Решения с адаптивным ANC расширяют возможности звука

Хотя активное шумоподавление (ANC) не является чем-то новым для аудиофилов, Популярность технологии выросла с тех пор, как известная калифорнийская компания выпустила свои первые наушники.

В то время как ANC не является чем-то новым для аудиофилов, популярность этой технологии выросла с тех пор, как известная калифорнийская компания выпустила свои первые наушники с активным шумоподавлением в 2019 году. С тех пор осведомленность конечных пользователей об ANC значительно возросла, и она стала обязательной функцией. для наушников True Wireless (TWS) и гарнитур.

Статические решения ANC

Если мы оглянемся на десять лет назад, большинство дизайнов гарнитур были созданы с использованием дискретной электроники. В то время было доступно несколько интегрированных решений, поскольку небольшое количество компаний, производящих полупроводники, вложили средства в миниатюризацию электроники в этой нише рынка.

Рис. 1. Типичная дискретная и статическая схема ANC.

Глядя на типичную реализацию ANC, показанную на рисунке 1, можно заметить, что было мало возможностей для реализации большей гибкости и инноваций. Вся схема фильтра была основана на фиксированных электронных компонентах. Единственным шансом для настройки была калибровка микрофонов во время массового производства с помощью механических потенциометров для компенсации электроакустических допусков гарнитуры.

В течение последних пяти лет полупроводниковые компании начали осознавать рыночный потенциал ANC и поэтому выпустили множество статических цифровых решений ANC, предлагающих множество преимуществ по сравнению с аналоговыми решениями - поскольку больше нет необходимости паять пассивные RC-компоненты для настройки фильтров. Например, обновления программного обеспечения могут улучшить производительность гарнитуры или решить проблемы со стабильностью, которые могут возникнуть во время полевых испытаний. Однако, помимо перехода на цифровую обработку сигналов, основные функции остались практически такими же, как и в аналоговых реализациях. Хотя инженеры-конструкторы получают более удобные возможности настройки, к недостаткам можно отнести более высокое энергопотребление и более низкую производительность по сравнению с аналоговыми решениями из-за увеличенной задержки.

Адаптивный ANC для обнаружения окружающего звука

Поскольку кремниевые технологические узлы сжимаются, чтобы снизить потребление тока при одновременном увеличении вычислительной мощности процессоров цифровых сигналов (DSP), возможности цифровых решений ANC улучшились. Вместо статических цифровых систем ANC, которые предлагают ограниченные преимущества по сравнению с аналоговыми решениями, инженеры начали осознавать потенциал новых цифровых решений ANC с низким энергопотреблением, которые могут предоставлять отличительную функцию, называемую адаптивным шумоподавлением.

Поскольку не существует официальной номенклатуры функций ANC, в отрасли часто возникают недопонимания - даже между инженерами, которые имеют дело с ANC каждый день. Определения адаптивного шумоподавления различаются в зависимости от преимуществ, которые испытывают конечные пользователи. Наиболее распространенной технологией, предоставляемой многими цифровыми решениями ANC на рынке, является адаптивная технология ANC, основанная на обнаружении окружающего звука. Но что это означает или зачем мне адаптировать свою систему ANC к окружающему шуму? Что ж, на первый взгляд можно сказать, что в этом нет смысла, поскольку я всегда хочу, чтобы мой ANC работал наилучшим образом. Однако в настоящее время конечные пользователи носят наушники во многих различных ситуациях, каждая из которых сталкивается с разными шумовыми характеристиками, как показано на рисунке 2. Профиль окружающего шума в самолете, безусловно, отличается от профиля в кафе. В самолете пользователь обычно слышит раздражающий низкочастотный шум от реактивного двигателя, тогда как в кафе пользователь может слышать высокочастотный шум, который он предпочитает ограничивать.

Рис. 2. Адаптивный ANC для обнаружения окружающего звука.

Тенденция адаптивных систем ANC состоит в том, чтобы идентифицировать доминирующий источник шума и фокусировать систему ANC на этом частотном диапазоне. Эта задача обычно реализуется с помощью дополнительных программных алгоритмов DSP. Однако для определения профиля окружающего шума микрофон ANC с прямой связью также подает сигнал на DSP ANC с малой задержкой и второй DSP. На основе этого профиля окружающего шума можно перенастроить коэффициенты фильтра ANC, которые определяют характеристики ANC гарнитуры. В качестве альтернативы есть также несколько решений, которые предлагают четыре или более различных предустановок ANC. Этим можно управлять с помощью микроконтроллера или нажатием кнопки без необходимости замены коэффициентов фильтра, что помогает уменьшить, например, I ² Автобусное движение C.

Рисунок 3. Адаптивная система ANC, основанная на обнаружении окружающего звука.

Принцип, показанный на Рисунке 3, одинаков для большинства рыночных решений, однако есть различия в алгоритме обнаружения окружающего шума. Самый простой способ основан на БПФ с частотным взвешиванием шумового сигнала. Производители ANC пытаются дифференцироваться с помощью алгоритмов обнаружения, и существующие методы обнаружения будут заменены обнаружением сцены на основе нейронных сетей. Таким образом, гарнитура может точно определять среду - офис, кафе, самолет или где-то еще - и выбирать идеальный фильтр ANC или расширенный профиль слуха. Блок-схема системы, показанная на рисунке 3, является упрощенным примером, и существуют различные варианты реализации для поддержки этой функции. Независимо от того, какое решение, выход всегда один и тот же, функция шумоподавления автоматически настраивается на основе окружающего шума или обнаруженных событий в этой категории адаптивных систем ANC.

Адаптивный ANC с автоматической компенсацией утечки

Вторая категория разделяет, как указывалось ранее, то же самое название «Адаптивное шумоподавление», но решает совершенно другую проблему конечного пользователя. Хорошо известно, что для хорошей производительности ANC требуется высококачественная схема ANC с низкой задержкой плюс отличные электроакустические компоненты. Однако есть третий важный фактор, о котором очень часто забывают. Гарнитура ANC с фильтрами компенсации усиления и фазы предназначена для заданного уплотнения и пассивного затухания гарнитуры:но что это означает простыми словами? Все дело в правильной установке наушника в ушах пользователя. Плохое уплотнение наушника влияет на пассивное затухание, что влияет на передаточную функцию целевого фильтра ANC. Что ж, это может звучать академично, но что это значит для конечного пользователя? Влияние пассивного затухания и посадки наушника может привести к снижению производительности ANC у разных пользователей. Это обычная проблема, с которой сталкиваются инженеры, стремясь обеспечить хорошую производительность ANC для широкого круга пользователей. Рисунок, показанный на рисунке 4, иллюстрирует проблему, выражающуюся в потере производительности ANC при разных уровнях утечки в наушниках.

Рис. 4. Потеря производительности ANC на основе различных уровней утечки в наушниках.

На графике показаны характеристики ANC незакрепленного (без резинового наконечника) наушника TWS с различными контролируемыми уровнями утечки. Кривая «Нет утечки в наушниках» - это уровень утечки, на который рассчитана гарнитура, чтобы она хорошо прилегала к уху пользователя. Устройство демонстрирует превосходную производительность ANC для этого случая использования с отличной пиковой производительностью и широкой полосой пропускания ANC. Как только возникнет утечка (средняя утечка соответствует 8 мм ² контролируемая утечка), вы можете ясно видеть, что производительность ANC падает на ~ 30 дБ, а также происходит значительное сокращение полосы пропускания ANC. При дальнейшем увеличении утечки (высокая утечка в наушниках соответствует ~ 20 мм ² контролируемая утечка), который представляет собой наушник с незакрепленной посадкой, производительность падает ниже 10 дБ, что означает, что для конечного пользователя функция ANC практически не заметна. Описанное поведение различных уровней производительности ANC и подходящих наушников для разных пользователей - проблема, решаемая Adaptive ANC. Таким образом, этот тип адаптивной системы ANC направлен на компенсацию акустического несоответствия, чтобы гарантировать, что каждый пользователь может получить постоянную производительность ANC независимо от того, насколько наушники подходят к ушам пользователей.

Как работает компенсация Adaptive Misfit?

Адаптивный ANC, который компенсирует несоответствие, требует сложной аппаратной и программной архитектуры. Чтобы лучше понять, что необходимо, имеет смысл взглянуть на кривые компенсации целевой частоты и фазы по крайней мере для одного из трактов сигнала ANC. В примере, показанном на рисунке 5, кривые целевого коэффициента усиления и фазовой компенсации фильтра с прямой связью показаны для случая использования без утечек и с высокой утечкой. Как упоминалось ранее, в статических системах ANC фильтр обычно оптимизирован для предотвращения утечки, когда наушник правильно вставлен в ухо.

Рис. 5. Кривые целевого фильтра для примера ALC для разных уровней утечки.

Поскольку мы стремимся к адаптивной системе, мы можем видеть на рисунке 5, что целевая частота прямой связи ANC и фазовая характеристика изменяются для высоких уровней утечки, что может объяснить потерю производительности ANC, показанную на рисунке 4 ранее. В статической системе ANC усиление и фаза больше не соответствуют целевой кривой, если наушник неправильно расположен в ухе. Таким образом, очевидно, что требуется адаптивная система, компенсирующая несоответствие. Устройство должно иметь возможность динамически регулировать передаточную функцию фильтра ANC в зависимости от уровня утечки наушников. Возможно, это не кажется слишком сложным. Поскольку современные системы ANC основаны на гибридной технологии ANC, это не так просто, особенно если мы посмотрим на рисунок 6, на котором показана высокоуровневая блок-схема адаптивной системы ANC.

Рисунок 6. Адаптивная система ANC для компенсации несоответствия.

На блок-схеме показано намного больше системных блоков по сравнению со статической системой. В принципе, DSP с малой задержкой, который сам поддерживает функцию шумоподавления, может быть похож на статическую систему, поскольку он должен иметь возможность выполнять ту же функцию. Единственное отличие состоит в том, что вместо возможности переключения между различными характеристиками фильтра или предустановками фильтр необходимо динамически настраивать во время работы. Переключение на другой банк фильтров или предустановку приведет к отключению ANC, что, конечно, нежелательно. Следовательно, DSP должен иметь возможность поддерживать динамическую реконфигурацию передаточной функции фильтра, пока активен ANC. Это усложняет разработку ANC DSP, поскольку в статических системах это обычно не является обязательным требованием.

Важно отметить, что принят не только путь ANC с прямой связью, но - для поддержания максимальной производительности - также путь сигнала ANC с обратной связью. Кроме того, высококачественные системы ANC также используют частотную характеристику воспроизведения музыки, чтобы поддерживать одинаковое качество звука с разными уровнями утечки.

Чтобы изменить фильтры в соответствии с уровнем утечки, существуют также программные алгоритмы, необходимые для обнаружения уровня утечки в ухе пользователя. Обычно это делается с помощью второго MCU или DSP, который контролирует микрофоны, а также дополнительных датчиков, таких как датчик приближения и акселерометр. В то время как микрофоны используются для обнаружения уровня утечки, датчики приближения обычно используются для обнаружения угловых случаев. Поскольку алгоритмы компенсации несоответствия также регулируют критические фильтры обратной связи ANC, может случиться так, что система начнет колебаться и станет нестабильной из-за использования слишком большого усиления обратной связи в условиях высокой утечки или если наушник полностью вне уха. Таким образом, дополнительные сигналы датчиков помогают сделать адаптивную систему надежной и обнаруживать нестабильность, чтобы избежать шума внутри или вне уха пользователя. Это одна из наиболее важных функций, потому что покупатели наверняка будут жаловаться и думать, что наушник неисправен. Поэтому инженеры должны гарантировать, что ни при каких обстоятельствах не может возникнуть нестабильность.

Единственные вопросы, которые остаются сейчас:действительно ли эти дополнительные усилия окупаются? Действительно ли работают эти сложные адаптивные системы? Давайте посмотрим на рисунок 7, на котором показаны характеристики ANC адаптивного наушника TWS со свободной посадкой с тремя различными уровнями утечки, как на рисунке 4, со статической системой ANC. Мы ясно видим, что без утечки мы получаем лучшую производительность ANC в широкой полосе частот от 20 Гц до 2 кГц. Если утечка теперь присутствует в системе, программные алгоритмы обнаруживают утечку и соответственно меняют фильтры ANC. Уровень производительности можно поддерживать на высоком уровне даже при высоком уровне утечки в наушниках.

Если вы внимательно посмотрите на кривую, вы можете заметить, что в области низких частот производительность немного снижается. Это явление легко объяснимо. Эта конструкция наушника, используемая для теста адаптивного ANC, не имеет резиновых наконечников и относится к категории наушников со свободной посадкой. В таких открытых наушниках-вкладышах с высокой утечкой выходная мощность динамиков ограничена из-за физических размеров. В определенной точке утечки динамик не может производить достаточную выходную мощность для подавления всего низкочастотного шума, что приводит к ухудшению низкочастотных характеристик. В целом результаты адаптивных систем ANC многообещающие и могут поднять ANC на новый уровень. Эта технология, безусловно, может быть применена к герметичным наушникам или наушникам-вкладышам, компенсируя утечки, вызванные ношением очков.

Рисунок 7. Кривые производительности ALC с разными уровнями утечки.

В ближайшем будущем мы, вероятно, увидим адаптивные системы, сочетающие адаптивные системы компенсации несоответствия с системами на основе нейронных сетей, которые распознают окружающую среду, таким образом компенсируя несоответствие и оптимизируя золотую середину ANC одновременно.

Имеют ли смысл адаптивные системы ANC?

Кто-то может сказать:я не хочу, чтобы электронная система взяла на себя управление, и я могу управлять режимами работы и правильной настройкой своих наушников. Другие пользователи могут извлечь выгоду из системы, которая всегда обеспечивает идеальную производительность независимо от среды. Я считаю, что нет правильного или неправильного, все дело в личных предпочтениях и способах использования продукта. Некоторым пользователям эта функция может понравиться, а другим она не понравится. К счастью, такие функции можно отключить, и лучший способ оценить варианты - это протестировать платформу разработки AMS AG для решений с адаптивным шумоподавлением на базе цифровой платформы расширенного слуха AS3460. Индивидуальные инструменты разработки ANC для адаптивных решений ANC, использующие AS3460, доступны по запросу.

Для получения дополнительной информации посетите https://ams-osram.com

---

Связанное содержание:

• ИИ находит свой голос в аудио цепочке.
• Как граничные звуковые процессоры обеспечивают интеграцию голоса в устройствах Интернета вещей
• Лучшая обработка звука по краю.
• Улучшение активного шумоподавления с помощью новых автомобильных аудиотехнологий.
• Рекомендации по проектированию маломощных, постоянно включенных систем голосового управления.
• Устройства с низким энергопотреблением могут слушать с помощью кремниевой улитки.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.