执法记录仪等产品的双麦降噪功能的实现原理

发布时间: 2023-09-06 22:32:23

安卓系统的手机、执法记录仪、智能安全帽等产品作为我们日常接触最多的降噪数码产品,其降噪方法是通过两个或多个麦克风,采集语音信号和环境音信号,再通过两个通道采集到的音频信号进行相减放大,通过软件算法达到降噪效果。

麦克风降噪技术是大规模应用的最普遍的降噪技术,一个麦克风为普通的用户通话时使用的麦克风,用于收集人声,而另一个配置在机身顶端的麦克风, 具备背景噪声采集功能,方便采集周围环境噪音。
手机设有A、B两个性能相同的电容式麦克风,其中A是主话筒,用于拾取通话的语音,话筒B是背景声拾音话筒,它通常安装在手机话筒的背面,并且远离A话筒,两个话筒在内部有主板隔离。正常语音通话时,嘴巴靠近话筒A,它产生较大的音频信号Va,与此同时,话筒B多多少少也会得到一些语音信号Vb,但它要比A小得多,这两个信号输入话筒处理器,其输入端是个差分放大器,也就是把两路信号相减后再放大,于是得到的信号是Vm=Va-Vb。 如果在使用环境中有背景噪音,因为音源是远离手机的,所以到达手机的两个话筒时声波的强度几乎是一样的,也就是Va≈Vb,于是对于背景噪音,两个话筒虽然是都拾取了,但Vm=Va-Vb≈0 从上面的分析可以看出,这样的设计可以有效地抵御手机周边的环境噪声干扰,大大提高正常通话的清晰度。

降噪的历史可以追溯到很久很久的1936年,发明者PaulLueg首次授予噪声控制系统专利,描述了通过波相位向前进来消除管道中的正弦音调,以及如何通过反向极性消除扬声器周围区域的任意声音。利用双麦克风提供的空间信息,使其在负信噪比环境下仍能保留完整的语音,融合AI方案能达到更好的性能,支持ARM架构(BES芯片等),Hifi2/3/4/5架构(洛达系列等)以及高通5系芯片。

智能手机语音降噪解决方案建立了完整的“端到端”人机交互技术,包括声音信号处理、热词唤醒、语音识别、自然语言理解、对话管理、垂直搜索、智能推荐、语音合成、知识图谱等技术。

对于TWS耳机通话降噪,智能手机语音降噪解决方案支持多种降噪方案,如单麦、多麦、MIC+骨导。MIC+骨导采用单麦信号处理和DNN融合降噪技术;双麦采用多麦信号处理和DNN融合降噪技术;MIC+骨导采用传统信号处理+骨导融合。

智能手机语音降噪解决方案解决方案。

利用内耳MIC协同技术,可以对环境噪声进行20~30db的抑制,对噪声进行30db以上的抑制。智能手机语音降噪解决方案整个算法移植到多个芯片平台上,利用芯片特有的流水线设计,对并行指令、长指令等进行了大量汇编级优化,另外还包括单、多麦传统信号处理和DNN降噪算法。

麦克风获取声音的原理:

电容式麦克风,利用电容大小的变化,将声音信号转化为电信号,这种话筒最为普遍,电容式麦克风有两块金属极板,其中一块表面涂有驻极体薄膜(多数为聚全氟乙丙烯)并将其接地,另一极板接在场效应晶体管的栅极上,栅极与源极之间接有一个二极管。当驻极体膜片本身带有电荷,表面电荷地电量为Q,板极间地电容量为C,则在极头上产生地电压U=Q/C,当受到振动或受到气流地摩擦时,由于振动使两极板间的距离改变,即电容C改变,而电量Q不变,就会引起电压的变化,电压变化的大小,反映了外界声压的强弱,这种电压变化频率反映了外界声音的频率,这就是驻极体传声器的工作原理。

优点:

1、能将声音直接转换成电能讯号

2、能展现原音重现的特性

3、具有极为宽广的频率响应

4、具有超高灵敏度

5、快速的瞬时响应特性

6、具有超低触摸杂音的特性

7、具有耐摔与耐冲击的特性

8、体积小、重量轻

9、适合应用在无线麦克风上

缺点:

结构复杂、造价昂贵、音膜脆弱。

 

手机降噪技术:

双麦克风降噪技术是大规模应用的最普遍的降噪技术,一个麦克风为普通的用户通话时使用的麦克风,用于收集人声,而另一个配置在机身顶端的麦克风, 具备背景噪声采集功能,方便采集周围环境噪音。

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耳机降噪技术:

CVC(Clear Voice Capture)是通话软件降噪技术。主要针对通话过程中产生的回声。通过全双工麦克风消噪软件,提供通话的回声和环境噪音消除功能,是目前蓝牙通话耳机中最先进的降噪技术。

ANC降噪(Active Noise Control,主动降噪)的工作原理是麦克风收集外部的环境噪音,然后系统变换为一个反相的声波加到喇叭端,最终人耳听到的声音是:环境噪音+反相的环境噪音,两种噪音叠加从而实现感官上的噪音降低.

ENC(Environmental Noise Cancellation,环境降噪技术),能有效抑制90%的反向环境噪声,由此降低环境噪声最高可达35dB以上,让游戏玩家可以更加自由的语音沟通。通过双麦克风阵列,精准计算通话者说话的方位,在保护主方向目标语音的同时,去除环境中的各种干扰噪声。

(本机win10的麦克风问题,设计实验论证研究中...)

pc的麦克风,,,

一般的windows都是装有realtek的声卡驱动的,瑞昱Realtek半导体成立于1987年,位于台湾「硅谷」的新竹科学园区,凭借当年几位年轻工程师的热情与毅力,走过艰辛的草创时期到今日具世界领导地位的专业IC设计公司,瑞昱Realtek半导体劈荆斩棘,展现旺盛的企图心与卓越的竞争力,开发出广受全球市场肯定与欢迎的高性能、高品质与高经济效益的IC解决方案。

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降噪芯片

NR2047 是一款强效的多功能语音及音频 DSP 处理芯片,芯片内固化有业界领先的专用语音处理算法。

针对语音通讯产品,NR2047 可以提供功能有:近距离的环境噪音压制,远场智能语音萃取,高品质语音,全双工免提通话回音消除,远距离高品质拾音。

NR2047 内置功能强大的语音引擎,可以很好的应用于网络 IP 通话,平板电脑,智能手持设备,客服耳麦,智能音响等大多数通信及语音识别产品。

NR2047 是一款可兼容多种时钟及电源的 32 位 DSP 芯片,并具有完整的音频接口,包含了 ADC 和 DAC 的模拟输入输出端口,数字麦克风端口,I2S 数字音频输入输出端口,可以轻松的应对目前所有的应用平台及产品使用,

二, 特点

1, 高效的 32 位 DSP 内核,可选择主时钟频率。

2, 2 路模拟音频输入(ADC),1 路模拟音频输出(DAC),

3, 2 路数字麦信号(PDM)输入,1 路数字麦信号(PDM)输出。

4, 支持立体声的 I2S 数字音频输入输出接口

5, 麦克风自适应校准功能,在麦克风位置变动的情况下,方便双麦克风快速匹配及适应工作环境。

6, 允许单麦方式和双麦方式工作,双麦模式下 2 个麦克风的距离建议为 6-15cm.

7, 自适应的免提通话的回音消除(AEC),在保证远场拾取的同时,并保持良好的全双工特性。

8, 超长距离的拾音能力,开启远场拾取,6 米范围内的声音可以清晰无失真的收录。

9, 自适应的环境噪音压制(ENC)及智能语音萃取功能。

10, 在开启降噪功能(ENC)时,支持自动增益控制(AGC)功能,提高语音的清晰度。

11, 业界领先的宽频降噪压制技术,对于环境中稳态和动态的噪音都有抑制,压制指标在 20-45dB.

12, 可以简单的通过 2 个 SET 控制引脚,设置芯片的多种工作状态模式。

13, 可选择的 DSP 工作主时钟(通过设定可选范围为 1-30M)

10, NR2047 的封装为 QFN32(5mm X 5mm并且芯片体积小巧,外围简单紧凑,可以快速的嵌入设计到各类语音通话及智能语音产品中。

 

  • 音频质量:音频产品,不外乎两点,信号质量要好,还要有嘈杂环境下的降噪。简简单单的一个需求,后面是很多技术细节的支撑。双麦克风降噪,可以拾取更远距离的声音,系统的鲁棒性也更好,就是坏了一个,整个系统也会正常工作的。
  • 尺寸功耗:很多音频采集设备,对功耗和尺寸都有比较大的需求。所以说,尺寸非常关键。能做到小尺寸不容易的,必须要满足两个条件,一个是芯片尺寸小,另外一个是芯片集成度高。这就要求选用市场上比较新的芯片才可以。再者就是功耗低,功耗是非常考验研发团队的水平的。想要功耗低,必须要对系统熟悉,对算法理解比较深刻才可以。这点的确有些难度。能同时兼顾低功耗和小尺寸,是该模块的一大特色,模块尺寸可达14mmx14mm。
  • 接口覆盖:拾音器是需要对接不同的系统主机的,这就要求该模块有兼容多种接口的能力。鉴于此,该模块可以支持多种主流的音频接口输出。I2S,模拟单端输出,模拟差分输出等。可以满足不同的用户的需求。