Адаптивные решения ANC обеспечивают превосходную аудиопроизводительность

Пока активное шумоподавление (ANC) долгое время было основным для аудиофилов, его роль на сегодняшнем рынке драматически расширилась с 2019 года, когда ведущий калифорнийский бренд запустил первые TWS-наушники с ANC. Эта веха вызвала широкое осознание, сделав ANC неотъемлевой фичей для true-wireless (TWS) наушников и гарнитур.

Статичные решения ANC

На протяжении последнего десятилетия большинство гарнитур полагались на дискретные компоненты. В то время лишь горсть полупроводниковых фирм инвестировала в миниатюризацию ANC-электроники, ограничивая инновации. Рисунок 1 показывает типичную статичную схему ANC: все ступени фильтров были фиксированы, с единственной опцией настройки — механические потенциометры, устанавливаемые во время массового производства для компенсации электро-акустических толерансов.

Рисунок 1: Типичная дискретная и статичная схема ANC.

За последние пять лет цифровые решения ANC пролиферировали, предлагая несколько преимуществ: нет необходимости в паяных RC-компонентах, возможность firmware-апдейтов для улучшения производительности и лучшая стабильность при полевых тестах. Однако базовая функциональность оставалась в основном неизменной, и дизайнеры все еще сталкивались с более высоким потреблением энергии и увеличенной латентностью по сравнению с аналоговыми дизайнами.

Адаптивный ANC для детекции окружающего звука

Прогресс в кремниевых узлах сократил потребление энергии в то время как усилил DSP-возможности, проложив путь для адаптивного ANC, который подстраивает свой ответ под окружающую среду. Хотя терминология варьируется по отрасли, наиболее распространенная форма адаптивного ANC опирается на детекцию окружающего звука для настройки характеристик фильтра.

Рассмотрим шумовой профиль коммерческого полета против оживленного кафе. Низкочастотный гул реактивных двигателей доминирует в первом, в то время как высокочастотный разговор преобладает во втором. Адаптивные ANC-системы детектируют доминирующий частотный диапазон шума и переконфигурируют коэффициенты ANC-фильтра соответственно, часто через вторичный DSP. Рисунок 2 иллюстрирует этот процесс.

Рисунок 2: Адаптивный ANC для детекции окружающего звука.

Некоторые вендоры предлагают множественные предустановленные профили (например, офис, кафе, самолет), выбираемые через MCU или пользовательский интерфейс. Более передовые решения используют нейросеть-базированную детекцию сцены, позволяя гарнитуре автоматически выбирать оптимальный ANC-фильтр и даже увеличивать профиль слуха для конкретных сред.

Адаптивный ANC с автоматической компенсацией утечки

Качественный ANC также зависит от правильного посадки уха: плохая герметичность снижает пассивную аттенуацию, нарушая целевую передаточную функцию фильтра. Рисунок 4 демонстрирует, как уровни утечки деградируют ANC-производительность по спектру.

Рисунок 4: Потеря ANC-производительности на основе разных уровней утечки наушника.

Адаптивная компенсация несоответствия решает эту проблему, динамически настраивая как feed-forward, так и feed-back ANC-фильтры на основе измерений утечки в реальном времени. Это требует изощренной архитектуры: низколатентный DSP, способный переконфигурировать свою передаточную функцию на лету, дополнительные сенсоры (микрофоны, приближенность, акселерометр) для детекции посадки и избежания нестабильности, и алгоритмические безопасные гарантии для предотвращения обратных осцилляций.

Рисунок 5 показывает целевые кривые усиления и фазы для сценариев без утечки против высокой утечки, подчеркивая, почему статичные дизайны терпят неудачу, когда наушник сидит слабо.

Рисунок 5: Целевые кривые фильтра для примера ALC для разных уровней утечки.

Высокоуровневая блок-схема на Рисунке 6 иллюстрирует дополнительные компоненты: двойные DSP, вторичный MCU и сенсорные интерфейсы. Ключ — непрерывная, низколатентная переконфигурация, держащая ANC стабильной при настройке к изменениям посадки.

Рисунок 6: Адаптивная ANC-система для компенсации несоответствия.

Рисунок 7 представляет реальные результаты: свободно сидящий TWS-наушник с адаптивным ANC поддерживает превосходную производительность по уровням утечки, с лишь умеренным провалом в очень низкочастотной полосе из-за ограничений мощности динамика. Эти находки подтверждают, что адаптивная компенсация несоответствия может надежно повысить качество ANC для разнообразных пользователей.

Рисунок 7: Кривые производительности ALC с разными уровнями утечки.

Будущие итерации, вероятно, сольют компенсацию несоответствия с нейросеть-детекцией сцены, доставляя унифицированное решение, автоматически адаптирующееся к среде и посадке.

Имеет ли смысл адаптивные ANC-системы?

Личное предпочтение играет роль: некоторые пользователи ценят hands-off производительность, которая настраивается автоматически, в то время как другие предпочитают ручное управление. Адаптивный ANC не является one-size-fits-all фичей, но он предлагает осязаемую выгоду для многих слушателей. Продукты также могут отключать фичу по желанию. Инженеры, желающие прототипировать адаптивные ANC-решения, могут исследовать платформу разработки ams AG, построенную вокруг цифрового усиленного слухового процессора AS3460. Индивидуальные инструменты доступны по запросу.

Для большей информации посетите ams-osram.com.

---

Связанные материалы:

• AI находит свой голос в аудио цепочке
• Как аудио пограничные процессоры позволяют голосовую интеграцию в IoT устройства
• Лучшая аудиообработка на краю
• Улучшение активного шумоподавления с новыми автомобильными аудио технологиями
• Размышления дизайна для низкоэнергопотребляющих, всегда-включенных голосовых команд систем
• Низкоэнергопотребляющие устройства могут слушать с кремниевым ухом

Для большего Embedded, подпишитесь на еженедельную email-рассылку Embedded.