Controllare attivamente il rumore audio

Il controllo attivo del rumore audio è una metodologia di elaborazione del segnale che consente di ridurre l’ampiezza efficace del suono per migliorare il rapporto segnale/rumore in modo da rendere meno percepibile possibile il rumore. La metodologia del controllo attivo del rumore audio detta anche Anc (Active Noise Control) o Anr (Audio Noise Reduction) è una tecnica di riduzione del rumore audio nota da molto tempo ma che, per la sua natura computazionalmente intensiva, solo con la disponibilità di processori application specific come i digital signal processor è stato possibile ottenere delle realizzazioni soddisfacenti. Il principio su cui si basa (vedi riquadro) è molto semplice in quanto deriva dalla proprietà delle onde di amplificarsi o attenuarsi quando si combinano con altre onde in rapporto alla fase. In base a questo principio, la cancellazione di un suono può avvenire se tale suono si combina (somma) con un altro suono di identica frequenza e fase opposta (controfase). In queste condizioni (ideali) l’onda sonora viene completamente cancellata (interferenza distruttiva) da una su replica identica sfasata di un semiperiodo. Questo principio, facilmente realizzabile in laboratorio, è invece molto complesso da realizzare in condizioni reali come per esempio i sistemi telefonici, i sistemi di ascolto della musica, gli ambienti domestici, gli ambienti pubblici, ecc. Il problema fondamentale sta nell’ottenere la versione in controfase del suono (rumore) in perfetto sincronismo con quella in fase. La soluzione di questo problema è relativamente semplice per suoni deterministici, ma diventa particolarmente complessa per i suono non deterministici, per esempio il fruscio (rumore bianco). Anche se apparentemente la soluzione sarebbe quella di registrare il rumore da cancellare, invertirne la fase e quindi sommarlo al suono originale, di fatto a causa dei ritardi introdotti dai dispositivi di registrazione e di riproduzione e delle funzioni di trasferimento non lineari dei dispositivi, l’operazione di cancellazione diventa meno efficace che in teoria o addirittura inefficace, se non si implementano tecniche di predizione del segnale più o meno sofisticate (filtraggio adattativo). Queste sono tecniche di elaborazione del segnale computazionalmente intensive e in quanto tali molto onerosa dal punto di vista del sistema che le deve implementare (processore, codec e front-end analogico). Le applicazioni della metodologia Anc sono molteplici, sia relativamente all’ascolto della musica, sia alla comunicazione (telefonia, conferenza, ecc.), sia all’ambito civile e industriale (elettrodomestici, impianti di climatizzazione, macchine utensili, ecc.). La complessità computazionale dell’applicazione in passato ne ha fortemente limitato l’applicazione, ma l’introduzione recente di circuiti integrati che implementano su singolo chip il sistema Anc, ha consentito di integrare in maniera soddisfacente questa soluzione in apparecchiature audio di grande diffusione come per esempio le cuffie per l’ascolto della musica e i telefoni cellulari. Comunicazione vocale e ascolto della musica sono attualmente due importanti aree applicative del controllo del rumore audio, considerando l’importanza che questi due modi di fruire dell’audio hanno sia in termini di uso, sia in termini quantitativi (volumi di dispositivi che possono implementare utilmente questa tecnica di miglioramento della qualità della comunicazione e della percezione).

Controllo passivo e controllo attivo
Le tecniche di controllo del rumore audio sono fondamentalmente di natura passiva e attiva, relativamente al modo con cui il rumore viene tenuto sotto controllo e considerando come obiettivo il miglioramento del rapporto segnale/rumore. La tecnica passiva consiste nell’identificare la banda frequenziale del rumore e nell’agire in aumento sul guadagno del segnale (voce o musica) in maniera tale da massimizzare il rapporto segnale/rumore in quella banda e ottenere in tal modo una migliore intellegibilità dell’informazione di segnale. Questo è un controllo passivo del rumore in quanto questo non viene modificato direttamente ma viene sfruttato l’effetto psicoacustico noto come mascheramento, fenomeno caratteristico della percezione dell’intensità dei suoni da parte degli esseri umani. La tecnica passiva non è molto complessa da implementare, anche se può necessitare una serie di misure nel dominio delle frequenze, ma allo stesso tempo non è sempre efficace in tutte le condizioni di rumore, soprattutto quando i livelli di intensità del rumore sono particolarmente elevati e le capacità di amplificazione del sistema audio (se ci sono piccoli altoparlanti e amplificatori a guadagno limitato). Un effetto collaterale è comunque la distorsione del segnale che porta, per esempio per la voce, a una “robotizzazione”. Una tecnica di controllo del rumore, considerata passiva, è quella denominata “noise gate”. Nella sua implementazione più semplice, questa tecnica, fino a quando il segnale non è superiore ad una data soglia di intensità, l’altoparlante viene tenuto nella condizione mute. Anche in questo caso non si agisce sul rumore ma sul sistema di riproduzione per impedirgli di riprodurre il rumore quando il segnale è troppo basso (quindi con un pessimo rapporto segnale/rumore).
Alle tecniche passive di controllo del rumore si oppongono quelle attive, cioè quella tecniche che agiscono direttamente sul rumore riducendolo in intensità. In applicazioni come la telefonia cellulare e la riproduzione della musica in cuffia, il rumore ambientale ha un percorso differente dal segnale (voce o musica). Rumore e segnale si miscelano nel momento in cui pervengono all’orecchio. Se il rumore ambientale viene catturato con un microfono e semplicemente riprodotto in opposizione di fase vicino all’orecchio (inversione della polarità per il segnale elettrico), allora la combinazione del rumore ambientale con la sua replica in opposizione di fase produce un effetto di interferenza distruttiva del rumore, mentre il segnale rimane inalterato. La riduzione di intensità del rumore comporta l’aumento del rapporto segnale/rumore e di conseguenza del livello di intellegibilità e di qualità dell’informazione audio. Il metodo attivo di controllo del rumore è molto efficace e capace di abbattere in intensità il rumore di oltre 20 dB, facendo conseguentemente aumentare di altrettanti dB il rapporto segnale/rumore senza agire sul guadagno del segnale. Questo risultato, percettivamente molto rilevante e di forte impatto sul livello di intellegibilità dell’informazione contenuta nel segnale audio, è ottenibile se si tengono in considerazione e quindi si compensano i ritardi e le distorsioni introdotte dalla catena microfonica. Per la compensazione dei ritardi e delle distorsioni di ampiezza vengono utilizzati paradigmi di elaborazione noti come filtri Lms (Least mean square), una tipologia di filtri Fir (Finite impulse response) che possono modificare i coefficienti durante il funzionamento. Questi filtri risolvono in maniera efficiente il problema della stima effettiva del rumore e di conseguenza massimizzano le prestazioni dei sistemi Anc in condizioni reali di utilizzo. Ovviamente, la contropartita è la complessità computazionale di questo approccio, che può essere affrontata adeguatamente (a livello di applicazioni embedded) solo da soluzioni microelettroniche application specific. L’intellegibilità del parlato è un fattore di qualità molto importante nella funzionalità dei sistemi di comunicazione, in particolare quelli mobili, maggiormente soggetti quest’ultimi a condizioni di rumorosità esterna particolarmente severe (ambiente esterno urbano, abitacolo di un’automobile o di un aereo, bar e ristorante, ecc). A differenza dell’ascolto della musica che è binaurale, quello della comunicazione telefonica vocale è invece monoaurale (in assenza di cuffia), quindi il controllo attivo del rumore sarebbe inefficace considerando che uno delle due orecchie sarebbe comunque esposto al rumore ambientale. Ams ha fatto eseguire dei test di intellegibilità monoaurali in presenza e assenza del controllo attivo del rumore ed è risultato che, malgrado uno delle due orecchie non fruisse della riduzione del rumore, l’intellegibilità del parlato è risultata migliore nella condizione di applicazione del sistema Anc. Come si può osservare in Fig. 2, le curve di intellegibilità senza e con Anc seguono la tipica curva a S in funzione del rapporto segnale/rumore. La curva dell’intellegibilità con Anc evidenzia sempre un grado di intellegibilità superiore a quello della curva di intellegibilità senza Anc dimostrando in tal modo che l’applicazione del sistema di controllo attivo della rumore migliora la qualità della comunicazione anche nei sistemi audio monoaurale, in particolare nei telefoni cellulari.

Un single chip per il controllo attivo del rumore
Ams ha realizzato una famiglia di chip, AS34xx, che implementa le tecniche di controllo attivo del rumore basate sulla generazione e riproduzione in controfase della forma d’onda del rumore. Per esempio, AS3400 è un chip che consente di integrare in maniera efficace la cancellazione (riduzione) del rumore nelle cuffie stereo per l’ascolto della musica o dell’audio dei media audio/visuali o anche dei dispositivi telefonici mobili. Il chip consente di ottenere un abbattimento anche superiore ai 20 dB ed è alimentabile con una batteria singola AA/AAA o una tensione tra 1,0 e 1,8 volt. Le dimensioni sono particolarmente ridotte (fino a 4 x 4 x 0,4 mm), quindi di bassissimo impatto sulle dimensioni di sistemi embedded come le cuffie audio o i telefoni cellulari. L’implementazione di questo chip è completamente analogica, quindi i consumi di energia sono estremamente ridotti (con una batteria AAA è in grado di funzionare per un centinaio di ore (100 mW a 1,5 V in modalità cancellazione). Il chip Anc AS3400 può essere configurato in due modalità, una detta feedforward e una detta feedback, per le applicazioni di cancellazione del rumore. La configurazione feedforward è la configurazione di base che consente effettivamente di ridurre il rumore di fondo a bassa frequenza. Con la configurazione feedback è possibile ridurre il rumore in una banda frequenziale più estesa grazie alla configurazione di filtri RC esterni (due filtri) che permettono di intervenire sulla banda frequenziale del rumore in maniera selettiva (questi filtri possono essere eventualmente utilizzati per equalizzare la risposta in frequenza del sistema audio cui è applicato il sistema Anc, per esempio implementando l’equalizzazione Baxandall, filtri passa basso e passa alto, ecc.).

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