自适应ANC解决方案带来增强的音频功能

虽然 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于 2019 年发布其首款具有主动降噪功能的耳塞以来，该技术已经越来越受欢迎。从那时起，最终用户对 ANC 的认识显着提高，它已成为必不可少的功能适用于真无线 (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制造的。当时，很少有集成解决方案可用，因为少数半导体公司在这个利基市场投资于电子产品的小型化。

图 1：典型的分立和静态 ANC 电路。

查看图 1 所示的典型 ANC 实施，可以看出几乎没有机会实施很多灵活性和创新。所有的滤波器电路都基于固定的电子元件。调整的唯一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，与模拟解决方案相比具有许多优势——因为不再需要焊接无源 RC 组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。虽然设计工程师获得了更方便的调整功能，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 解决方案的能力也得到了提升。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，因此业界经常存在误解——即使是每天与 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，因为我总是希望我的 ANC 发挥最佳状态。然而，如今的最终用户在许多不同的情况下都戴着耳机，每个人都面临着不同的噪声特性，如图 2 所示。飞机上的环境噪声曲线肯定不同于咖啡馆里的环境噪声曲线。在飞机上，用户通常会听到烦人的声音，

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上。此任务通常使用附加的 DSP 软件算法来实现。然而，为了识别环境噪声曲线，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，也有几种解决方案提供四种或更多不同的 ANC 预设。这些可以由 MCU 或通过按下按钮来控制，而无需交换滤波器系数，这有助于减少例如 I 2 C 总线流量。

图 3：基于环境声音检测的自适应 ANC 系统。

图 3 所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，耳机可以准确地确定环境——办公室、咖啡馆、飞机或其他地方——并选择理想的 ANC 滤波器或增强的听力配置文件。图 3 所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。无论哪种解决方案，输出始终相同，

具有自动泄漏补偿的自适应 ANC

如前所述，第二类共享同名自适应降噪，但解决了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元件。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 耳机专为耳机的指定密封和被动衰减而设计：但简单来说这意味着什么？这完全取决于耳塞在用户耳朵中的正确贴合度。耳塞密封不良会影响无源衰减，进而影响目标 ANC 滤波器传递函数。嗯，这听起来很学术，但这对最终用户意味着什么？被动衰减的影响和耳塞的贴合度会导致不同用户之间的 ANC 性能下降。这是工程师们为确保广泛用户的良好 ANC 性能而努力解决的一个常见问题。图 4 所示的图形说明了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。

该图显示了松配合（未使用橡胶尖端）TWS 耳塞在不同受控泄漏水平下的 ANC 性能。“No Earbud Leakage”曲线是耳机的泄漏水平，旨在很好地贴合用户的耳朵。该器件在此用例中表现出卓越的 ANC 性能，具有出色的峰值性能和宽 ANC 带宽。一旦引入泄漏（Medium Leakage 对应于 8mm 2 受控泄漏），您可以清楚地看到 ANC 性能下降约 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 受控泄漏），它代表一个松散的耳塞，性能下降到 10dB 以下，这意味着对于最终用户而言，几乎没有明显的 ANC。所描述的不同 ANC 性能级别的行为和不同用户之间的耳塞配合是自适应 ANC 解决的问题。因此，这种类型的自适应 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，而与耳塞与用户耳朵的贴合度无关。

自适应错配补偿如何工作？

补偿错配的自适应 ANC 需要复杂的硬件和软件架构。为了更好地了解需要什么，有必要查看至少一条 ANC 信号路径的目标频率和相位补偿曲线。在图 5 所示的示例中，显示了无泄漏和高泄漏用例的前馈目标增益和相位补偿滤波器曲线。如前所述，在静态 ANC 系统中，当耳塞正确插入耳朵时，过滤器通常会针对无泄漏操作进行优化。

图 5：不同泄漏水平的 ALC 示例的目标滤波器曲线。

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在高泄漏水平下发生变化，这可以解释之前图 4 中所示的 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，增益和相位将不再匹配目标曲线。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水平动态调整 ANC 滤波器传递函数。也许这听起来不太难。由于当今的 ANC 系统基于混合 ANC 技术，因此并非如此简单，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：用于错配补偿的自适应 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，DSP 需要能够在 ANC 处于活动状态时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 ANC 系统还采用音乐播放频率响应，以在不同泄漏水平下保持相同的音质。

为了根据泄漏水平更改过滤器，还需要检测用户耳朵中的泄漏水平的软件算法。这通常通过第二个 MCU 或 DSP 来完成，该 MCU 或 DSP 正在监控麦克风以及接近传感器和加速度计等附加传感器。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，因此系统可能会开始振荡并变得不稳定，因为在高泄漏条件下使用过多的反馈增益或耳塞完全脱离耳朵。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产生啸叫。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。

现在唯一剩下的问题是：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？让我们看一下图 7，它显示了具有三个不同泄漏级别的自适应 TWS 松配合耳塞的 ANC 性能，如图 4 中的静态 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。如果现在将泄漏引入系统，软件算法会检测到泄漏并相应地更改 ANC 过滤器。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。

有人可能会说：我不希望电子系统接管控制，我可以管理操作模式和耳塞的正确佩戴。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这个功能，而另一些用户并不真正欣赏它。幸运的是，可以禁用这些功能，评估选项的最佳方法是测试 ams AG 开发平台，以获取围绕 AS3460 数字增强听力平台的自适应降噪解决方案。可根据要求提供使用 AS3460 的自适应 ANC 解决方案的定制 ANC 开发工具。

　　审核编辑：汤梓红