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這項技術會成為半導體公司掘金的下一個樂土
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編者按:蘋果Airpod、Amazon Echo和Google Home這些硬體產品面世之後,加上Amazon的Alexa和APPLE的 Siri等語音軟體服務的大行其道,留給智慧家居市場,未來的語音控制入口就有了很大的想像力。設想一下,通過隨時帶在耳朵上的Airpod控制公司、家裡的所有設備,是不是離夢想中的世界很近了。但這個的進一步普及,就需要在硬體上解決一個問題,就是在拾音的時候進行雜訊消除。

我們相信研究這個技術和產品的公司未來將會成為一個新的巨頭。

什麼是有源雜訊消除
對於雜訊,大家一定都很熟悉。凡是我們不想聽到的聲音,都可以歸結為雜訊,例如坐飛機時候的引擎聲,坐火車時的車輪聲,外面馬路上的車水馬龍的聲音等等。在聽音樂時,大家都不喜歡被雜訊幹擾。那麼,如何減小雜訊對我們的幹擾?傳統方法是封閉法,即用耳塞或者全封閉耳機把你的耳朵罩起來,這樣就聽不到雜訊了,但是這樣做第一很貴,因為要做全封閉的耳機還要做到舒適需要很高的成本,第二效果也不見得好,因為隨著佩戴姿勢等等的改變總會有雜訊漏進來。那麼,有沒有更好的辦法呢?有源雜訊消除技術(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。

ANC技術的原理並不深奧,高中物理就教過,就是波的干涉。如果大家對高考複習還記憶猶新的話,一定還記得如果兩列波幅度相同,相位相反,則它們干涉的結果是互相抵消,看不到波了!
 
講完了高中物理,我們再講講初中物理:初中物理裡面提到,聲音也是一種波,可以在各種介質中傳播。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,我們就可以使用抵消的辦法來消除雜訊。

常見的有源雜訊消除耳機如下圖所示,麥克風採樣外部雜訊,改採樣到的雜訊經過有源雜訊抵消電路處理後,產生一個和採樣到的雜訊相位相反,且幅度合適的“反”雜訊,並送入耳機的揚聲器,於是雜訊在人的耳朵前就被抵消了,帶耳機的人只能聽到音樂,而聽不到雜訊。
 
如果把系統畫成信號流圖,就是下圖,雜訊在麥克風採樣後進入信號處理電路,產生“反”雜訊,並與音樂一起送進耳機內。這種模式稱為前饋有源雜訊消除。
 
然而,前饋雜訊消除有一個問題。大家一定試過對著麥克風吹氣吧!對著麥克風吹氣可以在麥克風輸出的地方產生很大的聲音,但是這個吹氣的聲音你把麥克風拿走是聽不到的。同樣的,在前饋有源雜訊消除中,如果在採樣麥克風附近有風在吹,那麼麥克風有可能會產生很大的反雜訊,但其實這個吹風的聲音人是聽不到的!換句話說,如果麥克風處有風在吹(風噪),麥克風會認為環境雜訊很大,但是人其實聽不到任何雜訊,這樣麥克風的誤報反而會產生更大的雜訊!

為瞭解決這個問題,可以使用回饋有源雜訊消除。
 
在回饋有源雜訊消除方案中,麥克風採樣的不是直接的環境雜訊,而是耳機輸出處的聲音,顯然這裡的聲音包括了音樂和環境雜訊。那麼如何選擇性地抵消掉雜訊但是保留音樂呢?就需要把這裡採樣到的聲音減去音樂,這樣剩下的信號就全是雜訊了;然後再根據這個雜訊去產生雜訊抵消信號。這樣做的話,就不會有風噪問題。然而,這裡又有一個新問題,就是回饋系統通常頻寬會遠小於前饋系統,因此使用回饋模式的有源雜訊消除對於高頻雜訊的抵消作用有限。

既然兩種方案各有利弊,那麼把它們結合起來如何?這就是混合模式的有源雜訊消除,既使用前饋又使用回饋,系統設計得當的話可以揚長避短,即避免風噪又能抵消高頻雜訊。
 
藍牙耳機與ANC
隨著蘋果AirPod的推出,全無線耳機也越來越火。最近,更是有不少公司推出了帶ANC的全無線耳機。在全無線耳機上做ANC的主要挑戰點在於信號同步。之前提到過,回饋和混合ANC方案都需要把採樣到的信號減去音樂再去產生雜訊抵消信號,這對於音樂和採樣信號之間的同步要求很高。在有線耳機裡,這並不困難,因為音樂傳輸通道非常理想;然而,目前全無線耳機多採用藍牙技術來傳輸信號,因此藍牙傳輸信號與ANC信號之間的同步必須仔細設計,而藍牙的延遲就成了這裡的關鍵點。另外,由於全無線方案中耳機自己帶電池,從用戶體驗角度來看電池的容量不可能很大否則會使耳機重量超標,因此ANC電路的功耗必須仔細控制,以保證良好的性能以及足夠長的電池使用時間。
 
編後語:據半導體行業觀察小編瞭解到,現在市場上的主要ANC方案主要由奧地利微電子提供,中國一個叫恒玄科技的團隊在上面的表現也不錯,他們在去年曾經宣佈推出了全球第一顆全集成自我調整主動降噪藍牙耳機晶片。未來這個市場將會有多大的影響力,那就要看我們設想的萬物互聯世界什麼時候到來。
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