以用户需求为导向修炼降噪内功,抢滩TWS耳机“下半场”

以用户需求为导向修炼降噪内功,抢滩TWS耳机“下半场”,第1张

【导读】自2016年第一代AirPods推出以来,经过四五年的飞速发展,TWS耳机行业逐步从稚嫩走向成熟。相关数据显示,2016年到2020年五年间全球TWS耳机出货量暴增25倍,其中增幅在2019年达到顶峰,而到2021年增幅则降至24%。当行业面临“拐点”,步入“下半场”的TWS耳机该如何突破创新撬动新的增长是整个产业亟待解决的课题。


来自用户端的切身需求其实已经指明了方向。业界最新用户调研报告指出,在“先进功能特性对于真无线耳塞购买决策的潜在影响”方面,主动降噪以71%的得票率位列第一。当主动降噪成为TWS耳机市场竞争的功能“刚需”,产业链该如何把握这一行业“下半场”竞争的关键?今天我们以全球领先的高性能半导体企业亚德诺半导体的最新解决方案为例,从上游厂商视角看高性能芯片与算法解决方案是如何助力下游客户导入产品并迅速将其推向市场的。


满足TWS耳机强需求,高性能降噪芯片如何打造?


以用户需求为导向修炼降噪内功,抢滩TWS耳机“下半场”,31.jpg,第2张

ANC实现原理


1978年,乘坐飞机时引擎的噪音促成了Bose创始人Amar G. Bose博士创造出第一款降噪音的耳机。发展至今,耳机降噪的方式主要有两种:主动降噪和被动降噪。其中,被动式降噪耳机主要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。而主动降噪则通过降噪系统产生与外界噪音相等的反向声波,将噪音中和从而实现降噪的效果。相较之下,被动式降噪一般只能阻隔高频噪声,对低频降噪并不明显,效果更为出众的主动降噪自然成为行业的宠儿。


不过,看似简单的主动降噪原理,在实际在设计过程中却面临着诸多挑战。比如,如何准确感应噪声、如何确保噪声声波完全被抵消等等。为此,数字主动降噪衍生出三种不同的主动降噪技术:前馈式(FeedForward)、反馈式(Feedback)以及两者结合的混合式(Hybrid)。与之相比,混合式主动降噪可以实现更快、更好的降噪效果,依靠更佳的听音体验成为众多下游厂商的首选。


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ADAU1860简易框图


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。


此外,同期推出的ADAU1850相较ADAU1860减少了Hifi-3Z DSP,仅保留Fast DSP,具有三个输入和一个输出,包含一个数字信号处理器。同时,从模拟输入到DSP内核再到模拟输出的路径已针对低延迟进行优化,通过加入少量无源组件,ADAU1850可提供完整的耳机解决方案,以更低的成本提供更精确降噪的可能。总体来看,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,下游厂商可借此打造耳机差异化特性和卖点,在TWS耳机“下半场”竞争中俘获更多消费者。


助力产品研发提速,软硬兼施缺一不可


“好马配好鞍”。除了在硬件层面提供高性能芯片,配套的算法解决方案和软件支持也是研发一款优秀主动降噪TWS耳机的关键支撑。由于ADI的软件开发工具与部分算法都由本地来实现,因此可以在很短的时间内帮助客户使用ADI的开发工具设计出更好的产品。


比如在算法方面,ADI就实现了自适应ANC降噪、自适应调音和空间音频的落地。ADI独立研发出了一套自适应的降噪系统,通过软硬件结合的方式,利用硬件指令集的优势来实现;自适应调音则会根据用户的佩戴状态自动地、实时地计算和调整调音模块,当用户耳机有泄露时算法会动态把泄露造成的音频损失及时地补回来;至于空间音频,ADI提供了从陀螺仪本身元数据的处理到最后声音的空间效果的实现。


以用户需求为导向修炼降噪内功,抢滩TWS耳机“下半场”,33.jpg,第4张

Cadence Xtensa DSP Software Development Tool


与此同时,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也可以使用该软件轻松完成任务。其中,Lark Studio是很好的在线实时调音平台,客户可基于Lark Studio来做前期开发,包括完成原型设计。


加速市场渗透,让ANC不再是高端专属


尽管2019年苹果Airpods Pro的面世让大众对ANC主动降噪不再陌生,但近年来该功能主要出现在中高端TWS耳机,更为平民化的TWS耳机则鲜有搭载。究其原因,ANC在开发和在生产环节有非常多技术上的门槛。ADI的降噪方案在推出硬件参考设计之余还加强软件参考引导,让客户的设计和量产更容易,帮助中小企业顺利导入ANC方案。


市场调研机构的数据已显示,随着市场逐步填充、基数增大,TWS耳机放量速度正逐步减缓,行业“拐点”已至。数字音频芯片作为ADI中国的重要产品方向,在与主流厂商都有合作并获得高度认可的情况下,将正进一步加强与产业生态上下游的合作,以优化ANC方案使其性能更优、更易使用、惠及更多市场参与者,共同推动ANC功能在TWS耳机中的普及。



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