什么是有源噪聲消除？ANC技術(shù)原理解析

蘋(píng)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(lái)的語(yǔ)音控制入口就有了很大的想象力。設(shè)想一下，通過(guò)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(wèn)題，就是在拾音的時(shí)候進(jìn)行噪聲消除。

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我們相信研究這個(gè)技術(shù)和產(chǎn)品的公司未來(lái)將會(huì)成為一個(gè)新的巨頭。

對(duì)于噪聲，大家一定都很熟悉。凡是我們不想聽(tīng)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(chē)時(shí)的車(chē)輪聲，外面馬路上的車(chē)水馬龍的聲音等等。在聽(tīng)音樂(lè)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(lái)，這樣就聽(tīng)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(jiàn)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(lái)。那么，有沒(méi)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)。

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ANC技術(shù)的原理并不深?yuàn)W，高中物理就教過(guò)，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(huà)，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！

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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(huà)說(shuō)，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(tīng)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(lái)消除噪聲。

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常見(jiàn)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(guò)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(tīng)到音樂(lè)，而聽(tīng)不到噪聲。

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如果把系統(tǒng)畫(huà)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(lè)一起送進(jìn)耳機(jī)內(nèi)。這種模式稱(chēng)為前饋有源噪聲消除。

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然而，前饋噪聲消除有一個(gè)問(wèn)題。大家一定試過(guò)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(tīng)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(tīng)不到的！換句話(huà)說(shuō)，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(tīng)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！

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為了解決這個(gè)問(wèn)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(lè)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(lè)呢？就需要把這里采樣到的聲音減去音樂(lè)，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(huà)，就不會(huì)有風(fēng)噪問(wèn)題。然而，這里又有一個(gè)新問(wèn)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。

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既然兩種方案各有利弊，那么把它們結(jié)合起來(lái)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?huà)可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，即避免風(fēng)噪又能抵消高頻噪聲。

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隨著蘋(píng)果AirPod的推出，全無(wú)線(xiàn)耳機(jī)也越來(lái)越火。最近，更是有不少公司推出了帶ANC的全無(wú)線(xiàn)耳機(jī)。在全無(wú)線(xiàn)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(guò)，反饋和混合ANC方案都需要把采樣到的信號(hào)減去音樂(lè)再去產(chǎn)生噪聲抵消信號(hào)，這對(duì)于音樂(lè)和采樣信號(hào)之間的同步要求很高。在有線(xiàn)耳機(jī)里，這并不困難，因?yàn)橐魳?lè)傳輸信道非常理想；然而，目前全無(wú)線(xiàn)耳機(jī)多采用藍(lán)牙技術(shù)來(lái)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(wú)線(xiàn)方案中耳機(jī)自己帶電池，從用戶(hù)體驗(yàn)角度來(lái)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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