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TWS耳機通話降噪中的技術

2021-09-09 來源:eefocus

隨著TWS(True wireless stereo)耳機市場的不斷成長。用戶對于產品體驗的需求也從簡單的快速鏈接,升級到更高的標準,譬如,截至今年市面上涌現了大量的以清晰通話為賣點的TWS耳機。

 

為了能夠在非常嘈雜的環境中進行清晰的語音通信,是否能產生方案,將來自內耳和外部麥克風的信號結合起來,實現一種智能的、適應環境的子帶混頻器技術。事實上,一些國內外的算法公司均致力于此,并且取得一定的成效。

 

當然,很多方案公司現在有專門強調譬如edge AI(這算是一個)的通話降噪方案,但實際上更多是針對現有通話降噪方案的優化,所以這部分摘除,我們先看一些基礎部分的介紹,也就是通話降噪具體能做什么。

 

總體來看,通話降噪依賴Uplink(上行)與Downlink(下行)同步進行。大致為Microphone Array/AEC/NS/EQ/AGC/DRC,先后的邏輯關系如下:

 

 

ADM(Adaptive Directional Microphone Array)自適應全指向型麥克風陣列

 

這是是一種數字信號處理技術,僅使用兩個全向麥克風就可以創建一個方向或噪聲消除麥克風。ADM自動改變其方向特性,在充分保持信號質量的同時,在各種環境下提供最佳的噪聲衰減。該自適應過程速度快,頻率選擇性強,可以同時消除多個干擾。

 

ADM除了具有良好的定向特性外,其受風噪聲的影響比傳統的聲學定向麥克風要ADM技術允許兩種類型的麥克風配置:“端射”和“垂射”。


在端射配置中,信號源(用戶的嘴)位于軸線上(連接兩個麥克風的線)。在垂射配置中,它的目標是橫軸的直線。

 

在端射配置中,ADM有兩種操作方式;“far-talk”(遠傳)和“close-talk”(金傳)。在遠傳模式下,ADM作為一個最優的方向麥克風,衰減來自后面和側面的信號,同時保留前面的信號。在close-talk mode,ADM作為最好的降噪麥克風,有效地消除了遠處的聲音。相對自由的聲學設計使得ADM成為手機的理想選擇,它可以在遠端揚聲器和近端揚聲器之間進行“軟”切換。但是此類設計在耳機上時,特別是TWS耳機上,比較受到使用者佩戴正確與否的限制,類似與airpods,筆者觀察了很多人在地鐵里有“千奇百怪”的帶法,有些是用戶耳朵形狀,有些是佩戴習慣,導致算法并不一定能在理想的情況下工作。

 

Acoustic Echo Canceller (AEC)

當雙工(同時雙向)通信中的一部分信號返回到源信號時,就稱為“回聲”。在長距離模擬和幾乎所有的數字通信系統中,即使是很小的回波信號也會因為嚴重的往返延遲而造成干擾。

 

在語音通信終端中,由于揚聲器和麥克風之間的聲學耦合而產生聲學回聲。由于在通信信道中應用的非線性處理,如有損聲碼器和轉碼,聲回波必須在設備內部進行局部處理(取消)。

 

Noise Suppressor (NS)

噪聲抑制技術降低了單通道語音信號中的平穩和暫態噪聲,提高了信噪比,提高了語音清晰度,降低了聽力疲勞。

 

當然此部分就有很多具體的方法了,譬如BF (Beamforming),或者PF(Post filter后置濾波器)等調節方法。總體來說AEC,NS ,BF,PF算是通話降噪的核心部分,誠然每家算法方案商的優劣都不同。

 

Automatic Gain Control (AGC) and Dynamic Range Compressor (DRC)

在典型的語音通信系統中,由于用戶和麥克風之間的距離不同,以及由于通信信道的特性,語音信號的電平可能在很大的范圍內變化。

 

動態范圍壓縮(DRC)是均衡信號電平的最簡單方法。壓縮通過降低(壓縮)強語音段而充分保留弱語音段來減小信號的動態范圍。因此,整個信號可以額外放大,這樣弱信號可以更好地聽到。

 

AGC技術在語音信號較弱的情況下通過數字方式增加信號增益(放大),而在語音信號較強的情況下對其進行壓縮。在嘈雜的地方,人們傾向于大聲說話,這自動設置麥克風通道增益到一個小的值,從而減少周圍的噪音,同時保持在最佳水平的興趣的聲音。另外,在一個安靜的環境中,人們說話相對小,這樣他們的聲音就會被算法放大,而不會有太多的噪音。

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