1、ANC的工作原理 在非常小巧的TWS耳机中加入降噪功能，是目前音频厂商共同面对的难题，今天我们来就来针对性的聊聊TWS耳机降噪技术是如何实现的。 主动降噪(ANC)技术是现代耳机行业的主要技术。虽然它仍然是一个高端的功能，但它不再为最昂贵的耳机所独享。 事实上，设计和实现 ANC 技术的方法有很多种。其中每一个都影响耳机消除噪音的质量。我们将解释这些方法之间的差异。 简单来说，主动降噪(ANC)基于声波相位抵消的原理。相位差为 180 度的波（如声波）或相互反转的波叠加在一起时，相互抵消。类似于-1 加到 1，结果为零。 消除噪声的思路是，记录背景噪声，再反转噪声信号以创建”反相噪声”，然后将其添加到输出信号中。在噪声信号在到达耳朵时，反相噪声也刚好到达，从而消除实际的背景噪音。
声波相位消除原理图
这个想法确实非常简单，可以追溯到上个世纪30年代，但它实现起来却非常困难。 ANC最大问题是如何足够准确地捕获背景声音，并同步提供最大衰减量。麦克风具有不完善的频率响应、声电转换会引入自己的噪声，而用于消噪的反相声波使扬声器在到达耳朵时可能无法完全与噪声相位刚好相反。 针对这些问题，系统需要仔细计算和调整，但即使如此，也不会看到100% 抵消。不过，-20dB到 -30dB之间的降噪在高端耳机还是较为常见，这将背景噪音减少到原来的从 1/10到1/32，还是很可观的。 要考虑的另一个关键点是，耳机内部和外部听到的噪音非常不同。声音捕获的这种差异将影响主动降噪耳机的质量和功能。 这就引出了这样一个问题：最好将麦克风安装在什么位置以捕获噪音？在耳机外面、里面、或者二者兼顾？ 1.1、前馈 ANC（FF ANC） 前馈 ANC 相对来说是更简单的主动噪声消除类型的技术。使用前馈技术时，用于捕获噪声的麦克风放在耳机外侧。
前馈 ANC（FF ANC）示意
前馈ANC使用数字信号处理器(DSP)其他专用ANC处理单元将噪声信号映射到用户在耳机内部实际听到的频率响应。通过理论分析和产品测试，确保正确应用此映射以满足最大噪声消除的要求。但是，这不如在耳机内放置麦克风那样准确，而且外部麦克风对噪音源的方向比较敏感，不同方向的噪音可能会造成不一样的降噪效果。 此外，降噪性能在不同的佩戴者之间会有不同的效果。例如，松散的配合可能会导致用户音频泄露到外部麦克风，导致处理器误把用户音频当成噪音处理。也可能把外部麦克风没有捕获的噪音泄露到耳机内部，从而无法消噪。 1.2、反馈 ANC (FB ANC) 反馈 ANC 与前馈相反，麦克风放置在耳机内。虽然在耳机内侧选择正确的位置会带来一系列新的困难，但其主要优点是麦克风捕获的噪音更准确地反映佩戴者听到的噪音，而不管耳机的确切位置和贴合度如何。这也使耳机更容易消除风噪。
反馈 ANC (FB ANC)示意
除了噪音，用户音频也会被内部麦克风捕获，因此，在产生反相噪音之前，需要过滤掉用户音频，由此校准过的信号，才能用于产生反相噪音。 与所有反馈系统一样，存在失控放大的风险。这需要方案采取足够的预防措施。反馈ANC的处理时间也更少，因为它正在处理已经非常接近耳膜的音频。 1.3、混合ANC 混合ANC 结合了FF和FB二者的优点，它将获得最佳的噪声衰减频率覆盖率，并弱化了FF和FB ANC的缺点。
混合ANC示意
混合 ANC的缺点是系统更复杂、成本更高。不仅有两个麦克风，而且这些麦克风需要很高的质量，以避免引入额外的噪音。耳机还需要更强大的专用处理硬件来处理额外的运算。但它们确实可以提供更优的ANC。 2、降噪条件分析 前文提到，要使降噪效果最好，必须使反相噪音和环境噪音的刚好同步叠加，因此，要求反相信号不能晚于噪音到达用户的耳朵。如果反相信号提前到达用户耳朵的话，则系统可以主动调节，以便使二者同步，达到消噪的目的。 因此，系统处理声音的速度就显得很重要，速度越快，系统就越能从容处理噪音。 下图中Tsound是指声音从外部麦克风到扬声器之间的传播时间。声音处理时间包括声音信号在各个环节消耗的时间之和。这些环节包括：麦克风把声音转为电信号的过程、ADC（模数转换）［如果有的话］、声学计算、DAC（数模转换）［如果有的话］、PA(功率放大器)、扬声器。 已知声音在空气中的传播速度为340m/s，如果外部麦克风到扬声器的距离是3mm，那么它的传播时间为88us。此时，声音消耗在所有环节消耗的时间之和必须小于88us。
降噪条件分析
由于声音在塑料、金属等固体中的传播速度比在空气中的速度快得多，实际上，外部噪音从麦克风传播到扬声器的时间比上面计算的结果要更少。可见，整个系统对声音的处理时间要足够小。
3、ANC的挑战和应对元器件的机械参数和电气参数必然存在公差，组装生产过程也会引入公差，尽管这些公差很小，但是很容易引起微秒级别的误差。从前文的分析结果看到，微秒级的误差就足以让让反相噪音和真实噪音失去同步，从而降低减噪效果。因此，如何保证产品的性能的一致和稳定可靠，成为降噪TWS耳机的一大挑战。另外，如前文提到，麦克风、ADC、DAC（如果有的话）、扬声器都会引入噪音和产生失真，在抑制环境噪音的同时，尽量减少系统自身引入的噪音和失真，也是挑战。
那么，针对这些挑战，如何应对呢？从耳机产品的角度来看，需要在以下几个方面加以考虑：首先，选择专业的、最新的ANC芯片，或者选择集成了专业ANC功能的SoC（或SiP）。这些芯片的THD N（总谐波失真 噪声）与DNR（动态范围）足够高，在保证音质的前提下，还能让最终的成品达到40dB的降噪目效果。另外，这些专业ANC处理器的处理时间足够快。从模拟信号输入到模拟信号输出（A2A）的时间可以控制在5us左右，可以留出更多的时间作为麦克风和扬声器的响应时间。其次，麦克风和扬声器除了频率响应范围宽以及失真小，它们的声电转换时间的公差也要足够小，从而允许系统可以针对不同的噪音传播时间进行适应性调节。第三，主控芯片必须能提供自适应的校准算法。耳机零部件和组装生产一定会存在一定的误差，只要这些误差能够控制在校准算法控制的公差范围内，就能够实现自动校准，从而提高生产直通率。最后，音腔设计、模具加工、时钟设计、电路设计、PCBA、组装生产都需要针对性地进行优化。
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