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            為真正的無線立體聲(TWS)應用程序的下一代音頻編解碼器鋪平道路
            發布時間:2021-04-03 12:08:08  閱讀次數:

            在TWS耳塞或耳機中,有兩種類型的消噪方法:無源和有源,這兩種方法可以分別使用,也可以一起使用。被動噪聲消除(也稱為噪聲隔離)可通過耳機的組件(例如橡膠頭或襯墊)濾除環境噪聲,這些噪聲對高頻噪聲(音頻帶寬高于1 kHz)有效,而對低頻噪聲則無效。頻率環境噪聲。另一方面,主動噪聲消除在處理恒定的重復性低頻噪聲(例如飛機發動機的嗡嗡聲或冰箱的嗡嗡聲)方面更為有效。在本文中,我們將主要著眼于TWS系統中的主動噪聲消除技術。


            圖1突出顯示了耳塞中嵌入的主要功能中正在討論的功能。

            為真正的無線立體聲(TWS)應用程序的下一代音頻編解碼器鋪平道路(圖1)

            圖1:典型的TWS芯片的功能塊(僅耳塞式芯片)


            主動降噪(ANC)最初是為了減少飛行中發動機的靜態噪聲而開發的。如今,更強大的算法和更好的麥克風使ANC超越了旅行世界,使用戶能夠消除辦公室和家庭中的背景噪音和聲音。它甚至是當今TWS耳機中的一項功能。無論是在家工作還是在嘈雜的環境中,使用麥克風陣列進行波束成形都可以使人們進行清晰的對話。主動降噪(ANC)技術在無線和真正的無線耳塞設計中開啟了音頻設備的新紀元。


            噪聲消除的原理是,麥克風收集外部環境噪聲,然后系統將其轉換為反向聲波,并將其添加到揚聲器端,從而降低感官噪聲。在面向TWS的應用程序中,有多種設計和實現ANC技術的方法:前饋ANC、反饋ANC和混合ANC。

            為真正的無線立體聲(TWS)應用程序的下一代音頻編解碼器鋪平道路(圖2)

            圖2:主動降噪(ANC)原理


            1、主動降噪(ANC)技術

            使用前饋技術(或FF),將噪聲捕獲麥克風放置在耳機的外部。前饋ANC使用數字信號處理器(DSP)或其他專用的ANC處理硬件將噪聲信號映射到用戶將在耳機內部聽到的頻率響應。前饋技術可在大約80 Hz至2 kHz的音頻帶寬范圍內高效運行。


            反饋(或FB)ANC與前饋相反,麥克風放置在耳罩內或帶有耳塞的佩戴者耳朵內。主要好處是,無論耳機的確切位置和佩戴方式如何,麥克風捕獲的噪音都能更準確地反映出佩戴者聽到的噪音。與所有反饋系統一樣,失控放大的風險很小。系統拾取其自身的抗噪信號并增加放大級別以消除它的風險很小,但實際上會增加噪聲量,甚至會產生回音。另一個好處是,由于它正在處理已經非??拷涞囊纛l,因此處理時間更少。反饋技術可在大約50 Hz至800 Hz的音頻帶寬內高效運行。


            混合式ANC具有兩全其美的優點,它結合了FF和FB麥克風以及處理能力,可以覆蓋所有基地。因此,混合式ANC實現了最佳的噪聲衰減頻率覆蓋范圍和最小的反饋問題機會。缺點是混合ANC更昂貴。不僅有兩個麥克風,而且這些麥克風都必須具有高品質,以避免引入額外的噪音。此外,耳機需要更強大的專用處理硬件來處理復雜的數據處理,這將增加ANC軟件或算法的開發成本。


            但是這里有一個問題,在為TWS耳塞或耳機選擇音頻編解碼器IP時,不同的ANC技術有何關系?


            在回答這個問題之前,我們將討論針對TWS的目標應用中的ANC技術設計挑戰。

            • 數字濾波器(輸入到輸出或模擬到模擬)的音頻等待時間非常有限。

            • 基于實時音頻樣本的流傳輸(即,一個音頻樣本輸入,一個音頻樣本輸出)。

            • 資源受限,用于大量音頻數據處理。

            • ADCDAC的極低功耗,低輸入到輸出延遲和高采樣率。


            2、輸入到輸出延遲

            我們用一個簡單的例子來說明音頻等待時間和ANC算法之間的關系。ADC / DAC采樣率(Fs)為192 kHz的音頻編解碼器(即,一個音頻采樣等于1 / 192,000秒)應在800個時鐘周期(5 μs /(1000/160 MHz)= 800個周期)內完成。 。此外,要使用最有效的ANC消除噪聲,您需要使用最高的濾波器抽頭數。如果說128(2 7)抽頭用于加法和乘法運算,這意味著僅一個音頻樣本就需要896加法和896乘法。因此,如果使用FF或FB ANC算法,則總共僅需要1個音頻采樣就可以使用384個MAC。如果使用混合ANC,則僅用于1個音頻樣本的896個MAC。因此,輸入2輸出等待時間對于ANC算法的效率起著關鍵作用(我們假設MCU或DSP的頻率是固定的)。


            有兩個方面需要考慮。一方面,我們希望實現完全的前饋,反饋或混合實施,通過提供高性能ANC并同時最大化音頻質量和電池壽命,將兩者的優點結合在一起。憑借高性能的音頻記錄和音頻播放路徑,音頻編解碼器IP旨在將延遲降至最低,尤其是數字濾波器的延遲,從而可提供出色的ANC性能和音頻質量。另一方面,如果“抗噪聲”鏡像信號以有效的方式消除了環境噪聲,則在執行ANC軟件時DSP不一定需要全速工作,這導致了進一步的功耗優化。



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