從TWS耳機(jī)到咖啡機(jī)，解讀主動(dòng)降噪(ANC)技術(shù)應(yīng)用“破圈”背后的“密碼”

從2016年蘋果推出AirPods起，分體式真無線(TWS)耳機(jī)這個(gè)新興品類市場憑借著給消費(fèi)者帶來的極致的便利以及傳輸、續(xù)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。據(jù)全球知名研究機(jī)構(gòu)Strategy Analytics發(fā)布的《全球藍(lán)牙耳機(jī)銷量和收益預(yù)測2001-2024》研究報(bào)告顯示，TWS藍(lán)牙耳機(jī)銷量在2019年增長了200%，預(yù)計(jì)到2024年TWS耳機(jī)的市場規(guī)模將達(dá)到千億美元。ADI中國區(qū)消費(fèi)類產(chǎn)品市場經(jīng)理Sophie Mao也在最近的一場活動(dòng)中表示，國內(nèi)TWS耳機(jī)還處于粗放增長階段，各級(jí)玩家都將全面進(jìn)入這個(gè)市場。

ADI中國區(qū)消費(fèi)類產(chǎn)品市場經(jīng)理Sophie Mao

ANC(主動(dòng)降噪)功能由于其實(shí)用性，正在變?yōu)門WS耳機(jī)的標(biāo)配, 預(yù)計(jì)到2023年將有一半以上的TWS耳機(jī)帶有ANC功能。因此，如何在小巧便攜的TWS耳機(jī)內(nèi)加入優(yōu)異的降噪功能，正在成為目前耳機(jī)廠商產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵焦點(diǎn)。作為業(yè)界廣泛認(rèn)可的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理技術(shù)全球領(lǐng)先供應(yīng)商，ADI提供了業(yè)界獨(dú)具優(yōu)勢的專用ANC SoC解決方案，并已在Bose、寶華韋健、萬魔等國內(nèi)外領(lǐng)先音頻廠商的旗艦產(chǎn)品中獲得應(yīng)用而廣受關(guān)注。

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(jī)，用戶最基本的需求在于便攜、長續(xù)航，在此之上，用戶的主要需求是清晰、干凈的聽音體驗(yàn)。在環(huán)境噪聲無時(shí)無刻充斥于我們各種生活場景的今天，這個(gè)要求并不容易實(shí)現(xiàn)，降噪的需求越來越高。盡管通過包圍耳朵形成封閉空間，或者采用硅膠耳塞等隔音材料來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，但對低頻噪聲卻無能為力，對低頻噪聲降噪則有賴于主動(dòng)降噪。主動(dòng)降噪功能就是通過硬件降噪系統(tǒng)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(xiàn)降噪的效果。

據(jù)Sophie Mao介紹，主動(dòng)降噪有模擬和數(shù)字兩種噪聲處理電路。盡管模擬電路基本零延時(shí)，數(shù)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(shù)字降噪是當(dāng)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(diào)音量為主，而數(shù)字主動(dòng)降噪可以通過調(diào)節(jié)增益、EQ系數(shù)、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(fù)在硬件上調(diào)整校準(zhǔn);數(shù)字主動(dòng)降噪一致性好，并有相應(yīng)的調(diào)校工具和軟件來輕松實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。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(shù)字電路更高。因此，模擬主動(dòng)降噪漸成明日黃花，數(shù)字主動(dòng)降噪成為市場主流。

模擬降噪處理電路vs數(shù)字降噪處理電路

而在實(shí)現(xiàn)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(jié)合的混合式(Hybrid)。前饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)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(jī)的麥克風(fēng)位于腔體內(nèi)部，所采集并輸往DSP的噪聲與耳朵聽到的基本一致，可以直接進(jìn)行反相處理。兩種方式結(jié)合的混合式主動(dòng)降噪，可以實(shí)現(xiàn)更快、更好的降噪效果。“目前，雖然混合式主動(dòng)降噪成本相對更高，但隨著芯片、麥克風(fēng)成本降低，這種能帶來更佳聽音體驗(yàn)的方式必將成為廠商首選?！盨ophie Mao強(qiáng)調(diào)道。ADI的ADAU1787 SoC解決方案就提供了4路ADC輸入接口和4路數(shù)字麥克風(fēng)輸入，適合應(yīng)用于混合降噪耳機(jī)。

ANC(主動(dòng)降噪)芯片通過內(nèi)置麥克風(fēng)同時(shí)監(jiān)聽外部源產(chǎn)生的噪聲和耳機(jī)揚(yáng)聲器播放的聲音

芯片+軟件模塊化解決方案，解決耳機(jī)ANC核心痛點(diǎn)

因此，TWS耳機(jī)降噪的重點(diǎn)在于準(zhǔn)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(xiàn)長續(xù)航。主動(dòng)降噪最核心的3個(gè)部分是ADC、DSP和DAC，作為一直以來以高性能模擬技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)先的ADI在ADC、DAC和DSP上，自然取得先發(fā)優(yōu)勢，精妙的處理好了ANC系統(tǒng)中最敏感的麥克風(fēng)信號(hào)，在保障超低功耗的同時(shí)表現(xiàn)出了強(qiáng)大的信號(hào)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(shù)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(xiàn)單芯片應(yīng)用于混合降噪耳機(jī)。同時(shí)，ADAU1787具有獨(dú)特的雙核設(shè)計(jì)，F(xiàn)astDSP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中低頻部分做補(bǔ)償?！盨ophie Mao補(bǔ)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(yán)苛的TWS耳機(jī)?！?

ADAU1787簡化功能框圖

越來越多廠商加入持續(xù)火爆的TWS市場，也帶來業(yè)界對產(chǎn)品同質(zhì)化的擔(dān)憂。ADAU1787模塊化技術(shù)同時(shí)能夠使客戶創(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(diào)節(jié)至某些參數(shù)和針對環(huán)境做出反應(yīng)，包括語音增強(qiáng)、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(xì)節(jié)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(jù)信號(hào)去預(yù)測后面信號(hào)的走向，避免開關(guān)車門時(shí)耳機(jī)會(huì)“崩”的聲響，實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的安全性，以及更好的去保護(hù)用戶的聽力。值得一提的是，高性價(jià)比方案ADAU1788也已上市，將幫助此類解決方案產(chǎn)品覆蓋至中端市場。

盡管這些特性可以優(yōu)先幫助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化，但產(chǎn)品性能優(yōu)勢將取決于客戶的產(chǎn)品定義和聲學(xué)特性的研究，這對于大部分中小客戶來說門檻不低?！拔覀儠?huì)幫助客戶去解決芯片應(yīng)用上的問題，我們還有經(jīng)驗(yàn)豐富的第三方合作伙伴可以提供非常專業(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耍琒ophie Mao這樣說道。談到技術(shù)支持，不得不提ADI免費(fèi)的音頻處理器編程、開發(fā)和調(diào)試軟件Sigma Studio工具，該工具提供多種集成至直觀的圖形用戶界面(GUI)的信號(hào)處理算法，從而能夠創(chuàng)建復(fù)雜的音頻信號(hào)流，對于不懂編程但精通聲學(xué)的客戶群體來說，他們也可以使用該軟件輕松完成任務(wù)?！癝igma Studio也是很好的在線實(shí)時(shí)調(diào)音平臺(tái)，我們所有的客戶都是基于Sigma Studio來做前期開發(fā)，包括完成原型設(shè)計(jì)。”Sophie Mao補(bǔ)充道。

SigmaStudio圖形開發(fā)工具

火出“耳機(jī)圈”，ANC技術(shù)更多場景應(yīng)用探討

事實(shí)上，不僅是在TWS耳機(jī)應(yīng)用中如日中天，ANC技術(shù)也逐漸 “出圈”，作用于三維空間開放聲場主動(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，對三維空間聲場進(jìn)行建模分析、模擬、降噪，以實(shí)現(xiàn)在非穿戴前提下對特定區(qū)域主動(dòng)降噪，進(jìn)而大大拓展應(yīng)用范圍。

目前三維空間主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用，比較成熟的是在汽車座艙內(nèi)。一般來說，車輛行駛時(shí)除了主要有來自于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音外，還有包括胎噪、風(fēng)噪以及外界環(huán)境的噪音等，通過類似的噪聲采集、噪聲頻譜分析反相噪聲消除來達(dá)到抵消噪音的目的。前不久ADI與現(xiàn)代汽車公司就合作推出業(yè)界首個(gè)全數(shù)字路噪降噪系統(tǒng)，其核心部分利用了ADI的A2B音頻總線技術(shù)，解決了電子采集信號(hào)傳輸延遲的關(guān)鍵挑戰(zhàn);憑借DSP算法確保車內(nèi)不同位置的音區(qū)獨(dú)立性以及實(shí)現(xiàn)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(fèi)全面升級(jí)的今天，家電領(lǐng)域?qū)翟爰夹g(shù)存在強(qiáng)烈需求，但是落地應(yīng)用與布局仍是藍(lán)海。作為家用市場聚焦的主陣地，例如攪拌機(jī)、吸塵器和烤面包機(jī)發(fā)出的各種噪聲，讓許多消費(fèi)者為之煩惱。在今年初的CES2020上，ADI便展示了基于ADAU1452音頻處理器的家用電器(咖啡機(jī))主動(dòng)降噪功能，可以實(shí)現(xiàn)10dB噪聲消減效果。此類解決方案同樣可以應(yīng)用于那些產(chǎn)生較大噪聲的家用電器上，如豆?jié){機(jī)、抽油煙機(jī)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(jī)噪音

事實(shí)上基于ANC的創(chuàng)新遠(yuǎn)不止于此，無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(yīng)用空間巨大?！癆NC技術(shù)也可以運(yùn)用于聽力輔助設(shè)備上，通過類似選擇性通透模式接收特定的聲音并結(jié)合骨傳導(dǎo)相關(guān)技術(shù)，給有聽力障礙的人加上具有ANC類似的聲音采集和放大設(shè)備，就能夠幫助其聽到聲音，改善對外界的聲音感知，也是未來的一種應(yīng)用發(fā)展趨勢?！盨ophie Mao補(bǔ)充另外一種創(chuàng)新產(chǎn)品應(yīng)用。

本文總結(jié)

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