從TWS耳機到咖啡機，解讀主動降噪(ANC)技術(shù)應(yīng)用“破圈”背后的“密碼”

從2016年蘋果推出AirPods起，分體式真無線(TWS)耳機這個新興品類市場憑借著給消費者帶來的極致的便利以及傳輸、續(xù)航、價格等痛點得到逐步解決，引爆了新一輪的增量市場。據(jù)全球知名研究機構(gòu)Strategy Analytics發(fā)布的《全球藍牙耳機銷量和收益預(yù)測2001-2024》研究報告顯示，TWS藍牙耳機銷量在2019年增長了200%，預(yù)計到2024年TWS耳機的市場規(guī)模將達到千億美元。ADI中國區(qū)消費類產(chǎn)品市場經(jīng)理Sophie Mao也在最近的一場活動中表示，國內(nèi)TWS耳機還處于粗放增長階段，各級玩家都將全面進入這個市場。

ADI中國區(qū)消費類產(chǎn)品市場經(jīng)理Sophie Mao

ANC(主動降噪)功能由于其實用性，正在變?yōu)門WS耳機的標配, 預(yù)計到2023年將有一半以上的TWS耳機帶有ANC功能。因此，如何在小巧便攜的TWS耳機內(nèi)加入優(yōu)異的降噪功能，正在成為目前耳機廠商產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵焦點。作為業(yè)界廣泛認可的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號處理技術(shù)全球領(lǐng)先供應(yīng)商，ADI提供了業(yè)界獨具優(yōu)勢的專用ANC SoC解決方案，并已在Bose、寶華韋健、萬魔等國內(nèi)外領(lǐng)先音頻廠商的旗艦產(chǎn)品中獲得應(yīng)用而廣受關(guān)注。

破解安靜的秘密，這種降噪技術(shù)正在成為主流

事實上，對于TWS耳機，用戶最基本的需求在于便攜、長續(xù)航，在此之上，用戶的主要需求是清晰、干凈的聽音體驗。在環(huán)境噪聲無時無刻充斥于我們各種生活場景的今天，這個要求并不容易實現(xiàn)，降噪的需求越來越高。盡管通過包圍耳朵形成封閉空間，或者采用硅膠耳塞等隔音材料來阻擋外界噪聲的被動降噪對高頻噪聲能起到很好的抑制作用，但對低頻噪聲卻無能為力，對低頻噪聲降噪則有賴于主動降噪。主動降噪功能就是通過硬件降噪系統(tǒng)產(chǎn)生與外界噪音相等的反相聲波，將噪音中和，從而實現(xiàn)降噪的效果。

據(jù)Sophie Mao介紹，主動降噪有模擬和數(shù)字兩種噪聲處理電路。盡管模擬電路基本零延時，數(shù)字電路存在延時，但模擬主動降噪電路組成元器件多、PCB尺寸大、精度要求高，因而數(shù)字降噪是當前的主流。此外，靈活性方面，模擬主動降噪方式有限，主要以調(diào)音量為主，而數(shù)字主動降噪可以通過調(diào)節(jié)增益、EQ系數(shù)、更新固件等方式優(yōu)化降噪效果。模擬主動降噪電路的一致性很差，需要多次、反復(fù)在硬件上調(diào)整校準;數(shù)字主動降噪一致性好，并有相應(yīng)的調(diào)校工具和軟件來輕松實現(xiàn)校準。最后，模擬主動降噪的BOM成本看似較低，但不良率、返工率高，整體量產(chǎn)成本其實比數(shù)字電路更高。因此，模擬主動降噪漸成明日黃花，數(shù)字主動降噪成為市場主流。

模擬降噪處理電路vs數(shù)字降噪處理電路

而在實現(xiàn)方式上，主動降噪又可分為三種：前饋式(FeedForward)，反饋式(Feedback)，以及兩者結(jié)合的混合式(Hybrid)。前饋式主動降噪耳機一般位于外部，采集噪聲后輸送給DSP處理，再輸出反相聲波進行降噪。反饋式主動降噪耳機的麥克風(fēng)位于腔體內(nèi)部，所采集并輸往DSP的噪聲與耳朵聽到的基本一致，可以直接進行反相處理。兩種方式結(jié)合的混合式主動降噪，可以實現(xiàn)更快、更好的降噪效果?！澳壳?，雖然混合式主動降噪成本相對更高，但隨著芯片、麥克風(fēng)成本降低，這種能帶來更佳聽音體驗的方式必將成為廠商首選?！盨ophie Mao強調(diào)道。ADI的ADAU1787 SoC解決方案就提供了4路ADC輸入接口和4路數(shù)字麥克風(fēng)輸入，適合應(yīng)用于混合降噪耳機。

ANC(主動降噪)芯片通過內(nèi)置麥克風(fēng)同時監(jiān)聽外部源產(chǎn)生的噪聲和耳機揚聲器播放的聲音

芯片+軟件模塊化解決方案，解決耳機ANC核心痛點

因此，TWS耳機降噪的重點在于準確采集噪聲、快速處理后輸出抵消的反相聲波，同時還要具備盡量低的功耗以實現(xiàn)長續(xù)航。主動降噪最核心的3個部分是ADC、DSP和DAC，作為一直以來以高性能模擬技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)領(lǐng)先的ADI在ADC、DAC和DSP上，自然取得先發(fā)優(yōu)勢，精妙的處理好了ANC系統(tǒng)中最敏感的麥克風(fēng)信號，在保障超低功耗的同時表現(xiàn)出了強大的信號處理能力，同時彰顯了其在芯片小封裝與低功耗上的深厚功力。

“ADI有一系列專用降噪解決方案，例如ADAU1787 ANC SoC解決方案，提供4路ADC輸入接口和4路數(shù)字麥克風(fēng)輸入，且這些輸入口是并行輸入，所以ADAU1787可以實現(xiàn)單芯片應(yīng)用于混合降噪耳機。同時，ADAU1787具有獨特的雙核設(shè)計，F(xiàn)astDSP核做主動降噪濾波器處理，SigmaDSP核做EQ后處理，對降噪處理后損失的音樂中低頻部分做補償?！盨ophie Mao補充指出，“ADAU1787 2.3*2.8 mm的BGA封裝，在1.8V供電功耗僅約為6-7mW，非常適合功耗和芯片體積要求更嚴苛的TWS耳機?！?

ADAU1787簡化功能框圖

越來越多廠商加入持續(xù)火爆的TWS市場，也帶來業(yè)界對產(chǎn)品同質(zhì)化的擔憂。ADAU1787模塊化技術(shù)同時能夠使客戶創(chuàng)建一些差異化特性，例如允許播放某些聲音、消除其他聲音，或者自動調(diào)節(jié)至某些參數(shù)和針對環(huán)境做出反應(yīng)，包括語音增強、降噪、回聲消除、電平控制、聲音反饋抑制、麥克風(fēng)陣列和有源噪聲/振動控制等。此外，ADI芯片里還藏有更多貼心的細節(jié)技術(shù)，例如在自動控制領(lǐng)域的PID比例積分微分控制邏輯，它可以根據(jù)信號去預(yù)測后面信號的走向，避免開關(guān)車門時耳機會“崩”的聲響，實現(xiàn)保護系統(tǒng)的安全性，以及更好的去保護用戶的聽力。值得一提的是，高性價比方案ADAU1788也已上市，將幫助此類解決方案產(chǎn)品覆蓋至中端市場。

盡管這些特性可以優(yōu)先幫助實現(xiàn)產(chǎn)品差異化，但產(chǎn)品性能優(yōu)勢將取決于客戶的產(chǎn)品定義和聲學(xué)特性的研究，這對于大部分中小客戶來說門檻不低?！拔覀儠椭蛻羧ソ鉀Q芯片應(yīng)用上的問題，我們還有經(jīng)驗豐富的第三方合作伙伴可以提供非常專業(yè)的支持，例如北京HT聲學(xué)和東莞ASKA，他們都可以提供整套的turn-key solution?！睂Υ耍琒ophie Mao這樣說道。談到技術(shù)支持，不得不提ADI免費的音頻處理器編程、開發(fā)和調(diào)試軟件Sigma Studio工具，該工具提供多種集成至直觀的圖形用戶界面(GUI)的信號處理算法，從而能夠創(chuàng)建復(fù)雜的音頻信號流，對于不懂編程但精通聲學(xué)的客戶群體來說，他們也可以使用該軟件輕松完成任務(wù)。“Sigma Studio也是很好的在線實時調(diào)音平臺，我們所有的客戶都是基于Sigma Studio來做前期開發(fā)，包括完成原型設(shè)計?！盨ophie Mao補充道。

SigmaStudio圖形開發(fā)工具

火出“耳機圈”，ANC技術(shù)更多場景應(yīng)用探討

事實上，不僅是在TWS耳機應(yīng)用中如日中天，ANC技術(shù)也逐漸 “出圈”，作用于三維空間開放聲場主動降噪。這除了需要優(yōu)秀的主動降噪算法外，更需要深厚的聲學(xué)理論背景，對三維空間聲場進行建模分析、模擬、降噪，以實現(xiàn)在非穿戴前提下對特定區(qū)域主動降噪，進而大大拓展應(yīng)用范圍。

目前三維空間主動降噪技術(shù)應(yīng)用，比較成熟的是在汽車座艙內(nèi)。一般來說，車輛行駛時除了主要有來自于發(fā)動機的噪音外，還有包括胎噪、風(fēng)噪以及外界環(huán)境的噪音等，通過類似的噪聲采集、噪聲頻譜分析反相噪聲消除來達到抵消噪音的目的。前不久ADI與現(xiàn)代汽車公司就合作推出業(yè)界首個全數(shù)字路噪降噪系統(tǒng)，其核心部分利用了ADI的A2B音頻總線技術(shù)，解決了電子采集信號傳輸延遲的關(guān)鍵挑戰(zhàn);憑借DSP算法確保車內(nèi)不同位置的音區(qū)獨立性以及實現(xiàn)回聲消除、配合麥克風(fēng)的功放進行ANC主動降噪。

此外，在消費全面升級的今天，家電領(lǐng)域?qū)翟爰夹g(shù)存在強烈需求，但是落地應(yīng)用與布局仍是藍海。作為家用市場聚焦的主陣地，例如攪拌機、吸塵器和烤面包機發(fā)出的各種噪聲，讓許多消費者為之煩惱。在今年初的CES2020上，ADI便展示了基于ADAU1452音頻處理器的家用電器(咖啡機)主動降噪功能，可以實現(xiàn)10dB噪聲消減效果。此類解決方案同樣可以應(yīng)用于那些產(chǎn)生較大噪聲的家用電器上，如豆?jié){機、抽油煙機等，使讓人不舒服的嘈雜聲從家庭環(huán)境消失。

CES2020上ADI展示利用其SigmaDSP抑制咖啡機噪音

事實上基于ANC的創(chuàng)新遠不止于此，無處不在的噪聲和人們對舒適環(huán)境的追求讓ANC技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用空間巨大?！癆NC技術(shù)也可以運用于聽力輔助設(shè)備上，通過類似選擇性通透模式接收特定的聲音并結(jié)合骨傳導(dǎo)相關(guān)技術(shù)，給有聽力障礙的人加上具有ANC類似的聲音采集和放大設(shè)備，就能夠幫助其聽到聲音，改善對外界的聲音感知，也是未來的一種應(yīng)用發(fā)展趨勢。”Sophie Mao補充另外一種創(chuàng)新產(chǎn)品應(yīng)用。

本文總結(jié)

業(yè)界普遍認為2020年將是TWS耳機市場競爭最關(guān)鍵的一年，手機廠商不斷入局TWS藍牙耳機，傳統(tǒng)耳機品牌更是鉚足力量，新興耳機品牌則急流猛進，必將驅(qū)使TWS市場的分化加快，成本更低、性能更強的中高端產(chǎn)品價格會由于規(guī)模效應(yīng)下降，讓更多的人能享受到科技的魅力與樂趣，這也是ADI努力的方向。據(jù)Sophie Mao介紹ADI將會繼續(xù)在TWS耳機ANC技術(shù)的輕量化、低功耗、低成本和高性能上加強差異化，以覆蓋更多的終端市場。“ANC技術(shù)加持的相關(guān)產(chǎn)品使用場景日漸豐富，像ADI提供的模塊化解決方案也能為新一波創(chuàng)新應(yīng)用賦能，幫助客戶走在科技前沿?！?