雖然 ANC 對發燒友來說并不是什么新鮮事，但自從一家著名的加利福尼亞公司于 2019 年發布其首款具有主動降噪功能的耳塞以來，該技術已經越來越受歡迎。從那時起，最終用戶對 ANC 的認識顯著提高，它已成為必不可少的功能適用于真無線 (TWS) 耳塞和耳機。

靜態 ANC 解決方案

如果我們回顧十年，大多數耳機設計都是使用分立電子設備制造的。當時，很少有集成解決方案可用，因為少數半導體公司在這個利基市場投資于電子產品的小型化。

圖 1：典型的分立和靜態 ANC 電路。

查看圖 1 所示的典型 ANC 實施，可以看出幾乎沒有機會實施很多靈活性和創新。所有的濾波器電路都基于固定的電子元件。調整的唯一機會是在批量生產期間通過機械電位器校準麥克風，以補償耳機的電聲容差。

在過去五年中，半導體公司開始認識到 ANC 的市場潛力，因此發布了大量靜態數字 ANC 解決方案，與模擬解決方案相比具有許多優勢——因為不再需要焊接無源 RC 組件來進行濾波器調諧。例如，軟件更新可以提高耳機的性能或解決現場測試期間可能出現的穩定性問題。然而，除了轉向數字信號處理之外，基本功能幾乎與模擬實現相同。雖然設計工程師獲得了更方便的調整功能，但與模擬解決方案相比，由于延遲增加，缺點可以說包括更高的功耗和更低的性能。

?用于環境聲音檢測的自適應 ANC

隨著硅工藝節點不斷縮小以降低電流消耗，同時提高數字信號處理器 (DSP) 的計算能力，數字 ANC 解決方案的能力也得到了提升。與模擬解決方案相比，靜態數字 ANC 系統的優勢有限，工程師們開始認識到新的數字低功耗 ANC 解決方案的潛力，該解決方案可以提供稱為自適應噪聲消除的差異化功能。

由于 ANC 功能沒有官方命名法，因此業界經常存在誤解——即使是每天與 ANC 打交道的工程師之間也是如此。自適應降噪定義因最終用戶體驗到的好處而異。市場上許多數字 ANC 解決方案提供的最常見技術是基于環境聲音檢測的自適應 ANC。但這意味著什么，或者我為什么要根據環境噪聲調整我的 ANC 系統？好吧，乍一看，您可能會說這毫無意義，因為我總是希望我的 ANC 發揮最佳狀態。然而，如今的最終用戶在許多不同的情況下都戴著耳機，每個人都面臨著不同的噪聲特性，如圖 2 所示。飛機上的環境噪聲曲線肯定不同于咖啡館里的環境噪聲曲線。在飛機上，用戶通常會聽到煩人的聲音，

圖 2：用于環境聲音檢測的自適應 ANC。

自適應 ANC 系統的趨勢是識別主要噪聲源并將 ANC 系統集中在該頻率范圍上。此任務通常使用附加的 DSP 軟件算法來實現。然而，為了識別環境噪聲曲線，前饋 ANC 麥克風還饋入低延遲 ANC DSP 和第二個 DSP。基于此環境噪聲配置文件，可以重新配置定義耳機 ANC 特性的 ANC 濾波器系數。或者，也有幾種解決方案提供四種或更多不同的 ANC 預設。這些可以由 MCU 或通過按下按鈕來控制，而無需交換濾波器系數，這有助于減少例如 I 2 C 總線流量。

圖 3：基于環境聲音檢測的自適應 ANC 系統。

圖 3 所示的原理與大多數市場解決方案相同，但環境噪聲檢測算法存在差異。最簡單的方法是基于對噪聲信號進行頻率加權的 FFT。ANC 供應商試圖通過檢測算法進行區分，現有的檢測方法將被基于神經網絡的場景檢測所取代。因此，耳機可以準確地確定環境——辦公室、咖啡館、飛機或其他地方——并選擇理想的 ANC 濾波器或增強的聽力配置文件。圖 3 所示的系統框圖是一個簡化示例，有多種實現選項可支持此功能。無論哪種解決方案，輸出始終相同，

具有自動泄漏補償的自適應 ANC

如前所述，第二類共享同名自適應降噪，但解決了完全不同的最終用戶問題。眾所周知，良好的 ANC 性能需要具有低延遲的高質量 ANC 電路以及出色的電聲元件。然而，還有第三個重要因素經常被遺忘。帶有增益和相位補償濾波器的 ANC 耳機專為耳機的指定密封和被動衰減而設計：但簡單來說這意味著什么？這完全取決于耳塞在用戶耳朵中的正確貼合度。耳塞密封不良會影響無源衰減，進而影響目標 ANC 濾波器傳遞函數。嗯，這聽起來很學術，但這對最終用戶意味著什么？被動衰減的影響和耳塞的貼合度會導致不同用戶之間的 ANC 性能下降。這是工程師們為確保廣泛用戶的良好 ANC 性能而努力解決的一個常見問題。圖 4 所示的圖形說明了不同耳塞泄漏水平下 ANC 性能損失所表達的問題。

圖 4：基于不同耳塞泄漏水平的 ANC 性能損失。

該圖顯示了松配合（未使用橡膠尖端）TWS 耳塞在不同受控泄漏水平下的 ANC 性能。“No Earbud Leakage”曲線是耳機的泄漏水平，旨在很好地貼合用戶的耳朵。該器件在此用例中表現出卓越的 ANC 性能，具有出色的峰值性能和寬 ANC 帶寬。一旦引入泄漏（Medium Leakage 對應于 8mm 2?受控泄漏），您可以清楚地看到 ANC 性能下降約 30dB，并且 ANC 帶寬也大幅減少。如果泄漏進一步增加（高耳塞泄漏對應于~20mm 2?受控泄漏），它代表一個松散的耳塞，性能下降到 10dB 以下，這意味著對于最終用戶而言，幾乎沒有明顯的 ANC。所描述的不同 ANC 性能級別的行為和不同用戶之間的耳塞配合是自適應 ANC 解決的問題。因此，這種類型的自適應 ANC 系統旨在補償聲學失配，以確保每個用戶都能獲得恒定的 ANC 性能，而與耳塞與用戶耳朵的貼合度無關。

自適應錯配補償如何工作？

補償錯配的自適應 ANC 需要復雜的硬件和軟件架構。為了更好地了解需要什么，有必要查看至少一條 ANC 信號路徑的目標頻率和相位補償曲線。在圖 5 所示的示例中，顯示了無泄漏和高泄漏用例的前饋目標增益和相位補償濾波器曲線。如前所述，在靜態 ANC 系統中，當耳塞正確插入耳朵時，過濾器通常會針對無泄漏操作進行優化。

圖 5：不同泄漏水平的 ALC 示例的目標濾波器曲線。

由于我們的目標是自適應系統，我們可以在圖 5 中看到目標 ANC 前饋頻率和相位響應在高泄漏水平下發生變化，這可以解釋之前圖 4 中所示的 ANC 性能損失。在靜態 ANC 系統中，一旦耳塞未正確放置在耳朵中，增益和相位將不再匹配目標曲線。因此，對于補償失配的自適應系統的要求是明確的。設備需要能夠根據耳塞泄漏水平動態調整 ANC 濾波器傳遞函數。也許這聽起來不太難。由于當今的 ANC 系統基于混合 ANC 技術，因此并非如此簡單，尤其是當我們查看圖 6 時，該圖顯示了自適應 ANC 系統的高級系統框圖。

圖 6：用于錯配補償的自適應 ANC 系統。

與靜態系統相比，框圖顯示了更多的系統塊。原則上，支持降噪功能的低延遲DSP本身可以像一個靜態系統，因為它需要能夠完成相同的功能。唯一的區別是，不能在不同的過濾器特性或預設之間切換，過濾器必須在運行時動態調整。切換到另一個濾波器組或預設會導致 ANC 丟失，這當然不是首選。因此，DSP 需要能夠在 ANC 處于活動狀態時支持濾波器傳遞函數的動態重新配置。這使得 ANC DSP 的設計更加復雜，因為在靜態系統中這通常不是必需的。

值得一提的是，不僅采用了前饋 ANC 路徑，而且——為了保持最高性能——還采用了反饋 ANC 信號路徑。此外，高品質 ANC 系統還采用音樂播放頻率響應，以在不同泄漏水平下保持相同的音質。

為了根據泄漏水平更改過濾器，還需要檢測用戶耳朵中的泄漏水平的軟件算法。這通常通過第二個 MCU 或 DSP 來完成，該 MCU 或 DSP 正在監控麥克風以及接近傳感器和加速度計等附加傳感器。雖然麥克風用于檢測泄漏水平，但接近傳感器通常用于檢測極端情況。由于失配補償算法也在調整關鍵的反饋 ANC 濾波器，因此系統可能會開始振蕩并變得不穩定，因為在高泄漏條件下使用過多的反饋增益或耳塞完全脫離耳朵。因此，額外的傳感器信號有助于增強自適應系統的魯棒性并檢測不穩定性，以避免在用戶耳內或耳外產生嘯叫。這是最關鍵的功能之一，因為客戶肯定會抱怨并認為耳塞有缺陷。因此，工程師必須確保在任何情況下都不會發生不穩定。

現在唯一剩下的問題是：這種額外的努力真的有回報嗎？這些復雜的自適應系統真的有效嗎？讓我們看一下圖 7，它顯示了具有三個不同泄漏級別的自適應 TWS 松配合耳塞的 ANC 性能，如圖 4 中的靜態 ANC 系統。我們可以清楚地看到，在沒有泄漏的情況下，我們在 20Hz 到 2kHz 的寬帶寬內獲得了最佳 ANC 性能。如果現在將泄漏引入系統，軟件算法會檢測到泄漏并相應地更改 ANC 過濾器。即使耳塞泄漏水平很高，也可以將性能水平保持在最高水平。

有人可能會說：我不希望電子系統接管控制，我可以管理操作模式和耳塞的正確佩戴。其他用戶可能會受益于始終提供獨立于環境的理想性能的系統。我相信沒有對錯之分，這完全取決于個人喜好和產品的使用方式。一些用戶可能會喜歡這個功能，而另一些用戶并不真正欣賞它。幸運的是，可以禁用這些功能，評估選項的最佳方法是測試 ams AG 開發平臺，以獲取圍繞 AS3460 數字增強聽力平臺的自適應降噪解決方案。可根據要求提供使用 AS3460 的自適應 ANC 解決方案的定制 ANC 開發工具。

　　審核編輯：湯梓紅