2019年以來(lái)，在產(chǎn)業(yè)鏈多方共同推動(dòng)下，真無(wú)線立體聲（TWS）耳機(jī)出貨量快速攀升。通過(guò)比照不難發(fā)現(xiàn)，TWS耳機(jī)這波商機(jī)與智能手機(jī)爆發(fā)初期相似，受益于上游技術(shù)如藍(lán)牙、主動(dòng)降噪等的扎堆升級(jí)，后續(xù)走勢(shì)有望復(fù)刻智能手機(jī)市場(chǎng)，想象空間極大。調(diào)研機(jī)構(gòu)Counterpoint Research數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)稱，2020年TWS耳機(jī)出貨量將以超90%的增速暴增至2.3億只。
如何把握TWS耳機(jī)市場(chǎng)的強(qiáng)勁商機(jī)？上游領(lǐng)導(dǎo)廠商的技術(shù)紅利不容錯(cuò)過(guò)。以高性能信號(hào)鏈著稱業(yè)內(nèi)的ADI的主動(dòng)降噪方案，就以技術(shù)實(shí)力大幅提升耳機(jī)聽(tīng)音體驗(yàn)，助力BOSE等客戶的產(chǎn)品成為行業(yè)標(biāo)桿。近期，ADI官方微信平臺(tái)“ADI智庫(kù)”主辦的線上“ADI數(shù)字主動(dòng)降噪耳機(jī)方案”直播對(duì)TWS耳機(jī)最火的主動(dòng)降噪技術(shù)進(jìn)行普及推廣，并介紹了ADI數(shù)字主動(dòng)降噪系列方案和成功案例，本文將分享直播部分深度觀點(diǎn)并結(jié)合該直播提及的主要解決方案，從技術(shù)角度分析主動(dòng)降噪芯片的選擇。
主動(dòng)降噪是大勢(shì)所趨
直播中，ADI應(yīng)用工程師先是介紹了耳機(jī)降噪技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)降噪的模擬和數(shù)字電路對(duì)比，主動(dòng)降噪技術(shù)的三種實(shí)現(xiàn)方式，以及最新的自適應(yīng)主動(dòng)降噪技術(shù)要點(diǎn)等。
被動(dòng)降噪是通過(guò)耳機(jī)的外殼、硅膠耳塞等物理阻擋來(lái)隔離噪聲，主動(dòng)降噪是指通過(guò)電子線路采集產(chǎn)生一個(gè)與噪聲大小相等、相位相反的反向聲波來(lái)抵消噪聲，從而達(dá)到抑制噪聲的效果。被動(dòng)降噪對(duì)高頻噪聲能起到很好的抑制作用，但對(duì)低頻噪聲卻無(wú)能為力，對(duì)低頻噪聲降噪則有賴于主動(dòng)降噪。
圖1：模擬主動(dòng)降噪與數(shù)字主動(dòng)降噪對(duì)比
主動(dòng)降噪有模擬和數(shù)字兩種噪聲處理電路。如圖1所示，模擬主動(dòng)降噪電路組成元器件多，精度要求高，PCB板尺寸是數(shù)字電路的2倍；模擬電路基本零延時(shí)，數(shù)字電路存在延時(shí)。靈活性方面，模擬主動(dòng)降噪方式有限，主要以調(diào)音量為主，而數(shù)字主動(dòng)降噪可以通過(guò)調(diào)節(jié)增益、EQ系數(shù)、更新固件等方式優(yōu)化降噪效果。模擬主動(dòng)降噪電路的一致性很差，需要多次、反復(fù)在硬件上調(diào)整校準(zhǔn)；數(shù)字主動(dòng)降噪一致性好，并有相應(yīng)的調(diào)校工具和軟件來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。最后，模擬主動(dòng)降噪的BOM成本看似較低，但不良率、返工率高，整體量產(chǎn)成本其實(shí)比數(shù)字電路更高。也因此，模擬主動(dòng)降噪漸成昨日黃花，數(shù)字主動(dòng)降噪的時(shí)代大潮奔騰來(lái)襲。
在實(shí)現(xiàn)方式上，主動(dòng)降噪可分為三種：前饋式（FeedForward），反饋式（Feedback），以及兩者結(jié)合的混合式（Hybrid）。如下圖所示，前饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)一般位于外部，采集噪聲后輸送給DSP處理，再輸出反向聲波進(jìn)行降噪。但由于進(jìn)入人耳的噪聲是經(jīng)被動(dòng)降噪后的，幅度有所減小，因此反向效果較難達(dá)到理想狀態(tài)。
圖2：主動(dòng)降噪的3種實(shí)現(xiàn)方式
反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)的麥克風(fēng)位于腔體內(nèi)部，所采集并輸往DSP的噪聲與耳朵聽(tīng)到的基本一致，可以直接進(jìn)行反向處理。但是，為保證降噪效果，麥克風(fēng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降噪效果并輸送給DSP繼續(xù)進(jìn)行反向處理，直至殘余噪聲小到可以忽略為止。
兩種方式結(jié)合的混合式主動(dòng)降噪，內(nèi)外兩個(gè)麥克風(fēng)，分別采集內(nèi)、外部噪聲輸送給DSP進(jìn)行處理，以輸出更加準(zhǔn)確、一次成形的反向聲波，達(dá)到更快、更好的降噪效果。比如，混合式主動(dòng)降噪可達(dá)到比單一方案更高的降噪深度，而且降噪頻段更寬。目前，雖然混合式主動(dòng)降噪成本相對(duì)更高，但隨著芯片、麥克風(fēng)成本降低，這種能帶來(lái)更佳聽(tīng)音體驗(yàn)的方式必將成為主流。
高性能信號(hào)處理方案帶來(lái)純凈聽(tīng)音感受
對(duì)于TWS耳機(jī)，用戶最基本的需求在于便攜、長(zhǎng)續(xù)航，因此芯片方案基本要求是小封裝、低功耗。在此之上，用戶的主要需求是清晰、干凈的聽(tīng)音體驗(yàn)，這也是提升產(chǎn)品附加值、實(shí)現(xiàn)差異化的關(guān)鍵所在。想做到這點(diǎn)，重點(diǎn)在于準(zhǔn)確采集噪聲、快速處理后輸出抵消的反向聲波，也就是說(shuō)，超低延時(shí)、很強(qiáng)的DSP對(duì)信號(hào)處理的能力——而這，正是以高性能模擬技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)先的ADI優(yōu)勢(shì)所在。
針對(duì)逐漸升溫的TWS耳機(jī)市場(chǎng)，ADI有一系列專用降噪解決方案，通俗地講就是基礎(chǔ)版ADAU1777、高配版ADAU1787和高性價(jià)比版ADAU1788。其中，ADAU1777、ADAU1787均為量產(chǎn)版， BOSE等領(lǐng)導(dǎo)廠商均有應(yīng)用；在ADAU1787的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的高性價(jià)比方案ADAU1788也即將量產(chǎn)，滿足高端用戶將產(chǎn)品覆蓋至中端市場(chǎng)的需求。
這里主要聊下ADAU1777，這是一款具有四個(gè)ADC輸入和兩個(gè)DAC輸出的編解碼器，內(nèi)置數(shù)字處理器，可執(zhí)行濾波、電平控制、信號(hào)電平監(jiān)控和混合。從模擬輸入至DSP內(nèi)核再到模擬輸出的路徑經(jīng)過(guò)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低延遲，非常適用于主動(dòng)降噪耳機(jī)。作為ADI主動(dòng)降噪耳機(jī)系列方案的基礎(chǔ)版，只需添加幾個(gè)無(wú)源元件、晶體和用于引導(dǎo)的EEPROM，ADAU1777即可提供完整的耳機(jī)解決方案。
圖3：廣泛應(yīng)用的ADI 主動(dòng)降噪音頻SoC ADAU1777
直播中，ADI應(yīng)用工程師著重介紹了ADAU1777 集成4個(gè)ADC，可滿足采集噪聲麥克風(fēng)、語(yǔ)音、藍(lán)牙音樂(lè)等模擬輸入端需求，2個(gè)DAC可滿足左右耳各一個(gè)輸出；DSP內(nèi)部有兩個(gè)Bank的資源，分別有32條指令，可進(jìn)行濾波、音量控制或混音等處理；并可通過(guò)EQ調(diào)節(jié)對(duì)在降噪處理中受損的原始音頻信號(hào)做補(bǔ)償。尤其值得一提的是，集成的ADC和DAC信噪比均超100 dB，水準(zhǔn)甚至可接近Hi-Fi級(jí)；內(nèi)部集成耳機(jī)功放，提供差分輸出，可以避免爆破音的產(chǎn)生；集成I2C和SPI總線，還可外接EEPROM、支持自啟動(dòng)。除此之外，ADI還在ADAU1777中集成了LDO，無(wú)需外部調(diào)節(jié)穩(wěn)壓，既節(jié)省空間，也降低了成本。
在精心設(shè)計(jì)下，ADAU1777的芯片封裝僅為3.2mmx3.8 mm，尺寸雖非市面最小，但綜合功能與尺寸而言，卻是TWS耳機(jī)成熟方案中的上佳之選。據(jù)介紹，ADAU1777單一芯片即可實(shí)現(xiàn)所有降噪功能，ADI有客戶將其作為低成本降噪方案直接使用。
限于篇幅，此處僅對(duì)ADI三款方案的重要技術(shù)點(diǎn)做下對(duì)比介紹。相比于ADAU1777，ADAU1787和ADAU1788技術(shù)點(diǎn)提升為：從Banks數(shù)來(lái)看，由2個(gè)增加至3個(gè)，指令數(shù)也從32翻番到64；DSP輸入通道數(shù)，由4個(gè)增加至6個(gè)，更適合用于混合式主動(dòng)降噪；典型功耗由14mW分別降至11mW和8mW，降耗接近50%。需要留意的是，為了更低的功耗，ADAU1787和ADAU1788支持的電壓限制為1.8V，I/O電壓也僅為1.2V-1.8V，DVDD也由1.1V分別降到0.9V和0.85V這樣低壓的工作范圍；并稍微犧牲了信噪比，ADC SNR由102降至96，DAC SNR由108降至104。
隨著TWS耳機(jī)市場(chǎng)熱度飆升，各路巨頭紛紛入場(chǎng)，而ADAU1787相對(duì)ADAU1777而言，提供了非常大的靈活性，讓實(shí)力強(qiáng)的客戶得以充分發(fā)揮所長(zhǎng)、更靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)TWS耳機(jī)降噪的設(shè)想，最終給用戶呈現(xiàn)各具特色的產(chǎn)品，讓市場(chǎng)更加繁榮。
圖4. ADAU1777、ADAU1787和ADAU1788對(duì)比
結(jié)語(yǔ)
從替代傳統(tǒng)有線耳機(jī)的角度來(lái)看，短期內(nèi)，TWS耳機(jī)市場(chǎng)屬于所有入局者，從6.8元起價(jià)的白牌產(chǎn)品到1999元的AirPods Pro，耳機(jī)廠商、手機(jī)品牌以及白牌都在暢享這場(chǎng)盛宴。然而，長(zhǎng)期來(lái)看，用戶對(duì)更佳聽(tīng)音體驗(yàn)、更高性價(jià)比的追求，讓市場(chǎng)最終集中于與上游芯片廠商密切合作、有上游技術(shù)加持的玩家。而ADI，憑借在要求嚴(yán)苛的航天、汽車、工業(yè)燈的技術(shù)優(yōu)勢(shì)溢出至消費(fèi)電子領(lǐng)域，已成為多款TWS耳機(jī)產(chǎn)品進(jìn)一步獲得市場(chǎng)成功的重要推動(dòng)力。
