión sonora en cada sitio de ruido diferente para proporcionar los resultados deseados en cada ubicación de pasajero.

Si bien pueden usarse altavoces antirruido dedicados dentro de la cabina del vehículo, también es posible usar el sistema de sonido que ya está presente en el vehículo. Por tanto, en la realización ilustrada, el circuito de procesamiento 10 suministra una señal de audio estéreo o, alternativamente, de sonido envolvente que se mezcla con el audio procedente del sistema de entretenimiento en la cabina. La mezcla puede realizarse o bien en el dominio digital, o bien de audio. Sin embargo, en cualquier caso, el circuito de procesamiento 10 recibe una señal de datos que proporciona al circuito de procesamiento información sobre qué nivel de volumen ha seleccionado el usuario para el sistema de entretenimiento. El procesador usa esta información para ajustar el volumen de la señal antirruido de modo que contrarreste adecuadamente las fuentes de ruido independientemente del nivel de volumen que el usuario haya seleccionado para el sistema de entretenimiento. Por tanto, cuando el usuario sube el nivel del volumen de entretenimiento, el circuito de procesamiento 10 reduce la señal antirruido introducida en el mezclador para compensar. El procesador está programado para garantizar que se generen los niveles correctos de presión de sonido antirruido dentro de la cabina, independientemente de cómo haya configurado el usuario el nivel de audio de entretenimiento.

Todavía otra clase de sistema de silenciador por aire proporciona una función por aire inversa. En este tipo de sistemas, el sistema de silenciador se configura a la inversa, para crear un “cono de silencio” que permite tener una conversación privada en público, sin que los demás puedan escuchar con claridad lo que se dice. Se muestra en la figura 16. El dispositivo silenciador se implementa con uno o más altavoces orientados hacia el exterior. Los micrófonos de entrada están dispuestos en el centro de la disposición de altavoces, colocando, por tanto, a las personas en una conversación privada en el lado de “entrada de ruido” del flujo de audio. En esta realización, los micrófonos de realimentación 26 se implementan en ubicaciones en donde los oyentes externos (oyentes no invitados) no puedan ocluir fácilmente estos micrófonos y, por tanto, alterar la señal antirruido que se genera para cancelar esa conversación.

Micrófono de telecomunicaciones, auriculares de telecomunicaciones y audífonos/elementos de escucha personales (audio)

El sistema de telecomunicaciones/auriculares puede implementarse tal como se ilustra en la figura 2 y se describió anteriormente. Son posibles varias realizaciones diferentes.

Una de tales realizaciones que se muestra en la figura 17 es una aplicación portátil para teléfono inteligente, en donde el micrófono de entrada se encuentra en la parte posterior del teléfono inteligente, el altavoz es el altavoz receptor del teléfono inteligente, el motor central se implementa usando el procesador del teléfono inteligente y el micrófono de realimentación no se usa (debido a la geometría fija). En esta realización, puede añadirse el mismo antirruido a la transmisión del micrófono. Una alternativa de esta realización incluye un auricular pasivo enchufado en el conector de micrófono/auriculares, un cable de transferencia de datos, etc. Para que esta realización alternativa resulte eficaz, el micrófono del teléfono debe estar expuesto al ruido ambiental y no en un bolsillo, cartera o mochila.

Otra realización a nivel de consumidor sería un auricular, audífono o elemento de escucha con cancelación de ruido con el procesamiento de motor central realizado usando un procesador y micrófono(s) de entrada incluidos como parte del auricular, audífono o elemento de escucha, tal como se muestra en la figura 18. En esta realización (tal como se describió anteriormente), podría usarse un procesador común para ambos oídos de un sistema estéreo para productos de menor coste/rendimiento, y podrían usarse procesadores individuales para cada oído para productos de mayor coste/rendimiento.

Los productos comerciales y de grado militar probablemente utilizarían procesadores más rápidos, un procesamiento independiente para cada auricular y un procesador independiente para la cancelación de ruido del micrófono. Para las aplicaciones más importantes, se usarían micrófono(s) de entrada adicional(es) para captar un ruido ambiental severo (debido a multitudes en estadios, viento, vehículos, municiones, etc.) y el procesador de motor central del micrófono estaría muy cerca del micrófono de transmisión real tal como se muestra en la figura 19. Por ejemplo, los Navy Seals en F470 Combat Rubber Raiding Craft podrían prescindir de los micrófonos de garganta que usan en la actualidad y tener el beneficio de una mejor comunicación mediante el uso de este tipo de sistema. De manera similar, los locutores deportivos disfrutarían diseños de auriculares más pequeños, livianos, menos molestos y que “quedaran mejor en cámara”.

Procesamiento de señales fuera de línea (audio)

El sistema de procesamiento de señales fuera de línea puede implementarse tal como se ilustra en la figura 3 y se describió anteriormente. En esta realización, las características de ruido conocidas pueden reducirse o eliminarse de las grabaciones, o en una situación en directo con un retardo apropiado entre la acción y la transmisión real. En esta realización, el motor central puede ser un “complemento” de otro sistema de software de edición o de procesamiento, incorporado a otro procesador de señales, o como un dispositivo independiente, tal como se muestra en la figura 20. Si las características del ruido que va a eliminarse (o alternativamente, de la señal que va a hacerse pasar en un entorno de ruido desconocido: excluyendo aquellas frecuencias de los ajustes de intervalo de banda de frecuencia y estableciendo el factor de escala de amplitud en 1 para las frecuencias no incluidas en las definiciones de intervalo de banda de frecuencia permitiría que pasen solo esas frecuencias), los parámetros del sistema pueden configurarse manualmente (o a través de preajustes) para eliminar el ruido de manera eficaz y hacer pasar la señal objetivo. Alternativamente, el modo de calibración puede usarse para analizar el ruido de una parte de “pre-rollo” para determinar los ajustes antirruido adecuados. Los casos de uso para esta realización incluyen eliminar el ruido de grabaciones antiguas, reducir el ruido en una situación “en directo” sin afectar negativamente la calidad de un locutor de voz, eliminar el ruido de una grabación de vigilancia, mejorar el audio en una grabación de vigilancia, etc.

Cifrado/descifrado (banda de audio o más allá)

El sistema de cifrado/descifrado puede implementarse tal como se ilustra en la figura 4 y se describió anteriormente. El caso de uso principal en este caso es la transmisión de información privada mediante su codificación subrepticiamente para dar segmentos estrechos de una transmisión de banda ancha o señal de ruido de una manera que no impacte significativamente en la señal de banda ancha. Otro caso de uso para esta realización es incluir datos o información adicionales sobre la transmisión de banda ancha. Tal como se muestra en la figura 21, una “clave” de cifrado incluiría la información de frecuencia y amplitud para “tallar” “canales” discretos en la señal de banda ancha que no afectaría materialmente al contenido de banda ancha (ruido blanco, por ejemplo). La señal codificada se colocaría en “portadoras” de las frecuencias apropiadas a través de la modulación, de modo que cuando las “portadoras” se añaden al contenido de banda ancha, parecería “normal” para los observadores. La clave de “descifrado” prescribiría ajustes de amplitud y frecuencia para los intervalos de banda de frecuencia que darían como resultado la cancelación de toda la información excepto aquellas “portadoras”, que luego podrían demodularse y decodificarse. Se espera que esto se consiga más a menudo excluyendo las frecuencias “portadoras” de las definiciones de banda de frecuencia y estableciendo la amplitud por defecto de las frecuencias excluidas en 0. La preservación de las señales “portadoras” puede mejorarse aún más escalando adecuadamente la amplitud del antirruido creado inmediatamente adyacente a las frecuencias “portadoras” como parte de la definición de “clave de descifrado”.

En una realización alternativa, el sistema de cifrado/descifrado puede prescindir de la etapa de “tallado” de canales discretos en la señal de banda ancha. Más bien, esos canales discretos se identifican simplemente por el procesador, en base a un conocimiento privado a priori de qué partes de los espectros de frecuencia van a elegirse. Un conocimiento a priori de este tipo de estos canales seleccionados se almacena en la memoria a la que accede el procesador y también se da a conocer al destinatario del mensaje deseado por medios subrepticios o privados. El mensaje que va a enviarse se modula luego en una portadora adecuada que coloca el mensaje en estos canales discretos, pero se mezcla con la señal de ruido que de otro modo estaría presente. A continuación, se transmite toda la señal de banda ancha (lo que incluye los canales discretos enmascarados por el ruido). Una vez recibida, la señal de banda ancha se procesa en el lado de decodificación usando un procesador que está programado para subdividir la señal de banda ancha para dar segmentos, identificar los canales discretos que portan el mensaje (en base al conocimiento a priori de las frecuencias de canal) y realizar la reducción de ruido en los canales portadores de mensajes.

Reconocimiento de firma de señal, mejora de detección o de recepción (banda de audio y más allá)

El reconocimiento de la firma de la señal, la mejora de detección o de recepción pueden implementarse tal como se muestra en la figura 5 y se describió anteriormente. Esta realización del motor central facilita el reconocimiento, la detección o la mejora de tipos específicos de transmisiones o firmas de dispositivos en un campo de ruido. La figura 22 ilustra el potencial para reconocer o detectar una variedad de firmas en un único campo de transmisión de datos o ruido mediante la implementación de múltiples instancias del motor central para examinar ese campo. A diferencia de otras realizaciones en donde se usa un micrófono para captar la señal de ruido entrante, en esta realización el ruido producido por un dispositivo particular se capta durante un periodo de tiempo predeterminado y luego los datos captados se procesan calculando un promedio móvil u otra manipulación de suavizado estadística, para desarrollar una firma de ruido para ese dispositivo. Dependiendo de la naturaleza del dispositivo, esta firma de ruido puede ser una firma de frecuencia de audio (por ejemplo, que representa el sonido de un ventilador de motor) o puede ser una firma de frecuencia electromagnética (por ejemplo, que representa la interferencia de radiofrecuencia producida por un motor conmutado o un motor conmutado electrónicamente). Posteriormente, la firma de ruido de ese dispositivo se usa para generar la señal antirruido. Las firmas de ruido desarrolladas de esta manera pueden almacenarse en la memoria (o dentro de una base de datos para el acceso de otros sistemas) y el circuito de procesamiento de señales puede acceder a las mismas, según sea necesario, para reducir el ruido de dispositivos específicos o clases de dispositivos.

Además de ser útil para reducir el ruido de dispositivos específicos, la base de datos de firmas de ruido almacenadas también puede ser útil para identificar dispositivos por la firma de los ruidos producidos, configurando el motor central para solo hacer pasar esas firmas. Un caso de uso sería permitir que las compañías eléctricas detecten la activación de productos que no son de red inteligente para ayudar a anticipar la carga de la red provocada por productos heredados (sistemas HVAC, refrigeradores, etc.). Otro caso de uso sería detectar o mejorar una comunicación electromagnética distante o débil de características conocidas. Alternativamente, los parámetros de frecuencia y amplitud de los intervalos de banda de frecuencia podrían configurarse para detectar perturbaciones en un campo de transmisión o ruido asociado con incidentes específicos, tales como: la interferencia electromagnética que podría provocarse por un dron no tripulado u otro objeto que atraviese el campo de transmisión de ruido, activación de equipos de vigilancia o contravigilancia, manipulación de las fuentes de transmisión o de campo, eventos celestes o terrestres, etc.

La descripción anterior de las realizaciones se ha proporcionado con fines ilustrativos y descriptivos. No pretende ser exhaustivo ni limitar la divulgación. El alcance de la presente invención se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

   i. Método de reducción de ruido dentro de un flujo de señales que contiene una señal no deseada denominada ruido que comprende:

   adquirir (80) una señal de ruido digitalizada en base a una señal de ruido adquirida por un micrófono de entrada (14, 14a) de un entorno en el que está presente el flujo de señales;

   usar un circuito de procesador digital para subdividir (84) la señal de ruido adquirida para dar diferentes segmentos de banda de frecuencia y generar de este modo una pluralidad de señales de ruido segmentadas;

   individualmente para cada señal de ruido segmentada, usar el circuito del procesador digital para cambiar en el tiempo (90) la señal de ruido segmentada una cantidad que depende de una frecuencia seleccionada de la señal de ruido segmentada, produciendo de este modo una pluralidad de señales de ruido segmentadas cambiadas;

   combinar (98) la pluralidad de señales de ruido segmentadas cambiadas para formar una señal antirruido compuesta; y

   emitir (102) la señal antirruido al flujo de señales para reducir el ruido a través de la interferencia destructiva;

   caracterizado porque el circuito de procesador digital está programado para:

   medir y calcular (64) un tiempo de compensación de sistema que tenga en cuenta tanto un tiempo de propagación por aire asociado con la señal de ruido como un tiempo de propagación de sistema asociado con la velocidad de rendimiento del circuito de procesador digital y cualquier equipo asociado; y cambiar la fase de cada señal de ruido segmentada una cantidad correspondiente a un tiempo de cambio de fase calculado como la mitad de la inversa de la frecuencia seleccionada y ajustándose adicionalmente por el tiempo de compensación de sistema;

   en el que el tiempo de propagación por aire se mide como el tiempo de tránsito para que una señal se desplace a través del aire desde el micrófono de entrada (14, 14a) hasta un micrófono de realimentación (26); y

   en el que el tiempo de propagación de sistema se mide como el retardo de tiempo atribuido al tiempo necesario para procesar la señal adquirida, emitirla a un sistema de altavoces (24, 24a) y recibirla en el micrófono de realimentación (26).
2. 2. Método según la reivindicación 1, que comprende además

   individualmente para cada señal de ruido segmentada, aplicar un factor de escala de amplitud apropiado para una aplicación;

   combinar la pluralidad de señales de ruido segmentadas cambiadas y escaladas en amplitud para formar una señal antirruido compuesta.
3. 3. Método según la reivindicación 1, que comprende además usar el circuito de procesador digital para subdividir la señal de ruido adquirida para dar un conjunto de intervalos de banda de frecuencia diferentes y subdividir adicionalmente cada intervalo de banda de frecuencia para dar dichos segmentos de banda de frecuencia.
4. 4. Método según la reivindicación 2, en el que el tamaño de cada segmento de banda de frecuencia diferente y el factor de escala de amplitud se establecen programáticamente por el circuito de procesador digital.
5. 5. Método según las reivindicaciones 2 y 3, en el que el circuito de procesador digital establece programáticamente el tamaño de cada conjunto de intervalos de banda de frecuencia diferentes y los factores de escala de amplitud asociados.
6. 6. Método según la reivindicación 1, en el que el circuito de procesador digital está programado para ajustar la señal antirruido segmentada mediante un factor de escala de amplitud.
7. 7. Método según la reivindicación 1, que comprende además convertir la señal antirruido para dar una señal analógica y emitir la señal antirruido al flujo de señales mezclándola con el ruido original dentro del flujo de señales.
8. 8. Método según la reivindicación 7, que comprende además mezclar la señal antirruido con el ruido original dentro del flujo de señales mediante el uso de un altavoz amplificado u otro transductor dispuesto dentro del flujo de señales.
9. 9. Método según la reivindicación 1, que comprende además captar la señal de ruido dentro del flujo usando al menos el micrófono de entrada (14, 14a) acoplado a un conversor de analógico a digital (16) para producir la señal de ruido digitalizada adquirida.
10. 10. Método según la reivindicación 1, que comprende además:

    adquirir una señal de realimentación mediante el muestreo del flujo de señales después de emitir la señal antirruido al flujo de señales; y

    procesar la señal de realimentación usando el circuito de procesador digital para ajustar una amplitud y/o fase de la señal antirruido para mejorar la reducción de la señal de ruido.
11. 11. Método según la reivindicación 1, que comprende además usar el procesador digital para subdividir la señal de ruido adquirida mediante la aplicación de una transformada de Fourier a la señal de ruido de audio digitalizada adquirida y generando la pluralidad de señales de ruido segmentadas en el dominio de frecuencia.
12. 12. Método según la reivindicación 1, que comprende además determinar el tiempo de propagación de señal mediante:

    la adquisición de una señal de realimentación mediante el muestreo del flujo de señales sin emitir la señal antirruido al flujo; y

    el uso del procesador digital para medir el lapso de tiempo entre el momento en que se adquiere la señal de ruido digitalizada y el momento en que se adquiere la señal de realimentación y almacenar dicha diferencia en la memoria como el tiempo de propagación.
13. 13. Método según la reivindicación 1, que comprende además determinar el tiempo de propagación de sistema mediante

    la adquisición de una señal de realimentación mediante el muestreo del flujo de señales después de emitir la señal antirruido al flujo; y

    el uso del procesador digital para medir el lapso de tiempo entre el momento en que se adquiere la señal de ruido digitalizada y el momento en que se adquiere la señal de realimentación y almacenar dicha diferencia en la memoria como el tiempo de propagación.
14. 14. Sistema para reducir el ruido en un flujo de señales de audio que contiene una señal de ruido, que comprende:

    un micrófono de entrada (14, 14a) configurado para adquirir (80) una señal de ruido de un entorno en el que está presente el flujo de señales de audio;

    un conversor de analógico a digital (16) configurado para recibir la señal de ruido del micrófono de entrada y funcionar para convertir la señal de ruido en una señal de ruido digitalizada, un procesador de señales digitales (10) configurado para recibir la señal de ruido digitalizada procedente del conversor de analógico a digital y procesar la señal de ruido digitalizada mediante

    la subdivisión (84) de la señal de ruido adquirida para dar diferentes segmentos de banda de frecuencia y generar de este modo una pluralidad de señales de ruido segmentadas;

    individualmente para cada señal de ruido segmentada, el cambio en el tiempo (90) de la señal de ruido segmentada una cantidad que depende de una frecuencia seleccionada de la señal de ruido segmentada, produciendo de este modo una pluralidad de señales de ruido segmentadas cambiadas;

    la combinación (98) de la pluralidad de señales de ruido segmentadas cambiadas para formar una señal antirruido compuesta; y

    un conversor de digital a analógico (20) configurado para recibir la señal antirruido compuesta del procesador de señales digitales (10) y funcionar para convertir la señal antirruido compuesta en una señal antirruido analógica;

    un sistema de altavoces (24, 24a);

    un micrófono de realimentación (26);

    caracterizado porque el procesador de señales digitales (10) está además programado para: medir y calcular (64) un tiempo de compensación de sistema que tenga en cuenta un tiempo de propagación por aire asociado con la señal de ruido y un tiempo de propagación de sistema asociado con la velocidad de rendimiento del circuito de procesador digital y cualquier equipo asociado; y cambiar la fase de cada señal de ruido segmentada una cantidad correspondiente a un tiempo de cambio de fase calculado como la mitad de la inversa de la frecuencia seleccionada y ajustándose adicionalmente por el tiempo de compensación de sistema;

    en el que el tiempo de propagación por aire se mide como el tiempo de tránsito para que una señal se desplace a través del aire desde el micrófono de entrada hasta el micrófono de realimentación; y en el que el tiempo de propagación de sistema se mide como el retardo de tiempo atribuido al tiempo necesario para procesar la señal adquirida, emitirla al sistema de altavoces (24, 24a) y recibirla en el micrófono de realimentación (26).