文章来源 Cytech Engineer

ADI 低功耗音频编解码器助力ANC耳机进阶

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目前在全球范围内,ANC耳机行业总体上处于比较先进的水平。全球最大的耳机设计商苹果公司,凭借 Airpods 系列包揽了ANC 27%以上的市场份额。2019年的全球ANC耳机的市场总值大概在109亿,在2026年预期能够达到240亿以上。年平均增长率在11% 左右。  

世界上第一款ANC耳机为Bose, 由Amar G. Bose博士带领团队设计,1989年正式商用。由于ANC耳机的模拟方案量产的良品率太低,成本居高不下,这使数字方案后来居上,开始大规模地占领市场份额。目前耳机的主要功能现状还是以下三点:

  • 双耳传输要保证连接的稳定和平衡;
  • 续航能力要得到保障;
  • 降噪的效果和舒适度。

目前ADI在ANC领域上的建树主要体现在低功耗,低延时,高SNR和THD的DSP上,同时也不排除未来将蓝牙和DSP设计到同一芯片中,目前来看还是以分立的BT SOC + DSP为主。

图 1 飞傲 ANC 头戴式耳机
图 1 飞傲 ANC 头戴式耳机

一、ANC的原理

根据麦克风的位置,ANC的原理总体上可以分为以下三类:

前馈主动降噪技术(Feed Forward,简称FF)

取样麦克风在耳机外边,通过取样麦克风获取噪声,能够获取外部全部的噪声,然后做反向,常见的场景就是入耳式耳机,没有被动降噪的情况。缺点是风噪对取样麦克风影响比较大,没有反馈及校正的办法。

图 2 前馈主动降噪原理
图 2 前馈主动降噪原理

反馈型的主动降噪技术(Feed Back,简称FB)

取样麦克风在耳机头的内侧,通过取样麦克风获取环境噪声,能够获取耳机壳内部的噪声,然后做反向。常见的场景是头戴式耳机,该场景下,耳机大部分的高频噪声已经被耳机套过滤掉了,消噪压力小,效果也会变得比较好。缺点是容易产生自激从而引发啸叫,对播放路径和低频产生影响。

图 3 后馈主动降噪原理
图 3 后馈主动降噪原理

混合型的主动降噪技术(HyBrid,简称HB)

这里需要用到两个取样麦克风,把上文中的FF和FB都囊括到一个系统,再加上头戴式的被动降噪,可以把降噪效果做的非常好。市场上降噪效果比较好的都是这种架构。FF前馈系统可以消减参考传声器检测到的原始噪声相关的噪声,FB反馈式系统则对窄带噪声十分有效,两者结合使用,可以增强有源噪声控制系统的灵活性,从而比使用单一结构获得更好的降噪效果。但缺点是系统实现复杂、成本也非常高。

图 4 Hybrid Mode 原理
图 4 Hybrid Mode 原理
图 5 Hybrid Mode 函数模型及其简化模型
图 5 Hybrid Mode 函数模型及其简化模型

二、ADI的ANC相关产品与优势

从封装较大的头戴式耳机方案到小体积小封装的TWS耳机方案,ADI都有相应的产品。头戴式耳机主要是以ADAU1772和ADAU1777为主,目前主要以小封装小体积的ADAU1787,ADAU1850/60为主,如下所示:

图 6 ADI DSP 产品发展图
图 6 ADI DSP 产品发展图

产品优势如下:

  • 多路的单通道与差分通道的输入,可直接连接模拟麦克风输入
  • 高性能的SNR(AWT)/THD指标,部分型号已经到Hi-Res标准
  • 音频通道DAC还带有HPAMP的差分输出,HPAMP可以自由配置
  • 输入端有PGA控件,增益可调
  • 部分产品集成了Tensilica HiFi-3z DSP Core,以及336KB的内存
  • 低功耗低电压输入以及高达768Khz的采样率
  • 双二阶滤波器,限制器,增益调节,混音,以及多端硬件EQ调节
  • 多路数字麦克风输入以及PDM输出通道
  • 锁相环支持在30 kHz to 27 MHz的任意时钟频率
  • 支持ASRC,  I2S,多路TDM,音频串口的同步频率为12KHZ-384KHZ
  • 小封装,小体积支持通用的I2C、SPI等,外围的GPIO可复用其他功能

三、ANC产品的开发流程

本文主要说明耳机降噪方面的功能及应用,不涉及蓝牙部分,所以蓝牙部分不赘述。降噪耳机的主要开发流程如下:

1、对耳机进行性能测试(包括:被动衰减测量、捕捉噪声麦克风的频率响应测量、耳机内部扬声器的频率响应和相位响应测量)。
2、开发ANC滤波器(这部分一般是建立在前者的测量函数上来。主要的目标是匹配增益和相位响应以及做相位差。因为声波是个周期波,所以相位差做到180度就能够达到反向效果)。
3、滤波器检验和ANC测试(对理想波形的滤波器设计进行调试,以及针对ANC的基础测试)。
4、量产一致性校验以及调教(耳机的一致性是个棘手的问题,所以后期装机的测试和调教就尤为重要)。

图 7 滤波器的设计工具
图 7 滤波器的设计工具
图 8 DSP系统设计工具
图 8 DSP系统设计工具

ADI在ANC的设计上,处理声音频段在2khz以下,总体能够达到30多DB的效果。当处理声音频段在2Khz以上时,在封闭式耳机里,吸音棉等可以被动的把高频噪声进行消除,实际上我们能听到的高频噪声就很少了。

 

再者,ANC算法对于高频噪声的匹配效果不好,高频下的相位旋转很大,频率过高,难以匹配成功,可能会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无线冲击响应。 基本上功能的实现只需要匹配几个滤波器,根据其线性相位还有群延时的特性,能够保证整体频段上一个比较好的相位匹配效果。

 

在开发上,工程师还是要了解一些不同的拓扑结构以及截止频率、通带、阻带的计算方法。降噪深度方面,不是越深越好。在36DB以上,耳朵在幽闭环境中能明显感到一些不适感,耳机的听感下降厉害,音乐播放时,低频损失非常大,这些都是需要加以考虑。

 

未来的ANC的TWS耳机还是有很大的成长空间。我们可以发现,现在厂家们对耳机的功能不断进行更新及增加,ADI在ADAU1777上基本能实现的就是ANC的效果。在ADAU1787上,我们芯片的设计更贴合市场需求,推出了三段式的结构,可以通过按键去切换不同的降噪模式。同时在ADAU1850、ADAU1860上,我们也设计了唤醒模式, 100Mhz的内核的增加,可以让我们自主地去设计一些ENC,添加一些基础的声音效果等。在我们产品迭代中可以看到,SNR和THD功耗这些硬指标都在提高,以便为用户提供更好的体验。

四、总结

从上面的介绍,相信大家对ANC还有ADI的DSP有了一个整体性的理解。在主动降噪领域的DSP设计上,我们一直都是贴合市场的需求,不断推出新产品,让消费者们享受到高音质,多功能的降噪耳机。医疗助听器产品方面,我们在未来也能够提供合适的DSP产品。如果您对上述产品有兴趣,可以点击下方「联系我们」,提交您的需求,我们骏龙科技公司愿意为您提供更深入的讲解与介绍。

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