Kan aktiv brusreducering förbättra taluppfattbarheten även i ett headset för ett öra? Horst Gether, produktchef inom ams AG, argumenterar i den här artikeln för att samma ANC-teknik ska kunna användas för att dramatiskt förbättra taluppfattbarheten för användare av mobiltelefoner och monoheadset.

Mobiltelefoner kan fungera otroligt bra som musikspelare, webbläsare och e-postklienter, men det är lätt att glömma bort deras primära funktion: att göra det möjligt för två personer att föra en konversation på distans. Även den mest avancerade och funktionsspäckade smarta telefon är ganska värdelös om användaren inte tydligt kan höra personen i andra ändan.
Och eftersom omgivande buller är en av de faktorer som kan minska taluppfattbarheten i mobila röstsamtal använder mobiltelefontillverkare idag en mängd – framför allt programbaserade – tekniker för att reducera effekterna av detta.
Som var och en som någon gång har använt en mobiltelefon på en fullpackad tågstation, flygplats eller sportarena vet, ger dessa programbaserade tekniker i allmänhet ändå en otillfredsställande ljudkvalitet i bullriga miljöer. Det beror på att dessa tekniker – digital signalförbättring och automatisk volymkontroll – är outvecklade metoder som bara kan lindra effekterna av omgivande buller – inte eliminera dem.
ANC-tekniken (Active Noise Cancelling), å andra sidan, är en välkänd metod för effektiv dämpning av oönskat omgivande ljud, men den återfinns idag enbart i avancerade stereoheadset. Detta värderas högt av vissa konsumenter, exempelvis flygpassagerare som reser ofta som vill stänga ute det irriterande dånet från jetmotorer.

Bättre uppfattbarhet
Den här artikeln argumenterar för att samma ANC-teknik ska kunna användas för att dramatiskt förbättra taluppfattbarheten för användare av mobiltelefoner och monoheadset. Konceptet för implementering av ANC i en monomiljö (för ett öra) kan tyckas vara en dålig idé. Det omgivande ljudet kommer trots allt ändå att nå användarens andra öra.
Men den här artikeln lyfter fram forskning som visar att effekten av brusreducering i bara det ena örat har märkbar effekt på användarens förmåga att uppfatta vad som sägs under ett röstsamtal. Det antyder att implementering av en ANC-krets i en mobiltelefon eller i ett monoheadset nu är det mest effektiva sättet att ge användare den höga röstkvalitet som de förväntar sig under nästan alla omgivande förhållanden.

Minska uppfattat omgivande ljud
Den starka efterfrågan på brusreducerande hörlurar och öronmusslor har attraherat många nya leverantörer ut på marknaden. Det är dock viktigt att vara medveten om att många produkter som beskrivs som "brusreducerande" i själva verket inte stänger ute ljudet även om åtgärder för att dämpa det implementeras.

Fig 1. Brusreduceringstekniker som kan användas i mobiltelefoner.

Faktum är att det finns ett antal olika sätt att minska den uppfattade effekten av omgivande brus. En enkel och billig väg – effektivt vid höga frekvenser – är genom "passiv dämpning", vilket innebär att ljuddämpande material runt högtalaren används som blockerar det omgivande brusets väg till hörselgången.
Passiv dämpning har dock praktiskt taget ingen effekt vid lägre frekvenser. För att hantera detta använder dagens mobiltelefontillverkare olika programtekniker för signalbearbetning. Se fig 1.

Minska brus vid sändning
Den vanligaste tekniken för brusreducering är brusreducering av sändningsvägen, normalt implementerad med en digital signalprocessor (DSP). Utsignalen från telefonens mikrofon består av en kombination av en önskad signal (användarens röst) och oönskade signaler (omgivande brus). Algoritmer som implementeras i en DSP behandlar dessa signaler genom att försöka skilja röst från brus, filtrera bort bruset och förstärka signaler som har en tydligt identifierbar "talsignatur". I vissa konstruktioner används en ytterligare mikrofon som bara registrerar det omgivande bruset, vilket underlättar för algoritmerna att ställa in sina filter på brusfrekvenserna.
Problemet med den här hanteringen av brusreducering är att ju högre brusreduceringsnivå som ställs in desto mer robotaktig låter rösten. På samma sätt ger en mindre aggressiv digital brusreducering en naturligare röstsignal men på bekostnad av högre brus, ett lägre signal/brus-förhållande och sämre taluppfattbarhet.
Även om en förvrängd röstkvalitet är acceptabel bidrar den här brusreduceringen av sändningsvägen bara till att den andra parten hör rösten hos den som talar tydligare. Motsatsen till brusreducering av sändningsvägen, brusreducering av mottagningsvägen, implementeras på samma sätt, med samma begränsningar. Dessutom modifierar den bara den inkommande signalen från den andra parten i konversationen, med andra ord, det här systemet underlättar för dig att förstå personen du pratar med om denne befinner sig i en bullrig miljö.
Både brusreducering av sändnings- och mottagningsvägen bidrar till att förbättra talkvaliteten, men ingen av metoderna hjälper en telefonanvändare i en bullrig miljö att bättre höra vad den andra parten säger.

Automatisk volym
En tredje teknik – automatisk volymkontroll – kan bidra till att öka taluppfattbarheten hos den som lyssnar, men bara om den omgivande brusnivån är relativt låg.
En telefon med en automatisk volymkontrollsfunktion skickar mikrofonens utsignal via en DSP, eller analog krets, som är konfigurerad att skilja mellan omgivande brus och användarens röstsignal. Här jämförs ljudnivån vid mottagarens förstärkare med den omgivande brusnivån och SNR-förhållandet (signal-till-brus) beräknas utifrån detta. Om SNR faller under en given tröskel ökar den automatiska volymkontrollfunktionen förstärkningen hos mottagarförstärkaren för att öka SNR till ett positivt område.  Ju högre omgivande brus, desto högre ljudtrycksnivå genereras av telefonens högtalare.

Fig 2. Aktiv brusreducering i ett vanligt headset.

Den här tekniken är dock inte effektiv över en viss nivå omgivande brus. Det beror på att den maximala uteffekten hos headsetets högtalare begränsas antingen av själva högtalarens konstruktion eller av högtalarförstärkarens specifikation. Vid en låg nivå av omgivande brus kan högtalarens uteffekt ökas för att bibehålla ett angivet SNR-förhållande. När den omgivande brusnivån stiger, stiger även högtalarens uteffekt i samma takt för att bibehålla SNR tills maximum nås. Om den omgivande brusnivån då fortsätter att stiga faller SNR och uppfattbarheten försämras.

Aktiv brusreducering
Det skulle därför vara effektivare – och skulle dessutom utsätta användarens öra för lägre ljudtrycksnivå – att minska den omgivande brusvolymen istället för att öka högtalarens utvolym. Det är så aktiv brusreducering (ANC) fungerar. Ett ANC-system skapar en anti-brussignal med telefonens högtalare vilket sänker brusnivån i syfte att öka SNR-förhållandet.
Implementeringen av en ANC-tillämpning, oavsett i vilken produkt, kräver tre komponenter: en mikrofon, en högtalare och en ANC-krets. Se fig 2.
Mikrofonen registrerar det omgivande bruset och skickar brussignalen till ANC-kretsen. ANC-kretsen skapar en anti-brussignal som är en inversion av den omgivande brussignalen. Den här elektriskt inverterade signalen skickas till högtalaren, vilket genererar en akustisk reproduktion av det inverterade omgivande bruset. I teorin tar de båda signalerna ut varandra perfekt.
I praktiken uppnår ANC-stereohörlurar, såsom AKG K490NC på marknaden idag, normalt en brusreduktion på 20-30 dB över ett brett frekvensintervall på 20 Hz – 1 kHz. AKG K490 NC använder ANC-högtalardrivkretsen AS3430 från ams. Se fig 2.
Finns det någon anledning att använda ANC i monotillämpningar?
ANC-system används idag normalt i stereotillämpningar. Mobiltelefoner och headset är normalt monoenheter för ett öra. Så är det någon idé att använda ANC-system i en monotillämpning?
Självklart, eftersom det andra örat är utsatt för omgivande ljud utan reducering. Men ett test som initierades av ams och genomfördes av forskningsföretaget Joanneum Research1 visar att aktiv brusreducering i mono märkbart kan förbättra taluppfattbarheten i bullriga miljöer.
Testkonfigurationen framgår av fig 3. Försökspersonerna utsattes för slumpmässigt ljud, liknade det som kan upplevas i en fullsatt restaurang, vilket reproducerades i ett system med 5.1-surroundljud. Joanneum Researchs specialistinstitut för informations- och kommunikationsteknik utförde testet i en godkänd akustisk kammare.

Fig 3. Konfiguration av mono-ANC-uppfattbarhetstestet.

Försökspersonerna bar en mono-ANC-öronmussla i höger öra med en genomsnittlig ANC-brusreducering på 10 dB i röstfrekvensbandet. De fick lyssna på enstaviga ord och tvåsiffriga tal som spelades upp via mono-ANC-headsetet. Orden och talen bearbetades med en standardmässig GSM-codec för att simulera OTA-överföring (over-the-air). De ombads upprepa orden de hörde för att göra de möjligt för forskarna att ta fram ett resultat för uppfattbarheten.
Testresultaten, se fig 4, visar en förvånansvärd skillnad mellan taluppfattbarheten med och utan hjälp av mono-ANC-headsetet. De båda kurvorna visar hur taluppfattbarheten varierar beroende på SNR-förhållandet. Utan aktiverat ANC följer resultaten en S-formad kurva, ett resultat som stämmer överens med resultaten från taluppfattbarhetstester som tidigare genomförts av andra företag och organisationer.
Med mono-ANC-funktionerna aktiverade svänger kurvan märkbart uppåt, vilket visar hur mono-ANC-brusreducering möjliggör förbättrad uppfattbarhet vid högre omgivande ljudnivåer. Det sker genom att det omgivande bruset dämpas genom aktiv brusreducering vilket får till effekt att SNR-förhållandet ökas.

Fig 4. Resultat av taluppfattbarhetstestet i mono-ANC-miljö.

Enligt rapporten från Joanneum Research belyser resultaten för lyssningstestet en förbättring av taluppfattbarhet i bullriga miljöer vid användning av aktiv brusreduceringsteknik i en öronmussla för ett öra.
Det är viktigt att notera att resultatet i fig 4 uppnåddes med ett headset som levererar en liten brusreducering på 10 dB, men även detta förbättrade taluppfattbarheten med så mycket som 40 procent, enligt Joanneum Research. Vid användning av ett headset med högre ANC-kapacitet anser ams att uppfattbarheten skulle bli ännu bättre, eftersom, vilket framgår av grafen, ANC-kapaciteten står i direkt relation till förbättringen av taluppfattbarheten.
Kompletta ANC-implementeringar med låg effekt för stereoheadset har funnits att tillgå från ams under en tid, men med introduktionen av AS3400, och under 2012 av AS3420, har ams två produkter som är optimerade för mono-ANC-tillämpningar. AS3420 passar mycket bra ihop med (trådlösa) Bluetooth-headset, eftersom dess differentiella ineffekt möjliggör direkt anslutning till trådlösa kretsuppsättningar med differentiella uteffekter. Enheterna kan enkelt användas för att förvandla ett standardmonoheadset till ett verkligt ANC-monoheadset, som ger användaren avsevärt ökad komfort, behag och taluppfattbarhet och märkbart ökar värdet hos slutprodukten.
Horst Gether, produktchef inom ams AG

Filed under: Mikrovag