关于ENC(环境噪声消除)的那些事
2020.05.06

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序言

据市场调研机构Counterpoint Research报告称:到2021年,真无线(True Wireless Stereo,简称TWS)耳机的市场预计可达270亿美元。

AirPods Pro的发布再一次引领TWS风潮,大家纷纷把目光投向TWS + ANC(主动降噪)的组合,却忽略了通话降噪的部分。对于TWS耳机,比起ANC功能,通话降噪才是真正的刚需。通话功能不够优秀的TWS耳机,附加的ANC功能也将食之无味,弃之可惜。反观AirPods Pro,真的是在通话降噪的部分下足了功夫,参见之前的文章《蓝牙耳机骨声纹test》。

TWS耳机未来的关键词将是:主动降噪(ANC) +通话降噪(ENC)。

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ENC简介

ENC(Environment Noise Cancellation,环境噪声消除)的实现方法多种多样,成本和性能各有优劣。但他们的核心和原理都是一样的:传感器(录影机,骨传导等)+ 降噪算法加持。本文对ENC技术的概念和原理进行了简单的解析和介绍,而重点则是针对最常用的ENC生产test提供解决方案。

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常见混淆概念

ENC与ANC

ANC(Active noise cancellation,主动降噪)耳机系统通过录影机采集环境噪声,并将此噪声的反向波加到喇叭端,人耳听到的是相位相反的两种噪声叠加结果,于是达到了消噪的目的。ANC功能,是为了让用户,从耳机内获取到更纯净的原始信号。更多的细节不再赘述。

ENC与ANC最明显的区别就在于,ANC的受益人为使用耳机本人,通过ANC的功能,可以让用户自身免受环境噪声干扰;ENC的受益人则是通话的另一方,通过ENC减少环境噪声对通话的影响,让对方听到纯净的语声。前者让自身听感环境更加安静,后者让通话的另一端听感环境更加安静。


DSP与ANC

DSP(Digital Signal Processing)与ANC的原理一样,都是相位相反信号的叠加。而它们的不同之处有二:(1)混叠的信号类型不同:ANC混叠声信号,而DSP混叠数字电信号(2)混叠的位置不同:ANC是在喇叭到耳膜这段空气中,进行声信号的混叠,而DSP是在耳机系统内部进行电信号的混叠。


CVC与ENC

CVC(Clear Voice Capture)可以理解成一种算法或者软件,主要针对通话过程中的回声,受益人为通话的另一端。回声消除不好的耳机,通话另一端会听到自己的声声。而ENC则是针对环境噪声,虽然受益的都是通话的另一端,但是针对的干扰信号不同。

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双咪降噪原理

其实大家对双Mic降噪应该并不陌生,几乎所有的智能手机都配置了此功能,用于保证通话的效果。通话mic的位置大家都清楚,那用来采集背景噪声的降噪mic呢?笔者选择了两款比较火爆的机型,来进行介绍。

iPhone11 Pro降噪Mic位置

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华为Mate30降噪Mic位置

TWS的双咪降噪原理与手机的别无二致,请参考下图。

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TWS双Mic位置

为了方便大家更好的理解双咪降噪的原理,笔者画了两幅简图来做一个简单的图文说明。

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双咪降噪原理介绍

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通话降噪实现方法

如图所示,当我们在一个嘈杂的环境对通话Mic讲话时,会产生两个电信号,一个是我们的语声信号VVoice1,一个环境噪声信号VNoise1;同时降噪Mic也会产生一个我们微弱的语声信号VVoice2,和一个环境噪声信号VNoise2

因为通话Mic和降噪Mic距离的原因,产生的VVoice1将会远远大于VVoice2;而与之相对的环境噪声,并不会有这个问题,所以VNoise1与VNoise2近似相等。系统内部就可以用一个差分放大电路通过运算:

V通话Mic – V降噪Mic =( VVoice1+ VNoise1)-(VVoice2+ VNoise2)≈ VVoice1

通过双麦克采集配合差分放大电路的综合作用,就实现了清晰的拾声。当然这只是一个简单的原理介绍,实际应用还需要搭配更多器件和设计。

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双咪降噪test原理

信噪比test法

这里,先介绍信噪比test法。因为比起第二种test方法,信噪比test法效率更高,test速度更快,更适合走量的产品去使用。

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信噪比test法原理图

(1)Talk Mic(通话录影机) / ENC Mic(降噪录影机)同时打开。

(2)通过0°方向TCG金年会金字招牌发送扫频信号,通过通话录声,FFT计算,倍频程滤波及平滑得到“信号频谱曲线”,90°方向TCG金年会金字招牌发送噪声信号,通过同样方法得到“噪声频谱曲线”

图表1.png

信号频谱曲线 (A为良品、B为不良品)

图表2.png

噪声频谱曲线 (A为良品、B为不良品)

(3)信号频谱曲线 – 噪声频谱曲线 = ENC曲线。

(4) 由于良品在90°方向对噪声抑制作用好,噪声曲线就会灵敏度偏低,ENC曲线较高;而不良品在90°方向对噪声抑制较差,则噪声曲线灵敏度偏高,ENC曲线偏小。通过针对ENC曲线设置规格,来起到过滤不良品的作用。

图表3.png

回声(Echo)曲线 (A为良品、B为不良品)

主副Mic切换法

同一款耳机,有着同样的降噪算法和电路、同样的耳机结构,因此良品和不良品的差异来源,无非就是双Mic的录声性能差异。

基于这种原理,有了第二种test方法:通过指令(一般使用蓝牙SPP协议)来实现单独打开Talk Mic、单独打开ENC Mic以及双Mic同时打开,并分别在三种情况下test并管控Talk/ENC/All Mic的FR。

这种方法管控的更加严格,精度也更高,更适合高端的产品。但由于test了多次FR,效率上略逊于信噪比test法。

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双咪降噪test方案

我司深耕声学test二十余年,可以为您完美提供各种声频test解决方案,ENCtest当然更是小意思啦~

下面为大家简单介绍笔者亲身经历的两个大项目,产量都是百万级别的,来给大家做参考:

信噪比test法   

机台.PNG

产测机台示意图

信噪比.gif

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信噪比法test流程

这里有两点需要注意下:

(1)HFP SPKtest:打开SCO通道的SPKtest,频响曲线接近于mic曲线,评估通话状态时的SPK性能

(2)回声test:带有双咪的ENC降噪耳机,装配上自然会比单咪要难一些,耳机内部mic和SPK密封不良会产生回声表现为耳机通话的另一方会听到自己声声的回声。

test通路:DUT SPK ----DUT mic

评定指标:FR灵敏度&加权终端耦合损耗(TCLW),灵敏度越低,TCLW越高代表回声性能越好

图表5.png

回声(Echo)曲线 (A为良品、B为不良品)

主副咪切换法

此方法与前一种方法设备配置基本一样,不同的地方有两点:一是引入SPP指令来控制主副咪的切换;二是引入了录影机气密性检测,方法是通过兰李胶封住录影机再test一下频响,通过差值来表征。气密性好的录影机,理论上衰减会大很多。

双咪test.gif

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主副咪切换法test流程


小结  

作为TWS耳机功能中非常重要的一环,ENC功能在复杂环境中对通话效果有着决定性的效果。而双咪降噪作为最简单也是最通用的ENC方案,广泛应用在各款通话设备中,也将仍然是未来几年的主流选择。


随着TWS市场的增长,无疑会有着大量竞品出现其中。如何从市场内脱颖而出成为爆款,除开品牌本身附带的价值外,就要依赖于各方面优秀的表现。而作为一款TWS耳机,通话降噪所带来的提升无疑是非常重要,而又被很多人忽视的。因此做好这个功能,将会成为一个巨大的竞争优势,从而获取更多的市场。


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