蘋果Airpod、Amazon Echo和Google Home這些硬件產品面世之后，加上Amazon的Alexa和APPLE的 Siri等語音軟件服務的大行其道，留給智能家居市場，未來的語音控制入口就有了很大的想象力。設想一下，通過隨時帶在耳朵上的Airpod控制公司、家里的所有設備，是不是離夢想中的世界很近了。但這個的進一步普及，就需要在硬件上解決一個問題，就是在拾音的時候進行噪聲消除。

 

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。

 

 

對于噪聲，大家一定都很熟悉。凡是我們不想聽到的聲音，都可以歸結為噪聲，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，大家都不喜歡被噪聲干擾。那么，如何減小噪聲對我們的干擾？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，這樣就聽不到噪聲了，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噪聲漏進來。那么，有沒有更好的辦法呢？有源噪聲消除技術（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：初中物理里面提到，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噪聲。

 

常見的有源噪聲消除耳機如下圖所示，麥克風采樣外部噪聲，改采樣到的噪聲經過有源噪聲抵消電路處理后，產生一個和采樣到的噪聲相位相反，且幅度合適的“反”噪聲，并送入耳機的揚聲器，于是噪聲在人的耳朵前就被抵消了，帶耳機的人只能聽到音樂，而聽不到噪聲。

 

 

如果把系統畫成信號流圖，就是下圖，噪聲在麥克風采樣后進入信號處理電路，產生“反”噪聲，并與音樂一起送進耳機內。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，在前饋有源噪聲消除中，如果在采樣麥克風附近有風在吹，那么麥克風有可能會產生很大的反噪聲，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），麥克風會認為環境噪聲很大，但是人其實聽不到任何噪聲，這樣麥克風的誤報反而會產生更大的噪聲！

 

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，麥克風采樣的不是直接的環境噪聲，而是耳機輸出處的聲音，顯然這里的聲音包括了音樂和環境噪聲。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；然后再根據這個噪聲去產生噪聲抵消信號。這樣做的話，就不會有風噪問題。然而，這里又有一個新問題，就是反饋系統通常帶寬會遠小于前饋系統，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，系統設計得當的話可以揚長避短，即避免風噪又能抵消高頻噪聲。

 

 

 

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，目前全無線耳機多采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里的關鍵點。另外，由于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。