静悄悄的变革——噪声消减技术让声音更清晰
发布时间：2011-11-4 14:53
发布者：李宽
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作者：安森美半导体公司 David Coode 为了节省成本及时间，人们在业务及个人生活中进行面对面的会议或会谈的频率不比以前了。手机及网络电话(VoIP)已经成为人们彼此交流方式产生这样重要变化的推动力量。在语音通信方面，要确保提供良好的用户体验，声音品质及噪声抑制至关重要。 如今，人们很少体验到真正的安静，而且我们已经对噪声变得如此习惯，以至于大多数人甚至不会注意到噪声的存在。人脑在滤除所听噪声方面表现得非常出色，能听到所有声音，但只会留意感兴趣的声音。然而，世界变得越来越嘈杂，利用手机、膝上型电脑及网络摄像头来进行语音通信越来越多，滤除所有噪声变得更加困难。 由于电子技术快速进步，如今存在着几种方法及潜在方案来管理噪声及提升语音清晰度。实际上，如今已经处于众多新方案上市的蓬勃发展阶段。不同方案的有效性可能差异很大，而且在大多数情况下，有关通信效果清晰良好的表述则要综合看待。对于指定应用而言，清晰地描述一种方案与另一种方案的对比看似容易，但却难于做到。 例如，某种旨在提升膝上型电脑通信能力的技术方案的价值，与预计要使用膝上型电脑的场合高度相关。使用上网本进行Skype通话，就需要使上网本只拾取使用者的声音，并抑制背景噪声；而使用相同上网本来录制讲授内容的学生就希望在任何位置从讲堂环境噪声中有效拾取讲话声音。对于既定方案而言，在某种场合下可能被评判为有效，但在其他场合却无效。折中方案可能在两方面都表现得次优，但却为两类用户都提供价值。 将已有技术方案移植到使用场合已经够困难，但在零售层级对消费者有效阐释音频差异可能更具挑战性，因为货架上所有产品的营销材料中可能都不例外地宣称具有“极佳音频性能”。由于零售店销售员能够提供的音频演示机会极少，消费者的初次购买行为常常会流于随机。 噪声消减技术比较 提供噪声消减方案的技术可以分为三类：电声、模拟及数字。 电声方案涉及麦克风元件设计、在产品及麦克风贴装的相关声学设计中选择及布设这些麦克风。噪声消减或压差麦克风是廉价方案的简单示例，在某些场合下能够提供适当优势。好的电声设计对于在任何语音通信设备上都获得好性能至关重要，但可以进一步通过更多地使用最新数字及模拟电路来大幅提升基础性能。 模拟方案涉及对麦克风或麦克风阵列产生的电气信号进行一些直接处理，如压缩或定向“到达时间”(TOA)类处理这样的模拟类型简单方案可能更为高效，因为它们省去了数字转换段。然而，半导体工艺中固有的制造差异会以数字工艺着意避免的方式直接影响模拟方案的性能。随着模拟方案变得更加复杂，极力提供更多价值，每个工艺步骤的性能差异就要配合每个紧随其后的步骤。这在实质上就使任何成功的模拟音频产品保持相对简单。模拟方案也欠缺数字方案可能具有的功能灵活性，因为模拟系统以硅片设计本身来应用(信号)处理，而不是在灵活基础上以软件层来处理。 数字方案涉及对源自麦克风的电气信号进行采样或量化，从而使计算机处理器能够应用可重复的算法来处理信号。然后信号又以数字形式传输或重构，转换为对所捕获语音的增强型模拟再现。由于在当今的硅技术条件下，数字方案看上去具有众多固有优势，市场上大多数方案都属于这一类，就并不令人惊奇了。 数字方案可以实现任何算法，从而消减噪声或改善麦克风拾取的语音质量。通常情况下，这些算法包含空域选择(语音从哪里来)、时域选择(什么时间有或没有语音)及频域选择(语音频率是高于还是低于噪声)。某些方案仅着重于这些方面中的某一种，但最佳的方案将结合所有这些方面，还可能会以增益控制、高级环境建模或其他概念等形式来加入其他改进特性。 有一种方案严重依赖于空域选择，即波束形成或定向处理(directional processing)，非常适合于扬声器相对于麦克风的距离已知的应用或使用场合。这样的方法用于笔记本电脑及手机中，但在提供优势的同时也承受着固有劣势。在笔记本电脑中，这种场景非常适合用于视频通话，声音拾取限制在摄像头方向，但它不支持将笔记本电脑用于有几个人绕桌而坐的电话会议。在手机方面，说话的位置通常严格受限，从而才能提供显著的环境噪声消减效果，但这也表示，如果手机没有正好持在恰当位置，通话声音也会减小。 相比较而言，有类方案凭借对人们讲话的统计，持续地瞬时决定哪些讲话应该保留及哪些应该滤除为噪声，这种方案能够有效地应对更宽范围的使用。不利的是，这些方案在区分讲话及噪声方面的决策并不总是非常准确，它们调节得越厉害，用户感受到的失真就越厉害，因为区分失当，一部分讲话被滤除掉了。通常情况下，讲话的可理解性得到了维持，但逼真度就受到了损害。在手机方面，这可能影响不大，因为无线网络已经降低了声音的逼真度，但在录音器等其他应用中，逼真度可能就至关重要了。 最佳的数字方案通常会是混合算法，截取各种方法的一部分，并灵巧地结合在一起。这些方法通常可以适应不同的场合，但也常常增添更重的负担，针对各种产品设计来调整或定制更复杂的算法。 选择某种技术方案来提升产品语音质量的工程师，在给定方案的音频性能表现之外，还须顾及对产品设计的影响。某些方案要求特殊的麦克风类型，或是要求特定麦克风布局及声学设计，可能会损及产品的整体工业设计或机械设计。某些方案可能会消耗大量便携设备电池电量，或是不能适配印制电路板(PCB)上能用的空间。而且在几乎每种设计中，开发设计成本都会是一项决定性因素。 |
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