你真的了解耳机降噪技术吗?

最新更新时间:2022-01-12来源: EEWORLD关键字:ANC  降噪 手机看文章 扫描二维码
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刚出生的婴儿听觉范围最高可到20KHz,而随着年龄增长,听力平均以每年200Hz的速度衰退,20岁时候听觉范围降低到8KHz,这种衰退是不可逆的。


根据世卫组织2020年3月3日爱耳日的报告显示,除了先天环境影响之外,受环境噪音以及不科学合理地用耳程度增加,目前全球已有15亿人面临听力障碍。


如此多的证据表明,我们是时候重视耳朵健康了。实际上越来越多的耳机厂商正在将ANC(主动降噪)功能作为其卖点,面对如今五花八门的耳机,如何选择一款最棒的ANC耳机呢?日前ADI中国产品事业部高级市场应用经理何源,从ADI定义ANC芯片的角度,介绍了ANC技术,以及ADI如何为缓解听觉障碍所做的努力。


在何源看来,ANC技术不光可以用在听音乐、打电话、开会、地铁降噪等场景中,更重要的是,在包括助听器、工厂或机场等高噪音环境中的人耳保护等更多场景中,ANC都将具有更深远的意义。


从ANC的发明谈起


最早ANC降噪技术是由Paul Lueg在1936年提出的美国专利,应用在管道的噪音消除。当时的专利图如下:

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1955年开始,业界就有了对于ANC耳机的研究。1989年,Bose博士因为受不了飞机的噪音,因此开发出了第一款真正意义上的ANC耳机,随后ANC主要从专业的航空、军事领域开始向发烧级头戴式耳机过度。

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高大上的航空级降噪耳机


但是从2000年ANC进入民用市场之后相当长的一段时间,ANC技术并没有普及,重要原因是因为价格高昂。2014年,BOSE发布了QuietComfort 20,极高的性价比使市场开始接受ANC技术。而近年来,随着TWS耳机热销,2019年Apple AirPods Pro添增了ANC功能之后,ANC从头戴式耳机向TWS市场快速演进,进一步走进了大众视野。


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QuietComfort 20


ANC幕后英雄


降噪根据原理不同可以分为主动降噪与被动降噪,被动降噪是简单的通过物理手段隔绝声音的传播,比如耳塞或者是头戴式耳罩——时至今日依然可以从机场地勤工作人员上可以看到。物理隔绝受制于声音频率特性,只能隔绝1kHz以上的频率,1kHz以下的频率仍然可以通过耳罩或者人体传递至鼓膜。


主动降噪技术则是利用了声波机械波的特性,由系统主动产生一个与噪音相反的信号,二者相抵消,从而消除噪音。而主动降噪又可以根据电路不同分为模拟降噪技术和数字降噪技术。


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其中模拟降噪技术是通过运放,阻容等电路搭出来的,具有延迟低,成本低等特性,而数字降噪技术则是通过ADC采样,DSP数字滤波,DAC输出的数字技术对噪音进行处理,具有小尺寸、易校准、高品质、支持丰富的算法等多种特性,并且由于内置校准功能,无需像模拟电路一样生产后还需要校准,因此降低了整个产品生产过程中成本。而随着处理速度加快,数字ANC的延迟也越来越低,相比蓝牙的总延迟而言,几乎可忽略不计。


而根据采集麦克风的位置不同,又可划分为前馈、后馈以及混合ANC三种方式。


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如图所示,前馈网络是一个开环网络,没有反馈但是降噪深度不够,大概只能支持到1x dB左右的降噪。而后馈网络支持降噪后的声音监测,因此可以再做一次噪声抑制,大概可以做到30dB以上的降噪,但是频段短。而混合式则同时选择两个麦克风采样,因此可以同时满足频段宽、深度大的特点,但是设计难度较大,成本较高。


active noise cancellation

比如宝华韦健(B&W)的降噪耳机,就采用了混合式ANC的技术,使其具有最出色的ANC功能。


为什么要选择ADI?


从Hi-Fi玩家对于各类器材的纠结就可以看出,声音调教是最经典也是最难的模拟-数字域技术。


作为沟通模拟和数字域的桥梁,从放大器到DSP音频处理,ADI都是世界上最负盛名的半导体公司之一。也正是如此,BOSE才选择了ADI作为其ANC的主要合作伙伴。


上个世纪90年代,ADI fellow、美国工程院院士Bob Adam发明和开发了全球第一片单片Σ-Δ音频ADC,使得Bose面向普通消费者的降噪耳机QuietComfort成为可能。进入21世纪,ADI fellow Khiem Nguyen发明和推动了低延时、低功耗音频编解码器信号链的产生,使得Bose工程师们在降噪耳机QuietComfort的基础上推出小型化降噪耳机QC20。


后来的索尼也看重了这一市场,选择ADI作为合作伙伴与BOSE竞争。后来BOSE意识到这一点,也要求ADI不再提供软件给索尼,索尼才不得不逐步进行自研发的QN1作为替代路线。


从这些历史演进来看,可以说无论是模拟还是数字ANC市场,ADI都可以称之为当之无愧的先驱。


ANC开发难么?

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如何源列出的部分ANC的工程设计挑战,我们就可以看到一个好的ANC设计,需要涉及方方面面的知识,随便一个就是我的知识盲区,更不用说将这些难点一下解决。


何源举例道,比如入耳式耳机所带来的负压感,环境变化时产生的爆破音,包括声学器件、芯片及无线干扰所带来的本底噪声、风噪的影响、量产的品控等等都是足以影响用户体验的挑战。


何源表示,尽管作为工程学来说,妥协是一门艺术,但是ADI力求的是尽可能解决每个问题,始终坚持创新,从而使用户的体验日趋完美。


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根据ADI给出的路线图,透露出了几个信息,一个是目前随着ANC技术的不断演进,用户需求不断改变,ADI正在加速产品的快速演进。其次,则是随着国产耳机厂商的崛起,ADI中国开始承担起更多的开发重任,推出更快、更强的产品设计、开发和支持工作,满足市场需求。第三,则是通过贴近市场端,可以更直接倾听客户的需求,从定义阶段就力求最合适。


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根据ADI的官方信息显示,除了BOSE,B&W,亚马逊等国际知名厂商之外,包括华为、万魔、小鸟等都选择了ADI的ANC方案。


尤其是ADI推出的ADAU1787,被宝华韦健作为其ANC的核心技术。ADI公司欧洲销售团队大客户经理Matt Windmill表示:“ADAU1787芯片首次设计出来后,宝华韦健便进行了深入研究,并向ADI提供反馈。我们采纳了几项建议,改进了该芯片的设计。”在迭代开发和审核后,宝华韦健不仅获取了关于硬件设计的宝贵见解,还了解了这样设计的原因,以及他们如何利用芯片的功能来提供定制软件和标志性声音。


ADAU1850与ADAU1860


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ADAU1787是ADI目前具有代表性的ANC芯片。而从售价和封装上,我们可以大概可以看出最新的第四代ANC产品ADAU1850与ADAU1860的差异化,其中ADAU1850更专注于重视性价比的ANC应用,而ADAU1860则是有更好的音质调制。


一直以来,ADI都希望为客户更全面的介绍产品,以便其掌握并充分利用这些特性。正如ADI医疗健康和消费电子系统产品应用工程师经理Rajeev Morajkar此前表示:“宝华韦健对ADI ADAU1787芯片的原始设计和目标规格产生了巨大影响。我们为他们提供了该项技术的详细信息,所以他们能够更好地了解芯片的内部结构,并推出更好的产品。”


也正因此,ADI除了与客户直接沟通交流之外,在官网、b站、微信、线下研讨会以及行业媒体等多渠道,都先后多次介绍了ADI的产品特性。何源日前也详细介绍了这两款新品的重要特性。


首先我们来看ADAU1860


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ADAU1860框图


ADAU1860最显著的更新,就是选择了Tensilica(Cadence)的HiFi-3Z DSP取代了SigmaDSP,ADI内置的两颗DSP,其中FastDSP是主做ANC,SimgaDSP负责EQ补偿,音效处理等,更新至HiFi-3Z则具有更高的处理性能。并且有336 kB内存,以及支持多种频率工作,更具灵活性。


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如Cadence官网所介绍,Hifi 3z拥有最高的能效比,并且具有神经网络,因此除了ANC之外,包括空间音场、通话降噪和自适应逻辑等均能够实现,甚至有可能支持语音操作等。


根据特定应用,ADI进行了部分裁剪以及部分增加,比如相比1787减少了DAC和ADC通道数,使得功耗更低,并且3路已经足够支持噪音采集等工作。同时对包括PDM以及TDM数字麦克风的支持。


再看一下ADAU1850

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ADAU1850框图


从售价及命名规则上,我们都可以看到,ADAU1850是一款目前最为精简的ANC,主要是取消了SigmaDSP,但是内部还是有均衡器,动态范围和精度依然可以实现高水平的表现。


两款产品的综合 SNR(信号通过具有 A 加权滤波器的 DAC 和耳机)为110 dB,比起上一代产品也有进步。而在延迟方面,依然是保持5μS的低延迟特性,功耗也一贯保持了mW级别的功耗。


何源特别强调了在解决用户实际痛点时的例子。比如针对底噪问题,ADI采用了优秀的ADC和DAC IP,同时灵活的FastDSP指令集,可以支持用户进行音频链路的优化,并且在实际生产过程中,ADI也可以通过自己及方案商给予布板布线的指导。


而对于风噪,同样是基于灵活的硬件指令集,无需软件即可实现动态的检测和调整。

而针对半入耳式对于姿态的识别,ADI也有一系列的解决方案。


此外,ADI的ANC还具有多bank参数以及软切换的设计,无论是ANC模式切换还是开关或调节音量时,都可以做到无级变速,实现平滑的输出曲线,并且无需MCU参与。


何源还介绍了ADI“Go Beyond Silicon(超越芯片)”的策略,即除了芯片和评估板之外,ADI可为供应商提供诸多的增值服务,包括各种自适应降噪,模式调节,音乐补偿,空间音频方案等,并联合上下游伙伴共同打造ANC的产业链,“甚至是24小时全天候的服务”何源说道。


“音频工程师不需要懂编码和电路设计,拿到东西就可以自己搭建模块去做调试。”何源表示。而为了降低音频开发者的门槛,除了专业的SigmaStudio音频设计软件之外,ADI还提供了专门针对ANC滤波设计的工具。


ADI为目前这代ANC芯片起了一个很好听的名字——Lark(百灵鸟)。希望凭借产品及技术的不断更迭,通过更多高性价比的产品,可以让ANC这项技术真正实现“旧时王谢堂前燕,飞入寻常百姓家”,从而让消费者有更极致,更安静的声音体验。

关键字:ANC  降噪 编辑:冀凯 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/mndz/ic560378.html

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