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什么是有源噪声消除?ANC技术原理解析

导读: ANC技术的原理并不深奥,高中物理就教过,就是波的干涉。如果大家对高考复习还记忆犹新的话,一定还记得如果两列波幅度相同,相位相反,则它们干涉的结果是互相抵消,看不到波了!

苹果Airpod、Amazon Echo和Google Home这些硬件产品面世之后,加上Amazon的Alexa和APPLE的 Siri等语音软件服务的大行其道,留给智能家居市场,未来的语音控制入口就有了很大的想象力。设想一下,通过随时带在耳朵上的Airpod控制公司、家里的所有设备,是不是离梦想中的世界很近了。但这个的进一步普及,就需要在硬件上解决一个问题,就是在拾音的时候进行噪声消除。

我们相信研究这个技术和产品的公司未来将会成为一个新的巨头。

什么是有源噪声消除

对于噪声,大家一定都很熟悉。凡是我们不想听到的声音,都可以归结为噪声,例如坐飞机时候的引擎声,坐火车时的车轮声,外面马路上的车水马龙的声音等等。在听音乐时,大家都不喜欢被噪声干扰。那么,如何减小噪声对我们的干扰?传统方法是封闭法,即用耳塞或者全封闭耳机把你的耳朵罩起来,这样就听不到噪声了,但是这样做第一很贵,因为要做全封闭的耳机还要做到舒适需要很高的成本,第二效果也不见得好,因为随着佩戴姿势等等的改变总会有噪声漏进来。那么,有没有更好的办法呢?有源噪声消除技术(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术。

ANC技术的原理并不深奥,高中物理就教过,就是波的干涉。如果大家对高考复习还记忆犹新的话,一定还记得如果两列波幅度相同,相位相反,则它们干涉的结果是互相抵消,看不到波了!

什么是有源噪声消除?ANC技术原理解析

讲完了高中物理,我们再讲讲初中物理:初中物理里面提到,声音也是一种波,可以在各种介质中传播。换句话说,声波也能干涉,如果我们利用好这一特性,就可以把一些不想听到的声波用干涉抵消掉(或者至少减小幅度)。利用这一点,我们就可以使用抵消的办法来消除噪声。

常见的有源噪声消除耳机如下图所示,麦克风采样外部噪声,改采样到的噪声经过有源噪声抵消电路处理后,产生一个和采样到的噪声相位相反,且幅度合适的“反”噪声,并送入耳机的扬声器,于是噪声在人的耳朵前就被抵消了,带耳机的人只能听到音乐,而听不到噪声。

什么是有源噪声消除?ANC技术原理解析

如果把系统画成信号流图,就是下图,噪声在麦克风采样后进入信号处理电路,产生“反”噪声,并与音乐一起送进耳机内。这种模式称为前馈有源噪声消除。

什么是有源噪声消除?ANC技术原理解析

然而,前馈噪声消除有一个问题。大家一定试过对着麦克风吹气吧!对着麦克风吹气可以在麦克风输出的地方产生很大的声音,但是这个吹气的声音你把麦克风拿走是听不到的。同样的,在前馈有源噪声消除中,如果在采样麦克风附近有风在吹,那么麦克风有可能会产生很大的反噪声,但其实这个吹风的声音人是听不到的!换句话说,如果麦克风处有风在吹(风噪),麦克风会认为环境噪声很大,但是人其实听不到任何噪声,这样麦克风的误报反而会产生更大的噪声!

为了解决这个问题,可以使用反馈有源噪声消除,如下图所示。

什么是有源噪声消除?ANC技术原理解析

在反馈有源噪声消除方案中,麦克风采样的不是直接的环境噪声,而是耳机输出处的声音,显然这里的声音包括了音乐和环境噪声。那么如何选择性地抵消掉噪声但是保留音乐呢?就需要把这里采样到的声音减去音乐,这样剩下的信号就全是噪声了;然后再根据这个噪声去产生噪声抵消信号。这样做的话,就不会有风噪问题。然而,这里又有一个新问题,就是反馈系统通常带宽会远小于前馈系统,因此使用反馈模式的有源噪声消除对于高频噪声的抵消作用有限。

既然两种方案各有利弊,那么把它们结合起来如何?这就是混合模式的有源噪声消除,既使用前馈又使用反馈,系统设计得当的话可以扬长避短,即避免风噪又能抵消高频噪声。

什么是有源噪声消除?ANC技术原理解析

蓝牙耳机与ANC

随着苹果AirPod的推出,全无线耳机也越来越火。最近,更是有不少公司推出了带ANC的全无线耳机。在全无线耳机上做ANC的主要挑战点在于信号同步。之前提到过,反馈和混合ANC方案都需要把采样到的信号减去音乐再去产生噪声抵消信号,这对于音乐和采样信号之间的同步要求很高。在有线耳机里,这并不困难,因为音乐传输信道非常理想;然而,目前全无线耳机多采用蓝牙技术来传输信号,因此蓝牙传输信号与ANC信号之间的同步必须仔细设计,而蓝牙的延迟就成了这里的关键点。另外,由于全无线方案中耳机自己带电池,从用户体验角度来看电池的容量不可能很大否则会使耳机重量超标,因此ANC电路的功耗必须仔细控制,以保证良好的性能以及足够长的电池使用时间。

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