从解决痒点到解决痛点,TWS产业白皮书(降噪篇)

2020-11-17 10:15:00浏览:1376 来源:芯闻路1号   
核心摘要:以详尽的方案介绍一款好的降噪TWS是如何做成的,也将仔细分析市面上主流的降噪方案。

TWS三大阵营互相竞争,降噪TWS时代来临


真无线耳机(TWS耳机)近年来已成为全球科技行业的新宠,据全球知名研究机构Strategy Analytics发布的《全球蓝牙耳机销量和收益预测2001-2024》研究报告显示,TWS蓝牙耳机销量在2019年增长了200%,预计到2024年TWS耳机的市场规模将达到千亿美元。

广证恒生证券的TWS耳机研究报告则从ODM/OEM产业链的角度测算出全球TWS耳机的出货量和市场规模。预计2020-2022年,全球TWS耳机(包括AirPods)出货量分别为1.67、2.57和4.10亿副,市场规模合计分别为610、846和1254亿元(按ODM/OEM出厂价核算:AirPods ASP为600元;安卓TWS耳机ASP为140元)。

预计非AirPods耳机销量今年开始加速启动,2023年市场规模相比2019年将增长8倍,而AirPods同期增长近2倍。预计2023年整体TWS市场规模接近1400亿元,其中AirPods占比48.52%,非AirPods耳机占比51.48%,近乎平分市场。预计到2023年,TWS市场的复合年增长率将会达到27%。届时,TWS耳塞的销量有望超过所有其他类型的无线和有线耳机。

业界普遍认为2020年将是TWS耳机市场竞争最关键的一年,传统耳机品牌、手机品牌、山寨白牌三足鼎立,激烈竞争将使得TWS市场分化加速。由于各大TWS品牌都在追求新的卖点,ANC(主动噪声控制)功能由于技术的逐渐成熟,成为2020年的普及重点。

 

图注:ADI中国区消费类产品市场经理毛梦可(Sophie Mao)

 

苹果每一代AirPods的发布,都引领着TWS真无线耳机不同的发展方向:2016年9月首款AirPods的推出,使得TWS耳机成为蓝牙音频的最大应用热点,推动相关产业链近年来飞速发展;AirPods 2代应用了无线充电功能;2019年底发布的AirPods Pro,提供最高将近30dB的主动降噪效果,受到了市场的强烈欢迎,成为目前TWS耳机发展的热门方向,正式宣告降噪TWS时代的来临。ADI中国区消费类产品市场经理毛梦可(Sophie Mao)则认为到2023年,将会有一半以上的TWS耳机带有ANC功能。目前市场上已经出现了百元级别的降噪TWS,不管真实体验如何,至少说明以前在小范围发烧友圈子的降噪功能将逐渐平民化,同时也将降噪耳机的价位从动辄千元拉到了百元以内。

 

门槛提升,哪家TWS降噪做得最好?


如何在小巧便携的TWS耳机内加入优异的降噪功能,正在成为今年各大耳机厂商产品设计的关键焦点。


图注:三大TWS阵营

 

前面提到传统耳机厂商、手机厂商、白牌厂商三大TWS阵营,都在采用不同的降噪芯片和算法方案。

不同的阵营对于降噪技术的看法不同:

首先是白牌厂商,华强北白牌加入TWS竞争大军,堪比以前的“山寨机”时代。华强北的最大特点就是对新产品的反应速度非常快,去年8月华强北白牌TWS突然爆发起来了。相比昂贵的AirPods,白牌TWS耳机售价在100-300元之间,单个加工厂的日出货量能达到0.5-1万副,再加上强大的销售网络,能够加速中低端TWS耳机的市场渗透和普及。

白牌TWS主要解决的是有和无的功能性问题,并没有能力参与到具体的设计中,也就是只要有供应商能提供降噪功能,其实并不会去考虑具体的性能参数和用户体验。所以白牌TWS厂商大多数选用TWS主控芯片集成的音频降噪方案。实际上,今年发布的多款TWS顶配芯片已经集成了主动降噪滤波器的功能,从模拟信号输入到模拟信号输出的时间可能会更短一些,同时也有利于减小TWS主动降噪耳机的体积。

手机厂商则认为TWS是依附于手机为中心的体系,相比白牌,手机厂商对于参数和体验的要求有所提升,而且手机厂商由于其技术积累,在做手机阶段已经参与到了音频降噪的设计中,可以较为方便地将手机供应链中一些成熟的技术移植到TWS中。其中体验做得比较好的当属苹果,国产手机阵营中的华为也在努力追赶中。

在TWS耳机厂商的另一端是独立的电声品牌厂商,既有像森海塞尔、哈曼、索尼、JBL、Beats和Bose这样的高端品牌,也有像QCY、漫步者、万魔和疯米这样的新兴消费电子品牌。他们要么走低价策略,略为比华强北白牌高一点,要么走高价策略,标价比苹果AirPods还要高以吸引那些追求时尚潮流和注重品牌的消费者。

传统耳机厂商早已经脱离功能性的需求,将追求降噪体验作为重要卖点。这里的降噪体验不仅包含耳机使用者本人在噪音下的聆听体验,还包括通话时对方的聆听体验。一款好的降噪耳机,要从声学设计角度达到被动降噪与主动降噪综合平衡。被动降噪是否足够好,主动降噪需要降噪多少深度才能避免出现因太安静而造成的“负压感”等一系列问题,都是厂家在设计耳机时需要考虑的要点。除此之外,针对功耗、降噪性能、耳机振膜的特性,开发者必须要在续航、声学结构和ANC性能之间找到一个平衡点。通常情况下,耳机厂商在生产一款耳机时会有专业做音频的工程师或者调音师加入其中。他们的任务是在参数达标的情况下,思考如何为这个产品增添“佐料”,提升用户喜爱程度。尽管这些特性可以优先帮助实现产品差异化,但产品性能优势将取决于客户的产品定义和声学特性的研究,这对于大部分中小客户来说门槛不低。

TWS耳机主动降噪功能的原理看上去比较简单,通常耳机外侧会有一个前馈麦克风负责收集环境噪音,耳机入耳处有一个后馈麦克风负责收集耳道内的杂音,两者把噪音信号发送给降噪芯片处理,最后由扬声器发出反向声波抵消掉部分噪音。实际应用过程中对耳机的设计、降噪芯片的算法等都有着非常高的要求。

目前市面上主要有三种档次的降噪TWS:

第一档是最高水平,目前的效果可以消除大部分噪音,包括高频低频,包括相当部分的人声,仿佛直接置身一个无声世界。目前做到这个水平的有索尼的WH-1000XM3。

第二档的效果是消除绝大部分的低频噪声,以及一定程度的抑制高频噪声,感觉像是突然到了一个比较安静的房间,没有嘈杂的声音,但是周围人的说话,还有一些比较大,或者比较高频的声音能听见,这个水平的是小米的项圈降噪。苹果的AirPods Pro要比这高一点。

第三档就是降噪比较菜,很难感受到什么效果,只能说聊胜于无的,就是当年小米的299有线降噪,还有freebuds3,只能说有这么个功能。

随着蓝牙连接和降噪技术的进步,TWS耳机在硬件上会趋于同质化,厂商只能在智能语音助手和其它软件方面进行差异化竞争。可以预见到白牌将逐渐消退,定价高端而没有智能语音助手优势的品牌也难以竞争,最终手机厂商将占据TWS耳机的绝大多数市场份额。

 

从芯片到算法,盘点市面TWS主动降噪方案


图注:ANC(主动降噪)芯片通过内置麦克风同时监听外部源产生的噪声和耳机扬声器播放的声音

 

目前除了苹果、华为自研TWS主控芯片以外,其它TWS耳机大多采用第三方主控芯片集成降噪功能,而联发科技、络达、恒玄、高通、瑞昱、Dialog等厂商的最新TWS芯片均已经支持主动降噪功能。

今年3月份,高通发布了两款专为无线耳机设计的新型蓝牙芯片,即QCC514x和QCC304x SoC。其中,QCC514x面向高端市场,QCC304x面向中低端市场,两者都支持主动降噪和语音助手功能。

这两款芯片均使用了高通的TrueWireless Mirroring技术,可以令单侧耳机通过蓝牙与手机相连,并同时保持与另一侧耳机的连接。

这两款芯片使用了高通的混合式ANC技术(hybrid ANC),芯片集成了主动降噪功能,采用这些芯片的相对廉价无线耳机产品也可以拥有主动降噪功能。QCC514x和QCC304x主要区别在于语音助理集成方面,QCC514x支持唤醒词唤醒语音助手,QCC304x只提供按键唤醒。

高通CSR芯片还采用了软件降噪技术(也叫CVC降噪),即利用蓝牙耳机内部的芯片,把通话麦克风接收到的信号进行滤波处理,以降低外界的风噪,主要在打电话的时候起作用。

BES2300是恒玄推出的一款全集成自适应主动降噪方案,它支持蓝牙5.0、LBRT低频转发技术和双模蓝牙5.0,同时它还支持第三代FWS全无线立体声技术、双麦克风等。

该SoC采用了28nm工艺,BGA封装。支持降噪技术,尤其是高性能的自适应主动降噪技术,可以让高端主动降噪耳机使用一颗全集成芯片实现高音质和主动降噪。BES2300的主副耳机之间使用LBRT(Low Band (10-15MHz) Bluetooth Retransmission Technology)低频转发。

此外,BES2300还支持外接心率传感器、加速度传感器等等外接传感器设备和eMMC闪存,可以达到外接存储设备播放音乐的目的。BES恒玄BES2300可以给耳机和家庭音响输出声音,也可以从外部麦克风录音。

络达科技的AB1552x是一款高度集成的低功耗蓝牙音频SoC芯片,采用了络达独有的MCSync TWS连接方式,具备自由切换低延时等特性。同时支持混合ANC(前后双馈主动降噪)功能。

据其官网介绍,AB1552x的平均功耗表现可达~6mA,音频解码器支持24bit 192KHz高清采样率的解码,支持环境音侦测、双麦语音通话降噪及主动降噪功能。

瑞昱最新的一款蓝牙主控芯片RTL8773C,是一颗高度集成的蓝牙音频芯片,具备高性能、低功耗的优势,支持ANC和环境降噪(ENC)。

RTL8773C优化了主动降噪(ANC)算法,不仅可以集成瑞昱自己的降噪算法,还支持第三方降噪算法,同时可直接对接云端云台,进行关键词识别,支持AI语音助手,能够做到7×24小时始终在线、始终唤醒、始终监听功能。

就在今年4月底,中科蓝讯推出了其首款支持主动降噪功能的TWS耳机芯片BT8892A,根据其官网的资料,该芯片使用了其自主研发的RISC-V处理器,支持DSP指令集,目前测试的芯片功耗为5mA,关机功耗为2uA。

BT8892A的数字主动降噪支持前馈FF、后馈FB、混合降噪hybrid等三种模式。能提供30dB降噪深度。并且BT8892A芯片还内置有三路MIC信号放大器与高性能Delta-Sigma ADC,可提供更灵活多变的降噪结构选择。

独立的主动降噪方案,一种是以ADI亚德诺半导体的ADAU1777、TI德州仪器的TMS320x、YAHAMA的YMU831、恒玄BES3101系列等为代表的数字方案;另一种是AMS的AS3415/3435、AS3418(小耳机应用)和较新的AS3460等模拟式方案,两种方案各有其优劣。

AS3460是ams针对半入耳式TWS耳机推出的一款主动降噪芯片。该芯片内部除了集成了主要用于降噪算法运行的Augmented Hearing Engine(简称AHE)外,还集成了用于信号控制的Arm Cortex-M4F MCU。其中AHE中的自研DSP更是ams这个方案的核心竞争力之一。

据ams介绍,该芯片目前最高能实现40db的降噪效果;能在不同场景平滑切换降噪系统,保证最佳体验;另外,还能提供低延迟低功耗且具有非常自然听感的助听器模式;芯片本身的小尺寸和低功耗也能帮助实现最大化电池容量设计并延长待机时间。

作为全球领先的音频传感解决方案供应商,ams推出性能领先的数字主动降噪芯片AS3460,半入耳式耳机长时间佩戴时舒适感更高,但是用户不同的佩戴习惯会产生不同的噪音泄露现象,给传统ANC降噪方案带来极大的挑战。ams独创性的自动漏音补偿(ALC)功能,可以主动监测耳机和用户耳朵之间的泄露程度,主动调整滤波器参数,从而让用户在不同声学泄露条件下仍然能保证高度一致的降噪效果。
用户实际使用场景中会涉及到各种不同的噪声环境。ams自主研发的APS功能可以针对不同的噪声分布预设最优的滤波器参数,并在实际使用过程中自动切换,且切换过程顺滑、不会产生跳变,从而可最大程度保障用户在不同噪声场景中的听感最优。

2019年6月份,Dialog半导体也推出了具有主动降噪功能的高集成音频编解码芯片DA740X。包括了具有主动降噪的立体声高性能编解码器DA7402、具有主动降噪的单声道高性能编解码器DA7401和没有主动降噪功能的立体声编解码器DA7400。

其中,DA7402支持混合式、前馈式和反馈式拓扑,高达35 dB抑制,并提供专用校准和调谐工具,以支持数字主动降噪。DA7402具有高性能播放和录音路径,提供高动态范围和最低延迟。

作为DA7402的衍生版本,DA7401是一款专为TWS耳机和智能耳戴式设备设计的高性能单声道主动降噪编解码器。它提供115 dB播放动态范围、103 dB录音动态范围、混合主动降噪和灵活的时钟架构。DA7400则专为需要高分辨率、高性能音频的消费类应用而设计,提供相似的功能,但无主动降噪。

主动降噪芯片最核心的几个部分是ADC、DSP和DAC、DSP,能够精妙地处理好ANC系统中最敏感的麦克风信号,在保障超低功耗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。ADI在上述几个领域具有深厚的积累,ADAU17XX是ADI公司专用降噪系列解决方案,据其官网介绍,该SoC方案,整合了两个数字信号处理器(DSP),一个可编程的FastDSP音频处理器(高达768kHz的采样率和双二阶滤波器、限制器、音量控制器和混频),另一个是28位的SigmaDSP音频处理器内核,可使用SigmaStudio进行可视化编程,具有高达50MIPS的性能。此外,还搭配有低延迟的24位ADC和DAC、4个数字麦克风输入、1个模拟差分音频输出等等。




以ADAU1787为例,ADI提供了4路ADC输入接口和4路数字麦克风输入,且这些输入口是并行输入,因此ADAU1787可以实现单芯片应用于混合(hybrid)降噪耳机。同时,ADAU1787具有独特的双核设计,其中FastDSP核用于主动降噪滤波器处理,SigmaDSP核做EQ后处理,这种设计能够对降噪处理后损失的低频部分做补偿。此外,ADAU1787还能提供2.3*2.8 mm的BGA封装,在1.8V供电下功耗仅约为6-7mW,可以应用于对功耗和芯片体积要求更严苛的TWS耳机中。在与客户共同合作定义新产品时,还可以通过减去冗余的功能模块,进一步降低功耗。

此外,ADI芯片里还藏有一些“细节彩蛋”,它可以为用户提供更好的特性。比如在芯片的自动控制部位,有一个叫做PID比例积分微分控制逻辑,它的作用是可以根据信号去预测后来信号的走向,避免在进行开关控制时耳机会传来“崩”的一声巨响,从而能更好地保护用户听力。

目前有亚马逊、BOSE、小鸟三个知名音频品牌的5款产品采用了ADI亚德诺半导体的降噪方案,并且都是自己品牌的旗舰级产品。

其中有三款产品采用了ADAU1777方案,其内置数字处理器,可执行滤波、电平控制、信号电平监控和混合;只需添加几个无源元件、晶体和用于引导的EEPROM,ADAU1777即可提供完整的降噪耳机解决方案。万魔首款TWS主动降噪耳机采用亚德诺半导体ADAU1777方案。

另一种方案为AI通话降噪技术,这种方案主要由思必驰、大象声科、出门问问、声加等算法厂商主导。大象声科率先将深度学习和计算听觉场景分析理论结合在一起,通过深度学习技术,将很多需要针对场景进行定制优化的工程化工作,转化成数据的工作。同时,对于传统信号处理需要花大量时间编写人工规则的算法,通过数据自动学习的方式实现对这样一套信号规则的判断,从而大大简化了产品应用落地的周期。

2018年由大象声科提出的一种单麦克风通话降噪方案,将计算听觉场景分析理论(CASA)与深度学习技术相结合,能够实时分离人声和背景噪声,从环境噪音中提取清晰人声。

大象声科新一代耳机通话降噪方案,将AI智能通话降噪技术与骨传导传感器高效结合,可实现人声和背景噪声分离提取,覆盖低信噪比全场景,不论是在地铁、商场、KTV,还是风噪场景,都能大幅提升通话清晰度。

大象声科的AI+bone sensor通话降噪方案,仅需要一颗麦克风,能够提高工程效率的同时,大大节省硬件成本。

除了在通话降噪上的效果提升,大象声科为蓝牙耳机提供的Voice UI方案也具备了强抗噪特点,唤醒平均率为95%以上,功耗低,支持唤醒词和命令词定制。这些,都为蓝牙耳机厂商提供了更有市场竞争力的产品方案。

思必驰旗下的深聪智能推出了AI专用语音芯片TH1520,这是一颗AI专用的双核增强型低功耗DSP芯片,集成了思必驰全链路智能对话技术并进行模块化封装。TH1520适配语音控制设备常用的双麦、四麦阵列,在远场和复杂声场环境下,可实现高效识别和快速响应,误唤醒不超过1次/48小时。它的功耗极低,在待唤醒状态下,功耗仅约150mW,而在全速工作模式下,功耗也不超过750mW,可有效地减少能耗浪费。

思必驰提供的上行通话降噪有多种方案可选,单麦方案成本低,芯片要求门槛低,结构不受限;双麦方案集成快,适配多种形态;三麦方案,抗风噪性能更佳;骨传导方案风噪抑制更佳,抗人声干扰性能更佳。

在通话降噪的多种方案中,思必驰骨传导耳机方案搭载VPU/G-sensor,可实现单/双麦骨传导+AI通话降噪+低功耗唤醒,骨震动信号与麦克风信号融合处理,从而解决他人误唤醒、环境误唤醒问题,低信噪比下通话降噪体验更佳,同时优化风噪场景下的语音唤醒,提升通话体验。

思必驰的通话降噪方案兼具高性能方案和低成本方案,支持高中低端主流芯片,且功耗更低,支持方案延展,落地周期短。

人工智能独角兽公司出门问问,推出了算法解决方案TicHear™,实现了在地铁、公交、商场等室内嘈杂环境和跑步、骑行、驾驶等室外复杂环境的有效通话降噪,并做到了对用户声音的高度还原。TicHear耳机解决方案中最能令用户感知的是热词唤醒(Hotword)及快捷口令(Quick commands)。基于深度神经网络,只需超低功耗的计算资源就可以同时检测多个快捷口令,可实现用户使用多个热词调用语音助手、免唤醒使用口令直接控制设备的完美体验。配合手机端的二级验证模块,TicHear在高识别率的前提下能够保证更低的误识别率,达到了业界领先水平。另外,TicHear也是目前市面上唯一一套支持英文快捷口令功能且有落地案例的TWS耳机解决方案。

图注:声音信号处理管道

 

用户在语音、视频通话时听到、说出的声音都应是高清音质,这也是对耳机类产品的刚性要求。TicHear的通话降噪方案在户外散步或骑行(风噪)、室内聚会、嘈杂的路上开车等多种噪声场景下,可以有效抑制环境噪声20~30dB,并做到了对用户声音的高度还原。值得一提的是,出门问问自研了一整套风噪解决方案,包括单麦、双麦、骨传导/耳内麦融合方案等,即使耳机结构上没有专门的设计,TicHear也可以较好的解决风噪问题。

声加科技专注于通信声学核心技术,成立以来已先后通过中关村高新技术企业认证和国家高新技术企业认证,为B端客户提供复杂场景下的近场、中场、远场语音交互技术方案,以及从芯片、模组、PCBA到工业设计的一站式产品方案。其团队中既有研究界的执牛耳者、亦有在工业及音频领域有着丰富经验的职业经理人。主要研发人员来自于中科院声学所、清华大学、南京大学和中国科学技术大学等国内一流科研院所。核心团队成员亦大多师出于中科院声学所,平均在业界拥有超过十五年工作经验。

凭借在声学和语音领域的十余年的技术积累,其回声抵消、噪声抑制、声源定位、混响消除、波束形成、语音唤醒等核心技术在行业内一直处于领先水平。合作伙伴包括华为、小米、OPPO、万魔、歌尔、搜狗、科沃斯、Harman、Anker、恒玄、通力、安特信、科奈信等数十家知名企业。先后以多项前沿技术和国际领先的解决方案,赋能支持了包括华为和荣耀TWS耳机、小米TWS耳机、OPPO TWS耳机、华为蓝牙音箱等通信产品和智能穿戴产品,已授权终端设备超千万台。

声加科技的耳机技术方案已应用在了华为Flypods、小米Air、小米Air2、万魔EM001、万魔EM004、京东京鱼座等产品上。

 

展望未来,主动/被动降噪技术还有哪些应用?


过去的一两年,TWS业界主要关注点依然集中在基础功能上:包括佩戴舒适性、低延迟、双耳接受、音质等方面;到了今年,TWS已不仅仅关注在可用性上,通话降噪(ENC)、主动降噪ANC功能的加入使得TWS开始朝向好用发展;而在未来,随着智能化的发展,供应链的补充,例如传感器等技术的发展。语音交互(AOV)、健康(辅听及其他)等功能也将会在TWS耳机上应用。

从TWS耳机的ANC功能相关发展现状上来看,主要存在以下几个趋势:

ANC技术也可以运用在听力辅助设备上,通过类似通透模式接收特定的声音并结合骨传导相关技术,为具有听力障碍的人加入ANC或声音采集及放大功能,帮助佩戴者听到声音,改善对外界声音的感知。

事实上,不仅是在TWS耳机应用中如日中天,ANC技术也逐渐“出圈”,作用于三维空间开放声场主动降噪。这除了需要优秀的主动降噪算法外,更需要深厚的声学理论背景,对三维空间声场进行建模分析、模拟、降噪,以实现在非穿戴前提下对特定区域主动降噪,进而大大拓展应用范围。



目前三维空间主动降噪技术应用,比较成熟的是在汽车座舱内。一般来说,车辆行驶时除了主要有来自于发动机的噪音外,还有包括胎噪、风噪以及外界环境的噪音等,通过类似的噪声采集、噪声频谱分析反相噪声消除来达到抵消噪音的目的。前不久ADI与现代汽车公司就合作推出业界首个全数字路噪降噪系统,其核心部分利用了ADI的A²B音频总线技术,解决了电子采集信号传输延迟的关键挑战;凭借DSP算法确保车内不同位置的音区独立性以及实现回声消除、配合麦克风的功放进行ANC主动降噪。

此外,在消费全面升级的今天,家电领域对降噪技术存在强烈需求,但是落地应用与布局仍是蓝海。作为家用市场聚焦的主阵地,例如搅拌机、吸尘器和烤面包机发出的各种噪声,让许多消费者为之烦恼。在今年初的CES2020上,ADI便展示了基于ADAU1452音频处理器的家用电器(咖啡机)主动降噪功能,可以实现10dB噪声消减效果。此类解决方案同样可以应用于那些产生较大噪声的家用电器上,如豆浆机、抽油烟机等,使让人不舒服的嘈杂声从家庭环境消失。


图注:CES2020上ADI展示利用其SigmaDSP抑制咖啡机噪音

 

如何才能做出一款出色的降噪TWS耳机?

 

要讨论如何才能做到更好的降噪体验,首先要了解降噪技术的不同阶段:目前的TWS耳机市场的主动降噪技术主要有三类,ANC(Active Noise Control,主动降噪);ENC(Environmental Noise Cancellation,环境降噪技术);以及AI通话降噪技术。

其中,ANC降噪的工作原理是通过麦克风收集外部的环境噪声,系统根据收集到的噪声变换一个反相的声波加到扬声器端,最终人耳听到的声音是环境噪音+反相的环境噪音,两种噪音叠加从而实现感官上的噪音降低。它可分为前馈式主动降噪和反馈式主动降噪,以及混合式主动降噪。不过,反馈式主动降噪容易引起啸叫。

而ENC则是通过双麦克风阵列,精准计算通话者说话的方位,在保护主方向目标语音的同时,去除环境中的各种干扰噪声。ENC技术能有效抑制90%的反向环境噪声,由此降低环境噪声最高可达35dB以上。

据说,AirPods Pro除了采用了ANC技术外,也采用了ENC技术。另一个采用ENC技术的产品是谷歌的pixel buds。他们都是采用了ST的方案。不过,该方案有个缺点,就是需要比较大的算法开发工作,也会提升全系统的功耗。

TWS耳机降噪的重点在于准确采集噪声、快速处理后输出抵消的反相声波,同时还要具备尽量低的功耗以实现长续航。例如在功耗上,ADI目前主推的耳机ANC解决方案ADAU1787/1777,已经做到了以较低的功耗成本实现更高的音质效果。

目前有亚马逊、BOSE、小鸟三个知名音频品牌的5款产品采用了ADI亚德诺半导体的降噪方案,并且都是自己品牌的旗舰级产品。

其中有三款产品采用了ADAU1777方案,其内置数字处理器,可执行滤波、电平控制、信号电平监控和混合;只需添加几个无源元件、晶体和用于引导的EEPROM,ADAU1777即可提供完整的降噪耳机解决方案。

据Sophie Mao介绍,主动降噪有模拟和数字两种噪声处理电路。尽管模拟电路基本零延时,数字电路存在延时,但模拟主动降噪电路组成元器件多、PCB尺寸大、精度要求高,因而数字降噪是当前的主流。此外,灵活性方面,模拟主动降噪方式有限,主要以调音量为主,而数字主动降噪可以通过调节增益、EQ系数、更新固件等方式优化降噪效果。模拟主动降噪电路的一致性很差,需要多次、反复在硬件上调整校准;数字主动降噪一致性好,并有相应的调校工具和软件来轻松实现校准。最后,模拟主动降噪的BOM成本看似较低,但不良率、返工率高,整体量产成本其实比数字电路更高。因此,模拟主动降噪渐成明日黄花,数字主动降噪成为市场主流。

图注:模拟降噪处理电路vs数字降噪处理电路

 

而在实现方式上,主动降噪又可分为三种:前馈式(FeedForward),反馈式(Feedback),以及两者结合的混合式(Hybrid)。前馈式主动降噪耳机一般位于外部,采集噪声后输送给DSP处理,再输出反相声波进行降噪。反馈式主动降噪耳机的麦克风位于腔体内部,所采集并输往DSP的噪声与耳朵听到的基本一致,可以直接进行反相处理。两种方式结合的混合式主动降噪,可以实现更快、更好的降噪效果。“目前,虽然混合式主动降噪成本相对更高,但随着芯片、麦克风成本降低,这种能带来更佳听音体验的方式必将成为厂商首选。”Sophie Mao强调道。ADI的ADAU1787 SoC解决方案就提供了4路ADC输入接口和4路数字麦克风输入,适合应用于混合降噪耳机。

“我们会帮助客户去解决芯片应用上的问题,我们还有经验丰富的第三方合作伙伴可以提供非常专业的支持,例如北京HT声学和东莞ASKA,他们都可以提供整套的turn-key solution。”对此,Sophie Mao这样说道。谈到技术支持,不得不提ADI免费的音频处理器编程、开发和调试软件Sigma Studio工具,该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。

 

总结:从解决痒点到解决痛点


笔者认为,目前国产TWS厂商在降噪领域的技术投入和积累距离国外顶尖的耳机厂商还有比较大的距离。究其原因,TWS耳机是一个发声单元,决定用户体验的最主要部分还是听感。而决定声音体验的部分,除了硬件配置,还包括软件算法调试,甚至声学设计等一系列非常复杂的工程,这一部分的行业天花板很高。

目前各大TWS芯片厂商均号称集成了主动降噪功能,但解决的充其量只是痒点而非痛点。对于TWS用户来说,痛点是TWS的无线连接功能,功耗问题,甚至佩戴舒适度的问题;可能手机厂商的进入,从客观上拉低了行业门槛,扩大了受众基础,但是真正对于降噪耳机有较高要求的那部分消费者占比仍是少数,而这部分消费者对于目前的“百元降噪TWS”其实并不是受众人群。

那么,如何才能实现从痒点到痛点的转变呢?噪音本身是一个需要解决的痛点,未来行业需要解决的是从功能到性能的转变,噪音消除的程度是否足够好?是否能做到99%的噪音消除?只是减少一下背景噪音其实没有太大保证,如果能够做到我站在地铁里,别人在我身边大喊大叫我也听不见,这才算是解决了真正的痛点。

至于如何能够做到这一点,就有待于产业链上下游共同的努力了。

(责任编辑:小编)
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