從TWS耳機到咖啡機，解讀主動(dòng)降噪（ANC）技術(shù)應用“破圈”背后的“密碼”

從2016年蘋(píng)果推出AirPods起，分體式真無(wú)線(xiàn)（TWS）耳機這個(gè)新興品類(lèi)市場(chǎng)憑借著(zhù)給消費者帶來(lái)的極致的便利以及傳輸、續航、價(jià)格等痛點(diǎn)得到逐步解決，引爆了新一輪的增量市場(chǎng)。據全球知名研究機構Strategy Analytics發(fā)布的《全球藍牙耳機銷(xiāo)量和收益預測2001-2024》研究報告顯示，TWS藍牙耳機銷(xiāo)量在2019年增長(cháng)了200%，預計到2024年TWS耳機的市場(chǎng)規模將達到千億美元。ADI中國區消費類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Sophie Mao也在最近的一場(chǎng)活動(dòng)中表示，國內TWS耳機還處于粗放增長(cháng)階段，各級玩家都將全面進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。

ADI中國區消費類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Sophie Mao

ANC（主動(dòng)降噪）功能由于其實(shí)用性，正在變?yōu)門(mén)WS耳機的標配， 預計到2023年將有一半以上的TWS耳機帶有ANC功能。因此，如何在小巧便攜的TWS耳機內加入優(yōu)異的降噪功能，正在成為目前耳機廠(chǎng)商產(chǎn)品設計的關(guān)鍵焦點(diǎn)。作為業(yè)界廣泛認可的數據轉換和信號處理技術(shù)全球領(lǐng)先供應商，ADI提供了業(yè)界獨具優(yōu)勢的專(zhuān)用ANC SoC解決方案，并已在Bose、寶華韋健、萬(wàn)魔等國內外領(lǐng)先音頻廠(chǎng)商的旗艦產(chǎn)品中獲得應用而廣受關(guān)注。

ANC科普介紹短視頻：https://v.qq.com/x/page/b3100fjac1e.html

破解安靜的秘密，這種降噪技術(shù)正在成為主流

事實(shí)上，對于TWS耳機，用戶(hù)最基本的需求在于便攜、長(cháng)續航，在此之上，用戶(hù)的主要需求是清晰、干凈的聽(tīng)音體驗。在環(huán)境噪聲無(wú)時(shí)無(wú)刻充斥于我們各種生活場(chǎng)景的今天，這個(gè)要求并不容易實(shí)現，降噪的需求越來(lái)越高。盡管通過(guò)包圍耳朵形成封閉空間，或者采用硅膠耳塞等隔音材料來(lái)阻擋外界噪聲的被動(dòng)降噪對高頻噪聲能起到很好的抑制作用，但對低頻噪聲卻無(wú)能為力，對低頻噪聲降噪則有賴(lài)于主動(dòng)降噪。主動(dòng)降噪功能就是通過(guò)硬件降噪系統產(chǎn)生與外界噪音相等的反相聲波，將噪音中和，從而實(shí)現降噪的效果。

據Sophie Mao介紹，主動(dòng)降噪有模擬和數字兩種噪聲處理電路。盡管模擬電路基本零延時(shí)，數字電路存在延時(shí)，但模擬主動(dòng)降噪電路組成元器件多、PCB尺寸大、精度要求高，因而數字降噪是當前的主流。此外，靈活性方面，模擬主動(dòng)降噪方式有限，主要以調音量為主，而數字主動(dòng)降噪可以通過(guò)調節增益、EQ系數、更新固件等方式優(yōu)化降噪效果。模擬主動(dòng)降噪電路的一致性很差，需要多次、反復在硬件上調整校準；數字主動(dòng)降噪一致性好，并有相應的調校工具和軟件來(lái)輕松實(shí)現校準。最后，模擬主動(dòng)降噪的BOM成本看似較低，但不良率、返工率高，整體量產(chǎn)成本其實(shí)比數字電路更高。因此，模擬主動(dòng)降噪漸成明日黃花，數字主動(dòng)降噪成為市場(chǎng)主流。

模擬降噪處理電路vs數字降噪處理電路

而在實(shí)現方式上，主動(dòng)降噪又可分為三種：前饋式（FeedForward），反饋式（Feedback），以及兩者結合的混合式（Hybrid）。前饋式主動(dòng)降噪耳機一般位于外部，采集噪聲后輸送給DSP處理，再輸出反相聲波進(jìn)行降噪。反饋式主動(dòng)降噪耳機的麥克風(fēng)位于腔體內部，所采集并輸往DSP的噪聲與耳朵聽(tīng)到的基本一致，可以直接進(jìn)行反相處理。兩種方式結合的混合式主動(dòng)降噪，可以實(shí)現更快、更好的降噪效果?！澳壳?，雖然混合式主動(dòng)降噪成本相對更高，但隨著(zhù)芯片、麥克風(fēng)成本降低，這種能帶來(lái)更佳聽(tīng)音體驗的方式必將成為廠(chǎng)商首選?！盨ophie Mao強調道。ADI的ADAU1787 SoC解決方案就提供了4路ADC輸入接口和4路數字麥克風(fēng)輸入，適合應用于混合降噪耳機。

ANC（主動(dòng)降噪）芯片通過(guò)內置麥克風(fēng)同時(shí)監聽(tīng)外部源產(chǎn)生的噪聲和耳機揚聲器播放的聲音

芯片+軟件模塊化解決方案，解決耳機ANC核心痛點(diǎn)

因此，TWS耳機降噪的重點(diǎn)在于準確采集噪聲、快速處理后輸出抵消的反相聲波，同時(shí)還要具備盡量低的功耗以實(shí)現長(cháng)續航。主動(dòng)降噪最核心的3個(gè)部分是ADC、DSP和DAC，作為一直以來(lái)以高性能模擬技術(shù)和數字信號處理技術(shù)領(lǐng)先的ADI在A(yíng)DC、DAC和DSP上，自然取得先發(fā)優(yōu)勢，精妙的處理好了ANC系統中最敏感的麥克風(fēng)信號，在保障超低功耗的同時(shí)表現出了強大的信號處理能力，同時(shí)彰顯了其在芯片小封裝與低功耗上的深厚功力。

“ADI有一系列專(zhuān)用降噪解決方案，例如ADAU1787 ANC SoC解決方案，提供4路ADC輸入接口和4路數字麥克風(fēng)輸入，且這些輸入口是并行輸入，所以ADAU1787可以實(shí)現單芯片應用于混合降噪耳機。同時(shí)，ADAU1787具有獨特的雙核設計，FastDSP核做主動(dòng)降噪濾波器處理，SigmaDSP核做EQ后處理，對降噪處理后損失的音樂(lè )中低頻部分做補償?！盨ophie Mao補充指出，“ADAU1787 2.3*2.8 mm的BGA封裝，在1.8V供電功耗僅約為6-7mW，非常適合功耗和芯片體積要求更嚴苛的TWS耳機?！?/p>

ADAU1787簡(jiǎn)化功能框圖

越來(lái)越多廠(chǎng)商加入持續火爆的TWS市場(chǎng)，也帶來(lái)業(yè)界對產(chǎn)品同質(zhì)化的擔憂(yōu)。ADAU1787模塊化技術(shù)同時(shí)能夠使客戶(hù)創(chuàng )建一些差異化特性，例如允許播放某些聲音、消除其他聲音，或者自動(dòng)調節至某些參數和針對環(huán)境做出反應，包括語(yǔ)音增強、降噪、回聲消除、電平控制、聲音反饋抑制、麥克風(fēng)陣列和有源噪聲/振動(dòng)控制等。此外，ADI芯片里還藏有更多貼心的細節技術(shù)，例如在自動(dòng)控制領(lǐng)域的PID比例積分微分控制邏輯，它可以根據信號去預測后面信號的走向，避免開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)時(shí)耳機會(huì )“崩”的聲響，實(shí)現保護系統的安全性，以及更好的去保護用戶(hù)的聽(tīng)力。值得一提的是，高性?xún)r(jià)比方案ADAU1788也已上市，將幫助此類(lèi)解決方案產(chǎn)品覆蓋至中端市場(chǎng)。

盡管這些特性可以?xún)?yōu)先幫助實(shí)現產(chǎn)品差異化，但產(chǎn)品性能優(yōu)勢將取決于客戶(hù)的產(chǎn)品定義和聲學(xué)特性的研究，這對于大部分中小客戶(hù)來(lái)說(shuō)門(mén)檻不低?！拔覀儠?huì )幫助客戶(hù)去解決芯片應用上的問(wèn)題，我們還有經(jīng)驗豐富的第三方合作伙伴可以提供非常專(zhuān)業(yè)的支持，例如北京HT聲學(xué)和東莞ASKA，他們都可以提供整套的turn-key solution?！睂Υ?，Sophie Mao這樣說(shuō)道。談到技術(shù)支持，不得不提ADI免費的音頻處理器編程、開(kāi)發(fā)和調試軟件Sigma Studio工具，該工具提供多種集成至直觀(guān)的圖形用戶(hù)界面（GUI）的信號處理算法，從而能夠創(chuàng )建復雜的音頻信號流，對于不懂編程但精通聲學(xué)的客戶(hù)群體來(lái)說(shuō)，他們也可以使用該軟件輕松完成任務(wù)?！癝igma Studio也是很好的在線(xiàn)實(shí)時(shí)調音平臺，我們所有的客戶(hù)都是基于Sigma Studio來(lái)做前期開(kāi)發(fā)，包括完成原型設計?！盨ophie Mao補充道。

SigmaStudio圖形開(kāi)發(fā)工具

火出“耳機圈”，ANC技術(shù)更多場(chǎng)景應用探討

事實(shí)上，不僅是在TWS耳機應用中如日中天，ANC技術(shù)也逐漸 “出圈”，作用于三維空間開(kāi)放聲場(chǎng)主動(dòng)降噪。這除了需要優(yōu)秀的主動(dòng)降噪算法外，更需要深厚的聲學(xué)理論背景，對三維空間聲場(chǎng)進(jìn)行建模分析、模擬、降噪，以實(shí)現在非穿戴前提下對特定區域主動(dòng)降噪，進(jìn)而大大拓展應用范圍。

目前三維空間主動(dòng)降噪技術(shù)應用，比較成熟的是在汽車(chē)座艙內。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)輛行駛時(shí)除了主要有來(lái)自于發(fā)動(dòng)機的噪音外，還有包括胎噪、風(fēng)噪以及外界環(huán)境的噪音等，通過(guò)類(lèi)似的噪聲采集、噪聲頻譜分析反相噪聲消除來(lái)達到抵消噪音的目的。前不久ADI與現代汽車(chē)公司就合作推出業(yè)界首個(gè)全數字路噪降噪系統，其核心部分利用了ADI的A2B音頻總線(xiàn)技術(shù)，解決了電子采集信號傳輸延遲的關(guān)鍵挑戰；憑借DSP算法確保車(chē)內不同位置的音區獨立性以及實(shí)現回聲消除、配合麥克風(fēng)的功放進(jìn)行ANC主動(dòng)降噪。

此外，在消費全面升級的今天，家電領(lǐng)域對降噪技術(shù)存在強烈需求，但是落地應用與布局仍是藍海。作為家用市場(chǎng)聚焦的主陣地，例如攪拌機、吸塵器和烤面包機發(fā)出的各種噪聲，讓許多消費者為之煩惱。在今年初的CES2020上，ADI便展示了基于A(yíng)DAU1452音頻處理器的家用電器（咖啡機）主動(dòng)降噪功能，可以實(shí)現10dB噪聲消減效果。此類(lèi)解決方案同樣可以應用于那些產(chǎn)生較大噪聲的家用電器上，如豆漿機、抽油煙機等，使讓人不舒服的嘈雜聲從家庭環(huán)境消失。

CES2020上ADI展示利用其SigmaDSP抑制咖啡機噪音

SigmaDSP抑制家用電器噪音：https://www.analog.com/cn/education/education-library/videos/6160765127001.html

事實(shí)上基于A(yíng)NC的創(chuàng )新遠不止于此，無(wú)處不在的噪聲和人們對舒適環(huán)境的追求讓ANC技術(shù)創(chuàng )新應用空間巨大?！癆NC技術(shù)也可以運用于聽(tīng)力輔助設備上，通過(guò)類(lèi)似選擇性通透模式接收特定的聲音并結合骨傳導相關(guān)技術(shù)，給有聽(tīng)力障礙的人加上具有ANC類(lèi)似的聲音采集和放大設備，就能夠幫助其聽(tīng)到聲音，改善對外界的聲音感知，也是未來(lái)的一種應用發(fā)展趨勢?！盨ophie Mao補充另外一種創(chuàng )新產(chǎn)品應用。

本文總結

業(yè)界普遍認為2020年將是TWS耳機市場(chǎng)競爭最關(guān)鍵的一年，手機廠(chǎng)商不斷入局TWS藍牙耳機，傳統耳機品牌更是鉚足力量，新興耳機品牌則急流猛進(jìn)，必將驅使TWS市場(chǎng)的分化加快，成本更低、性能更強的中高端產(chǎn)品價(jià)格會(huì )由于規模效應下降，讓更多的人能享受到科技的魅力與樂(lè )趣，這也是ADI努力的方向。據Sophie Mao介紹ADI將會(huì )繼續在TWS耳機ANC技術(shù)的輕量化、低功耗、低成本和高性能上加強差異化，以覆蓋更多的終端市場(chǎng)?！癆NC技術(shù)加持的相關(guān)產(chǎn)品使用場(chǎng)景日漸豐富，像ADI提供的模塊化解決方案也能為新一波創(chuàng )新應用賦能，幫助客戶(hù)走在科技前沿?！?/p>