新一代低功耗主动降噪方案问世，ADI本土团队自主研发撬动TWS耳机市场发展新引擎
时间：2021-09-28
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“结庐在人境，而无车马喧。”一千多年前的古人对清静的环境便充满了向往。时至今日，人类社会进入空前繁华的现代化时代，缤纷多彩的生活无可避免地被远超“车马喧”的各种噪音侵蚀，想要静静成为现代人们的“奢想”。随着科技的进步，一种叫主动降噪（ANC）的技术让这种“奢想”开始变成现实，并逐步应用到了消费电子、汽车座舱、智慧家电等与人类生活密切相关的诸多领域。以TWS（真无线蓝牙耳机）为例，主动降噪功能也已成为产品市场竞争的功能“刚需”。“面对下一代TWS耳机愈发强烈的主动降噪需求，上游厂商如何通过提供高性能芯片与算法解决方案，助力客户导入产品并迅速将其推向市场，是TWS耳机‘下半场’竞争抢占市场先机的关键。”ADI中国事业部工业医疗消费类产品市场经理Sophie在近日的采访中表示。
ADI中国事业部工业医疗消费类产品市场经理Sophie Mao
人类与噪音的斗争史可以追溯到原始社会，打雷时吓得捂住耳朵算是人类最早的降噪手段了。如今，传统降噪方式衍生出了很多相关产品，例如耳塞、隔音棉、隔音板等，均是通过包围耳朵形成封闭空间，或者采用硅胶耳塞等隔音材料来阻挡外界噪声的被动降噪，对高频噪声能起到很好的抑制作用，但对低频噪声却无能为力，也无法从根本上解决噪声。
主动降噪ANC则是通过侦听背景噪声，利用芯片与算法模型计算噪声声波并生成反相声波，利用声波叠加抵消原理达到降噪效果。纵观其发展历史，20世纪初声学专家们开始考虑从噪音的本身入手从而达到减弱噪音的目的，最早在1933 年，德国物理学家 Paul Lueg提出有源噪声控制即主动降噪的概念，利用声波相消性干涉原理降噪。1978年，Bose的创始人Amar G. Bose博士在从欧洲飞往波士顿的飞机上，发现飞机引擎的噪音干扰了他戴耳机欣赏音乐的兴致，在下飞机之后就开始推导验算写出了降噪耳机最原始的方程式。
到上个世纪90年代，ADI fellow、美国工程院院士Bob Adam发明和开发了全球第一片单片Σ-Δ音频ADC，使得Bose面向普通消费者的降噪耳机QuietComfort成为可能。进入21世纪，ADI fellow Khiem Nguyen发明和推动了低延时、低功耗音频编解码器信号链的产生，使得Bose工程师们在降噪耳机QuietComfort的基础上推出小型化降噪耳机QC20，自此掀起了耳机行业“革命”的浪潮。“过去三十年来ADI一直与业界领先企业合作，处于ANC领域的全球前沿，积累了大量的技术经验。”Sophie指出，“因此，无论是早期推出的可编程低延时音频处理引擎ADAU1772还是2017年及2019年先后推出的ADAU1777和ADAU1787，到我们最新推出的ADAU1860，综合性能一直处于当年业界领先地位。”
由ADI中国事业部研发的ADAU1860/ ADAU1850发布
据Sophie介绍，当前数字主动降噪是业界广泛采用的技术，无论是前馈式、反馈式以及两者结合的混合式（Hybrid），都是基于麦克风的噪声采集——DSP/MCU处理，再输出反相声波进行降噪。“无论是ADC/DAC还是DSP，ADI都是业界公认具有领先技术的企业，因此我们在ANC技术领域具有天然的领先基因。”Sophie指出，“而DSP相较于固化软件的arm处理器具有极大的设计灵活性和优化能力——你可以单独调整滤波器，也可以根据不同需求定制软件。”ADAU1860是ADI推出的新一代低功耗主动降噪芯片，主要由三个部分组成：第一部分是ADC，将外界的音源采集进来，转换成数字信号；中间部分是两颗非常强大的DSP，一颗是 HiFi-3z DSP，主要实现音频场景的识别，例如上行降噪、语音唤醒。另一颗则是Fast DSP，扩展到了96位指令集，在完成ANC的一套滤波器算法外可以实现对底噪的抑制，对EQ的调整等更多功能；第三部分则是高性能的DAC，供电上1.2V与1.8V的双电源轨设置，可以根据客户不同的使用场景，进一步优化功耗。
而Sophie提到的基于arm内核MCU方案是业界ANC方案中采用较多的一种集成化SoC系统方案，通常将蓝牙与ANC功能实现单芯片集成。“ADI主动降噪方案采用蓝牙和ANC CODEC分离的数字处理电路、混合式降噪方案，这种天然隔离的方法相比SoC的方案，降低了蓝牙收发带来的噪声干扰，为客户带去更好的音质体验。”Sophie补充道，“耳机最本质功能是确保音频品质，好的方案需要确保用户享受音乐的听感体验，这部分是由模拟技术来决定的。”
分离方案 VS SOC 方案
ADI利用ADC、DAC和DSP组合设计，在保障信号质量的同时表现出了强大的信号处理能力，同时彰显了其在芯片小封装与低功耗上的深厚功力。针对TWS耳机市场有分化成基本功能型与扩展型的两大发展趋势，ADI同期推出了功能型产品ADAU1860和简化版本ADAU1850，两款产品主要的区别是后者减少了Hifi-3Z DSP,仅保留Fast DSP。“尽管减少了ADAU1860的音频场景识别，但同样可以帮助客户在ANC上达到非常高的水平，完成产品升级换代的诉求。” Sophie强调道。
一款出色的TWS耳机需要佩戴舒适以及长时间使用并无差别适合各种生活场景，因此从声学设计到被动降噪与主动降噪综合平衡，都是需要厂家在设计耳机时考虑的要点。“ADI新一代主动降噪芯片可以提供适用于许多音频和语音应用的可靠数字信号处理解决方案，包括语音增强、降噪、回声消除、电平控制、声音反馈抑制、麦克风阵列和有源噪声/振动控制，这些都可以让客户为耳机创建一些独有的特性和卖点。”Sophie补充道。
据Sophie介绍，此次新品也是ADI中国团队完全本土自主研发设计的产品，背后透露了三个方面综合考虑：
首先在硬件层面上，ADI中国研发团队充分融合了本地客户的产品设计和市场需求，无论是本地消费类的大客户、小客户还是中型客户，都尽量能够贴近他们的硬件需求；
其次在软件和支持层面，ADI的软件开发工具与部分算法，都是由本地来实现的，因此可以在很短的时间内就可以帮助客户使用ADI的开发工具设计出更好的产品；
最后一点在供应链上，ADI会更多地采用本土的供应商，让客户有了更多的选项，以满足不同的诉求。
“ADI免费的音频处理器编程、开发和调试软件Lark Studio工具，提供多种集成至直观的图形用户界面(GUI)的信号处理算法，从而能够创建复杂的音频信号流，对于不懂编程但精通声学的客户群体来说，他们也可以使用该软件轻松完成任务。” Sophie指出，“Lark Studio也是很好的在线实时调音平台，我们所有的客户都是基于Lark Studio来做前期开发，包括完成原型设计。”
虽然现阶段的TWS耳机市场火爆依旧，但其中增长的很大一部分仍然是没有ANC功能的TWS耳机，原因是ANC在开发和在生产环节还是有非常多技术上的门槛。为帮助更中小企业顺利导入ANC方案，ADI除了持续创新不断推出性能更优的产品方案，更在推出硬件参考设计之余加强软件参考引导，让客户的设计和量产更容易。此外，ADI还与生产校准设备厂商合作，直接将ADI整套校准程序集合于其中，降低客户生产校准的技术门槛。“ADI会跟广大厂家合作，帮助他们将有ANC需求的客户做转化，共同推动ANC功能在TWS耳机中的普及。相信有了ANC技术加持，TWS耳机在将来不仅是一个提升生活品质的配件，也会是不可或缺的移动互联网入口之一。”Sophie总结道。
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