بررسی روش‌های حذف نویز (NC) در سیستم‌های صوتی

در پدیده‌های صوتی، نویز یک موضوع مهم است. نویز به معنی آلودگی صوتی است. در علوم و مهندسی به سیگنالهای ناخواسته که بر سیگنال‌های اصلی اثر نامطلوب می‌گذارد نویز میگویند. منبع نویز می‌تواند هر عامل خارجی از صدای اتومبیل‌ها گرفته تا صدای ساختمان‌سازی باشد. منابع اصلی نویز شامل منابع طبیعی نویز صوتی مانند رعد و برق، بهمن، زلزله، فوران آتشفشان، صدای حیوانات است و منابع مصنوعی عواملی مانند کارهای ساختمانی، حمل‌ونقل، صنایع، هیاهوی جمعیت و آلات موسیقی هستند. برای کاهش نویز، راه‌های مختلفی وجود دارد. در حالت کلی راه‌های مقابله با نویز در سیستم‌های صوتی را می‌توان به دو گروه اصلی دسته‌بندی کرد:

1- روش‌های غیرفعال جداسازی نویز (Passive Noise Isolation) که به اختصار PNI

2- روشهای فعال حذف نویز (Active Noise Cancelation) که به اختصار ANC

در این مقاله به صورتی جامع به بررسی روشهای حذف نویز (Noise Cancelation) در سیستم‌های صوتی بخصوص روشهای ANC می‌پردازیم.

روشهای غیرفعال جداسازی نویز (Passive Noise Isolation)

احتمالا هنگام خرید هدفون یا earbuds با اصطلاحات تخصصی مختلفی روبرو شده‌اید. دوتا از معمول‌ترین این اصطلاحات Passive Noise Isolation و Active Noise Cancelation هستند. هدف هر دو روش‌ حذف صداهای ناخواسته بیرونی است تا با کمترین مزاحمت به محتوای مورد علاقه خود گوش بدهید.

در روش PNI که به آن روش غیرفعال جداسازی نویز (Passive Noise Isolation) یا PNC نیز میگویند با استفاده از تجهیزات سخت‌افزاری و فیزیکی سعی می‌شود ورود نویز خارجی به فضای مورد نظر مسدود (Block) شود. برای مثال در هدفون‌ها با استفاده از فوم‌هایی که متناسب با گوش کاربر طراحی شده‌اند سعی میشود تا از ورود صداهای محیط به فضای شنوایی جلوگیری کرد.

تصویر 1: فوم هدفون که یکی از اهداف اصلی آن جداسازی صداهای محیط از فضای پخش است

علاوه بر ارزان‌تر و مقرون به صرفه‌تر بودن روشهای PNI یکی دیگر از مهمترین مزیت‌های روشهای PNI عدم نیاز این روش‎‌ها به منبع تغذیه (باتری) است. درحالی که در روش‌های فعال حذف نویز یا ANC نیاز است تا سیگنال‌های دریافتی توسط یک پردازنده Digital Signal Processing پردازش شده و حذف نویز انجام شود که این ماژول الکترونیکی نیاز به یک منبع تغذیه یا باتری دارد.

صنایع مختلفی مخاطب روشهای حذف نویز غیرفعال هستند. از مهمترین این صنایع صنعت خودروسازی و صنعت ساختمان هستند. برای مثال در صنعت خودروسازی سعی می‌شود تا با روشهای مختلف از ورودی صدای موتور به داخل فضای خودرو جلوگیری شود. در نتیجه انجام این کار برای سرنشینان خودرو تجربه بهتری فراهم می‌‎آید. یا برای مثال در صنعت ساختمان با استفاده از پنجره‌های دو جداره، درب‌های عایق یا دیوارهایی با متریال مقاوم در برابر انتقال صوت سعی می‌شود فضای خانه را در برابر ورود صداهای ناخواسته بیرونی محافظت کرد.

روش‌های فعال حذف نویز (Active Noise Cancelation)

به لطف رشد روز افزون تکنولوژی و استفاده از آن در صنعت صوت استفاده از روش‌های فعال حذف نویز دیگر یک ویژگی لوکس نیست. هرچند اولین ثبت اختراع در رابطه با روشهای فعال حذف نویز در سال 1930 و توسط دکتر لوگ (Dr. Lueg) انجام شد. اما بنظر میرسد خود او هم تصور نمیکرد تا روشهای ANC به این شدت در صنایع مختلف و بین مردم پرکاربرد شود.

اصل حاکم بر روش‌های ANC قانون فیزیکی جمع‌پذیری امواج صوتی است. به عبارت دیگر اگر بتوانیم یک موج صوتی با شدت برابر و فازی مخالف با موج منبع اصلی صوت ایجاد کنیم این دو موج صوتی یکدیگر را خنثی کرده و صدایی شنیده نخواهد شد.

تصویر 2: دو موج صوتی با فاز قرینه یکدیگر را خنثی می‌کنند.

تاریخچه تکامل ANC

همانطور که در بالا گفتیم امواج صوتی بر روی هم اثر میگذارند و در صورتی که یک موج صوتی با فاز قرینه از موج صوتی مرجع ایجاد کنیم میتوانیم شدت صدا را کاهش دهیم. همچنین اگر شدت موج قرینه برابر با شدت موج مرجع باشد میتوان کلا آن صدا را حذف کرد. در روش‌های ANC موج مرجع توسط یک میکروفون دریافت می‍شود (صدای نویزها مانند صدای محیط موج مرجع هستند)، سپس توسط یک پردازنده الکترونیکی موج دریافت شده پردازش شده و یک موج صوتی قرینه با آن تولید می‌شود در نهایت موج توسط بلندگو در فضا پخش می‌شود و باعث کاهش صدای نویز می‌شود. همانطور که میتوان از آنچه گفته شده فهمید، فرآیند دریافت صدا، پردازش آن و پخش صدای قرینه باید با سرعت بسیار بالایی انجام شود تا موج قرینه همزمان با موج اصلی پخش شده و باعث کاهش شدت آن شود.

مدارهای الکترونیکی اولیه که برای این منظور بکار می‌رفتند چون سرعت پاسخ پایینی داشتند نتیجه خوبی نداشتند. با پیشرفت علم تراشه‌ها این مشکل تا حدود بسیار زیادی حل شد و در نتیجه امروزه سیستمهای حذف نویز از کیفیت بسیار مطلوبی برخوردار هستند.

انواع روش‌های فعال حذف نویز

تصویر زیر کلیت فرآیند حذف نویز فعال را نشان میدهد.

تصویر 3

مطابق تصویر 3 ابتدا صدای ناخواسته محیط توسط یک میکروفون یا ضبط کننده صدا دریافت می‌شود. چون صدای دریافتی از محیط یک سیگنال آنالوگ است برای اینکه بتوانیم پردازش‌های لازم را بر روی آن انجام دهیم، باید ابتدا توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D Converter) سیگنال صوت را به سیگنال دیجیتال تبدیل کرد. سپس سیگنال دیجیتال به پردازنده سیگنال دیجیتال (Digital Signal Processors) که به اختصار به آن DSP می‌گویند ارسال می‌شود. پردازنده DSP توسط شرکت سازنده سیستم ANC کدنویسی می‌شود تا با استفاده از الگوریتم‌هایی خاص نویز را از صدای اصلی حذف کند. درون DSPها نویزهای صدای دریافتی پردازش می‌شود تا صدایی با فاز قرینه و شدت مشابه این نویزها تولید کند. در نهایت سیگنال پردازش شده توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ به امواج آنالوگ تبدیل و توسط بلندگو این صدا در فضای مورد نظر پخش می‌شود.

الگوریتمهایی که در DSPها کدنویسی میشوند یکی از مهمترین قسمتهای سیستم‌های ANC هستند. هرچقدر این الگوریتم‌ها سریعتر و دقیق‌تر باشند و در برابر پردازش صداهای تصادفی انعطاف‌پذیری بالاتری داشته باشند نتیجه نهایی حذف نویز مطلوب‌تر خواهد بود. بخش زیادی از تفاوت کیفیت حذف نویز در هدفون‌های برندهای مختلف مانند Apple، سونی، Sennheiser ،Bang & Olufsen و غیره نیز در همین الگوریتم‌های متفاوتی است که این شرکتها استفاده می‌کنند.

الگوریتم‌هایی که در روش‌های حذف نویز فعال کاربرد دارند را می‌توان به سه گروه دسته‌بندی کرد.

1- حذف نویز فعال پیش‌نگر (Feed Forward ANC)

احتمالا حذف نویز فعال Feed Forward را بتوان ساده‌ترین روش ANC در نظر گرفت. در این روش یک میکروفون در قسمت بیرونی گوشی (هدفون) قرار می‌گیرد. این روش ANC به دو منظور استفاده می‌شود:

1- برای شنیدن صداهایی که خارج از هدفون وجود دارند که به آن صدای جانبی یا sidetone نیز میگویند.

2- به منظور شنیدن صدای خودتان هنگامیکه از طریق هدفون در حال مکالمه تلفنی هستید. در واقع در مکالمه تلفنی با استفاده از هدفون اگر زمانی که صحبت می‌کنید صدای خودتان را نتوانید بشنوید مکالمه آزار دهنده خواهد بود.

صدای دریافتی توسط میکروفون چه یک صدای ناگهانی باشد یا صدایی کلی در محیط باشد با استفاده از یک DSP پردازش می‌شود تا صداهایی که در محدوده فرکانس شنوایی انسان هستند مشخص شوند. سپس بلافاصله پردازش بر روی صداهای دریافتی انجام می‌شود و سپس صدای حذف کننده نویز (که شدتی برابر با صدای دریافتی و فاز قرینه دارد) درون فضای هدفون پخش می‌شود. در نتیجه این عمل گوش نمی‌تواند صدای نویز را بشنود (تصویر 4). علیرغم اینکه در روشهای Feedforward ANC از الگوریتمهای پیچیده‌ای برای حذف نویز استفاده می‌شود اما صدای نویز دریافتی توسط میکروفون خارجی و صدای نویز شنیده شده در فضای داخلی هدفون شدت متفاوتی دارند و این تفاوت در پردازشهای DSP لحاظ نمی‌شود. در نتیجه دقت روش‌های Feedforward زیاد نیست.

2- حذف نویز فعال بازخوردی (Feedback ANC)

تمام هدفون‌ها از روش‌های PNI (استفاده از فوم روی گوشی هدفون) برای حذف بخشی از نویزها استفاده می‌کنند. در نتیجه در روش Feedforward چون شدت صدای نامطلوب محیط با صدای داخل فضای هدفون به دلیل وجود فوم متفاوت است و میکروفونی که صدای محیط را دریافت می‌کند خارج از هدفون قرار دارد کیفیت حذف نویز تحت تاثیر قرار می‌گیرد.

در حذف نویز فعال بازخوردی میکروفونی که وظیفه دریافت صداها مزاحم محیط را دارد در فضای داخلی هدفون قرار می‌گیرد و دیگر میکروفنی در فضای بیروی قرار ندارد.

3- حذف نویز فعال ترکیبی (Hybrid ANC)

در روش ترکیبی هم در فضای خارجی هدفون و هم در فضای داخلی هدفون از میکروفون استفاده می‌شود. این روش ترکیب روش feedforward و روش feedback است. وظیفه میکروفون داخلی تصحیح خطای حاصل از پردازش صدای میکروفون خارجی است. به همین دلیل به این روش حذف نویز فعال بازخوردی Feedback ANC می‌گویند. در تصویر 4 می‌توان محل قرارگیری میکروفون اصلی (مورد 1) و میکروفون بازخوری (مورد 4) را دید.

تصویر 4: شماتیکی از حذف نویز ANC و محل قرارگیری میکروفون‌های خارجی و داخل

مثالهایی از کاربرد روش‌های ANC

شایع‌ترین کاربرد روشهای حذف نویز در سیستمهای صوتی مانند هدفون‌ها و هدست‌های بی‌سیم (wireless) است. از کاربردهای دیگر این روش‌ها بکارگیری آنها در فضای داخلی اتومبیل است. در واقع در اتومبیل‌ها بخصوص خودروهای لاکژری سعی می‌شود تا علاوه بر استفاده از روش‌های PNI با استفاده از روش فعال نیز صدای مزاحم داخل کابین سرنشینان به حداقل برسد و تجریه بهتری از سواری برای سرنشینان فراهم شود. (تصویر 5)

تصویر 5: شماتیکی از محل قرارگیری میکروفون‌ها و بلندگو‌ها در فضای خودرو

یکی دیگر از موارد استفاده از روش‌های ANC داخل فضای حمل بیمار آمبولانس‌ها است. آمبولانس‌ها زمانی که در حال حمل بیمار هستند باید آزیر خود را روشن کنند. این صدای بلند آژیر میتواند برای بیمار که احتمالا حال وخیمی دارد بسیار آزار دهنده باشد. برای همین با استفاده از روشهای ANC سعی می‌شود صدای مزاحم آژیر در فضای داخلی حذف شود. در مقاله‌ای تفاوت صدای داخل کابین آمبولانس برای حالت استفاده از روشهای ANC و عدم استفاده از روشهای ANC بررسی شده است. تصویر 6 نمایش دهنده صدای داخل کابین آمبولانس برای حالتی است که از روشهای ANC استفاده نمی‌شود.

تصویر 6: صدای دریافتی توسط میکروفن برای حالتی که از روش ANC استفاده نمی‌شود.

بعد از استفاده از روشهای حذف نویز فعال صدایی که توسط میکروفونها در داخل فضای کابین دریافت می‌شود به صورت زیر است. (تصویر 7)

تصویر 7: صدای دریافت شده توسط میکروفون داخل فضای آمبولانس بعد از استفاده از روشهای ANC

تجهیزات داده‌برداری و مهندسی صدا

حال که با مبانی پایه‌ای حاکم بر روشهای ANC آشنا شدیم میتوانیم به کاربرد تجهیزات داده برداری برای مهندسی صدا بپردازیم. یکی از مهمترین بخش‌ها در روشهای ANC الگوریتم‌های استفاده شده هستند. محقیقن برای دستیابی به الگوریتم‌هایی که در سریعترین زمان ممکن و به بهتری شکل بتوانند نویزها را حذف کنند نیازمند بهبود و ساخت الگوریتم‌های حذف نویز هستند. برای این منظور در آزمایشگاه‌ها با استفاده از میکروفون‌ها، کارتهای داده‌برداری و پردازنده‌های مانند CPU یا GPU یا FPGA به انجام تحقیقات می‌پردازند.

شرکت نشنال اینسترومنتز یا ni به عنوان پیشرو ترین شرکت در تولید تجهیزات داده‌برداری سخت‌افزارهای جامعی برای این منظور دارد. تجهیزات تخصصی ni برای صوت را می‌توان از دیدگاه‌های مختلفی به دسته‌های متفاوتی دسته‌بندی کرد.

1- تجهیزاتی برای پردازش با CPU و GPU

دسته اول تجهیزات داده‌برداری PCI یا USB و یا تجهیزات cDAQ و PXI هستند. این تجهیزات اطلاعات دریافت شده را به کامپیوتر ارسال می‌کنند تا پردازش‌های لازم روی سیگنالهای دریافتی بر روی CPU یا GPU (کارت گرافیک) در کامپیوتر انجام شود.

نمونه‌ای از تجهیزات داده برداری که در این دسته قرار می‌گیرند عبارتند از:

1. کارت داده‌برداری NI USB-4431 (لینک)
2. کارت داده‌برداری NI USB-4432 (لینک)
3. کارت داده‌برداری NI PCI-4461 (لینک)
4. کارت داده‌برداری NI PCI-4462 (لینک)
5. ماژول cDAQ مدل NI-9231 (لینک)
6. ماژول cDAQ مدل NI-9234 (لینک)
7. ماژول PXI-4498 (لینک)
8. ماژول PXI-4461 (لینک)

2- تجهیزاتی برای پردازش با FPGA

دسته دوم تجهیزاتی هستند که با استفاده از پردازنده‌های FPGA به پردازش سیگنال‌های دریافتی می‌پردازند. پردازنده‌های FPGA به دلیل ساختار درونی که دارند سرعت پردازش بسیار بالاتری در مقایسه با CPU و GPU دارند. از تجهیزات داده‌برداری شرکت National Instruments که در این دسته قرار می‌گیرند تجهیزات cRIO هستند که دارای پردازنده FPGA میباشند. ماژولهای cRIO و cDAQ مشابه هستند و تفاوت آنها در شاسی‌های استفاده شده است. در تصویر 8 یک شاسی cRIO و یک شاسی cDAQ در کنار هم نمایش داده می‌شوند.

تصویر 8: نمایی از انواع شاسی‌های cDAQ و cRIO شرکت ni