Active Noise Cancelling-主动噪声消除
ABSTRACT
我們生活中充斥著各種噪聲，而隨著科技的進步，各種音頻降噪技術也不斷涌現。主動降噪（Active Noise Cancelling）技術屬于降噪技術的其中一種，其基本原理是通過播放“反波（Anti-Signal）”在聲學環境中來抵消噪聲。主動降噪已經被廣泛應用到了耳機中，各種“主動降噪耳機”也應接不暇。本篇文章，我們會詳細介紹什么是主動降噪，主動降噪背后的原理是什么，并從“AirPods開發者”的角度介紹怎樣專業地評測一款主動降噪耳機。
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I. Introduction
在我們日常的生活當中，充斥著各種噪聲。Fig.1列舉了六種生活中比較常見的噪聲。在這些噪聲中，飛機噪聲、空調/風扇噪聲，機器噪聲相對比較平穩，沒有明顯的波動，此類噪聲我們稱之為Stationary Noise [1] (Goodman, N. R., 1961)。而餐廳噪聲、交通噪聲和施工噪聲通常是Non-Stationary Noise [2] (Rangachari, 2006)。在Non-Stationary Noise中，比較具有代表性的要數餐廳里的噪音Babble Noise，著名的Cocktail Party Effect [3] (Arons, 1992) 就是基于Babble Noise的。Babble Noise是指多個說話者的交談聲組成的背景噪聲，此類噪聲不僅僅是非平穩的，而且和我們所需語音的成分相似，導致在進行語音增強Speech Enhancement（語音為所需信號時的噪聲抑制）時難度增大。
針對不同類型的噪聲，各種不同的降噪算法也相繼出現。降噪算法可分為傳統信號處理算法 (Conventional Signal Processing Algorithm)，以及基于機器學習的算法(Learning-based Algorithm)。Fig.2中展示了部分基于傳統信號處理算法的分類，主動降噪(Active Noise Cancelling)是其中的一種。
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II.?ACTIVE NOISE CANCELLING-ANC
主動降噪Active Noise Cancelling (ANC) 其實早在1936年就被Paul Lueg 提出 [4]。一直到1986年，由美國音頻硬件制造商Bose Corporation生產出了第一款ANC 耳機 [5] (Tokhi, 2002)，并配備給了飛行員完成首飛。從那時候起，各種ANC耳機便如雨后春筍一般不斷涌現。
A.?ANC的算法基本原理
ANC的基本原理并不難理解，核心是根據噪聲信號生成一個反波 (Anti-Signal) 作為消除信號 (Cancelling Signal)，在聲場(Acoustic) 中播放這個消除信號來抵消掉噪聲。我們以一個正弦信號 (Sine Signal) 為例,
sn(t)=Asin(2πft)
其中sn(t)代表噪聲信號，A代表正弦信號的幅度，f代表了正弦信號的頻率。針對噪聲信號sn(t)，我們生成Anti-Signal sc(t)作為Cancelling Signal,
?sct=-Asin(2πft)
如果我們在聲場中播放sc(t)，在合適的位置我們就能達到以下的效果，
snt+sc(t)=0
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Fig.3展示了上述對于正弦信號這種單頻音 (Single Tone)的主動抑制過程。如Fig.3(a)所示，紅色信號代表噪聲信號sn(t)，藍色信號代表Cancelling Signal sc(t)。由Fig.3(b)所示，疊加后，噪聲信號sn(t)已被抵消。
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B. ANC耳機基本原理
根據ANC的基本工作原理，我們來介紹一下ANC耳機的結構。我們以Feedback ANC Headphone [6] (Brittain, 1997) 為例。Fig.4展示了一個Feedback ANC Headphone的一個剖面圖，其中模塊18是Audio Communication Speaker，它的功能是播放所需要的聲音，比如語音或者音樂。模塊20是Noise Reduction Speaker，它的職責是播放Cancelling Signal。模塊22和模塊24則是負責計算和生成這個Cancelling Signal的關鍵模塊。模塊22是Feedback Microphone，它位于耳機內部，負責監聽耳機內部的環境噪音。外部的環境噪音，通過耳機罩，到達耳機內部的時候，這時的信號為耳機內部的環境噪音。拿到了這個信號后，模塊22會將其傳入模塊24，模塊24則負責ANC算法的計算，通過自適應濾波 (Adaptive Filtering) 實時地生成Cancelling Signal，并發送給Noise Reduction Speaker將其播出，去抵消噪聲。
除了Feedback ANC，還有一種ANC的類型是Feedforward。而目前比較流行的ANC算法是Feedback結合Feedforward的Hybrid算法。Fig.5展示了Hybrid ANC的示意圖。通過示意圖我們可以看到，Hybrid ANC大多數模塊都和Feedback ANC一樣，唯一的不同是多了一個Feedforward Microphone (在Fig.5中的模塊6)。這個Microphone安置在耳機的外部，用來收集耳機周圍環境噪音，在進入耳機之前的聲音信息。
Fig.6里展示了Hybrid ANC的Block Diagram。Feedback Microphone采集到的信號為e(n)，它同時也是最后耳朵所聽到的信號。x(n)代表Feedforward Microphone采集到的信號。外界的噪聲在被Feedforward Microphone采到的同時，也會透過耳機 (Primary Path)，傳入耳道 (Ear Canal)。在耳道處，會與耳機的Speaker播放出來的Cancelling Signal y'(n)相互疊加，最終達到消除d(n)的效果，
en=d(n)-y'(n)?
Hybrid ANC的算法核心是自適應濾波器 (Adaptive Filter)， Normalized Least Mean Square (NLMS)是一個比較通用的自適應濾波器 [7] (Shin, 2004)，
wi=wi-1+μUi*(UiUi*)-1ei? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
其中，
Ui=[ui, ui-1… ui-K+1]T?? ? ? ? ? ? ? ? ??
wi表示NLMS中Linear Filter在ith?frame時的weights，μ是自適應濾波器的步長 (step-size)，ei代表 en在 ith?frame的信號，ui代表 un在 ith?frame的信號。
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III.?ANC耳機評測
耳機的評測涉及很多方面，各種論壇也有詳細的評測攻略。我們這里著重介紹一下怎樣從專業的音頻角度去評測ANC耳機。在Fig.6中，灰色的三個標準是比較常見的三個耳機評測標準。下面三個紅色的標準則是從音頻角度出發，對ANC耳機進行衡量。
第一個評測點是降噪程度 (Cancelling Decibels) 。這個指標是用來測量ANC對噪聲抑制了多少。主觀感受時，可以在環境內播放噪聲，橫向比較不同的ANC耳機降噪過后的效果。噪聲類型可以參照我們上文提到的Stationary Noise和Non-Stationary Noise來分別進行測試。
第二個評測點是降噪的Frequency Range。這個指標反映了ANC降噪的作用頻率范圍。測試方法和降噪程度的測試方法類似，唯一不同的是噪聲類型，可以用不同頻段的單頻音，或者是一個掃頻信號 (Chirp Signal) 來進行對比測試。
第三個評測點是ANC開啟時的音質，主要針對測試ANC工作時候，有沒有對播放的音樂信號造成損傷。
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IV.?當網易云信遇上音頻降噪
云信 [8] 是網易集團下屬的內資公司，總部位于杭州。除資深老杭研外，團隊核心90%來自硅谷、百度、騰訊、阿里、華為等大型企業/獨角獸公司，平均行業經驗10年以上，掌握業內領先的IM及實時視頻通訊系統研發技術。憑借集團的強大優勢、團隊的專業能力及24小時全天候的運維支持服務，截止當前，網易云信產品已覆蓋用戶7億+，覆蓋196個國家，覆蓋地區567個。
云信的音頻團隊在音頻算法上有著深厚的積累。在音頻降噪這一模塊，主要的方向依然是傳統信號處理和AI算法雙管齊下 (Fig.7)。傳統信號處理算法中，對于Stationary Noise采用線性的算法進行處理，對于Non-Stationary Noise比如Transient Noise，會用到非線性的傳統算法。在AI領域，云信音頻會更注重混合型的AI算法，將AI作為降噪算法中的一個子模塊，結合傳統信號處理算法，在保證語音質量的情況下提升降噪效果。
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References
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Active Noise Cancelling-主动噪声消除的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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