ADI 低功耗音频编解码器助力ANC耳机进阶

目前在全球范围内，ANC耳机行业总体上处于比较先进的水平。全球最大的耳机设计商苹果公司，凭借 Airpods 系列包揽了ANC 27%以上的市场份额。2019年的全球ANC耳机的市场总值大概在109亿，在2026年预期能够达到240亿以上。年平均增长率在11% 左右。  

世界上第一款ANC耳机为Bose, 由Amar G. Bose博士带领团队设计，1989年正式商用。由于ANC耳机的模拟方案量产的良品率太低，成本居高不下，这使数字方案后来居上，开始大规模地占领市场份额。目前耳机的主要功能现状还是以下三点：

• 双耳传输要保证连接的稳定和平衡；
• 续航能力要得到保障；
• 降噪的效果和舒适度。

目前ADI在ANC领域上的建树主要体现在低功耗，低延时，高SNR和THD的DSP上，同时也不排除未来将蓝牙和DSP设计到同一芯片中，目前来看还是以分立的BT SOC + DSP为主。

根据麦克风的位置，ANC的原理总体上可以分为以下三类：

取样麦克风在耳机外边，通过取样麦克风获取噪声，能够获取外部全部的噪声，然后做反向，常见的场景就是入耳式耳机，没有被动降噪的情况。缺点是风噪对取样麦克风影响比较大，没有反馈及校正的办法。

取样麦克风在耳机头的内侧，通过取样麦克风获取环境噪声，能够获取耳机壳内部的噪声，然后做反向。常见的场景是头戴式耳机，该场景下，耳机大部分的高频噪声已经被耳机套过滤掉了，消噪压力小，效果也会变得比较好。缺点是容易产生自激从而引发啸叫，对播放路径和低频产生影响。

这里需要用到两个取样麦克风，把上文中的FF和FB都囊括到一个系统，再加上头戴式的被动降噪，可以把降噪效果做的非常好。市场上降噪效果比较好的都是这种架构。FF前馈系统可以消减参考传声器检测到的原始噪声相关的噪声，FB反馈式系统则对窄带噪声十分有效，两者结合使用，可以增强有源噪声控制系统的灵活性，从而比使用单一结构获得更好的降噪效果。但缺点是系统实现复杂、成本也非常高。

从封装较大的头戴式耳机方案到小体积小封装的TWS耳机方案，ADI都有相应的产品。头戴式耳机主要是以ADAU1772和ADAU1777为主，目前主要以小封装小体积的ADAU1787，ADAU1850/60为主，如下所示：

产品优势如下：

• 多路的单通道与差分通道的输入，可直接连接模拟麦克风输入
• 高性能的SNR（AWT）/THD指标，部分型号已经到Hi-Res标准
• 音频通道DAC还带有HPAMP的差分输出，HPAMP可以自由配置
• 输入端有PGA控件，增益可调
• 部分产品集成了Tensilica HiFi-3z DSP Core，以及336KB的内存
• 低功耗低电压输入以及高达768Khz的采样率
• 双二阶滤波器，限制器，增益调节，混音，以及多端硬件EQ调节
• 多路数字麦克风输入以及PDM输出通道
• 锁相环支持在30 kHz to 27 MHz的任意时钟频率
• 支持ASRC,  I2S，多路TDM，音频串口的同步频率为12KHZ-384KHZ
• 小封装，小体积支持通用的I2C、SPI等，外围的GPIO可复用其他功能

本文主要说明耳机降噪方面的功能及应用，不涉及蓝牙部分，所以蓝牙部分不赘述。降噪耳机的主要开发流程如下：

1、对耳机进行性能测试（包括：被动衰减测量、捕捉噪声麦克风的频率响应测量、耳机内部扬声器的频率响应和相位响应测量）。
2、开发ANC滤波器（这部分一般是建立在前者的测量函数上来。主要的目标是匹配增益和相位响应以及做相位差。因为声波是个周期波，所以相位差做到180度就能够达到反向效果）。
3、滤波器检验和ANC测试（对理想波形的滤波器设计进行调试，以及针对ANC的基础测试）。
4、量产一致性校验以及调教（耳机的一致性是个棘手的问题，所以后期装机的测试和调教就尤为重要）。

ADI在ANC的设计上，处理声音频段在2khz以下，总体能够达到30多DB的效果。当处理声音频段在2Khz以上时，在封闭式耳机里，吸音棉等可以被动的把高频噪声进行消除，实际上我们能听到的高频噪声就很少了。

再者，ANC算法对于高频噪声的匹配效果不好，高频下的相位旋转很大，频率过高，难以匹配成功，可能会得到完全相反的效果。所以目前主流的做法是：在2Khz以下的IIR无线冲击响应。 基本上功能的实现只需要匹配几个滤波器，根据其线性相位还有群延时的特性，能够保证整体频段上一个比较好的相位匹配效果。

在开发上，工程师还是要了解一些不同的拓扑结构以及截止频率、通带、阻带的计算方法。降噪深度方面，不是越深越好。在36DB以上，耳朵在幽闭环境中能明显感到一些不适感，耳机的听感下降厉害，音乐播放时，低频损失非常大，这些都是需要加以考虑。

未来的ANC的TWS耳机还是有很大的成长空间。我们可以发现，现在厂家们对耳机的功能不断进行更新及增加，ADI在ADAU1777上基本能实现的就是ANC的效果。在ADAU1787上，我们芯片的设计更贴合市场需求，推出了三段式的结构，可以通过按键去切换不同的降噪模式。同时在ADAU1850、ADAU1860上，我们也设计了唤醒模式， 100Mhz的内核的增加，可以让我们自主地去设计一些ENC，添加一些基础的声音效果等。在我们产品迭代中可以看到，SNR和THD功耗这些硬指标都在提高，以便为用户提供更好的体验。

从上面的介绍，相信大家对ANC还有ADI的DSP有了一个整体性的理解。在主动降噪领域的DSP设计上，我们一直都是贴合市场的需求，不断推出新产品，让消费者们享受到高音质，多功能的降噪耳机。医疗助听器产品方面，我们在未来也能够提供合适的DSP产品。如果您对上述产品有兴趣，可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更深入的讲解与介绍。