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这项技术会成为半导体公司掘金的下一个乐土

半导体行业观察 ·2017-05-10 08:19·半导体行业观察
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编者按: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!



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。



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。



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。



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。



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。


编后语:据半导体行业观察小编了解到,现在市场上的主要ANC方案主要由奥地利微电子提供,国内一个叫恒玄科技的团队在上面的表现也不错,他们在去年曾经宣布推出了全球第一颗全集成自适应主动降噪蓝牙耳机芯片。未来这个市场将会有多大的影响力,那就要看我们设想的万物互联世界什么时候到来。


今天是《半导体行业观察》为您分享的第1274期内容,欢迎关注。

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