这里主要说入耳式耳机的anc,头戴式和座舱anc/对应程序都<后补>

耳机一般两种降噪:ANC和ENC,ANC是让佩戴者更舒适,ENC是用在通话时,对周边环境进行降噪,使对方听的更清晰。耳机实现主动降噪靠的是声波的叠加,耳机产生一个与外部噪声源振幅相等,但相位相反的声波,与噪声源叠加后达到消除噪声的效果。

rnNoise降噪 降噪enc_自适应


ANC 得先采集噪声,根据 MIC 的摆放位置和数量分为 FF ANC(前反馈降噪)、FB ANC(后反馈降噪)、Hybrid ANC(混合降噪)。在 FF ANC 中,耳机只有一个 FF MIC,放置在耳机喇叭腔体外侧;FB ANC 中则只用到 FB MIC 放置在喇叭腔体内,正对喇叭;Hybrid ANC 则是包含了 FF MIC 和 FB MIC ,这里又可以称为参考(FF) MIC 和 误差(FB) MIC,理论上 Hybrid ANC 包含了 FF ANC 和 FB ANC 的优点,降噪效果也比单反馈的 ANC 效果要好。

rnNoise降噪 降噪enc_自适应_02

典型的硬件实现通路如下,耳机有三路通向扬声器,一路式ff mic(feed forward mic)一路是fb mic(feed back mic)。
对于anc filter 大部分其实采取的是固定滤波器处理,一般在生产的时候会进行一次对麦克风的校准,来补偿耳机的电声容差。数字处理相比模拟处理来说,流程大致一致,可以不用焊接无源RC组件进行滤波器调谐,软件更新使得耳机性能更稳定,但是延迟增加导致更高的功耗和更低的性能。
ff mic 前馈麦克,处理噪声更快,但是容易遗漏。
前馈ANC使用数字信号处理器(DSP)或专用的ANC处理硬件将噪声信号映射到用户在耳机内部实际听到的内容。**但是,它不如将麦克风放在耳罩内准确。此外,降噪特性在佩戴者之间也有所变化。**外置麦克风具有最佳的噪声灵敏度,非常适合中频降噪。因此,它可用于隔离特定声音,例如语音或交通,以实现更高级的ANC和环境声音控制技术。然而,前馈ANC对风噪和其他形式的附带噪声更敏感。这些噪音实际上可能会被放大,因为它们不会在耳罩内被拾取以消除。

fb mic 反馈麦克,处理噪声慢。但是不容易出现遗漏

反馈ANC的主要好处是,无论安装情况如何,麦克风捕获到更准确地噪声。我们可以将反馈ANC视为一种自我纠正机制。这也使耳机更能抵抗风噪,但设备可能会失去高频降噪灵敏度,因为这种噪音可能会从外部通过耳机。

与所有反馈系统一样,可能会发生失控放大。系统拾取自己的抗噪声信号并增加放大水平以抵消它的风险很小;这实际上会增加噪声量,甚至产生振铃反馈声音。反馈设计的处理时间也更短,因为它正在处理靠近耳朵的音频。因此,反馈ANC在具有较长波长的低频下最有效。

rnNoise降噪 降噪enc_配置文件_03


混合主动降噪具备更多优势,它结合了前馈和反馈麦克风的处理功能,以覆盖所有噪音。使用混合技术,我们将获得最佳的噪声衰减频率覆盖范围和最少反馈问题的可能性。此外,混合主动降噪仍可用于环境噪声和隔音功能,同时保留精确、量身定制的主动降噪的优势。每一路麦克风信号都需要经过ADC处理,音乐信号则是看情况可能需要和mic进行时钟/采样率转换匹配处理,并且会经过eq处理。

rnNoise降噪 降噪enc_rnNoise降噪_04


不同场景的环境噪声不同,希望在各个场景下都具有比较好的效果:自适应ANC。

rnNoise降噪 降噪enc_rnNoise降噪_05


目前主要是先识别噪声源,然后将anc处理集中在该频率范围上。为了识别环境噪声曲线,前馈ANC还加入了低延迟ANC dsp和第二个dsp,通过噪声配置文件,重新定义耳机的ANC滤波器系数。或者预设ANC,不需要交换滤波器系数,来减少I2C总线流量。

rnNoise降噪 降噪enc_自适应_06


环境噪声检测的方法存在差异,最简单的是对噪声进行频率加权的fft,检测算法还可以通过神经网络进行。通过确定环境来选择理想的anc滤波器或者增强的听力配置文件。此外,良好的anc性能需要具有低延迟的高质量anc电路以及出色的电声元件。此外还有一个重要的因素,就是耳塞在用户耳朵中的贴合度。耳塞密封不良会影响无源衰减,进而影响目标的ANC滤波器传递函数。对于用户而言影响为不同用户之间的anc性能下降。

因此带有增益和相位补偿滤波器的anc耳机专门为耳机的指定密封和被动衰减设计。此外带有一定的自适应anc系统,旨在补偿声学失配,使得每个用户可以获得恒定的anc性能。下图是不同泄露水平下anc性能损失。

rnNoise降噪 降噪enc_rnNoise降噪_07


补偿适配的自适应anc硬件和软件架构都更复杂

rnNoise降噪 降噪enc_自适应_08


rnNoise降噪 降噪enc_配置文件_09


上图是不同泄露水平的目标滤波器曲线。为了调整增益和相位,使得目标曲线和人耳要求匹配。

rnNoise降噪 降噪enc_音频_10

相比之前的固定滤波器系统,此处实时更新自适应anc滤波器系数需要在运行的时候动态调整,否则运行的时候切换容易导致anc丢失。

此处系统框图里有前馈anc,反馈anc,并且引入了音乐播放自适应,以保证在不同泄露水平下保持相同的音质。

泄露水平的检测一般需要通过麦克风以及附加传感器来检测极端情况。传感器抱愧加速度计,接近传感器等。因为在泄露的时候自适应可能会自适应出过多增益,产生不稳定,此处传感器是为了避免产生啸叫。

下图展示自适应对于泄露的效果:

原始anc曲线和泄露后的anc曲线效果相仿。

rnNoise降噪 降噪enc_rnNoise降噪_11