自适应 ANC 解决方案带来增强的音频功能

虽然主动降噪 (ANC) 对发烧友来说并不是什么新鲜事，但自从一家著名的加利福尼亚公司发布了第一款耳塞以来，这项技术越来越受欢迎。

虽然 ANC 对发烧友来说并不是什么新鲜事，但自从 2019 年一家著名的加利福尼亚公司发布其第一款具有主动降噪功能的耳塞以来，该技术越来越受欢迎。从那时起，最终用户对 ANC 的认识显着提高，并已成为必备功能适用于 True Wireless (TWS) 耳塞和耳机。

静态 ANC 解决方案

如果我们回顾十年，大多数耳机设计都是使用分立电子设备构建的。当时，由于少数半导体公司在这个利基市场上投资于电子产品的小型化，因此可用的集成解决方案很少。

图 1：典型的分立和静态 ANC 电路。

看看典型的 ANC 实施，如图 1 所示，可以观察到几乎没有机会实施太多的灵活性和创新。所有滤波器电路都基于固定的电子元件。唯一的调整机会是在批量生产期间通过机械电位器校准麦克风，以补偿耳机的电声容差。

在过去的五年中，半导体公司开始认识到 ANC 的市场潜力，因此发布了大量静态数字 ANC 解决方案，提供许多优于模拟解决方案的优势——因为不再需要焊接无源 RC 元件来进行滤波器调谐。例如，软件更新可以提高耳机的性能或解决现场测试期间可能出现的稳定性问题。然而，除了转向数字信号处理之外，基本功能几乎与模拟实现相同。虽然设计工程师可以获得更方便的调整功能，但与模拟解决方案相比，由于延迟增加，缺点可以说包括更高的功耗和更低的性能。

用于环境声音检测的自适应 ANC

随着硅工艺节点不断缩小以降低电流消耗，同时提高数字信号处理器 (DSP) 的计算能力，数字 ANC 解决方案的功能也得到了改进。与模拟解决方案相比，静态数字 ANC 系统的优势有限，工程师们开始认识到新的数字低功耗 ANC 解决方案的潜力，该解决方案可以提供称为自适应噪声消除的差异化功能。

由于 ANC 功能没有官方命名法，因此行业中经常存在误解——即使在每天与 ANC 打交道的工程师之间也是如此。自适应降噪定义因最终用户所体验到的好处而异。市场上许多数字 ANC 解决方案提供的最常见技术是基于环境声音检测的自适应 ANC。但这意味着什么，或者我为什么要根据环境噪声调整我的 ANC 系统？好吧，乍一看，您可能会说这毫无意义，因为我一直希望我的 ANC 发挥最佳性能。然而，如今的终端用户在许多不同的情况下佩戴耳机，每种情况都面临着不同的噪声特性，如图 2 所示。飞机中的环境噪声曲线肯定与咖啡馆中的不同。在飞机上，用户通常会听到由喷气发动机引起的烦人的低频噪音，而在咖啡馆中，用户可能会听到他们喜欢限制的高频噪音。

图 2：用于环境声音检测的自适应 ANC。

自适应 ANC 系统的趋势是识别主要噪声源并将 ANC 系统集中在该频率范围内。此任务通常使用额外的 DSP 软件算法来实现。但是，为了识别环境噪声配置文件，前馈 ANC 麦克风还馈入低延迟 ANC DSP 和第二个 DSP。基于此环境噪声配置文件，可以重新配置定义耳机 ANC 特性的 ANC 滤波器系数。或者，还有多种解决方案可提供四种或更多不同的 ANC 预设。这些可以由 MCU 或通过按钮控制，无需交换滤波器系数，这有助于降低，例如，I ² C 公交车交通。

图 3：基于环境声音检测的自适应 ANC 系统。

图 3 中显示的原理与大多数市场解决方案相同，但环境噪声检测算法存在差异。最简单的方法是基于对噪声信号进行频率加权的 FFT。 ANC 供应商试图通过检测算法进行区分，现有的检测方法将被基于神经网络的场景检测所取代。因此，耳机可以准确判断环境——办公室、咖啡馆、飞机或其他地方——并选择理想的 ANC 滤波器或增强听力配置文件。图 3 中显示的系统框图是一个简化示例，有多种实现选项可支持此功能。无论采用哪种解决方案，输出始终相同，此类自适应 ANC 系统会根据环境噪声或检测到的事件自动调整降噪功能。

具有自动泄漏补偿的自适应 ANC

如前所述，第二个类别也具有相同的名称自适应降噪，但解决了一个完全不同的最终用户问题。众所周知，良好的 ANC 性能需要具有低延迟的高质量 ANC 电路以及出色的电声组件。然而，还有第三个重要因素经常被遗忘。带有增益和相位补偿滤波器的 ANC 耳机专为耳机的特定密封和无源衰减而设计：但这简单地说是什么意思？这完全是关于耳塞在用户耳朵中的正确贴合。耳塞密封不良会影响被动衰减，从而影响目标 ANC 滤波器传递函数。好吧，这可能听起来很学术，但这对最终用户意味着什么？被动衰减和耳塞贴合度的影响会导致不同用户之间的 ANC 性能损失。这是工程师为确保广泛的用户拥有良好的 ANC 性能而努力解决的常见问题。图 4 所示的图形说明了在不同耳塞泄漏水平下 ANC 性能损失所表达的问题。

图 4：基于不同耳塞泄漏水平的 ANC 性能损失。

该图显示了具有不同受控泄漏水平的松配（未使用橡胶头）TWS 耳塞的 ANC 性能。 “无耳塞泄漏”曲线是耳机设计为与用户耳朵良好贴合时的泄漏水平。该设备在此用例中显示出卓越的 ANC 性能，具有出色的峰值性能和宽 ANC 带宽。一旦引入泄漏（中等泄漏对应于 8mm ² 受控泄漏）您可以清楚地看到 ANC 性能下降了约 30dB，并且 ANC 带宽也大幅减少。如果泄漏进一步增加（高耳塞泄漏对应于~20mm ² 控制泄漏），这代表了一个宽松的耳塞，性能下降到 10dB 以下，这意味着对于最终用户来说，几乎没有明显的 ANC。所描述的不同 ANC 性能水平和不同用户耳塞佩戴的行为是自适应 ANC 解决的问题。因此，这种自适应 ANC 系统旨在补偿声学失配，以确保每个用户都能获得恒定的 ANC 性能，而不受耳塞是否适合用户耳朵的影响。

自适应失配补偿如何工作？

补偿失配的自适应 ANC 需要复杂的硬件和软件架构。为了更好地了解需要什么，查看至少一个 ANC 信号路径的目标频率和相位补偿曲线是有意义的。在图 5 所示的示例中，针对无泄漏和高泄漏用例显示了前馈目标增益和相位补偿滤波器曲线。正如前面在静态 ANC 系统中提到的，当耳塞正确插入耳朵时，滤波器通常会优化为无泄漏操作。

图 5：ALC 示例在不同泄漏水平下的目标滤波器曲线。

由于我们的目标是自适应系统，我们可以在图 5 中看到，目标 ANC 前馈频率和相位响应针对高泄漏水平而变化，这可以解释之前图 4 中显示的 ANC 性能损失。在静态 ANC 系统中，一旦耳塞未正确放置在耳朵中，增益和相位就不再与目标曲线匹配。因此，对于补偿失配的自适应系统的要求是明确的。设备需要能够根据耳塞泄漏级别动态调整 ANC 滤波器传递函数。或许这听起来并不难。由于当今的 ANC 系统基于混合 ANC 技术，因此并没有那么简单，尤其是当我们查看图 6 时，该图显示了自适应 ANC 系统的高级系统框图。

图 6：用于失配补偿的自适应 ANC 系统。

与静态系统相比，框图显示了更多的系统模块。原则上，支持降噪功能的低延迟DSP本身可以像一个静态系统，因为它需要能够完成相同的功能。唯一的区别是不能在不同的过滤器特性或预设之间切换，过滤器必须在运行时动态调整。切换到另一个滤波器组或预设会导致 ANC 丢失，这当然不是首选。因此，当 ANC 处于活动状态时，DSP 需要能够支持滤波器传递函数的动态重新配置。这使得 ANC DSP 的设计更加复杂，因为在静态系统中这通常不是必需的。

值得一提的是，不仅采用了前馈 ANC 路径，而且为了保持最高性能，还采用了反馈 ANC 信号路径。此外，高品质的主动降噪系统还采用了音乐播放频率响应，以在不同泄漏级别下保持相同的音质。

为了根据泄漏级别更换过滤器，还需要使用软件算法来检测用户耳朵中的泄漏级别。这通常是通过第二个 MCU 或 DSP 来完成的，该 MCU 或 DSP 监视麦克风以及其他传感器，如接近传感器和加速度计。虽然麦克风用于检测泄漏水平，但接近传感器通常用于检测极端情况。由于失配补偿算法也在调整关键的反馈 ANC 滤波器，系统可能会开始振荡并变得不稳定，因为在高泄漏情况下使用了过多的反馈增益，或者如果耳塞完全脱离耳朵。因此，额外的传感器信号有助于增强自适应系统的鲁棒性并检测不稳定性，以避免在用户耳内或耳外啸叫。这是最关键的功能之一，因为客户肯定会抱怨并认为耳塞有缺陷。因此，工程师必须确保在任何情况下都不会发生不稳定。

现在剩下的唯一问题是：这种额外的努力真的有回报吗？这些复杂的自适应系统真的有效吗？让我们看看图 7，它显示了具有三种不同泄漏水平的自适应 TWS 松配耳塞的 ANC 性能，如图 4 所示，带有静态 ANC 系统。我们可以清楚地看到，在没有泄漏的情况下，我们在 20Hz 到 2kHz 的宽带宽内获得了最佳 ANC 性能。如果现在系统引入了泄漏，软件算法会检测到泄漏并相应地更改 ANC 滤波器。即使耳塞泄漏水平很高，也可以将性能水平保持在最高水平。

如果您仔细观察曲线，您可能会发现低频区域的性能略有下降。这种现象很容易解释。这种用于自适应 ANC 测试的耳塞设计没有橡胶头，属于宽松耳塞的范畴。在这种具有高泄漏的开放式耳塞系统中，扬声器的输出功率因物理尺寸而受到限制。在某个泄漏点，扬声器无法产生足够的输出功率来抵消整个低频噪声，从而导致低频性能下降。总的来说，自适应 ANC 系统的结果很有希望，可以将 ANC 提升到一个新的水平。该技术当然也可以应用于密封耳塞或头戴式耳机，补偿戴眼镜时的泄漏。

图 7：不同泄漏级别的 ALC 性能曲线。

在不久的将来，我们很可能会看到自适应系统将自适应失配补偿系统与基于神经网络的环境识别系统相结合，从而同时补偿失配和优化 ANC 最佳点。

自适应 ANC 系统有意义吗？

有人可能会说：我不希望电子系统接管控制权，我可以管理操作模式和正确佩戴耳塞。其他用户可能会受益于始终提供独立于环境的理想性能的系统。我相信没有对错之分，这完全取决于个人喜好和产品的使用方式。一些用户可能会喜欢该功能，而另一些用户可能并不真正喜欢它。幸运的是，可以禁用此类功能，评估选项的最佳方法是围绕 AS3460 数字增强听力平台测试 ams AG 开发平台的自适应噪声消除解决方案。可根据要求使用 AS3460 为自适应 ANC 解决方案量身定制 ANC 开发工具。

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