ADI 低功耗音頻編解碼器助力ANC耳機進階

作者：Terry Yuan 公司：駿龍科技

目前在全球范圍內，ANC耳機行業(yè)總體上處于比較先進的水平。全球最大的耳機設計商蘋果公司，憑借 Airpods 系列包攬了ANC 27%以上的市場份額。2019年全球ANC耳機的市場總值大概在109億，在2026年預期能夠達到240億以上，年平均增長率在11% 左右。

世界上第一款ANC耳機為Bose，由Amar G. Bose博士帶領團隊設計，1989年正式商用。由于ANC耳機模擬方案量產的良品率太低，成本居高不下，使得數(shù)字方案后來居上，開始大規(guī)模占領市場份額。目前耳機的主要功能現(xiàn)狀還是以下三點：

• 雙耳傳輸要保證連接的穩(wěn)定和平衡；
• 續(xù)航能力要得到保障；
• 降噪的效果和舒適度。

目前ADI在ANC領域上的建樹主要體現(xiàn)在低功耗，低延時，高SNR和THD的DSP上，同時也不排除未來將藍牙和DSP設計到同一芯片中，目前來看還是以分立的BT SOC + DSP為主。

圖1 飛傲 ANC 頭戴式耳機

一、ANC的原理

根據(jù)麥克風的位置，ANC的原理總體上可以分為以下三類：

• 前饋主動降噪技術（Feed Forward，簡稱FF）

取樣麥克風在耳機外邊，通過取樣麥克風獲取噪聲，能夠獲取外部全部的噪聲，然后做反向，常見的場景就是入耳式耳機，沒有被動降噪的情況。缺點是風噪對取樣麥克風影響比較大，沒有反饋及校正的辦法。

圖2 前饋主動降噪原理

• 反饋型的主動降噪技術（Feed Back，簡稱FB）

取樣麥克風在耳機頭的內側，通過取樣麥克風獲取環(huán)境噪聲，能夠獲取耳機殼內部的噪聲，然后做反向。常見的場景是頭戴式耳機，該場景下，耳機大部分的高頻噪聲已經被耳機套過濾掉了，消噪壓力小，效果也會變得比較好。缺點是容易產生自激從而引發(fā)嘯叫，對播放路徑和低頻產生影響。

圖3 后饋主動降噪原理

• 混合型的主動降噪技術（HyBrid，簡稱HB）

這里需要用到兩個取樣麥克風，把上文中的FF和FB都囊括到一個系統(tǒng)，再加上頭戴式的被動降噪，可以把降噪效果做的非常好。市場上降噪效果比較好的都是這種架構。FF前饋系統(tǒng)可以消減參考傳聲器檢測到的原始噪聲相關的噪聲，F(xiàn)B反饋式系統(tǒng)則對窄帶噪聲十分有效，兩者結合使用，可以增強有源噪聲控制系統(tǒng)的靈活性，從而比使用單一結構獲得更好的降噪效果。但缺點是系統(tǒng)實現(xiàn)復雜、成本也非常高。

圖4 Hybrid Mode 原理

圖5 Hybrid Mode 函數(shù)模型及其簡化模型

二、ADI的ANC相關產品與優(yōu)勢

從封裝較大的頭戴式耳機方案到小體積小封裝的TWS耳機方案，ADI都有相應的產品。頭戴式耳機主要是以ADAU1772和ADAU1777為主，目前主要以小封裝小體積的ADAU1787，ADAU1850/60為主，如下所示：

圖6 ADI DSP 產品發(fā)展圖

產品優(yōu)勢如下：

• 多路的單通道與差分通道的輸入，可直接連接模擬麥克風輸入
• 高性能的SNR（AWT）/THD指標，部分型號已經到Hi-Res標準
• 音頻通道DAC還帶有HPAMP的差分輸出，HPAMP可以自由配置
• 輸入端有PGA控件，增益可調
• 部分產品集成了Tensilica HiFi-3z DSP Core，以及336KB的內存
• 低功耗低電壓輸入以及高達768Khz的采樣率
• 雙二階濾波器，限制器，增益調節(jié)，混音，以及多端硬件EQ調節(jié)
• 多路數(shù)字麥克風輸入以及PDM輸出通道
• 鎖相環(huán)支持在30 kHz to 27 MHz的任意時鐘頻率
• 支持ASRC, ?I2S，多路TDM，音頻串口的同步頻率為12KHZ-384KHZ
• 小封裝，小體積支持通用的I2C、SPI等，外圍的GPIO可復用其他功能

三、ANC產品的開發(fā)流程

本文主要說明耳機降噪方面的功能及應用，不涉及藍牙部分，所以藍牙部分不贅述。降噪耳機的主要開發(fā)流程如下：

1.對耳機進行性能測試（包括：被動衰減測量、捕捉噪聲麥克風的頻率響應測量、耳機內部揚聲器的頻率響應和相位響應測量）。

2.開發(fā)ANC濾波器（這部分一般是建立在前者的測量函數(shù)上來。主要的目標是匹配增益和相位響應以及做相位差。因為聲波是個周期波，所以相位差做到180度就能夠達到反向效果）。

3.濾波器檢驗和ANC測試（對理想波形的濾波器設計進行調試，以及針對ANC的基礎測試）。

4.量產一致性校驗以及調教（耳機的一致性是個棘手的問題，所以后期裝機的測試和調教就尤為重要）。

圖7 濾波器的設計工具圖

8 DSP系統(tǒng)設計工具

ADI在ANC的設計上，處理聲音頻段在2khz以下，總體能夠達到30多DB的效果。當處理聲音頻段在2Khz以上時，在封閉式耳機里，吸音棉等可以被動的把高頻噪聲進行消除，實際上我們能聽到的高頻噪聲就很少了。

再者，ANC算法對于高頻噪聲的匹配效果不好，高頻下的相位旋轉很大，頻率過高，難以匹配成功，可能會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無線沖擊響應。基本上功能的實現(xiàn)只需要匹配幾個濾波器，根據(jù)其線性相位還有群延時的特性，能夠保證整體頻段上一個比較好的相位匹配效果。

在開發(fā)上，工程師還是要了解一些不同的拓撲結構以及截止頻率、通帶、阻帶的計算方法。降噪深度方面，不是越深越好。在36DB以上，耳朵在幽閉環(huán)境中能明顯感到一些不適感，耳機的聽感下降厲害，音樂播放時，低頻損失非常大，這些都是需要加以考慮。

未來的ANC的TWS耳機還是有很大的成長空間。我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在廠家們對耳機的功能不斷進行更新及增加，ADI在ADAU1777上基本能實現(xiàn)的就是ANC的效果。在ADAU1787上，我們芯片的設計更貼合市場需求，推出了三段式的結構，可以通過按鍵去切換不同的降噪模式。同時在ADAU1850、ADAU1860上，我們也設計了喚醒模式，100Mhz的內核的增加，可以讓我們自主地去設計一些ENC，添加一些基礎的聲音效果等。在我們產品迭代中可以看到，SNR和THD功耗這些硬指標都在提高，以便為用戶提供更好的體驗。

四、總結

從上面的介紹，相信大家對ANC還有ADI的DSP有了一個整體性的理解。在主動降噪領域的DSP設計上，我們一直都是貼合市場的需求，不斷推出新產品，讓消費者們享受到高音質，多功能的降噪耳機。醫(yī)療助聽器產品方面，我們在未來也能夠提供合適的DSP產品。如果您對上述產品感興趣，請與駿龍科技當?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細的技術解答。

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