雖然 ANC 對(duì)發(fā)燒友來(lái)說(shuō)并不是什么新鮮事，但自從一家著名的加利福尼亞公司于 2019 年發(fā)布其首款具有主動(dòng)降噪功能的耳塞以來(lái)，該技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越受歡迎。從那時(shí)起，最終用戶對(duì) ANC 的認(rèn)識(shí)顯著提高，它已成為必不可少的功能適用于真無(wú)線 (TWS) 耳塞和耳機(jī)。

靜態(tài) ANC 解決方案

如果我們回顧十年，大多數(shù)耳機(jī)設(shè)計(jì)都是使用分立電子設(shè)備制造的。當(dāng)時(shí)，很少有集成解決方案可用，因?yàn)樯贁?shù)半導(dǎo)體公司在這個(gè)利基市場(chǎng)投資于電子產(chǎn)品的小型化。

圖 1：典型的分立和靜態(tài) ANC 電路。

查看圖 1 所示的典型 ANC 實(shí)施，可以看出幾乎沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)施很多靈活性和創(chuàng)新。所有的濾波器電路都基于固定的電子元件。調(diào)整的唯一機(jī)會(huì)是在批量生產(chǎn)期間通過(guò)機(jī)械電位器校準(zhǔn)麥克風(fēng)，以補(bǔ)償耳機(jī)的電聲容差。

在過(guò)去五年中，半導(dǎo)體公司開始認(rèn)識(shí)到 ANC 的市場(chǎng)潛力，因此發(fā)布了大量靜態(tài)數(shù)字 ANC 解決方案，與模擬解決方案相比具有許多優(yōu)勢(shì)——因?yàn)椴辉傩枰附訜o(wú)源 RC 組件來(lái)進(jìn)行濾波器調(diào)諧。例如，軟件更新可以提高耳機(jī)的性能或解決現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性問(wèn)題。然而，除了轉(zhuǎn)向數(shù)字信號(hào)處理之外，基本功能幾乎與模擬實(shí)現(xiàn)相同。雖然設(shè)計(jì)工程師獲得了更方便的調(diào)整功能，但與模擬解決方案相比，由于延遲增加，缺點(diǎn)可以說(shuō)包括更高的功耗和更低的性能。

?用于環(huán)境聲音檢測(cè)的自適應(yīng) ANC

隨著硅工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小以降低電流消耗，同時(shí)提高數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的計(jì)算能力，數(shù)字 ANC 解決方案的能力也得到了提升。與模擬解決方案相比，靜態(tài)數(shù)字 ANC 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)有限，工程師們開始認(rèn)識(shí)到新的數(shù)字低功耗 ANC 解決方案的潛力，該解決方案可以提供稱為自適應(yīng)噪聲消除的差異化功能。

由于 ANC 功能沒(méi)有官方命名法，因此業(yè)界經(jīng)常存在誤解——即使是每天與 ANC 打交道的工程師之間也是如此。自適應(yīng)降噪定義因最終用戶體驗(yàn)到的好處而異。市場(chǎng)上許多數(shù)字 ANC 解決方案提供的最常見技術(shù)是基于環(huán)境聲音檢測(cè)的自適應(yīng) ANC。但這意味著什么，或者我為什么要根據(jù)環(huán)境噪聲調(diào)整我的 ANC 系統(tǒng)？好吧，乍一看，您可能會(huì)說(shuō)這毫無(wú)意義，因?yàn)槲铱偸窍Ｍ业?ANC 發(fā)揮最佳狀態(tài)。然而，如今的最終用戶在許多不同的情況下都戴著耳機(jī)，每個(gè)人都面臨著不同的噪聲特性，如圖 2 所示。飛機(jī)上的環(huán)境噪聲曲線肯定不同于咖啡館里的環(huán)境噪聲曲線。在飛機(jī)上，用戶通常會(huì)聽到煩人的聲音，

圖 2：用于環(huán)境聲音檢測(cè)的自適應(yīng) ANC。

自適應(yīng) ANC 系統(tǒng)的趨勢(shì)是識(shí)別主要噪聲源并將 ANC 系統(tǒng)集中在該頻率范圍上。此任務(wù)通常使用附加的 DSP 軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，為了識(shí)別環(huán)境噪聲曲線，前饋 ANC 麥克風(fēng)還饋入低延遲 ANC DSP 和第二個(gè) DSP?；诖谁h(huán)境噪聲配置文件，可以重新配置定義耳機(jī) ANC 特性的 ANC 濾波器系數(shù)。或者，也有幾種解決方案提供四種或更多不同的 ANC 預(yù)設(shè)。這些可以由 MCU 或通過(guò)按下按鈕來(lái)控制，而無(wú)需交換濾波器系數(shù)，這有助于減少例如 I 2 C 總線流量。

圖 3：基于環(huán)境聲音檢測(cè)的自適應(yīng) ANC 系統(tǒng)。

圖 3 所示的原理與大多數(shù)市場(chǎng)解決方案相同，但環(huán)境噪聲檢測(cè)算法存在差異。最簡(jiǎn)單的方法是基于對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻率加權(quán)的 FFT。ANC 供應(yīng)商試圖通過(guò)檢測(cè)算法進(jìn)行區(qū)分，現(xiàn)有的檢測(cè)方法將被基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景檢測(cè)所取代。因此，耳機(jī)可以準(zhǔn)確地確定環(huán)境——辦公室、咖啡館、飛機(jī)或其他地方——并選擇理想的 ANC 濾波器或增強(qiáng)的聽力配置文件。圖 3 所示的系統(tǒng)框圖是一個(gè)簡(jiǎn)化示例，有多種實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)可支持此功能。無(wú)論哪種解決方案，輸出始終相同，

具有自動(dòng)泄漏補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng) ANC

如前所述，第二類共享同名自適應(yīng)降噪，但解決了完全不同的最終用戶問(wèn)題。眾所周知，良好的 ANC 性能需要具有低延遲的高質(zhì)量 ANC 電路以及出色的電聲元件。然而，還有第三個(gè)重要因素經(jīng)常被遺忘。帶有增益和相位補(bǔ)償濾波器的 ANC 耳機(jī)專為耳機(jī)的指定密封和被動(dòng)衰減而設(shè)計(jì)：但簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)這意味著什么？這完全取決于耳塞在用戶耳朵中的正確貼合度。耳塞密封不良會(huì)影響無(wú)源衰減，進(jìn)而影響目標(biāo) ANC 濾波器傳遞函數(shù)。嗯，這聽起來(lái)很學(xué)術(shù)，但這對(duì)最終用戶意味著什么？被動(dòng)衰減的影響和耳塞的貼合度會(huì)導(dǎo)致不同用戶之間的 ANC 性能下降。這是工程師們?yōu)榇_保廣泛用戶的良好 ANC 性能而努力解決的一個(gè)常見問(wèn)題。圖 4 所示的圖形說(shuō)明了不同耳塞泄漏水平下 ANC 性能損失所表達(dá)的問(wèn)題。

圖 4：基于不同耳塞泄漏水平的 ANC 性能損失。

該圖顯示了松配合（未使用橡膠尖端）TWS 耳塞在不同受控泄漏水平下的 ANC 性能。“No Earbud Leakage”曲線是耳機(jī)的泄漏水平，旨在很好地貼合用戶的耳朵。該器件在此用例中表現(xiàn)出卓越的 ANC 性能，具有出色的峰值性能和寬 ANC 帶寬。一旦引入泄漏（Medium Leakage 對(duì)應(yīng)于 8mm 2?受控泄漏），您可以清楚地看到 ANC 性能下降約 30dB，并且 ANC 帶寬也大幅減少。如果泄漏進(jìn)一步增加（高耳塞泄漏對(duì)應(yīng)于~20mm 2?受控泄漏），它代表一個(gè)松散的耳塞，性能下降到 10dB 以下，這意味著對(duì)于最終用戶而言，幾乎沒(méi)有明顯的 ANC。所描述的不同 ANC 性能級(jí)別的行為和不同用戶之間的耳塞配合是自適應(yīng) ANC 解決的問(wèn)題。因此，這種類型的自適應(yīng) ANC 系統(tǒng)旨在補(bǔ)償聲學(xué)失配，以確保每個(gè)用戶都能獲得恒定的 ANC 性能，而與耳塞與用戶耳朵的貼合度無(wú)關(guān)。

自適應(yīng)錯(cuò)配補(bǔ)償如何工作？

補(bǔ)償錯(cuò)配的自適應(yīng) ANC 需要復(fù)雜的硬件和軟件架構(gòu)。為了更好地了解需要什么，有必要查看至少一條 ANC 信號(hào)路徑的目標(biāo)頻率和相位補(bǔ)償曲線。在圖 5 所示的示例中，顯示了無(wú)泄漏和高泄漏用例的前饋目標(biāo)增益和相位補(bǔ)償濾波器曲線。如前所述，在靜態(tài) ANC 系統(tǒng)中，當(dāng)耳塞正確插入耳朵時(shí)，過(guò)濾器通常會(huì)針對(duì)無(wú)泄漏操作進(jìn)行優(yōu)化。

圖 5：不同泄漏水平的 ALC 示例的目標(biāo)濾波器曲線。

由于我們的目標(biāo)是自適應(yīng)系統(tǒng)，我們可以在圖 5 中看到目標(biāo) ANC 前饋頻率和相位響應(yīng)在高泄漏水平下發(fā)生變化，這可以解釋之前圖 4 中所示的 ANC 性能損失。在靜態(tài) ANC 系統(tǒng)中，一旦耳塞未正確放置在耳朵中，增益和相位將不再匹配目標(biāo)曲線。因此，對(duì)于補(bǔ)償失配的自適應(yīng)系統(tǒng)的要求是明確的。設(shè)備需要能夠根據(jù)耳塞泄漏水平動(dòng)態(tài)調(diào)整 ANC 濾波器傳遞函數(shù)。也許這聽起來(lái)不太難。由于當(dāng)今的 ANC 系統(tǒng)基于混合 ANC 技術(shù)，因此并非如此簡(jiǎn)單，尤其是當(dāng)我們查看圖 6 時(shí)，該圖顯示了自適應(yīng) ANC 系統(tǒng)的高級(jí)系統(tǒng)框圖。

圖 6：用于錯(cuò)配補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng) ANC 系統(tǒng)。

與靜態(tài)系統(tǒng)相比，框圖顯示了更多的系統(tǒng)塊。原則上，支持降噪功能的低延遲DSP本身可以像一個(gè)靜態(tài)系統(tǒng)，因?yàn)樗枰軌蛲瓿上嗤墓δ?。唯一的區(qū)別是，不能在不同的過(guò)濾器特性或預(yù)設(shè)之間切換，過(guò)濾器必須在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。切換到另一個(gè)濾波器組或預(yù)設(shè)會(huì)導(dǎo)致 ANC 丟失，這當(dāng)然不是首選。因此，DSP 需要能夠在 ANC 處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)支持濾波器傳遞函數(shù)的動(dòng)態(tài)重新配置。這使得 ANC DSP 的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，因?yàn)樵陟o態(tài)系統(tǒng)中這通常不是必需的。

值得一提的是，不僅采用了前饋 ANC 路徑，而且——為了保持最高性能——還采用了反饋 ANC 信號(hào)路徑。此外，高品質(zhì) ANC 系統(tǒng)還采用音樂(lè)播放頻率響應(yīng)，以在不同泄漏水平下保持相同的音質(zhì)。

為了根據(jù)泄漏水平更改過(guò)濾器，還需要檢測(cè)用戶耳朵中的泄漏水平的軟件算法。這通常通過(guò)第二個(gè) MCU 或 DSP 來(lái)完成，該 MCU 或 DSP 正在監(jiān)控麥克風(fēng)以及接近傳感器和加速度計(jì)等附加傳感器。雖然麥克風(fēng)用于檢測(cè)泄漏水平，但接近傳感器通常用于檢測(cè)極端情況。由于失配補(bǔ)償算法也在調(diào)整關(guān)鍵的反饋 ANC 濾波器，因此系統(tǒng)可能會(huì)開始振蕩并變得不穩(wěn)定，因?yàn)樵诟咝孤l件下使用過(guò)多的反饋增益或耳塞完全脫離耳朵。因此，額外的傳感器信號(hào)有助于增強(qiáng)自適應(yīng)系統(tǒng)的魯棒性并檢測(cè)不穩(wěn)定性，以避免在用戶耳內(nèi)或耳外產(chǎn)生嘯叫。這是最關(guān)鍵的功能之一，因?yàn)榭蛻艨隙〞?huì)抱怨并認(rèn)為耳塞有缺陷。因此，工程師必須確保在任何情況下都不會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定。

現(xiàn)在唯一剩下的問(wèn)題是：這種額外的努力真的有回報(bào)嗎？這些復(fù)雜的自適應(yīng)系統(tǒng)真的有效嗎？讓我們看一下圖 7，它顯示了具有三個(gè)不同泄漏級(jí)別的自適應(yīng) TWS 松配合耳塞的 ANC 性能，如圖 4 中的靜態(tài) ANC 系統(tǒng)。我們可以清楚地看到，在沒(méi)有泄漏的情況下，我們?cè)?20Hz 到 2kHz 的寬帶寬內(nèi)獲得了最佳 ANC 性能。如果現(xiàn)在將泄漏引入系統(tǒng)，軟件算法會(huì)檢測(cè)到泄漏并相應(yīng)地更改 ANC 過(guò)濾器。即使耳塞泄漏水平很高，也可以將性能水平保持在最高水平。

有人可能會(huì)說(shuō)：我不希望電子系統(tǒng)接管控制，我可以管理操作模式和耳塞的正確佩戴。其他用戶可能會(huì)受益于始終提供獨(dú)立于環(huán)境的理想性能的系統(tǒng)。我相信沒(méi)有對(duì)錯(cuò)之分，這完全取決于個(gè)人喜好和產(chǎn)品的使用方式。一些用戶可能會(huì)喜歡這個(gè)功能，而另一些用戶并不真正欣賞它。幸運(yùn)的是，可以禁用這些功能，評(píng)估選項(xiàng)的最佳方法是測(cè)試 ams AG 開發(fā)平臺(tái)，以獲取圍繞 AS3460 數(shù)字增強(qiáng)聽力平臺(tái)的自適應(yīng)降噪解決方案?？筛鶕?jù)要求提供使用 AS3460 的自適應(yīng) ANC 解決方案的定制 ANC 開發(fā)工具。

　　審核編輯：湯梓紅