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      《電子技術應用》
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      新一代低功耗主動降噪方案問世,ADI本土團隊自主研發撬動TWS耳機市場發展新引擎

      2021-09-29
      來源:ADI
      關鍵詞: TWS

        “結廬在人境,而無車馬喧?!币磺Ф嗄昵暗墓湃藢η屐o的環境便充滿了向往。時至今日,人類社會進入空前繁華的現代化時代,繽紛多彩的生活無可避免地被遠超“車馬喧”的各種噪音侵蝕,想要靜靜成為現代人們的“奢想”。隨著科技的進步,一種叫主動降噪(ANC)的技術讓這種“奢想”開始變成現實,并逐步應用到了消費電子、汽車座艙、智慧家電等與人類生活密切相關的諸多領域。以TWS(真無線藍牙耳機)為例,主動降噪功能也已成為產品市場競爭的功能“剛需”?!懊鎸ο乱淮鶷WS耳機愈發強烈的主動降噪需求,上游廠商如何通過提供高性能芯片與算法解決方案,助力客戶導入產品并迅速將其推向市場,是TWS耳機‘下半場’競爭搶占市場先機的關鍵?!盇DI中國事業部工業醫療消費類產品市場經理Sophie在近日的采訪中表示。

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        ADI中國事業部工業醫療消費類產品市場經理Sophie Mao

        揭秘主動降噪技術的百年探索史,解碼TWS耳機的新爆點

        人類與噪音的斗爭史可以追溯到原始社會,打雷時嚇得捂住耳朵算是人類最早的降噪手段了。如今,傳統降噪方式衍生出了很多相關產品,例如耳塞、隔音棉、隔音板等,均是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,也無法從根本上解決噪聲。

        主動降噪ANC則是通過偵聽背景噪聲,利用芯片與算法模型計算噪聲聲波并生成反相聲波,利用聲波疊加抵消原理達到降噪效果??v觀其發展歷史,20世紀初聲學專家們開始考慮從噪音的本身入手從而達到減弱噪音的目的,最早在1933 年,德國物理學家 Paul Lueg提出有源噪聲控制即主動降噪的概念,利用聲波相消性干涉原理降噪。1978年,Bose的創始人Amar G. Bose博士在從歐洲飛往波士頓的飛機上,發現飛機引擎的噪音干擾了他戴耳機欣賞音樂的興致,在下飛機之后就開始推導驗算寫出了降噪耳機最原始的方程式。

        到上個世紀90年代,ADI fellow、美國工程院院士Bob Adam發明和開發了全球第一片單片Σ-Δ音頻ADC,使得Bose面向普通消費者的降噪耳機QuietComfort成為可能。進入21世紀,ADI fellow Khiem Nguyen發明和推動了低延時、低功耗音頻編解碼器信號鏈的產生,使得Bose工程師們在降噪耳機QuietComfort的基礎上推出小型化降噪耳機QC20,自此掀起了耳機行業“革命”的浪潮?!斑^去三十年來ADI一直與業界領先企業合作,處于ANC領域的全球前沿,積累了大量的技術經驗?!盨ophie指出,“因此,無論是早期推出的可編程低延時音頻處理引擎ADAU1772還是2017年及2019年先后推出的ADAU1777和ADAU1787,到我們最新推出的ADAU1860,綜合性能一直處于當年業界領先地位?!?/p>

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        由ADI中國事業部研發的ADAU1860/ ADAU1850發布

        新一代低功耗ANC芯片發布,多點關鍵性性能再升級

        據Sophie介紹,當前數字主動降噪是業界廣泛采用的技術,無論是前饋式、反饋式以及兩者結合的混合式(Hybrid),都是基于麥克風的噪聲采集--DSP/MCU處理,再輸出反相聲波進行降噪?!盁o論是ADC/DAC還是DSP,ADI都是業界公認具有領先技術的企業,因此我們在ANC技術領域具有天然的領先基因?!盨ophie指出,“而DSP相較于固化軟件的arm處理器具有極大的設計靈活性和優化能力--你可以單獨調整濾波器,也可以根據不同需求定制軟件?!?/p>

        ADAU1860是ADI推出的新一代低功耗主動降噪芯片,主要由三個部分組成:第一部分是ADC,將外界的音源采集進來,轉換成數字信號;中間部分是兩顆非常強大的DSP,一顆是 HiFi-3z DSP,主要實現音頻場景的識別,例如上行降噪、語音喚醒。另一顆則是Fast DSP,擴展到了96位指令集,在完成ANC的一套濾波器算法外可以實現對底噪的抑制,對EQ的調整等更多功能;第三部分則是高性能的DAC,供電上1.2V與1.8V的雙電源軌設置,可以根據客戶不同的使用場景,進一步優化功耗。

        而Sophie提到的基于arm內核MCU方案是業界ANC方案中采用較多的一種集成化SoC系統方案,通常將藍牙與ANC功能實現單芯片集成?!癆DI主動降噪方案采用藍牙和ANC CODEC分離的數字處理電路、混合式降噪方案,這種天然隔離的方法相比SoC的方案,降低了藍牙收發帶來的噪聲干擾,為客戶帶去更好的音質體驗?!盨ophie補充道,“耳機最本質功能是確保音頻品質,好的方案需要確保用戶享受音樂的聽感體驗,這部分是由模擬技術來決定的?!?/p>

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        分離方案 VS SOC 方案

        ADI利用ADC、DAC和DSP組合設計,在保障信號質量的同時表現出了強大的信號處理能力,同時彰顯了其在芯片小封裝與低功耗上的深厚功力。針對TWS耳機市場有分化成基本功能型與擴展型的兩大發展趨勢,ADI同期推出了功能型產品ADAU1860和簡化版本ADAU1850,兩款產品主要的區別是后者減少了Hifi-3Z DSP,僅保留Fast DSP?!氨M管減少了ADAU1860的音頻場景識別,但同樣可以幫助客戶在ANC上達到非常高的水平,完成產品升級換代的訴求?!?Sophie強調道。

        一款出色的TWS耳機需要佩戴舒適以及長時間使用并無差別適合各種生活場景,因此從聲學設計到被動降噪與主動降噪綜合平衡,都是需要廠家在設計耳機時考慮的要點?!癆DI新一代主動降噪芯片可以提供適用于許多音頻和語音應用的可靠數字信號處理解決方案,包括語音增強、降噪、回聲消除、電平控制、聲音反饋抑制、麥克風陣列和有源噪聲/振動控制,這些都可以讓客戶為耳機創建一些獨有的特性和賣點?!盨ophie補充道。

        本土研發優勢+全生態支持,ADI助推ANC加速市場滲透

        據Sophie介紹,此次新品也是ADI中國團隊完全本土自主研發設計的產品,背后透露了三個方面綜合考慮:

        首先在硬件層面上,ADI中國研發團隊充分融合了本地客戶的產品設計和市場需求,無論是本地消費類的大客戶、小客戶還是中型客戶,都盡量能夠貼近他們的硬件需求;

        其次在軟件和支持層面,ADI的軟件開發工具與部分算法,都是由本地來實現的,因此可以在很短的時間內就可以幫助客戶使用ADI的開發工具設計出更好的產品;

        最后一點在供應鏈上,ADI會更多地采用本土的供應商,讓客戶有了更多的選項,以滿足不同的訴求。

        “ADI免費的音頻處理器編程、開發和調試軟件Lark Studio工具,提供多種集成至直觀的圖形用戶界面(GUI)的信號處理算法,從而能夠創建復雜的音頻信號流,對于不懂編程但精通聲學的客戶群體來說,他們也可以使用該軟件輕松完成任務?!?Sophie指出,“Lark Studio也是很好的在線實時調音平臺,我們所有的客戶都是基于Lark Studio來做前期開發,包括完成原型設計?!?/p>

        雖然現階段的TWS耳機市場火爆依舊,但其中增長的很大一部分仍然是沒有ANC功能的TWS耳機,原因是ANC在開發和在生產環節還是有非常多技術上的門檻。為幫助更中小企業順利導入ANC方案,ADI除了持續創新不斷推出性能更優的產品方案,更在推出硬件參考設計之余加強軟件參考引導,讓客戶的設計和量產更容易。此外,ADI還與生產校準設備廠商合作,直接將ADI整套校準程序集合于其中,降低客戶生產校準的技術門檻?!癆DI會跟廣大廠家合作,幫助他們將有ANC需求的客戶做轉化,共同推動ANC功能在TWS耳機中的普及。相信有了ANC技術加持,TWS耳機在將來不僅是一個提升生活品質的配件,也會是不可或缺的移動互聯網入口之一?!盨ophie總結道。


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