24 декабря 2017

Беседка №169. Шумоподавление в смартфонах

О важности шумоподавления в современной мобильной электронике…

Оригинальный материал

В вашем смартфоне – куча технологий, от процессоров до модемов и даже выделенных компонентов для отслеживания гироскопа. Аппаратное обеспечение аудиочасти на сегодняшний день также плотно интегрировано в мобильные устройства. Одной из уже включенных в наши устройства, но почему-то не такой популярной технологией является поддержка подавления шума.

Обычно шумоподавление ассоциируется с беспроводными наушниками, но оно также является важнейшим элементом и в других гаджетах, включая и ваш смартфон. Оно используется как в звонках, так и в «умных ассистентах», и, возможно, является самой важной технологией в современных гаджетах.

Что такое шумоподавление?

Ответ – в самом термине: это технология, разработанная для отсечения фонового шума для улучшения слышимости. Однако достичь этого не так просто, как кажется.
Для начала – о том, как это работает. Одним из базовых законов физики является то, что звуковые волны одной амплитуды и одной частоты, находящиеся в противофазе, при складывании взаимно отсекаются. Другими словами, если взять волну с пиком в 1 вольт и совместить её с инвертированной волной в -1 вольт, то получится 0 вольт. Они взаимно «погасят» друг друга. В случае с шумоподавлением теория такова, что если мы сможем уловить фоновый шум при помощи микрофона, инвертировать фазу сигнала на определённой частоте с задержкой, равной 180 градусов, и добавить к оригинальному сигналу, то получится отсечь шум. Довольно просто.

Теория слегка нарушается, когда мы из мира теоретического перемещаемся в реальный мир. Микрофоны не идеальны, электронная конверсия добавляет собственный шум, а фаза отсекания звуковой волны, выходящей из динамика, может не совпадать с фазой шума по достижении вашего уха. Эти системы нуждаются в тонкой настройке, но даже в этом случае вы не услышите стопроцентного подавления шума. Довольно часто встречается уменьшение шума в промежутке между -20 и -30 децибел, в котором отсекается фоновый шум от 1/16 до 1/32. Значительный показатель.

Более узкие диапазоны частот позволяют добиться более точного уровня сведения или уменьшения шума, в то время как более широкие диапазоны покрывают больше частот, но не могут так значительно уменьшить амплитуду. Это важно учесть, чтобы понять плюсы и минусы, например, при попытке отфильтровать весь слышимый фоновый шум или просто отсечь шум вокруг частот человеческого голоса.

В телефоне

Если вы всё еще звоните посредством смартфона, то вы с большой долей вероятности заметили, что слышимость собеседника стала гораздо лучше, да и на другом конце звук чистый и приятный. Отчасти дело в улучшениях в качестве звонков, но для кристально чистых звонков на вашем телефоне используется активное шумоподавление для устранения части фонового шума, когда вы держите телефон у уха. Данная технология используется в телефонах уже многие годы, и она продолжает улучшаться.

Помимо основного микрофона для записи голоса, в вашем смартфоне установлены дополнительные микрофоны для шумоподавления. Записи с этих микрофонов можно использовать в описанном выше сценарии, отсекая фоновый шум. Эта же фоновая информация может использоваться для погашения шума, который «слышит» микрофон, в который вы говорите при звонке, но с инвертированием сигнала и совмещением его перед тем, как послать голосовой пакет посредством вашей сотовой сети.

Вдобавок к шумоподавлению, полученная от дополнительных микрофонов информация может использоваться для автоматической настройки громкости вызова на основе уровня фонового шума и для попытки отфильтровать задувающий в динамик ветер. Многие подобные «фишки» включены в смартфоны на уровне процессоров производства Qualcomm и других, что делает их доступными на большинстве аппаратов.

Системы с несколькими микрофонами также служат и другой цели – локализации голоса для «умных ассистентов». Подобная система необходима для определения направления входящей голосовой команды. Эта информация может затем быть использована для определения, что же является фоновым шумом, даже если это другие голоса или ТВ, который впоследствии отфильтровывается для обеспечения максимально чистого источника для алгоритмов распознавания голоса.

В аксессуарах

Очевидно, что аналогичная схема применима к устройствам «умного дома», таким как Google Home и Amazon Echo. Кроме определения направления входящей команды, эти устройства применяют алгоритмы по снижению шума и отсеканию эха, похожие на таковые в смартфонах. В Alexa используется до 6 всенаправленных микрофонов, тем самым предлагается лучшее определение речи и уменьшение шума, чем в обычном смартфоне.

Сегодня технология шумоподавления воспринимается как обязательное условие для Bluetooth-наушников, и этому есть причина. Помимо блокировки общего фонового шума, фильтры можно подстроить под специфический сценарий использования гарнитуры. Например, фитнес-наушники совсем не обязательно должны полностью блокировать шум машин ради безопасности бегунов, но разработанные для дома или путешествий модели могли бы сфокусироваться и на большем диапазоне частот.

Мне посчастливилось опробовать в тестовом режиме технологию Hybrid ANC от Qualcomm. В предлагаемую структуру входят как внутренний, так и внешний микрофоны, создаётся цепь обратной связи. Это на самом деле уменьшает общую акцентированность шума по сравнению с эквивалентным решением с управлением по входному воздействию, но предлагает очень стабильную полосу частот для блокировки огромного спектра слышимых звуков. Демо-образец, который я тестировал, полностью отсекал рёв реактивного двигателя, позволяя запросто слушать музыку в шумной обстановке даже на малой громкости.

Сценарии применения шумоподавления выходят за пределы потребительской электроники. Измерение и блокировка шума могут найти применение в промышленности, например, для сохранения слуха на производствах, а также в медицине – слухопротезировании.

Шумоподавление в смартфонах недооценено. Многие из нас используют его несколько раз в день, даже не замечая этого. Звоните ли вы посредством голосовой связи, привыкли ли к «умным» ассистентам или беспроводному воспроизведению музыки в наушниках — качество ваших любимых сервисов будет разительно отличаться без этой вроде бы неприметной технологии. Она открывает для развивающихся рынков новый мир технологий, основанных на голосе, так что мы ещё о ней услышим.

Автор — Роберт Триггс

Иногда мы не замечаем развитие некоторых технологий, постепенно начинаем принимать их за данность. Так произошло и с упомянутой автором материала технологией. Но, как можно увидеть из статьи, смартфоны с её поддержкой впоследствии окажутся в более выгодном положении за счёт более уверенной поддержки голосовых помощников и «умных» устройств.

Вполне возможно, что в данном аспекте производители увидят дополнительную возможность для маркетинга и использования знаменитых брендов, и мы увидим аппараты с пометкой «ANC by Bose / Sony / Bower & Wilkins», и т.д. В любом случае, технология полезная, главное — найти правильный подход и подстроиться под нужные сценарии. Или же наш пользовательский опыт ничего не потеряет и без шумоподавления в смартфонах?

Мой twitter

Беседка прощается с читателями АМР до 9 января, пользуясь случаем хочу поздравить Вас с наступающими праздниками и пожелать увлекательного и интересного нового года, спасибо за Ваше внимание и до новых встреч!

Читайте также

  • 112

    Шумоподав иногда не очень хорошо

  • porl

    Вместо шума — цифровое металлическое гулкое «квакание», а если играет музыкальная заставка — так вообще слушать невозможно.

  • Beegoner

    Шумодав хорош, если имеет место широкополосный ambient — окружающий — шум. Белый шум, как пример, шум города, леса. А вот если шум направленный, то накладываются фазовые искажения, тут любой шумодав бесполезен.

  • Anton

    Жаль эта крутая технология не способна подавить ублюдочных соседей которые год делают ремонт и почему то дрельюперфоратором его делают 5-6 дней в неделю по 3-6 часов.

  • Factum

    Интересно но мало применимы

  • Sergey Galafeyev

    Попробуйте применить 52 федеральный закон. Насколько я помню, в жилых домах максимально разрешено нарушать санитарные условия в течение полугода и только по согласованию графика проведения работ с соседями (или уполномоченного органа, типа ТСЖ), т.е., не договорившись с вами, сверлить/штробить в заселенном доме нельзя вообще (!). Правда, возни с этой «технологией» в разы больше, чем с ANC, поэтому ее наличие (и требования) большинством игнорируется.

  • Anton

    Тут апартаменты, а не жилые помещенияквартиры так что думаю этот закон не поможет. У нас еле еле только в этом году законодательно определили что вообще апартаменты такое.

  • Sergey Galafeyev

    Я называю это «строить дворец на 30 метрах». Печальный феномен, но, к сожалению, объяснимый.

  • Anton

    «объяснимый.» тем что кто законы принимает живут в другой реальности…у них там нет соседей шумных или делающих ремонт годами.

    Дать 2 года дому на ремонты без ограничений, а потом ограничить до 1-2 часов в день и жестко ограничить уровень шума, когда у тебя внезапно с 40дБ до 65-70дБ фон прыгает хорошего для организма не много. У белорусов кстати говорят ограничения по уровню шума существуют.

  • Sergey Galafeyev

    У нас тоже существуют (В 52 ФЗ и соответствующих санитарных нормах определены и уровни, и сроки), только, подозреваю, у МВД плана нет на выявление таких нарушений, да и практика правоприменения ничтожная. К слову, шумные работы определены в законе просто: используется перфоратор или любой другой ударный инструмент – экспертиза не требуется, достаточно заявления жильца о том, что ему это мешает. Остается только добиться от участкового принятия заявления и соответствующих мер, что, говорят, не всегда легко. Поэтому большинство юристов рекомендует идти к самим соседям и потрясать перед ними выдержками из закона с благожелательной улыбкой на лице. Но я не могу этого с уверенностью рекомендовать)

  • Anton

    Ну опять же, тут не жилые помещения, по сути коммерческая недвижимость, а для нее правила все эти более мягкие.

    Жаль квартира над этими соседями не сдается в аренду, я бы не пожалел денег и месяца на 2-3 устроил бы им дискотеку когда закончат со своим ремонтом, хотя можно и во время ремонта…100-150Вт Сабвуфер творит чудеса в подобных домах.

  • Sergey Galafeyev

    Да, правовой статус апартаментов, вроде как, соответствует нежилым помещениям, тут надо с юристами консультироваться. Полагаю, что в таком случае могут вполне себе действовать нормы трудового, например, законодательства или же обслуживания в гостиницах, которые хоть и мягче, но вряд ли подразумевают размещение постояльцев в условиях круглогодичной сверлежки.
    Око за око, как мне кажется, только развяжет нарушителям руки, мол, вы же тоже нарушаете. Люди, которые не думают о благополучии соседей, не будут думать и о реальных причинах ваших дискотек.
    Да и, судя по нашему разговору, вы не из тех, кто с удовольствием готов уподобляться дикарям.

  • Anton

    Дауж…в итоге я просто взял себе промышленные защитные наушники на эти пол года пока тут жить буду еще, жалею что раньше не взял. Я не уверен что смогу нормально разговаривать и что то объяснить людям которые сами не способны понять что подобный ремонт это не нормально 🙂

    Самое парадоксальное что при всем при этом они достаточно хорошо соблюдают нормы в плане не шуметь с 13 до 15 и с 19 до…хз скольки там, 9 вроде. Ну и праздники. Почти ни разу не нарушили их, по крайней мере когда я был дома.

  • Yuriy D

    Я в таких случаях пользуюсь наушниками с активным шумодавом. Вообще-то они у меня для метро, но и от соседских ремонтов помогают очень хорошо. Включаю приятную музычку на небольшой громкости, и никаких дрелей…

  • Anton

    У меня была мысль взять Соньки, как раз те которые недавно обзор на МР был — 1000XM2, но хз…я музыку в наушниках вообще не слушаю, наушники одеваю только если гарнитура нужна что в данном случае не вариант.

    В итоге брать за 25к наушники чтоб через пол года когда перееду положить их в шкаф и забыть…я не настолько богатый к сожалению.

  • Сухарик ТВ

    LG X Venture. Звук в разговорном динамике Hi End. Борьба за качество закончилась. LG-победитель.

  • Miller Lite

    яблоко 7 разговор в полной тишине в комнате — помимо голоса афигенный шум,в паузах шум нарастает до бешеного уровня

  • Dart P!wned III

    И до motorola crystalltalk всем в итоге пилить и пилить. Лучшего качества передачи речи чем в старых мото я не слышал. Звонки с moto x на moto x просто сказка без всякого VoLTE.
    А сони кстати уже давно пытается пропихнуть шумодав в смартфонах, вроде как со времён Z2. Но смысла не много было в те времена, с комплектной гарнитурой MDR-NC31EM не впечатлило, triple fi 10 давали лучшую шумоизоляцию без всякого ANC.

  • Mr.Bastrikov

    Мне напротив очень нравилась связка Z2 и MDR-NC31EM. Давали ощутимый эффект за малую стоимость.

  • Валера K

    для метро/автобуса норм, но для «просто слушать» лучше отключать.

  • Dart P!wned III

    А мне вот как то не зашло, ощущение ваты в ушах, да и сами наушники для меня не ахти по звуку, я слишком разбалован в этом плане, так что один раз попробовал прокатиться в метро и положил в коробку.

  • A.N.

    Во всех смартспикерах эта технология играет решающую роль. Вот когда они у нас станут широко распространены, тогда станем требовать от обзорщиков обращать на этот параметр особое внимание)

  • Elvette Bella

    Реклама Quallcom’a ?
    На самом деле всё проще. Микрофон не воспринимает амплитуды и частоты не свойственные диапазону голоса человека. Поэтому в гарнитурах звук плохой. А в наушниках для музыки он хороший.

    А статья — бредоватая.

  • Sergey Galafeyev

    Потому что первое прописано в законе о тишине, он простой и понятный, его все знают и, видимо, соблюдают. По нему и полицию вызвать не вопрос, они даже приедут. А ФЗ и соответствующие санитарные нормы – это такие огромные, запутанные документы, в которых нормальный человек не разберется, я не уверен, что и законодатели, его подписывая, понимали, как он работает. Впрочем, неудивительно) В общем, вам успешно дотерпеть до переезда. А по сабжу – я как раз наушники с шумодавом использовал какое-то время, пока в новом (ну как новом, те же два года) доме все вокруг отделку делали. В сочетании с музыкой неплохо помогает.

  • Anton

    Я вообще не уверен что шумодав работать будет в данном случае, ведь сверление это резкие прерывистые колебания, а не тот самый постоянный фоновый шум как допустим в вертолете или в метро том же. В общем хорошо бы потестить, но блин…нужно было предзаказать тогда Соньку мобилку, подарили бы хорошие наушники, а мобилку и продать можно потом было, ну или оставить себе…Я люблю Соньки 🙂

  • Sergey Galafeyev

    Так ведь шумодав берет внешний звук (слушает его микрофонами), инвертирует и накладывает на сигнал в наушниках. Фактически, что шумит, то и вычитается. Это не какой-то абстрактный шум, который пытается сгладить внешнее воздействие, и не синтетика. Просто инверсия внешнего сигнала. Чем меньше задержка преобразователя, шире частотный диапазон микрофона и серьезнее возможности самих динамиков, тем больше шансов отсечь вообще все (кроме вибраций, конечно). Даже дешевые наушники с шумодавом (если он честный активный, а не просто генератор белого шума) неплохо отсекают низкочастотный гул, а уж профессиональные решения убивают любой почти напрочь. Но, конечно, качественное шумоподавление стоит дорого, т. к. и компоненты нужны соответствующие, это не просто маркетинг. Я вот начитался Эльдара с его соньками, и теперь понемногу душу свою внутреннюю жабу, пока не сдохнет, чтобы выложить таки без малого 30К за уши очередные. Сперва, конечно, сам их послушаю. Очень уж тишину люблю)

  • Anton

    Ну для меня вопрос цены вообще не стоит после почти года проживания тут 🙂 А вот покупать не нужные вещи или вещи которые будут вряд ли нужны в ближайшее время это вопрос…можно бы было конечно с запасом взять, но наушники это товар имеющий срок годности — батарейка.

    Взять бы послушать их в реальных условиях…вот это было бы удобно к сожалению ни у кого из знакомых даже близко ничего подобного нет, а слушать в магазине…ну я как бы в качестве звука не сильно то и сомневаюсь 🙂 Для меня это и не первичный параметр.

  • Sergey Galafeyev

    Думаю, замена батарейки вполне возможна в условиях сервиса (у меня вообще на обычной батарейке AA работают, купленные лет 12 назад, тогда никаких аккумуляторов в наушники не встраивали, до сих пор живы, только провода подзадубели). А хорошие уши с шумодавом – это как качественные резиновые сапоги, никогда не знаешь, в какой день они понадобятся, и носить будешь годами, потому что далеко не на каждый день. Как-то так) Насчет звука – просто не очень люблю звук сони, субъективно, объективных претензий нет. Если шумодав в них действительно так хорош, то хочется и звуком не разочароваться. Цена, кстати, при условии соответствия заявленным достоинствам, совсем даже не высока. Осталось выяснить это соответствие)

  • Igor Sazonov

    Подтверждаю! Как владелец самых разных Moto и X2 в частности, часто слышу удивление от собеседников, что меня прекрасно слышно, даже когда нахожусь в очень шумных местах вроде метро. А некоторые собеседницы и сами на Moto… пересадил…))

  • Максим Горщарук

    Вот я сейчас и побаиваюсь уходить с мото (Х 2013) в сторону хуавей по этой причине. Опасения есть какие-то все же.

  • Timur Iskhodzhanov

    На aliexpress натыкался на «вибродинамик», который хорошо работает от соседей и через потолок, и через стену. Поставьте им детхметал и дабстеп одновременно!

  • Юрий

    «Если вы всё еще звоните посредством смартфона, то вы с большой долей вероятности заметили,… »
    Какая-то странная формулировка… Автор в своём уме?

  • Мороз

    Как-то почти на спор снес в квартире 2 стены-перегородки по 3м. Кувалдой за 2ч в сумме. Дольше потом выносил обломки.
    Друзьям рассказывал планы перепланировки, они сказали, что мне будет влом все это делать. Ах влом, и спустился от них к себе (спецом в их доме квартиру покупал).
    Заодно и с соседями сверху-снизу за 2ч познакомился )) Думали я ща дом снесу.

  • Что-то у соневских смартфонов это шумоподавление, особенно при записи видео (булькает всё), работает настолько убого, что специальные патчи приходится ставить для его отключения, или конфиг ручками править. Хотя тот же самый квалком. И они это не лечат, гонят брак из прошивки в прошивку. Не всегда шумодав — это хорошо.

  • Джо Неуловимый

    У ксяоми этот шумодав при записи видео уже притча во язытцах.. Настолько убогой записи видео и звука я еще не видел ни в одном смартфоне..

  • zveroboy

    сделали бы уж тестирование шумодавов какое-никакое а?
    Мой опыт такой — при переходе на гарнитуру с шумодавом, с гарнитуры «без», качество распознавания голосовых команд (в почти одинаковых условиях) телефоном улучшилось на 30%