什么是有源噪聲消除

對于噪聲，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，大家都不喜歡被噪聲干擾。那么，如何減小噪聲對我們的干擾？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，因為要做全封閉的耳機(jī)還要做到舒適需要很高的成本，第二效果也不見得好，因為隨著佩戴姿勢等等的改變總會有噪聲漏進(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?；鸬姆椒ǎ旅娣治鲆幌缕渲杏玫降募夹g(shù)。

ANC技術(shù)的原理并不深奧，高中物理就教過，就是波的干涉。如果大家對高考復(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，我們再講講初中物理：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，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)畫成信號流圖，就是下圖，噪聲在麥克風(fēng)采樣后進(jìn)入信號處理電路，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問題。大家一定試過對著麥克風(fēng)吹氣吧！對著麥克風(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)有可能會產(chǎn)生很大的反噪聲，但其實這個吹風(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)會認(rèn)為環(huán)境噪聲很大，但是人其實聽不到任何噪聲，這樣麥克風(fēng)的誤報反而會產(chǎn)生更大的噪聲！

為了解決這個問題，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，這樣剩下的信號就全是噪聲了；然后再根據(jù)這個噪聲去產(chǎn)生噪聲抵消信號。這樣做的話，就不會有風(fēng)噪問題。然而，這里又有一個新問題，就是反饋系統(tǒng)通常帶寬會遠(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)計得當(dāng)?shù)脑捒梢該P長避短，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)點在于信號同步。之前提到過，反饋和混合ANC方案都需要把采樣到的信號減去音樂再去產(chǎn)生噪聲抵消信號，這對于音樂和采樣信號之間的同步要求很高。在有線耳機(jī)里，這并不困難，因為音樂傳輸信道非常理想；然而，目前全無線耳機(jī)多采用藍(lán)牙技術(shù)來傳輸信號，因此藍(lán)牙傳輸信號與ANC信號之間的同步必須仔細(xì)設(shè)計，而藍(lán)牙的延遲就成了這里的關(guān)鍵點。另外，由于全無線方案中耳機(jī)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(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的電池使用時間。