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从TWS耳机到咖啡机,解读主动降噪(ANC)技术应用“破圈”背后的“密码”

2020-06-21 22:15:38 来源:ADI
从2016年苹果推出AirPods起,分体式真无线(TWS)耳机这个新兴品类市场凭借着给消费者带来的极致的便利以及传输、续航、价格等痛点得到逐步解决,引爆了新一轮的增量市场。据全球知名研究机构Strategy Analytics发布的《全球蓝牙耳机销量和收益预测2001-2024》研究报告显示,TWS蓝牙耳机销量在2019年增长了200%,预计到2024年TWS耳机的市场规模将达到千亿美元。ADI中国区消费类产品市场经理Sophie Mao也在最近的一场活动中表示,国内TWS耳机还处于粗放增长阶段,各级玩家都将全面进入这个市场。
 
 
ADI中国区消费类产品市场经理Sophie Mao
 
ANC(主动降噪)功能由于其实用性,正在变为TWS耳机的标配, 预计到2023年将有一半以上的TWS耳机带有ANC功能。因此,如何在小巧便携的TWS耳机内加入优异的降噪功能,正在成为目前耳机厂商产品设计的关键焦点。作为业界广泛认可的数据转换和信号处理技术全球领先供应商,ADI提供了业界独具优势的专用ANC SoC解决方案,并已在Bose、宝华韦健、万魔等国内外领先音频厂商的旗舰产品中获得应用而广受关注。
 
破解安静的秘密,这种降噪技术正在成为主流

事实上,对于TWS耳机,用户最基本的需求在于便携、长续航,在此之上,用户的主要需求是清晰、干净的听音体验。在环境噪声无时无刻充斥于我们各种生活场景的今天,这个要求并不容易实现,降噪的需求越来越高。尽管通过包围耳朵形成封闭空间,或者采用硅胶耳塞等隔音材料来阻挡外界噪声的被动降噪对高频噪声能起到很好的抑制作用,但对低频噪声却无能为力,对低频噪声降噪则有赖于主动降噪。主动降噪功能就是通过硬件降噪系统产生与外界噪音相等的反相声波,将噪音中和,从而实现降噪的效果。
 
据Sophie Mao介绍,主动降噪有模拟和数字两种噪声处理电路。尽管模拟电路基本零延时,数字电路存在延时,但模拟主动降噪电路组成元器件多、PCB尺寸大、精度要求高,因而数字降噪是当前的主流。此外,灵活性方面,模拟主动降噪方式有限,主要以调音量为主,而数字主动降噪可以通过调节增益、EQ系数、更新固件等方式优化降噪效果。模拟主动降噪电路的一致性很差,需要多次、反复在硬件上调整校准;数字主动降噪一致性好,并有相应的调校工具和软件来轻松实现校准。最后,模拟主动降噪的BOM成本看似较低,但不良率、返工率高,整体量产成本其实比数字电路更高。因此,模拟主动降噪渐成明日黄花,数字主动降噪成为市场主流。
 
 
模拟降噪处理电路vs数字降噪处理电路
 
而在实现方式上,主动降噪又可分为三种:前馈式(FeedForward),反馈式(Feedback),以及两者结合的混合式(Hybrid)。前馈式主动降噪耳机一般位于外部,采集噪声后输送给DSP处理,再输出反相声波进行降噪。反馈式主动降噪耳机的麦克风位于腔体内部,所采集并输往DSP的噪声与耳朵听到的基本一致,可以直接进行反相处理。两种方式结合的混合式主动降噪,可以实现更快、更好的降噪效果。“目前,虽然混合式主动降噪成本相对更高,但随着芯片、麦克风成本降低,这种能带来更佳听音体验的方式必将成为厂商首选。”Sophie Mao强调道。ADI的ADAU1787 SoC解决方案就提供了4路ADC输入接口和4路数字麦克风输入,适合应用于混合降噪耳机。
 
ANC(主动降噪)芯片通过内置麦克风同时监听外部源产生的噪声和耳机扬声器播放的声音
 
芯片+软件模块化解决方案,解决耳机ANC核心痛点

因此,TWS耳机降噪的重点在于准确采集噪声、快速处理后输出抵消的反相声波,同时还要具备尽量低的功耗以实现长续航。主动降噪最核心的3个部分是ADC、DSP和DAC,作为一直以来以高性能模拟技术和数字信号处理技术领先的ADI在ADC、DAC和DSP上,自然取得先发优势,精妙的处理好了ANC系统中最敏感的麦克风信号,在保障超低功耗的同时表现出了强大的信号处理能力,同时彰显了其在芯片小封装与低功耗上的深厚功力。 
 
“ADI有一系列专用降噪解决方案,例如ADAU1787 ANC SoC解决方案,提供4路ADC输入接口和4路数字麦克风输入,且这些输入口是并行输入,所以ADAU1787可以实现单芯片应用于混合降噪耳机。同时,ADAU1787具有独特的双核设计,FastDSP核做主动降噪滤波器处理,SigmaDSP核做EQ后处理,对降噪处理后损失的音乐中低频部分做补偿。”Sophie Mao补充指出,“ADAU1787 2.3*2.8 mm的BGA封装,在1.8V供电功耗仅约为6-7mW,非常适合功耗和芯片体积要求更严苛的TWS耳机。” 
 
 
ADAU1787简化功能框图
 
越来越多厂商加入持续火爆的TWS市场,也带来业界对产品同质化的担忧。ADAU1787模块化技术同时能够使客户创建一些差异化特性,例如允许播放某些声音、消除其他声音,或者自动调节至某些参数和针对环境做出反应,包括语音增强、降噪、回声消除、电平控制、声音反馈抑制、麦克风阵列和有源噪声/振动控制等。此外,ADI芯片里还藏有更多贴心的细节技术,例如在自动控制领域的PID比例积分微分控制逻辑,它可以根据信号去预测后面信号的走向,避免开关车门时耳机会“崩”的声响,实现保护系统的安全性,以及更好的去保护用户的听力。值得一提的是,高性价比方案ADAU1788也已上市,将帮助此类解决方案产品覆盖至中端市场。
 
尽管这些特性可以优先帮助实现产品差异化,但产品性能优势将取决于客户的产品定义和声学特性的研究,这对于大部分中小客户来说门槛不低。“我们会帮助客户去解决芯片应用上的问题,我们还有经验丰富的第三方合作伙伴可以提供非常专业的支持,例如北京HT声学和东莞ASKA,他们都可以提供整套的turn-key solution。”对此,Sophie Mao这样说道。谈到技术支持,不得不提ADI免费的音频处理器编程、开发和调试软件Sigma Studio工具,该工具提供多种集成至直观的图形用户界面(GUI)的信号处理算法,从而能够创建复杂的音频信号流,对于不懂编程但精通声学的客户群体来说,他们也可以使用该软件轻松完成任务。“Sigma Studio也是很好的在线实时调音平台,我们所有的客户都是基于Sigma Studio来做前期开发,包括完成原型设计。”Sophie Mao补充道。
 
 
SigmaStudio图形开发工具
 
火出“耳机圈”,ANC技术更多场景应用探讨

事实上,不仅是在TWS耳机应用中如日中天,ANC技术也逐渐 “出圈”,作用于三维空间开放声场主动降噪。这除了需要优秀的主动降噪算法外,更需要深厚的声学理论背景,对三维空间声场进行建模分析、模拟、降噪,以实现在非穿戴前提下对特定区域主动降噪,进而大大拓展应用范围。
 
目前三维空间主动降噪技术应用,比较成熟的是在汽车座舱内。一般来说,车辆行驶时除了主要有来自于发动机的噪音外,还有包括胎噪、风噪以及外界环境的噪音等,通过类似的噪声采集、噪声频谱分析反相噪声消除来达到抵消噪音的目的。前不久ADI与现代汽车公司就合作推出业界首个全数字路噪降噪系统,其核心部分利用了ADI的A²B音频总线技术,解决了电子采集信号传输延迟的关键挑战;凭借DSP算法确保车内不同位置的音区独立性以及实现回声消除、配合麦克风的功放进行ANC主动降噪。
 
 
 
此外,在消费全面升级的今天,家电领域对降噪技术存在强烈需求,但是落地应用与布局仍是蓝海。作为家用市场聚焦的主阵地,例如搅拌机、吸尘器和烤面包机发出的各种噪声,让许多消费者为之烦恼。在今年初的CES2020上,ADI便展示了基于ADAU1452音频处理器的家用电器(咖啡机)主动降噪功能,可以实现10dB噪声消减效果。此类解决方案同样可以应用于那些产生较大噪声的家用电器上,如豆浆机、抽油烟机等,使让人不舒服的嘈杂声从家庭环境消失。
 
 
CES2020上ADI展示利用其SigmaDSP抑制咖啡机噪音
 
事实上基于ANC的创新远不止于此,无处不在的噪声和人们对舒适环境的追求让ANC技术创新应用空间巨大。“ANC技术也可以运用于听力辅助设备上,通过类似选择性通透模式接收特定的声音并结合骨传导相关技术,给有听力障碍的人加上具有ANC类似的声音采集和放大设备,就能够帮助其听到声音,改善对外界的声音感知,也是未来的一种应用发展趋势。”Sophie Mao补充另外一种创新产品应用。
 
本文总结

业界普遍认为2020年将是TWS耳机市场竞争最关键的一年,手机厂商不断入局TWS蓝牙耳机,传统耳机品牌更是铆足力量,新兴耳机品牌则急流猛进,必将驱使TWS市场的分化加快,成本更低、性能更强的中高端产品价格会由于规模效应下降,让更多的人能享受到科技的魅力与乐趣,这也是ADI努力的方向。据Sophie Mao介绍ADI将会继续在TWS耳机ANC技术的轻量化、低功耗、低成本和高性能上加强差异化,以覆盖更多的终端市场。“ANC技术加持的相关产品使用场景日渐丰富,像ADI提供的模块化解决方案也能为新一波创新应用赋能,帮助客户走在科技前沿。”

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