芯耀
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作者：Terry Yuan 公司：駿龍科技
目前在全球范圍內(nèi)，ANC耳機(jī)行業(yè)總體上處于比較先進(jìn)的水平。全球最大的耳機(jī)設(shè)計(jì)商蘋果公司，憑借 Airpods 系列包攬了ANC 27%以上的市場(chǎng)份額。2019年全球ANC耳機(jī)的市場(chǎng)總值大概在109億，在2026年預(yù)期能夠達(dá)到240億以上，年平均增長率在11% 左右。
世界上第一款A(yù)NC耳機(jī)為Bose，由Amar G. Bose博士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，1989年正式商用。由于ANC耳機(jī)模擬方案量產(chǎn)的良品率太低，成本居高不下，使得數(shù)字方案后來居上，開始大規(guī)模占領(lǐng)市場(chǎng)份額。目前耳機(jī)的主要功能現(xiàn)狀還是以下三點(diǎn)：
- 雙耳傳輸要保證連接的穩(wěn)定和平衡；
- 續(xù)航能力要得到保障；
- 降噪的效果和舒適度。
目前ADI在ANC領(lǐng)域上的建樹主要體現(xiàn)在低功耗，低延時(shí)，高SNR和THD的DSP上，同時(shí)也不排除未來將藍(lán)牙和DSP設(shè)計(jì)到同一芯片中，目前來看還是以分立的BT SOC + DSP為主。
圖1 飛傲 ANC 頭戴式耳機(jī)
一、ANC的原理
根據(jù)麥克風(fēng)的位置，ANC的原理總體上可以分為以下三類：
- 前饋主動(dòng)降噪技術(shù)（Feed Forward，簡(jiǎn)稱FF）
取樣麥克風(fēng)在耳機(jī)外邊，通過取樣麥克風(fēng)獲取噪聲，能夠獲取外部全部的噪聲，然后做反向，常見的場(chǎng)景就是入耳式耳機(jī)，沒有被動(dòng)降噪的情況。缺點(diǎn)是風(fēng)噪對(duì)取樣麥克風(fēng)影響比較大，沒有反饋及校正的辦法。
圖2 前饋主動(dòng)降噪原理
- 反饋型的主動(dòng)降噪技術(shù)（Feed Back，簡(jiǎn)稱FB）
取樣麥克風(fēng)在耳機(jī)頭的內(nèi)側(cè)，通過取樣麥克風(fēng)獲取環(huán)境噪聲，能夠獲取耳機(jī)殼內(nèi)部的噪聲，然后做反向。常見的場(chǎng)景是頭戴式耳機(jī)，該場(chǎng)景下，耳機(jī)大部分的高頻噪聲已經(jīng)被耳機(jī)套過濾掉了，消噪壓力小，效果也會(huì)變得比較好。缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生自激從而引發(fā)嘯叫，對(duì)播放路徑和低頻產(chǎn)生影響。
圖3 后饋主動(dòng)降噪原理
- 混合型的主動(dòng)降噪技術(shù)（HyBrid，簡(jiǎn)稱HB）
這里需要用到兩個(gè)取樣麥克風(fēng)，把上文中的FF和FB都囊括到一個(gè)系統(tǒng)，再加上頭戴式的被動(dòng)降噪，可以把降噪效果做的非常好。市場(chǎng)上降噪效果比較好的都是這種架構(gòu)。FF前饋系統(tǒng)可以消減參考傳聲器檢測(cè)到的原始噪聲相關(guān)的噪聲，F(xiàn)B反饋式系統(tǒng)則對(duì)窄帶噪聲十分有效，兩者結(jié)合使用，可以增強(qiáng)有源噪聲控制系統(tǒng)的靈活性，從而比使用單一結(jié)構(gòu)獲得更好的降噪效果。但缺點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本也非常高。
圖4 Hybrid Mode 原理
圖5 Hybrid Mode 函數(shù)模型及其簡(jiǎn)化模型
二、ADI的ANC相關(guān)產(chǎn)品與優(yōu)勢(shì)
從封裝較大的頭戴式耳機(jī)方案到小體積小封裝的TWS耳機(jī)方案，ADI都有相應(yīng)的產(chǎn)品。頭戴式耳機(jī)主要是以ADAU1772和ADAU1777為主，目前主要以小封裝小體積的ADAU1787，ADAU1850/60為主，如下所示：
圖6 ADI DSP 產(chǎn)品發(fā)展圖
產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)如下：
- 多路的單通道與差分通道的輸入，可直接連接模擬麥克風(fēng)輸入
- 高性能的SNR（AWT）/THD指標(biāo)，部分型號(hào)已經(jīng)到Hi-Res標(biāo)準(zhǔn)
- 音頻通道DAC還帶有HPAMP的差分輸出，HPAMP可以自由配置
- 輸入端有PGA控件，增益可調(diào)
- 部分產(chǎn)品集成了Tensilica HiFi-3z DSP Core，以及336KB的內(nèi)存
- 低功耗低電壓輸入以及高達(dá)768Khz的采樣率
- 雙二階濾波器，限制器，增益調(diào)節(jié)，混音，以及多端硬件EQ調(diào)節(jié)
- 多路數(shù)字麥克風(fēng)輸入以及PDM輸出通道
- 鎖相環(huán)支持在30 kHz to 27 MHz的任意時(shí)鐘頻率
- 支持ASRC, ?I2S，多路TDM，音頻串口的同步頻率為12KHZ-384KHZ
- 小封裝，小體積支持通用的I2C、SPI等，外圍的GPIO可復(fù)用其他功能
三、ANC產(chǎn)品的開發(fā)流程
本文主要說明耳機(jī)降噪方面的功能及應(yīng)用，不涉及藍(lán)牙部分，所以藍(lán)牙部分不贅述。降噪耳機(jī)的主要開發(fā)流程如下：
1.對(duì)耳機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試（包括：被動(dòng)衰減測(cè)量、捕捉噪聲麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)測(cè)量、耳機(jī)內(nèi)部揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)測(cè)量）。
2.開發(fā)ANC濾波器（這部分一般是建立在前者的測(cè)量函數(shù)上來。主要的目標(biāo)是匹配增益和相位響應(yīng)以及做相位差。因?yàn)槁暡ㄊ莻€(gè)周期波，所以相位差做到180度就能夠達(dá)到反向效果）。
3.濾波器檢驗(yàn)和ANC測(cè)試（對(duì)理想波形的濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試，以及針對(duì)ANC的基礎(chǔ)測(cè)試）。
4.量產(chǎn)一致性校驗(yàn)以及調(diào)教（耳機(jī)的一致性是個(gè)棘手的問題，所以后期裝機(jī)的測(cè)試和調(diào)教就尤為重要）。
圖7 濾波器的設(shè)計(jì)工具圖
8 DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具
ADI在ANC的設(shè)計(jì)上，處理聲音頻段在2khz以下，總體能夠達(dá)到30多DB的效果。當(dāng)處理聲音頻段在2Khz以上時(shí)，在封閉式耳機(jī)里，吸音棉等可以被動(dòng)的把高頻噪聲進(jìn)行消除，實(shí)際上我們能聽到的高頻噪聲就很少了。
再者，ANC算法對(duì)于高頻噪聲的匹配效果不好，高頻下的相位旋轉(zhuǎn)很大，頻率過高，難以匹配成功，可能會(huì)得到完全相反的效果。所以目前主流的做法是：在2Khz以下的IIR無線沖擊響應(yīng)?；旧瞎δ艿膶?shí)現(xiàn)只需要匹配幾個(gè)濾波器，根據(jù)其線性相位還有群延時(shí)的特性，能夠保證整體頻段上一個(gè)比較好的相位匹配效果。
在開發(fā)上，工程師還是要了解一些不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及截止頻率、通帶、阻帶的計(jì)算方法。降噪深度方面，不是越深越好。在36DB以上，耳朵在幽閉環(huán)境中能明顯感到一些不適感，耳機(jī)的聽感下降厲害，音樂播放時(shí)，低頻損失非常大，這些都是需要加以考慮。
未來的ANC的TWS耳機(jī)還是有很大的成長空間。我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在廠家們對(duì)耳機(jī)的功能不斷進(jìn)行更新及增加，ADI在ADAU1777上基本能實(shí)現(xiàn)的就是ANC的效果。在ADAU1787上，我們芯片的設(shè)計(jì)更貼合市場(chǎng)需求，推出了三段式的結(jié)構(gòu)，可以通過按鍵去切換不同的降噪模式。同時(shí)在ADAU1850、ADAU1860上，我們也設(shè)計(jì)了喚醒模式，100Mhz的內(nèi)核的增加，可以讓我們自主地去設(shè)計(jì)一些ENC，添加一些基礎(chǔ)的聲音效果等。在我們產(chǎn)品迭代中可以看到，SNR和THD功耗這些硬指標(biāo)都在提高，以便為用戶提供更好的體驗(yàn)。
四、總結(jié)
從上面的介紹，相信大家對(duì)ANC還有ADI的DSP有了一個(gè)整體性的理解。在主動(dòng)降噪領(lǐng)域的DSP設(shè)計(jì)上，我們一直都是貼合市場(chǎng)的需求，不斷推出新產(chǎn)品，讓消費(fèi)者們享受到高音質(zhì)，多功能的降噪耳機(jī)。醫(yī)療助聽器產(chǎn)品方面，我們?cè)谖磥硪材軌蛱峁┖线m的DSP產(chǎn)品。如果您對(duì)上述產(chǎn)品感興趣，請(qǐng)與駿龍科技當(dāng)?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。
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