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什么是有源噪聲消除?ANC技術(shù)原理解析

發(fā)布時(shí)間:2017-05-16 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】ANC技術(shù)的原理并不深?yuàn)W,高中物理就教過,就是波的干涉。如果大家對(duì)高考復(fù)習(xí)還記憶猶新的話,一定還記得如果兩列波幅度相同,相位相反,則它們干涉的結(jié)果是互相抵消,看不到波了。
 
蘋果Airpod、Amazon Echo和Google Home這些硬件產(chǎn)品面世之后,加上Amazon的Alexa和APPLE的 Siri等語(yǔ)音軟件服務(wù)的大行其道,留給智能家居市場(chǎng),未來的語(yǔ)音控制入口就有了很大的想象力。設(shè)想一下,通過隨時(shí)帶在耳朵上的Airpod控制公司、家里的所有設(shè)備,是不是離夢(mèng)想中的世界很近了。但這個(gè)的進(jìn)一步普及,就需要在硬件上解決一個(gè)問題,就是在拾音的時(shí)候進(jìn)行噪聲消除。
 
我們相信研究這個(gè)技術(shù)和產(chǎn)品的公司未來將會(huì)成為一個(gè)新的巨頭。
 
什么是有源噪聲消除
 
對(duì)于噪聲,大家一定都很熟悉。凡是我們不想聽到的聲音,都可以歸結(jié)為噪聲,例如坐飛機(jī)時(shí)候的引擎聲,坐火車時(shí)的車輪聲,外面馬路上的車水馬龍的聲音等等。在聽音樂時(shí),大家都不喜歡被噪聲干擾。那么,如何減小噪聲對(duì)我們的干擾?傳統(tǒng)方法是封閉法,即用耳塞或者全封閉耳機(jī)把你的耳朵罩起來,這樣就聽不到噪聲了,但是這樣做第一很貴,因?yàn)橐鋈忾]的耳機(jī)還要做到舒適需要很高的成本,第二效果也不見得好,因?yàn)殡S著佩戴姿勢(shì)等等的改變總會(huì)有噪聲漏進(jìn)來。那么,有沒有更好的辦法呢?有源噪聲消除技術(shù)(active noise cancellation,ANC)就是最近非常火的方法,下面分析一下其中用到的技術(shù)。
 
ANC技術(shù)的原理并不深?yuàn)W,高中物理就教過,就是波的干涉。如果大家對(duì)高考復(fù)習(xí)還記憶猶新的話,一定還記得如果兩列波幅度相同,相位相反,則它們干涉的結(jié)果是互相抵消,看不到波了!
 
 
講完了高中物理,我們?cè)僦v講初中物理:初中物理里面提到,聲音也是一種波,可以在各種介質(zhì)中傳播。換句話說,聲波也能干涉,如果我們利用好這一特性,就可以把一些不想聽到的聲波用干涉抵消掉(或者至少減小幅度)。利用這一點(diǎn),我們就可以使用抵消的辦法來消除噪聲。
 
常見的有源噪聲消除耳機(jī)如下圖所示,麥克風(fēng)采樣外部噪聲,改采樣到的噪聲經(jīng)過有源噪聲抵消電路處理后,產(chǎn)生一個(gè)和采樣到的噪聲相位相反,且幅度合適的“反”噪聲,并送入耳機(jī)的揚(yáng)聲器,于是噪聲在人的耳朵前就被抵消了,帶耳機(jī)的人只能聽到音樂,而聽不到噪聲。
 
 
如果把系統(tǒng)畫成信號(hào)流圖,就是下圖,噪聲在麥克風(fēng)采樣后進(jìn)入信號(hào)處理電路,產(chǎn)生“反”噪聲,并與音樂一起送進(jìn)耳機(jī)內(nèi)。這種模式稱為前饋有源噪聲消除。
 
 
然而,前饋噪聲消除有一個(gè)問題。大家一定試過對(duì)著麥克風(fēng)吹氣吧!對(duì)著麥克風(fēng)吹氣可以在麥克風(fēng)輸出的地方產(chǎn)生很大的聲音,但是這個(gè)吹氣的聲音你把麥克風(fēng)拿走是聽不到的。同樣的,在前饋有源噪聲消除中,如果在采樣麥克風(fēng)附近有風(fēng)在吹,那么麥克風(fēng)有可能會(huì)產(chǎn)生很大的反噪聲,但其實(shí)這個(gè)吹風(fēng)的聲音人是聽不到的!換句話說,如果麥克風(fēng)處有風(fēng)在吹(風(fēng)噪),麥克風(fēng)會(huì)認(rèn)為環(huán)境噪聲很大,但是人其實(shí)聽不到任何噪聲,這樣麥克風(fēng)的誤報(bào)反而會(huì)產(chǎn)生更大的噪聲!
 
為了解決這個(gè)問題,可以使用反饋有源噪聲消除,如下圖所示。
 
 
在反饋有源噪聲消除方案中,麥克風(fēng)采樣的不是直接的環(huán)境噪聲,而是耳機(jī)輸出處的聲音,顯然這里的聲音包括了音樂和環(huán)境噪聲。那么如何選擇性地抵消掉噪聲但是保留音樂呢?就需要把這里采樣到的聲音減去音樂,這樣剩下的信號(hào)就全是噪聲了;然后再根據(jù)這個(gè)噪聲去產(chǎn)生噪聲抵消信號(hào)。這樣做的話,就不會(huì)有風(fēng)噪問題。然而,這里又有一個(gè)新問題,就是反饋系統(tǒng)通常帶寬會(huì)遠(yuǎn)小于前饋系統(tǒng),因此使用反饋模式的有源噪聲消除對(duì)于高頻噪聲的抵消作用有限。
 
既然兩種方案各有利弊,那么把它們結(jié)合起來如何?這就是混合模式的有源噪聲消除,既使用前饋又使用反饋,系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑捒梢該P(yáng)長(zhǎng)避短,即避免風(fēng)噪又能抵消高頻噪聲。
 
 
藍(lán)牙耳機(jī)與ANC
 
隨著蘋果AirPod的推出,全無線耳機(jī)也越來越火。最近,更是有不少公司推出了帶ANC的全無線耳機(jī)。在全無線耳機(jī)上做ANC的主要挑戰(zhàn)點(diǎn)在于信號(hào)同步。之前提到過,反饋和混合ANC方案都需要把采樣到的信號(hào)減去音樂再去產(chǎn)生噪聲抵消信號(hào),這對(duì)于音樂和采樣信號(hào)之間的同步要求很高。在有線耳機(jī)里,這并不困難,因?yàn)橐魳穫鬏斝诺婪浅@硐?;然而,目前全無線耳機(jī)多采用藍(lán)牙技術(shù)來傳輸信號(hào),因此藍(lán)牙傳輸信號(hào)與ANC信號(hào)之間的同步必須仔細(xì)設(shè)計(jì),而藍(lán)牙的延遲就成了這里的關(guān)鍵點(diǎn)。另外,由于全無線方案中耳機(jī)自己帶電池,從用戶體驗(yàn)角度來看電池的容量不可能很大否則會(huì)使耳機(jī)重量超標(biāo),因此ANC電路的功耗必須仔細(xì)控制,以保證良好的性能以及足夠長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。
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