雖然 ANC 對發(fā)燒友來說并不是什么新鮮事，但自從一家著名的加利福尼亞公司于 2019 年發(fā)布其首款具有主動降噪功能的耳塞以來，該技術(shù)已經(jīng)越來越受歡迎。從那時起，最終用戶對 ANC 的認識顯著提高，它已成為必不可少的功能適用于真無線 (TWS) 耳塞和耳機。

靜態(tài) ANC 解決方案

如果我們回顧十年，大多數(shù)耳機設(shè)計都是使用分立電子設(shè)備制造的。當時，很少有集成解決方案可用，因為少數(shù)半導體公司在這個利基市場投資于電子產(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 實施，可以看出幾乎沒有機會實施很多靈活性和創(chuàng)新。所有的濾波器電路都基于固定的電子元件。調(diào)整的唯一機會是在批量生產(chǎn)期間通過機械電位器校準麥克風，以補償耳機的電聲容差。

在過去五年中，半導體公司開始認識到 ANC 的市場潛力，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——因為不再需要焊接無源 RC 組件來進行濾波器調(diào)諧。例如，軟件更新可以提高耳機的性能或解決現(xiàn)場測試期間可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題。然而，除了轉(zhuǎn)向數(shù)字信號處理之外，基本功能幾乎與模擬實現(xiàn)相同。雖然設(shè)計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，缺點可以說包括更高的功耗和更低的性能。

?用于環(huán)境聲音檢測的自適應 ANC

隨著硅工藝節(jié)點不斷縮小以降低電流消耗，同時提高數(shù)字信號處理器 (DSP) 的計算能力，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)勢有限，工程師們開始認識到新的數(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噪聲消除的差異化功能。

由于 ANC 功能沒有官方命名法，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。自適應降噪定義因最終用戶體驗到的好處而異。市場上許多數(shù)字 ANC 解決方案提供的最常見技術(shù)是基于環(huán)境聲音檢測的自適應 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，您可能會說這毫無意義，因為我總是希望我的 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，每個人都面臨著不同的噪聲特性，如圖 2 所示。飛機上的環(huán)境噪聲曲線肯定不同于咖啡館里的環(huán)境噪聲曲線。在飛機上，用戶通常會聽到煩人的聲音，

圖 2：用于環(huán)境聲音檢測的自適應 ANC。

自適應 ANC 系統(tǒng)的趨勢是識別主要噪聲源并將 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 軟件算法來實現(xiàn)。然而，為了識別環(huán)境噪聲曲線，前饋 ANC 麥克風還饋入低延遲 ANC DSP 和第二個 DSP?；诖谁h(huán)境噪聲配置文件，可以重新配置定義耳機 ANC 特性的 ANC 濾波器系數(shù)?；蛘?，也有幾種解決方案提供四種或更多不同的 ANC 預設(shè)。這些可以由 MCU 或通過按下按鈕來控制，而無需交換濾波器系數(shù)，這有助于減少例如 I 2 C 總線流量。

圖 3：基于環(huán)境聲音檢測的自適應 ANC 系統(tǒng)。

圖 3 所示的原理與大多數(shù)市場解決方案相同，但環(huán)境噪聲檢測算法存在差異。最簡單的方法是基于對噪聲信號進行頻率加權(quán)的 FFT。ANC 供應商試圖通過檢測算法進行區(qū)分，現(xiàn)有的檢測方法將被基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的場景檢測所取代。因此，耳機可以準確地確定環(huán)境——辦公室、咖啡館、飛機或其他地方——并選擇理想的 ANC 濾波器或增強的聽力配置文件。圖 3 所示的系統(tǒng)框圖是一個簡化示例，有多種實現(xiàn)選項可支持此功能。無論哪種解決方案，輸出始終相同，

具有自動泄漏補償?shù)淖赃m應 ANC

如前所述，第二類共享同名自適應降噪，但解決了完全不同的最終用戶問題。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，還有第三個重要因素經(jīng)常被遺忘。帶有增益和相位補償濾波器的 ANC 耳機專為耳機的指定密封和被動衰減而設(shè)計：但簡單來說這意味著什么？這完全取決于耳塞在用戶耳朵中的正確貼合度。耳塞密封不良會影響無源衰減，進而影響目標 ANC 濾波器傳遞函數(shù)。嗯，這聽起來很學術(shù)，但這對最終用戶意味著什么？被動衰減的影響和耳塞的貼合度會導致不同用戶之間的 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常見問題。圖 4 所示的圖形說明了不同耳塞泄漏水平下 ANC 性能損失所表達的問題。

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 對應于 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。如果泄漏進一步增加（高耳塞泄漏對應于~20mm 2?受控泄漏），它代表一個松散的耳塞，性能下降到 10dB 以下，這意味著對于最終用戶而言，幾乎沒有明顯的 ANC。所描述的不同 ANC 性能級別的行為和不同用戶之間的耳塞配合是自適應 ANC 解決的問題。因此，這種類型的自適應 ANC 系統(tǒng)旨在補償聲學失配，以確保每個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關(guān)。

自適應錯配補償如何工作？

補償錯配的自適應 ANC 需要復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 信號路徑的目標頻率和相位補償曲線。在圖 5 所示的示例中，顯示了無泄漏和高泄漏用例的前饋目標增益和相位補償濾波器曲線。如前所述，在靜態(tài) ANC 系統(tǒng)中，當耳塞正確插入耳朵時，過濾器通常會針對無泄漏操作進行優(yōu)化。

圖 5：不同泄漏水平的 ALC 示例的目標濾波器曲線。

由于我們的目標是自適應系統(tǒng)，我們可以在圖 5 中看到目標 ANC 前饋頻率和相位響應在高泄漏水平下發(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曲線。因此，對于補償失配的自適應系統(tǒng)的要求是明確的。設(shè)備需要能夠根據(jù)耳塞泄漏水平動態(tài)調(diào)整 ANC 濾波器傳遞函數(shù)。也許這聽起來不太難。由于當今的 ANC 系統(tǒng)基于混合 ANC 技術(shù)，因此并非如此簡單，尤其是當我們查看圖 6 時，該圖顯示了自適應 ANC 系統(tǒng)的高級系統(tǒng)框圖。

圖 6：用于錯配補償?shù)淖赃m應 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本身可以像一個靜態(tài)系統(tǒng)，因為它需要能夠完成相同的功能。唯一的區(qū)別是，不能在不同的過濾器特性或預設(shè)之間切換，過濾器必須在運行時動態(tài)調(diào)整。切換到另一個濾波器組或預設(shè)會導致 ANC 丟失，這當然不是首選。因此，DSP 需要能夠在 ANC 處于活動狀態(tài)時支持濾波器傳遞函數(shù)的動態(tài)重新配置。這使得 ANC DSP 的設(shè)計更加復雜，因為在靜態(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 信號路徑。此外，高品質(zhì) ANC 系統(tǒng)還采用音樂播放頻率響應，以在不同泄漏水平下保持相同的音質(zhì)。

為了根據(jù)泄漏水平更改過濾器，還需要檢測用戶耳朵中的泄漏水平的軟件算法。這通常通過第二個 MCU 或 DSP 來完成，該 MCU 或 DSP 正在監(jiān)控麥克風以及接近傳感器和加速度計等附加傳感器。雖然麥克風用于檢測泄漏水平，但接近傳感器通常用于檢測極端情況。由于失配補償算法也在調(diào)整關(guān)鍵的反饋 ANC 濾波器，因此系統(tǒng)可能會開始振蕩并變得不穩(wěn)定，因為在高泄漏條件下使用過多的反饋增益或耳塞完全脫離耳朵。因此，額外的傳感器信號有助于增強自適應系統(tǒng)的魯棒性并檢測不穩(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，因為客戶肯定會抱怨并認為耳塞有缺陷。因此，工程師必須確保在任何情況下都不會發(fā)生不穩(wěn)定。

現(xiàn)在唯一剩下的問題是：這種額外的努力真的有回報嗎？這些復雜的自適應系統(tǒng)真的有效嗎？讓我們看一下圖 7，它顯示了具有三個不同泄漏級別的自適應 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，在沒有泄漏的情況下，我們在 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)，軟件算法會檢測到泄漏并相應地更改 ANC 過濾器。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。

有人可能會說：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。其他用戶可能會受益于始終提供獨立于環(huán)境的理想性能的系統(tǒng)。我相信沒有對錯之分，這完全取決于個人喜好和產(chǎn)品的使用方式。一些用戶可能會喜歡這個功能，而另一些用戶并不真正欣賞它。幸運的是，可以禁用這些功能，評估選項的最佳方法是測試 ams AG 開發(fā)平臺，以獲取圍繞 AS3460 數(shù)字增強聽力平臺的自適應降噪解決方案。可根據(jù)要求提供使用 AS3460 的自適應 ANC 解決方案的定制 ANC 開發(fā)工具。

　　審核編輯：湯梓紅