芯耀
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引言：蘋果TWS 耳機(jī)在推出主動(dòng)降噪功能后，隨著產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)水平提升，非蘋果品牌廠商正在加速追趕。然而，帶有ANC主動(dòng)降噪功能的TWS耳機(jī)仍然是少數(shù)，并且集中在1000元以上的價(jià)位。一方面，恒玄等本土芯片廠商異軍突起，將ANC功能“平民化”；另一方面，蘋果、華為卻傾向于采用獨(dú)立降噪方案。集成與分立方案誰(shuí)將成為主流？ADI如何幫助中小客戶快速量產(chǎn)ANC？
?AirPods 3或無(wú)緣主動(dòng)降噪功能
根據(jù)最新消息，蘋果將在10月19日凌晨1點(diǎn)的2021秋季新品發(fā)布會(huì)（第二場(chǎng)）上發(fā)布AirPods3。此前有傳聞，airpods3可能有降噪和非降噪兩個(gè)版本。但是根據(jù)最新爆料，AirPods3可能最終無(wú)緣主動(dòng)降噪版本，有極大可能是AirPods2的基礎(chǔ)上增加防水和標(biāo)配無(wú)線充電功能，或增加空間音頻功能，相當(dāng)于沒(méi)有降噪功能的airpodspro。
雖然筆者也對(duì)這番操作極其費(fèi)解，但不管怎么說(shuō)，蘋果在2019年 10月推出的具有主動(dòng)降噪功能的AirPods Pro，算是引爆了TWS耳機(jī)搭配主動(dòng)降噪功能的熱潮。從2020 年 CES上展示的 TWS耳機(jī)新品看，主動(dòng)降噪功能兼顧環(huán)境音模式已經(jīng)成為高端TWS耳機(jī)的標(biāo)配。除了傳統(tǒng)的專業(yè)音頻廠商，華為、小米、OPPO等手機(jī)廠商也紛紛推出自家的主動(dòng)降噪耳機(jī)，追求噪聲下用戶更好的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。
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影響消費(fèi)者購(gòu)買無(wú)線耳機(jī)因素，來(lái)源：TheState of Play 2018: Audio Consumer Insights、廣證恒生
高通曾做過(guò)一份調(diào)查（TheState of Play 2018: AudioConsumerInsights），其中影響消費(fèi)者購(gòu)買無(wú)線耳機(jī)因素中，具有主動(dòng)降噪功能的比例達(dá)到43.83%。在蘋果AirPods Pro 等降噪機(jī)型帶動(dòng)下，用戶習(xí)慣獲得培養(yǎng)，行業(yè)正加速向“TWS+ANC”方向轉(zhuǎn)變。
?TWS芯片盤點(diǎn)，恒玄推動(dòng)ANC平民化
早在20世紀(jì)初，聲學(xué)專家們就考慮從噪音的本身入手從而達(dá)到減弱噪音的目的。1933年，德國(guó)物理學(xué)家 PaulLueg提出有源噪聲控制即主動(dòng)降噪的概念，利用聲波相消性干涉原理降噪。1978年，Bose的創(chuàng)始人AmarG.Bose博士在從歐洲飛往波士頓的飛機(jī)上，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)引擎的噪音干擾了他戴耳機(jī)欣賞音樂(lè)的興致，在下飛機(jī)之后就開(kāi)始推導(dǎo)驗(yàn)算寫出了降噪耳機(jī)最原始的方程式。
到上個(gè)世紀(jì)90年代，ADIfellow、美國(guó)工程院院士BobAdam發(fā)明和開(kāi)發(fā)了全球第一片單片Σ-Δ音頻ADC，使得Bose面向普通消費(fèi)者的降噪耳機(jī)QuietComfort成為可能。1989年,ANC首次被Bose量產(chǎn)，從此成為美國(guó)飛行員的專用耳機(jī)，為美國(guó)每年節(jié)省2億美金的噪聲致殘補(bǔ)償金。
2000年開(kāi)始，ANC技術(shù)進(jìn)入民用市場(chǎng)，不少航空公司頭等艙會(huì)以標(biāo)配QC3等降噪耳機(jī)作為賣點(diǎn)。其中，Bose工程師們?cè)诮翟攵鷻C(jī)QuietComfort的基礎(chǔ)上推出小型化降噪耳機(jī)QC20，自此掀起了耳機(jī)行業(yè)“革命”的浪潮。2014年開(kāi)始，Bose的QC25，開(kāi)始采用數(shù)字ANC方案。
到了2017年，中國(guó)內(nèi)地芯片公司恒玄科技（bes）推出了一款單芯片的ANC+藍(lán)牙耳機(jī)芯片，一下子把ANC耳機(jī)的價(jià)格拉到了平民都可以使用的水平。乘此東風(fēng)，國(guó)內(nèi)很多藍(lán)牙耳機(jī)公司都推出了自己的主動(dòng)降噪藍(lán)牙耳機(jī)，比如，QCY，蛇勝等。
從當(dāng)前各廠商已發(fā)布TWS 耳機(jī)款型來(lái)看，已發(fā)布耳機(jī)產(chǎn)品中帶主動(dòng)降噪功能的有蘋果AirPods Pro、華為FreeBuds3、OPPO Enco W51、索尼WF-SP700N、WF-1000XM3、漫步者TWS NB等，其中價(jià)位最低的為OPPO Enco W51，其余價(jià)格基本上都在1000 元以上。
盤點(diǎn)上述廠商，可以發(fā)現(xiàn)能夠滿足需求的主動(dòng)降噪耳機(jī)玩家主要來(lái)自兩類：一類是以蘋果為代表的手機(jī)廠商，如華為、小米、OPPO、VIVO等；另一類則是傳統(tǒng)的耳機(jī)/音頻廠商，如Sony、Bose等。
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部分支持主動(dòng)降噪技術(shù)的主流TWS 芯片，來(lái)源：我愛(ài)音頻網(wǎng)
目前市場(chǎng)上主流的主動(dòng)降噪藍(lán)牙耳機(jī)均采用藍(lán)牙芯片與主動(dòng)降噪芯片分立的方案，比如蘋果、華為以及一些高端耳機(jī)品牌如BOSE、SONY等，大多采用自研芯片（H1、A1），或者高通的QCC5100（QCC514X）+主動(dòng)降噪芯片。另一方面，非A 端 TWS耳機(jī)SoC 芯片也具有ANC 功能，如恒玄、聯(lián)發(fā)科技、洛達(dá)、瑞昱、中科藍(lán)汛、杰理等最新產(chǎn)品。
?ANC技術(shù)對(duì)比，為何蘋果、華為不選擇單芯片集成？
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主流TWS藍(lán)牙音頻芯片技術(shù)對(duì)比，來(lái)源：國(guó)海證券
根據(jù)公開(kāi)資料查詢，早于恒玄科技推出的主動(dòng)降噪藍(lán)牙單芯片是高通2014 年推出的CSR8675，但從主流品牌量產(chǎn)的產(chǎn)品看，未使用其芯片中的降噪功能，而采用了分立的降噪芯片。對(duì)于內(nèi)部空間緊張的TWS耳機(jī)來(lái)說(shuō)，單芯片方案可提供更多的內(nèi)部空間給聲學(xué)器件和電池，并具有更低的功耗和成本優(yōu)勢(shì)。但是另一方面，為何蘋果、華為、以及一些高端耳機(jī)廠不采用單芯片集成ANC的方案，而要用藍(lán)牙芯片+獨(dú)立降噪芯片的方案呢？
我們回顧一下TWS的主動(dòng)降噪技術(shù)，主要包括三類：ANC(ActiveNoise Control，主動(dòng)降噪)；ENC(Environmental Noise Cancellation，環(huán)境降噪技術(shù))；以及AI 通話降噪技術(shù)。
其中主動(dòng)降噪ANC則是通過(guò)偵聽(tīng)背景噪聲，利用芯片與算法模型計(jì)算噪聲聲波并生成反相聲波，利用聲波疊加抵消原理達(dá)到降噪效果。
ANC又分為前饋式降噪（FeedForward）、反饋式降噪（FeedBack）以及混合降噪（Hybrid）的形式。關(guān)于這三種技術(shù)的區(qū)別，詳解附錄1，這里就不做太多闡述。
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AirPods利用骨傳導(dǎo)技術(shù)+雙麥克風(fēng)進(jìn)行通話降噪，來(lái)源：廣證恒生
降噪技術(shù)需要通過(guò)硬件端（芯片、傳感器、麥克風(fēng)陣列等）與軟件端算法的協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前TWS 耳機(jī)主要通過(guò)ANC（主動(dòng)降噪）、雙MIC、Beamforming（波束成型技術(shù)）等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)降噪。多數(shù)耳機(jī)一般是通過(guò)多麥克風(fēng)組成陣列來(lái)進(jìn)行降噪，不同麥克風(fēng)分別收集人聲、環(huán)境音，進(jìn)行分離實(shí)現(xiàn)降噪。以Airpods為例，在通話降噪方面，Airpods采用骨傳導(dǎo)技術(shù)+雙麥克降噪，其原理：空氣傳播通過(guò)麥克風(fēng)將空氣中的人聲、雜音等環(huán)境聲收入。骨傳聲導(dǎo)僅僅收集人聲帶振動(dòng)的音頻信息。算法將來(lái)自這兩條路徑得到的聲音信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)環(huán)境音進(jìn)行弱化處理，即最終留下相對(duì)干凈的講話聲。AirpodsPro 更進(jìn)一步加入ANC（主動(dòng)降噪）功能，單只有3 顆麥克風(fēng)，通過(guò)外向式麥克風(fēng)和內(nèi)向式麥克風(fēng)分別檢測(cè)外部聲波及多余聲波，然后通過(guò)H1 芯片進(jìn)行處理，產(chǎn)生與之相同的抗噪聲波將其抵消，從而實(shí)現(xiàn)降噪。
整體來(lái)看，主動(dòng)降噪技術(shù)在 TWS耳機(jī)上的使用在信號(hào)采集處理的時(shí)延、算法、產(chǎn)品組裝等方面都有較高的門檻。主動(dòng)降噪不僅比拼芯片性能和算法，還比拼聲學(xué)設(shè)計(jì)，聲學(xué)設(shè)計(jì)又包含耳機(jī)腔體設(shè)計(jì)、喇叭單元的選擇等，因此需要芯片廠商與OEM/ODM 廠商高度配合以實(shí)現(xiàn)更好的降噪效果。集成降噪的芯片從通過(guò)品牌客戶的驗(yàn)證到量產(chǎn)需要相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，具有較高的行業(yè)壁壘。
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分離方案VS SOC 方案，來(lái)源：ADI
從這個(gè)角度來(lái)看，對(duì)于低端白牌TWS客戶來(lái)說(shuō)，采用集成降噪的單芯片，一方面很難做出差異化，另一方面自己的研發(fā)能力也跟不上。而針對(duì)蘋果、華為、BOSE、SONY這類頭部客戶來(lái)說(shuō)，之所以不采用集成降噪方案，則是從另外的角度來(lái)考慮。首先這些客戶往往具有很強(qiáng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)和軟硬件設(shè)計(jì)能力，此外他們需要通過(guò)獨(dú)立的降噪芯片（DSP）來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)差異化。ADI主動(dòng)降噪方案采用藍(lán)牙和ANCCODEC分離的數(shù)字處理電路、混合式降噪方案，這種天然隔離的方法相比SoC單芯片的方案，降低了藍(lán)牙收發(fā)帶來(lái)的噪聲干擾，為客戶帶去更好的音質(zhì)體驗(yàn)。
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由ADI中國(guó)事業(yè)部研發(fā)的ADAU1860/ADAU1850發(fā)布
ADAU1860是ADI推出的新一代低功耗主動(dòng)降噪芯片，主要由三個(gè)部分組成：第一部分是ADC，將外界的音源采集進(jìn)來(lái)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；中間部分是兩顆非常強(qiáng)大的DSP，一顆是HiFi-3zDSP，主要實(shí)現(xiàn)音頻場(chǎng)景的識(shí)別，例如上行降噪、語(yǔ)音喚醒。另一顆則是FastDSP，擴(kuò)展到了96位指令集，在完成ANC的一套濾波器算法外可以實(shí)現(xiàn)對(duì)底噪的抑制，對(duì)EQ的調(diào)整等更多功能；第三部分則是高性能的DAC，供電上1.2V與1.8V的雙電源軌設(shè)置，可以根據(jù)客戶不同的使用場(chǎng)景，進(jìn)一步優(yōu)化功耗。
結(jié)論
可以看到，蘋果TWS 耳機(jī)在推出主動(dòng)降噪功能后，未出現(xiàn)其他革命性創(chuàng)新功能。隨著產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)水平提升，非蘋果品牌廠商正在加速追趕。
另一方面，雖然TWS市場(chǎng)火爆，但增長(zhǎng)的很大一部分仍然是沒(méi)有ANC功能的TWS耳機(jī)，原因是ANC在開(kāi)發(fā)和在生產(chǎn)環(huán)節(jié)還是有非常多技術(shù)上的門檻。相比蘋果、華為等頭部客戶，ADI的降噪方案在推出硬件參考設(shè)計(jì)之余加強(qiáng)軟件參考引導(dǎo)，讓客戶的設(shè)計(jì)和量產(chǎn)更容易，可幫助中小企業(yè)順利導(dǎo)入ANC方案。相信未來(lái)隨著ADI等技術(shù)提供商的推動(dòng)，ANC功能將不再是1000元以上耳機(jī)的禁臠，299元的ANCTWS耳機(jī)將會(huì)遍地開(kāi)花。
?附錄一：三種不同ANC技術(shù)的區(qū)別
前饋式降噪（FeedForward）技術(shù)使用前饋式有源噪聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱開(kāi)環(huán)式噪聲控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般需要被控制的初級(jí)聲場(chǎng)的聲音信息，通常稱為參考信號(hào)。參考信號(hào)送到前饋式控制器，經(jīng)過(guò)控制器處理后，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器輸出該聲音信號(hào)產(chǎn)生次級(jí)聲場(chǎng)，進(jìn)而和實(shí)際通過(guò)物理途徑中傳來(lái)的原始聲波信號(hào)相疊加，誤差傳聲器檢測(cè)初級(jí)聲場(chǎng)和次級(jí)聲場(chǎng)的疊加所形成的誤差信號(hào)，送到控制器中，控制器根據(jù)特定的算法調(diào)整次級(jí)聲源信號(hào)的強(qiáng)度。前饋式有源噪聲控制的
優(yōu)點(diǎn)是外面的麥克風(fēng)接收的是純?cè)肼?，并不接收喇叭發(fā)出的聲音，所以系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)，不會(huì)引起任何的閉環(huán)振蕩和嘯叫，因此可以獨(dú)立地調(diào)試電路，使降噪的效果達(dá)到最佳。但噪聲經(jīng)過(guò)揚(yáng)聲器并在揚(yáng)聲器內(nèi)多次反射，其大小和相位已發(fā)生變化，外面的麥克風(fēng)采集到的噪聲與揚(yáng)聲器內(nèi)的噪聲將有很大的不同，且外部噪聲的方向性很強(qiáng)，難以使用同一電路滿足來(lái)自不同方向的噪聲的降噪要求，這些都是在前饋式有源降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)中需要克服的問(wèn)題。以頭戴式耳機(jī)為例，其采集聲音的麥克風(fēng)是朝外的，來(lái)采集耳朵外面的噪聲。采集之后會(huì)立刻輸送給DSP進(jìn)行相應(yīng)的處理（即反相）。如果這個(gè)麥克風(fēng)放得足夠好的話，它能夠監(jiān)聽(tīng)到大部分你能聽(tīng)到的場(chǎng)景里的噪聲。在這個(gè)基礎(chǔ)上來(lái)個(gè)反相，對(duì)噪聲做一個(gè)處理，疊加到耳膜上。但是這樣會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，即噪聲的方向是全向的，不知道在哪兒，還有包括測(cè)量也不夠精準(zhǔn)，漏掉一些噪聲。
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前饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)典型結(jié)構(gòu)，來(lái)源：華西證券
反饋式降噪（FeedBack）技術(shù)使用反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱閉環(huán)式噪聲控制系統(tǒng)，它比前饋式系統(tǒng)少了一個(gè)參考傳聲器。雖然系統(tǒng)構(gòu)成上得以簡(jiǎn)化，但是應(yīng)用范圍也大大縮小。次級(jí)聲源發(fā)出的信號(hào)將由參考傳聲器和誤差傳聲器共同決定。前饋式系統(tǒng)可以減弱參考傳聲器檢測(cè)到的與初級(jí)噪聲相關(guān)的噪聲，反饋式系統(tǒng)則對(duì)窄帶噪聲十分有效。反饋式降噪耳機(jī)的麥克風(fēng)位于耳機(jī)腔體的內(nèi)部，采集到的噪聲會(huì)和耳朵聽(tīng)到的噪聲差不多，增益大小也差不多，采集到的噪聲傳送給DSP之后，立刻進(jìn)行反相聲波大小的復(fù)制，起到降噪效果。同時(shí)，麥克風(fēng)還會(huì)不斷檢測(cè)抵消過(guò)后的聲音，是否還有殘余的噪聲存在。不斷對(duì)比之后，采集和抵消的過(guò)程就會(huì)結(jié)束，起到好的效果。
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反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)典型結(jié)構(gòu)，來(lái)源：華西證券
混合降噪（Hybrid），即用兩個(gè)麥克風(fēng)（前饋+反饋）。復(fù)合式主動(dòng)降噪耳機(jī)是同時(shí)采用了前饋式主動(dòng)降系統(tǒng)和反饋式主動(dòng)降噪系統(tǒng)，兩者結(jié)合使用，可以增強(qiáng)有源噪聲控制系統(tǒng)的靈活性，從而比使用單一結(jié)構(gòu)獲得更好的降噪效果，但缺點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本也比較高。具體到耳機(jī)上面，一個(gè)麥克風(fēng)是朝外檢測(cè)外部的噪聲，另一個(gè)放在耳機(jī)腔體的內(nèi)部，和耳朵聽(tīng)到的噪聲是一樣的，這個(gè)麥克風(fēng)再監(jiān)聽(tīng)殘留的噪聲，再做一輪降噪。如此一來(lái)就有兩個(gè)循環(huán)，而這兩個(gè)麥克風(fēng)采集到的噪聲都會(huì)輸送給DSP進(jìn)行處理，起到更加準(zhǔn)確，一次成型的反相聲波抵消。
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三種ANC 主動(dòng)降噪技術(shù)對(duì)比，來(lái)源：會(huì)聽(tīng)聲學(xué)
