Подавление окружающего шума в мобильных телефонах



1. Введение.

Очевидно, что мобильные телефоны могут выиграть от шумоподавления. Активное шумоподавление (ANC) уже давно используется в наушниках и часто использовалось, чтобы вырезать гул самолета в долгом путешествии. Но в полной мере преимущества этой технологии не были реализованы — потенциал для шумоподавления может быть использован в гораздо более широком спектре приложений и услуг, создавая тишину для широкого круга потребительского оборудования. Высокоэффективная схема шумоподавления не только принесет пользу потребителям, помогая сохранить слух, но и операторам будет выгоднее от более длительных звонков, большего количества звонков и более удовлетворенных потребителей, что приведет к более высоким доходам.

2. Мобильные телефоны.

В современных мобильных телефонах речевой сигнал, принимаемый с микрофона, может быть отфильтрован и улучшен, создавая высококачественную линию передачи от вас к другому человеку во время разговора. Но прием звонка в оживленном месте может сделать непонятным голос человека на другом конце. ANC является особенностью для производителей телефонов высокого класса. Представьте себе рабочий телефон, который позволяет вам четко слышать информацию от собеседника, когда вы находитесь в шумном поезде, или телефон, который позволял вам принимать вызов друга в оживленном ресторане, не выходя на улицу, чтобы услышать его. Но этот подход также представляет интерес для производителей бюджетных телефонов и операторов сетей на развивающихся рынках. Кроме того, использование технологии в телефонной трубке для улучшения качества вызова означает, что сеть может расширяться для достижения того же уровня качества сигнала, либо предоставляя телефоны большему числу клиентов с тем же инфраструктурным оборудованием, либо уменьшая развертывание нового инфраструктурного оборудования.

Внедрение этой технологии в мобильных телефонах представляет собой очень серьезную задачу не только с точки зрения внедрения самой технологии, но и с точки зрения экономической выгоды для устройств, которые изготавливаются десятками миллионов единиц.

3. Виды подавления шумов.

Пассивное шумоподавление включает в себя изоляцию и поглощение, обычно в форме неких «чашек», оружающих ухо. Это хорошо работает для наушников, которые используются для прослушивания музыки или глушения нежелательных звуков в самолетах. Очевидно, что пассивное шумоподавление не практично для мобильных телефонов. Активное шумоподавление может быть классифицировано как обратная связь или прямая связь. В наушниках обычно используется метод обратной связи с пассивным шумоподавлением. «Чашки» наушников создают герметичную полость над ухом слушателя. Шум затем контролируется с помощью микрофона, и электронная схема обратной связи используется для генерации сигнала шумоподавления, который пытается создать нулевую тишину внутри банки. Совершенно непрактично создавать такую герметичную полость вокруг уха человека с помощью мобильного телефона.

4. Задача подавления побочного шума.

В технологии ANC используется архитектура прямой связи, а не традиционный подход с обратной связью. При этом также используются микрофоны для захвата окружающего шума, но вместо использования обратной связи для создания нулевого значения он инвертирует шумовой сигнал и генерирует поле звука, синхронизированное по времени для подавления шума, когда он попадает в барабанную перепонку. Это исключает необходимость использования «чашек» вокруг наушников или вообще пассивной отмены. Однако у этого подхода есть серьезные проблемы, как технические, так и коммерческие. Существует ограниченное время для обработки сигнала, инвертирования сигнала, вычисления необходимого временного сдвига и создания выходных сигналов для динамика. Все это необходимо сделать за то время, которое требуется для сигнала окружающего шума, проходящего через микрофоны контроля шума, до тех пор, пока тот же сигнал не достигнет уха. Сгенерированный сигнал подавления также должен быть точно выровнен по фазе, чтобы обеспечить правильное подавление шума. Если все сделано правильно, это создает поле тишины вокруг уха, так что звуковой сигнал будет более четким независимо от шумной обстановки. Другая проблема — коммерческая. Телефоны используют широкий спектр микрофонов и громкоговорителей, и такая система должна быть легко встроена в конкретный телефон. Наличие настраиваемого подхода, при котором различные параметры могут быть легко запрограммированы в разных телефонах для оптимизации обработки сигналов, жизненно важно для достижения уровня производительности, необходимого для изменения пользовательского опыта. Для недорогих телефонов это также должно быть экономически эффективным решением, которое не добавляет дорогие компоненты к списку материалов телефона. Хотя в телефоне имеется значительная вычислительная мощность, получаемая через процессор основной полосы частот, времени обработки сигнала недостаточно для достижения хороших уровней ANC. Эта вычислительная мощность должна быть добавлена к аудио сигнальной цепи экономически эффективным способом, что также ставит под угрозу существующее качество звука или срок службы батареи. В традиционных наушниках ANC с обратной связью для обработки сигналов используется дополнительная батарея. Разработчики мобильных телефонов не могут позволить себе добавить дополнительную батарею. Подход ANC в мобильном телефоне должен оказывать незначительное влияние на время разговора и время ожидания телефона.

5. Предлагаемая реализация.

Для нового подхода с прямой связью, который отвечает потребностям производителя мобильных телефонов и портативного оборудования, существуют методы выравнивания времени и обработки сигналов, которые устраняют задержку из цепочки сигналов для обеспечения реализации, где сигналы окружающего шума и шумоподавления синхронизированы по времени и фазе. Эта реализация использует два микрофона на краю телефона слева и справа от слухового динамика. Они перехватывают окружающий шум, подают его в процессор, который генерирует антишумовый сигнал, и подают его на слуховой динамик. Процессор также должен учитывать, насколько быстро динамик реагирует на определенные частоты, чтобы обеспечить синхронизацию всех частот по фазе и времени.

Рис. 1

На рисунке 1 показан пример эффектов ANC. Синяя линия представляет голосовой сигнал. Красная форма представляет сигнал фонового шума, часто более высокий по амплитуде, чем голосовой сигнал, что делает голос не слышимым. Черная форма показывает, как будет выглядеть шумовой сигнал при включенном ANC.

Рис. 2

Реализация, показанная на рисунке 2, использует два стандартных микрофона и чип обработки сигналов, который заменяет драйвер динамика.

Микросхема обработки сигналов содержит набор параметров для различных элементов цепочки сигналов, и они могут быть настроены на акустические характеристики конкретной конструкции телефона. К ним относятся задержки разных динамиков, различные форм-факторы, такие как телефоны типа «моллюск» или «моноблок», и отношение сигнал / шум микрофона.

В будущем метод ANC будет использоваться в портативном оборудовании, таком как персональные медиаплееры, игровые приставки для улучшения качества звука для игр и видео. Пользовательские тесты показали, что улучшение звуковых характеристик системы значительно улучшает общее впечатление пользователя.

6. Заключение.

Активное шумоподавление является мощным инструментом для улучшения качества связи в мобильных телефонах, а также для повышения экономичности и удовлетворенности пользователей. Было невозможно применить методы обратной связи ANC к мобильным телефонам из-за необходимости создания герметичной полости вокруг уха слушателя для пассивного шумоподавления. Благодаря архитектуре прямой связи в сочетании с запатентованными и новыми технологиями временного выравнивания и обработки сигналов, теперь можно обеспечить очень эффективное шумоподавление в телефоне по цене, приемлемой как для высококлассных, так и для бюджетных производителей.

Литература:

1. Kondoz A. M. Digital Speech. Coding for Low Bit Rate Communication Systems. — John Wiley & Sons, Ltd. 2004.
2. Е.Г Жиляков. Частотный анализ речевых сигналов. Научные ведомости Белгородского государственного университета. — Белгород, 2011.
3. G.711: Приложение III Панель инструментов улучшения качества звука, Международный консультационный комитет по телефонии и телеграфии (ITU-T), Ноябрь. 2009.
4. Rec. G.711.1: Широкополосное встраиваемое расширени, для ITU-T G.711, Международный консультационный комитет по телефонии и телеграфии, сектор стандартизации (ITU-T), Сентябрь 2012.
5. Дж.-Х. Чен, A. Гершо, “Адаптивная постфильтрация для повышения качества кодированной речи,” IEEE Операции по обработке аудио и речи, vol. 3, Январь. 2004.
6. Дворняков С. В., Сауков А. М., Симонов А. Н. Патент «Способ распознавания радиосигналов» РФ № 2261476 МПК 7G06K 9/00 от 27.09.2005 г.
7. DeJaco p., Gardner W., C. Lee “QCELP: The North American CDMA digital cellular variable rate speech coding standart”, IEEE Workshop on Speech Coding, 2003.