關(guān)于TWS耳機(jī)的FF FB 和Hybird區(qū)分

2019年度，TWS市場(chǎng)火爆，國內(nèi)的各大廠商紛紛上車，但是我們卻注意到在TWS ANC耳機(jī)的市場(chǎng)中，并沒有預(yù)想中地火爆，很多知名品牌商在19年下半年就發(fā)布了一些TWS ANC耳機(jī)的預(yù)告，但是卻遲遲沒有推出市場(chǎng)，甚至有些手機(jī)品牌在使用了帶有ANC功能的耳機(jī)SOC芯片同時(shí)，上市耳機(jī)產(chǎn)品卻沒有ANC功能。

這些都與忽略了ANC聲學(xué)腔體設(shè)計(jì)，以及生產(chǎn)時(shí)一致性很難做到有關(guān)。

筆者對(duì)于有意向推出TWS ANC的品牌廠商建議，選好有聲學(xué)功底的，有做過ANC產(chǎn)線測(cè)試的合作方非常重要。

主動(dòng)噪聲消除(ANC)是一種將不需要的聲源識(shí)別為噪聲的方法，通過產(chǎn)生“抗噪聲”信號(hào)來消除原始噪聲，從而實(shí)時(shí)地消除噪聲?，F(xiàn)代降噪耳機(jī)，在被動(dòng)降噪無法產(chǎn)生理想的結(jié)果時(shí)，通常采用這種技術(shù)來消除外部噪聲源，特別是在較低的頻率(<1KHz)。這在一些情境下非常實(shí)用，比如工人需要保護(hù)自己不受工廠持續(xù)噪音影響，或航空公司旅客需要過濾掉發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音時(shí)。

在設(shè)計(jì)ANC耳機(jī)時(shí)，有幾個(gè)拓?fù)浼軜?gòu)可以參考，如前饋、反饋和混合。耳機(jī)中麥克風(fēng)的數(shù)量和位置決定了它的ANC拓?fù)浼軜?gòu)。一個(gè)概念圖如圖1所示。此圖描述了一個(gè)前饋拓?fù)?，其中外部放置了一個(gè)麥克風(fēng)接收來自環(huán)境的噪音信號(hào)，戴上耳機(jī)的用戶就能聽到真實(shí)的來自耳機(jī)揚(yáng)聲器播方的音樂。這個(gè)音樂是通過疊加了抗噪音的信號(hào)，而人為消除外部的環(huán)境噪聲。

這個(gè)系統(tǒng)。無論拓?fù)浼軜?gòu)如何，在噪聲干擾檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)ANC有兩個(gè)明顯的挑戰(zhàn)

耳機(jī)。第一個(gè)挑戰(zhàn)是需要可靠地捕獲外部環(huán)境噪聲。為了達(dá)到這一目的，人們使用麥克風(fēng)來監(jiān)聽周圍的噪音源。戴上耳機(jī)，在音頻波段(20hz - 20khz)捕捉信號(hào)。麥克風(fēng)的幾項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)對(duì)可靠地建立這一點(diǎn)至關(guān)重要。第二個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)從原始聲音信號(hào)捕獲的噪聲的消除

加上抗噪聲信號(hào)。為了克服這個(gè)挑戰(zhàn)，需要自適應(yīng)算法及時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)降噪，因?yàn)槁曉吹念l率、幅值、相位等特性是時(shí)變的。

圖1所示 噪音消除耳機(jī)-概念圖

目前現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的局限性

Feed Forward topology 前饋拓?fù)浼軜?gòu)

ANC的前饋架構(gòu)如圖2所示。在這種拓?fù)浼軜?gòu)中，每側(cè)耳機(jī)只使用一個(gè)麥克風(fēng)

它被放置在耳機(jī)外側(cè)。對(duì)這個(gè)麥克風(fēng)的測(cè)量數(shù)據(jù)形成了ANC算法實(shí)現(xiàn)的噪聲參考信號(hào)的。能做到在主要噪聲信號(hào)到達(dá)人耳前，就很好的檢測(cè)到他們，是這種設(shè)計(jì)最大的有點(diǎn)。戴著耳機(jī)的人們，甚至沒有意識(shí)到它的存在，就通過算法實(shí)現(xiàn)消除了這種噪聲。

使。然而，由于系統(tǒng)中缺少反饋回路，該算法無法保證噪聲的消除工作是實(shí)時(shí)的。這是前饋拓?fù)浼軜?gòu)的主要缺點(diǎn)此配置確保中頻噪聲信號(hào)(1-2 kHz之間)的消除。由于麥克風(fēng)放置在外部，因此可能會(huì)因?yàn)轱L(fēng)噪對(duì)性能造成影響

這個(gè)場(chǎng)景中，具有更高AOP和更低截止頻率的麥克風(fēng)將非常有用。這種類型拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)更適用于需要更寬的ANC帶寬的藍(lán)牙耳機(jī)，但卻愿意犧牲適度的噪音消除性能。

圖2 前饋ANC架構(gòu)

Feed Back Topology 反饋拓?fù)浼軜?gòu)

反饋的ANC架構(gòu)如圖3所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也只使用了一個(gè)麥克風(fēng)，但卻是放置在離使用者耳朵較近的地方。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是麥克風(fēng)能準(zhǔn)確地聽到將要進(jìn)入用戶的耳朵的聲音信號(hào)，并且有一個(gè)反饋回路用于迭代地從系統(tǒng)中去除噪聲。雖然這種配置的低頻性能很好，但頻率在1-2KHz之間不能像前饋配置那樣有效地衰減。這個(gè)配置對(duì)去除初級(jí)噪聲信號(hào)中可預(yù)測(cè)的窄帶分量有很好的效果。這是一個(gè)在耳機(jī)中實(shí)現(xiàn)ANC時(shí)最常用的拓?fù)洌M管它無法刪除中高頻噪聲信號(hào)有效。這種限制是由于相移引入了次級(jí)路徑(信號(hào)路徑從ANC模塊的輸出一直返回到它的輸入)。這導(dǎo)致對(duì)于高頻率的分量，這種拓?fù)洳荒苡行У氐窒Ｔ谶@種配置中使用的麥克風(fēng)需要具有頻率上的平坦群延遲，并且多個(gè)麥克風(fēng)之間的差異應(yīng)該盡可能低。

圖3 反饋ANC架構(gòu)

Hybrid topology 混合拓?fù)浼軜?gòu)

混合的ANC架構(gòu)如圖4所示。這個(gè)配置是兩個(gè)前饋的組合以及前面討論的反饋拓?fù)?。這樣做的動(dòng)機(jī)是將兩者的好處結(jié)合起來。但它伴隨著復(fù)雜性、成本和大小的增加。因?yàn)檫@個(gè)拓?fù)渫瑫r(shí)具有前饋和反饋信號(hào)路徑，它需要使用2個(gè)麥克風(fēng)。面向外的參考麥克風(fēng)

感知主信號(hào)，作為前向ANC濾波器的參考信號(hào)。誤差麥克風(fēng)，收集進(jìn)入用戶耳中的信號(hào)，作為反饋ANC的參考信號(hào)過濾器。誤差麥克風(fēng)的輸出也有助于確定前饋和反饋濾波器的參數(shù)。

反饋ANC過濾器。如果設(shè)計(jì)正確，這種配置可以平衡前饋和反饋拓?fù)涞臐撃堋?/p>

如圖4所示 混合ANC架構(gòu)

圖5顯示了混合ANC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化框圖。這個(gè)圖顯示了兩個(gè)信號(hào)路徑是如何合并的。G(w)和M(w)是增益和相位補(bǔ)償濾波器，而Dff和Dfb是由于揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)在系統(tǒng)中引入的延遲。

圖5 混合ANC拓?fù)?方框圖

混合的ANC耳機(jī)設(shè)計(jì)能夠提供三種拓?fù)渲凶罴训腁NC性能和最寬的噪聲消除帶寬。但是，由于增加的成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，它并沒有得到廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)是首選的高性能ANC耳機(jī)設(shè)計(jì)，保持低成本不是主要考慮的問題。即使在這種配置下，ANC超過2khz的性能也不令人滿意。因此，耳機(jī)設(shè)計(jì)者通常使用無源噪聲消除技術(shù)來提高高頻噪聲消除性能。