抢抓TWS耳机强商机!从技术角度聊如何选主动降噪芯片

2020-05-27 10:04:11 来源:ADI
2019年以来,在产业链多方共同推动下,真无线立体声(TWS)耳机出货量快速攀升。通过比照不难发现,TWS耳机这波商机与智能手机爆发初期相似,受益于上游技术如蓝牙、主动降噪等的扎堆升级,后续走势有望复刻智能手机市场,想象空间极大。调研机构Counterpoint Research数据预测称,2020年TWS耳机出货量将以超90%的增速暴增至2.3亿只。
 
如何把握TWS耳机市场的强劲商机?上游领导厂商的技术红利不容错过。以高性能信号链著称业内的ADI的主动降噪方案,就以技术实力大幅提升耳机听音体验,助力BOSE等客户的产品成为行业标杆。近期,ADI官方微信平台“ADI智库”主办的线上“ADI数字主动降噪耳机方案”直播对TWS耳机最火的主动降噪技术进行普及推广,并介绍了ADI数字主动降噪系列方案和成功案例,本文将分享直播部分深度观点并结合该直播提及的主要解决方案,从技术角度分析主动降噪芯片的选择。
 
主动降噪是大势所趋
 
直播中,ADI应用工程师先是介绍了耳机降噪技术的发展,主动降噪的模拟和数字电路对比,主动降噪技术的三种实现方式,以及最新的自适应主动降噪技术要点等。
 
被动降噪是通过耳机的外壳、硅胶耳塞等物理阻挡来隔离噪声,主动降噪是指通过电子线路采集产生一个与噪声大小相等、相位相反的反向声波来抵消噪声,从而达到抑制噪声的效果。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。

 图1:模拟主动降噪与数字主动降噪对比
 
主动降噪有模拟和数字两种噪声处理电路。如图1所示,模拟主动降噪电路组成元器件多,精度要求高,PCB板尺寸是数字电路的2倍;模拟电路基本零延时,数字电路存在延时。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。也因此,模拟主动降噪渐成昨日黄花,数字主动降噪的时代大潮奔腾来袭。
 
在实现方式上,主动降噪可分为三种:前馈式(FeedForward),反馈式(Feedback),以及两者结合的混合式(Hybrid)。如下图所示,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,再输出反向声波进行降噪。但由于进入人耳的噪声是经被动降噪后的,幅度有所减小,因此反向效果较难达到理想状态。


图2:主动降噪的3种实现方式
 
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,可以直接进行反向处理。但是,为保证降噪效果,麦克风会实时监测降噪效果并输送给DSP继续进行反向处理,直至残余噪声小到可以忽略为止。
 
两种方式结合的混合式主动降噪,内外两个麦克风,分别采集内、外部噪声输送给DSP进行处理,以输出更加准确、一次成形的反向声波,达到更快、更好的降噪效果。比如,混合式主动降噪可达到比单一方案更高的降噪深度,而且降噪频段更宽。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主流。
 
高性能信号处理方案带来纯净听音感受
 
对于TWS耳机,用户最基本的需求在于便携、长续航,因此芯片方案基本要求是小封装、低功耗。在此之上,用户的主要需求是清晰、干净的听音体验,这也是提升产品附加值、实现差异化的关键所在。想做到这点,重点在于准确采集噪声、快速处理后输出抵消的反向声波,也就是说,超低延时、很强的DSP对信号处理的能力——而这,正是以高性能模拟技术和数字信号处理技术领先的ADI优势所在。
 
针对逐渐升温的TWS耳机市场,ADI有一系列专用降噪解决方案,通俗地讲就是基础版ADAU1777、高配版ADAU1787和高性价比版ADAU1788。其中,ADAU1777、ADAU1787均为量产版, BOSE等领导厂商均有应用;在ADAU1787的基础上设计的高性价比方案ADAU1788也即将量产,满足高端用户将产品覆盖至中端市场的需求。
 
这里主要聊下ADAU1777,这是一款具有四个ADC输入和两个DAC输出的编解码器,内置数字处理器,可执行滤波、电平控制、信号电平监控和混合。从模拟输入至DSP内核再到模拟输出的路径经过优化,实现了低延迟,非常适用于主动降噪耳机。作为ADI主动降噪耳机系列方案的基础版,只需添加几个无源元件、晶体和用于引导的EEPROM,ADAU1777即可提供完整的耳机解决方案。

图3:广泛应用的ADI 主动降噪音频SoC ADAU1777
 
直播中,ADI应用工程师着重介绍了ADAU1777 集成4个ADC,可满足采集噪声麦克风、语音、蓝牙音乐等模拟输入端需求,2个DAC可满足左右耳各一个输出;DSP内部有两个Bank的资源,分别有32条指令,可进行滤波、音量控制或混音等处理;并可通过EQ调节对在降噪处理中受损的原始音频信号做补偿。尤其值得一提的是,集成的ADC和DAC信噪比均超100 dB,水准甚至可接近Hi-Fi级;内部集成耳机功放,提供差分输出,可以避免爆破音的产生;集成I2C和SPI总线,还可外接EEPROM、支持自启动。除此之外,ADI还在ADAU1777中集成了LDO,无需外部调节稳压,既节省空间,也降低了成本。
 
在精心设计下,ADAU1777的芯片封装仅为3.2mmx3.8 mm,尺寸虽非市面最小,但综合功能与尺寸而言,却是TWS耳机成熟方案中的上佳之选。据介绍,ADAU1777单一芯片即可实现所有降噪功能,ADI有客户将其作为低成本降噪方案直接使用。
 
限于篇幅,此处仅对ADI三款方案的重要技术点做下对比介绍。相比于ADAU1777,ADAU1787和ADAU1788技术点提升为:从Banks数来看,由2个增加至3个,指令数也从32翻番到64;DSP输入通道数,由4个增加至6个,更适合用于混合式主动降噪;典型功耗由14mW分别降至11mW和8mW,降耗接近50%。需要留意的是,为了更低的功耗,ADAU1787和ADAU1788支持的电压限制为1.8V,I/O电压也仅为1.2V-1.8V,DVDD也由1.1V分别降到0.9V和0.85V这样低压的工作范围;并稍微牺牲了信噪比,ADC SNR由102降至96,DAC SNR由108降至104。
 
随着TWS耳机市场热度飙升,各路巨头纷纷入场,而ADAU1787相对ADAU1777而言,提供了非常大的灵活性,让实力强的客户得以充分发挥所长、更灵活地实现对TWS耳机降噪的设想,最终给用户呈现各具特色的产品,让市场更加繁荣。


图4. ADAU1777、ADAU1787和ADAU1788对比
 
结语
从替代传统有线耳机的角度来看,短期内,TWS耳机市场属于所有入局者,从6.8元起价的白牌产品到1999元的AirPods Pro,耳机厂商、手机品牌以及白牌都在畅享这场盛宴。然而,长期来看,用户对更佳听音体验、更高性价比的追求,让市场最终集中于与上游芯片厂商密切合作、有上游技术加持的玩家。而ADI,凭借在要求严苛的航天、汽车、工业灯的技术优势溢出至消费电子领域,已成为多款TWS耳机产品进一步获得市场成功的重要推动力。


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