TWS耳机通话降噪中的技术

关键字：TWS耳机  数字信号  ADM

随着TWS（True wireless stereo）耳机市场的不断成长。用户对于产品体验的需求也从简单的快速链接，升级到更高的标准，譬如，截至今年市面上涌现了大量的以清晰通话为卖点的TWS耳机。

为了能够在非常嘈杂的环境中进行清晰的语音通信，是否能产生方案，将来自内耳和外部麦克风的信号结合起来，实现一种智能的、适应环境的子带混频器技术。事实上，一些国内外的算法公司均致力于此，并且取得一定的成效。

当然，很多方案公司现在有专门强调譬如edge AI（这算是一个）的通话降噪方案，但实际上更多是针对现有通话降噪方案的优化，所以这部分摘除，我们先看一些基础部分的介绍，也就是通话降噪具体能做什么。

总体来看，通话降噪依赖Uplink（上行）与Downlink（下行）同步进行。大致为Microphone Array/AEC/NS/EQ/AGC/DRC，先后的逻辑关系如下：

ADM（Adaptive Directional Microphone Array）自适应全指向型麦克风阵列这是是一种数字信号处理技术，仅使用两个全向麦克风就可以创建一个方向或噪声消除麦克风。ADM自动改变其方向特性，在充分保持信号质量的同时，在各种环境下提供最佳的噪声衰减。该自适应过程速度快，频率选择性强，可以同时消除多个干扰。

ADM除了具有良好的定向特性外，其受风噪声的影响比传统的声学定向麦克风要ADM技术允许两种类型的麦克风配置:“端射”和“垂射”。

在端射配置中，信号源(用户的嘴)位于轴线上(连接两个麦克风的线)。在垂射配置中，它的目标是横轴的直线。

在端射配置中，ADM有两种操作方式;“far-talk”（远传）和“close-talk”（近传）。在远传模式下，ADM作为一个最优的方向麦克风，衰减来自后面和侧面的信号，同时保留前面的信号。在close-talk mode，ADM作为最好的降噪麦克风，有效地消除了远处的声音。相对自由的声学设计使得ADM成为手机的理想选择，它可以在远端扬声器和近端扬声器之间进行“软”切换。但是此类设计在耳机上时，特别是TWS耳机上，比较受到使用者佩戴正确与否的限制，类似与airpods，笔者观察了很多人在地铁里有“千奇百怪”的戴法，有些是用户耳朵形状，有些是佩戴习惯，导致算法并不一定能在理想的情况下工作。

Acoustic Echo Canceller (AEC)

当双工(同时双向)通信中的一部分信号返回到源信号时，就称为“回声”。在长距离模拟和几乎所有的数字通信系统中，即使是很小的回波信号也会因为严重的往返延迟而造成干扰。

在语音通信终端中，由于扬声器和麦克风之间的声学耦合而产生声学回声。由于在通信信道中应用的非线性处理，如有损声码器和转码，声回波必须在设备内部进行局部处理(取消)。

Noise Suppressor (NS)

噪声抑制技术降低了单通道语音信号中的平稳和暂态噪声，提高了信噪比，提高了语音清晰度，降低了听力疲劳。

当然此部分就有很多具体的方法了，譬如BF （Beamforming），或者PF（Post filter后置滤波器）等调节方法。总体来说AEC，NS ，BF，PF算是通话降噪的核心部分，诚然每家算法方案商的优劣都不同。

Automatic Gain Control (AGC) and Dynamic Range Compressor (DRC)

在典型的语音通信系统中，由于用户和麦克风之间的距离不同，以及由于通信信道的特性，语音信号的电平可能在很大的范围内变化。

动态范围压缩(DRC)是均衡信号电平的最简单方法。压缩通过降低(压缩)强语音段而充分保留弱语音段来减小信号的动态范围。因此，整个信号可以额外放大，这样弱信号可以更好地听到。

AGC技术在语音信号较弱的情况下通过数字方式增加信号增益(放大)，而在语音信号较强的情况下对其进行压缩。在嘈杂的地方，人们倾向于大声说话，这自动设置麦克风通道增益到一个小的值，从而减少周围的噪音，同时保持在最佳水平的兴趣的声音。另外，在一个安静的环境中，人们说话相对小，这样他们的声音就会被算法放大，而不会有太多的噪音。

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