引言:苹果TWS 耳机在推出主动降噪功能后,随着产业链技术水平提升,非苹果品牌厂商正在加速追赶。然而,带有ANC主动降噪功能的TWS耳机仍然是少数,并且集中在1000元以上的价位。一方面,恒玄等本土芯片厂商异军突起,将ANC功能“平民化”;另一方面,苹果、华为却倾向于采用独立降噪方案。集成与分立方案谁将成为主流?ADI如何帮助中小客户快速量产ANC?

 

 AirPods 3或无缘主动降噪功能

 

根据最新消息,苹果将在10月19日凌晨1点的2021秋季新品发布会(第二场)上发布AirPods3。此前有传闻,airpods3可能有降噪和非降噪两个版本。但是根据最新爆料,AirPods3可能最终无缘主动降噪版本,有极大可能是AirPods2的基础上增加防水和标配无线充电功能,或增加空间音频功能,相当于没有降噪功能的airpodspro。

 

虽然笔者也对这番操作极其费解,但不管怎么说,苹果在2019年 10月推出的具有主动降噪功能的AirPods Pro,算是引爆了TWS耳机搭配主动降噪功能的热潮。从2020 年 CES上展示的 TWS耳机新品看,主动降噪功能兼顾环境音模式已经成为高端TWS耳机的标配。除了传统的专业音频厂商,华为、小米、OPPO等手机厂商也纷纷推出自家的主动降噪耳机,追求噪声下用户更好的听觉体验。

 

影响消费者购买无线耳机因素

 

影响消费者购买无线耳机因素,来源:TheState of Play 2018: Audio Consumer Insights、广证恒生

 

高通曾做过一份调查(TheState of Play 2018: AudioConsumerInsights),其中影响消费者购买无线耳机因素中,具有主动降噪功能的比例达到43.83%。在苹果AirPods Pro 等降噪机型带动下,用户习惯获得培养,行业正加速向“TWS+ANC”方向转变。

 

 TWS芯片盘点,恒玄推动ANC平民化

 

 

早在20世纪初,声学专家们就考虑从噪音的本身入手从而达到减弱噪音的目的。1933年,德国物理学家 PaulLueg提出有源噪声控制即主动降噪的概念,利用声波相消性干涉原理降噪。1978年,Bose的创始人AmarG.Bose博士在从欧洲飞往波士顿的飞机上,发现飞机引擎的噪音干扰了他戴耳机欣赏音乐的兴致,在下飞机之后就开始推导验算写出了降噪耳机最原始的方程式。

 

到上个世纪90年代,ADIfellow、美国工程院院士BobAdam发明和开发了全球第一片单片Σ-Δ音频ADC,使得Bose面向普通消费者的降噪耳机QuietComfort成为可能。1989年,ANC首次被Bose量产,从此成为美国飞行员的专用耳机,为美国每年节省2亿美金的噪声致残补偿金。

 

2000年开始,ANC技术进入民用市场,不少航空公司头等舱会以标配QC3等降噪耳机作为卖点。其中,Bose工程师们在降噪耳机QuietComfort的基础上推出小型化降噪耳机QC20,自此掀起了耳机行业“革命”的浪潮。2014年开始,Bose的QC25,开始采用数字ANC方案。

 

到了2017年,中国内地芯片公司恒玄科技(bes)推出了一款单芯片的ANC+蓝牙耳机芯片,一下子把ANC耳机的价格拉到了平民都可以使用的水平。乘此东风,国内很多蓝牙耳机公司都推出了自己的主动降噪蓝牙耳机,比如,QCY,蛇胜等。

 

从当前各厂商已发布TWS 耳机款型来看,已发布耳机产品中带主动降噪功能的有苹果AirPods Pro、华为FreeBuds3、OPPO Enco W51、索尼WF-SP700N、WF-1000XM3、漫步者TWS NB等,其中价位最低的为OPPO Enco W51,其余价格基本上都在1000 元以上。

 

盘点上述厂商,可以发现能够满足需求的主动降噪耳机玩家主要来自两类:一类是以苹果为代表的手机厂商,如华为、小米、OPPO、VIVO等;另一类则是传统的耳机/音频厂商,如Sony、Bose等。

 

部分支持主动降噪技术的主流TWS 芯片

 

部分支持主动降噪技术的主流TWS 芯片,来源:我爱音频网

 

目前市场上主流的主动降噪蓝牙耳机均采用蓝牙芯片与主动降噪芯片分立的方案,比如苹果、华为以及一些高端耳机品牌如BOSE、SONY等,大多采用自研芯片(H1、A1),或者高通的QCC5100(QCC514X)+主动降噪芯片。另一方面,非A 端 TWS耳机SoC 芯片也具有ANC 功能,如恒玄、联发科技、洛达、瑞昱、中科蓝汛、杰理等最新产品。

 

 ANC技术对比,为何苹果、华为不选择单芯片集成?

 

主流TWS蓝牙音频芯片技术对比

 

主流TWS蓝牙音频芯片技术对比,来源:国海证券

 

根据公开资料查询,早于恒玄科技推出的主动降噪蓝牙单芯片是高通2014 年推出的CSR8675,但从主流品牌量产的产品看,未使用其芯片中的降噪功能,而采用了分立的降噪芯片。对于内部空间紧张的TWS耳机来说,单芯片方案可提供更多的内部空间给声学器件和电池,并具有更低的功耗和成本优势。但是另一方面,为何苹果、华为、以及一些高端耳机厂不采用单芯片集成ANC的方案,而要用蓝牙芯片+独立降噪芯片的方案呢?

 

我们回顾一下TWS的主动降噪技术,主要包括三类:ANC(ActiveNoise Control,主动降噪);ENC(Environmental Noise Cancellation,环境降噪技术);以及AI 通话降噪技术。

 

其中主动降噪ANC则是通过侦听背景噪声,利用芯片与算法模型计算噪声声波并生成反相声波,利用声波叠加抵消原理达到降噪效果。

 

ANC又分为前馈式降噪(FeedForward)、反馈式降噪(FeedBack)以及混合降噪(Hybrid)的形式。关于这三种技术的区别,详解附录1,这里就不做太多阐述。

 

AirPods利用骨传导技术+双麦克风进行通话降噪

 

AirPods利用骨传导技术+双麦克风进行通话降噪,来源:广证恒生

 

降噪技术需要通过硬件端(芯片、传感器、麦克风阵列等)与软件端算法的协作来实现。当前TWS 耳机主要通过ANC(主动降噪)、双MIC、Beamforming(波束成型技术)等技术来实现降噪。多数耳机一般是通过多麦克风组成阵列来进行降噪,不同麦克风分别收集人声、环境音,进行分离实现降噪。以Airpods为例,在通话降噪方面,Airpods采用骨传导技术+双麦克降噪,其原理:空气传播通过麦克风将空气中的人声、杂音等环境声收入。骨传声导仅仅收集人声带振动的音频信息。算法将来自这两条路径得到的声音信号进行对比,并对环境音进行弱化处理,即最终留下相对干净的讲话声。AirpodsPro 更进一步加入ANC(主动降噪)功能,单只有3 颗麦克风,通过外向式麦克风和内向式麦克风分别检测外部声波及多余声波,然后通过H1 芯片进行处理,产生与之相同的抗噪声波将其抵消,从而实现降噪。

 

整体来看,主动降噪技术在 TWS耳机上的使用在信号采集处理的时延、算法、产品组装等方面都有较高的门槛。主动降噪不仅比拼芯片性能和算法,还比拼声学设计,声学设计又包含耳机腔体设计、喇叭单元的选择等,因此需要芯片厂商与OEM/ODM 厂商高度配合以实现更好的降噪效果。集成降噪的芯片从通过品牌客户的验证到量产需要相当长时间,具有较高的行业壁垒。

 

分离方案VS SOC 方案

 

分离方案VS SOC 方案,来源:ADI

 

从这个角度来看,对于低端白牌TWS客户来说,采用集成降噪的单芯片,一方面很难做出差异化,另一方面自己的研发能力也跟不上。而针对苹果、华为、BOSE、SONY这类头部客户来说,之所以不采用集成降噪方案,则是从另外的角度来考虑。首先这些客户往往具有很强的声学设计和软硬件设计能力,此外他们需要通过独立的降噪芯片(DSP)来实现灵活的动态参数调整,从而实现差异化。ADI主动降噪方案采用蓝牙和ANCCODEC分离的数字处理电路、混合式降噪方案,这种天然隔离的方法相比SoC单芯片的方案,降低了蓝牙收发带来的噪声干扰,为客户带去更好的音质体验。

 

由ADI中国事业部研发的ADAU1860/ADAU1850发布

 

由ADI中国事业部研发的ADAU1860/ADAU1850发布

 

ADAU1860是ADI推出的新一代低功耗主动降噪芯片,主要由三个部分组成:第一部分是ADC,将外界的音源采集进来,转换成数字信号;中间部分是两颗非常强大的DSP,一颗是HiFi-3zDSP,主要实现音频场景的识别,例如上行降噪、语音唤醒。另一颗则是FastDSP,扩展到了96位指令集,在完成ANC的一套滤波器算法外可以实现对底噪的抑制,对EQ的调整等更多功能;第三部分则是高性能的DAC,供电上1.2V与1.8V的双电源轨设置,可以根据客户不同的使用场景,进一步优化功耗。

 

结论

 

可以看到,苹果TWS 耳机在推出主动降噪功能后,未出现其他革命性创新功能。随着产业链技术水平提升,非苹果品牌厂商正在加速追赶。

 

另一方面,虽然TWS市场火爆,但增长的很大一部分仍然是没有ANC功能的TWS耳机,原因是ANC在开发和在生产环节还是有非常多技术上的门槛。相比苹果、华为等头部客户,ADI的降噪方案在推出硬件参考设计之余加强软件参考引导,让客户的设计和量产更容易,可帮助中小企业顺利导入ANC方案。相信未来随着ADI等技术提供商的推动,ANC功能将不再是1000元以上耳机的禁脔,299元的ANCTWS耳机将会遍地开花。

 

 附录一:三种不同ANC技术的区别

 

前馈式降噪(FeedForward)技术使用前馈式有源噪声控制系统,该系统又称开环式噪声控制系统。这种系统一般需要被控制的初级声场的声音信息,通常称为参考信号。参考信号送到前馈式控制器,经过控制器处理后,产生一个相应的控制信号,驱动扬声器输出该声音信号产生次级声场,进而和实际通过物理途径中传来的原始声波信号相叠加,误差传声器检测初级声场和次级声场的叠加所形成的误差信号,送到控制器中,控制器根据特定的算法调整次级声源信号的强度。前馈式有源噪声控制的

 

优点是外面的麦克风接收的是纯噪声,并不接收喇叭发出的声音,所以系统是一个开环,不会引起任何的闭环振荡和啸叫,因此可以独立地调试电路,使降噪的效果达到最佳。但噪声经过扬声器并在扬声器内多次反射,其大小和相位已发生变化,外面的麦克风采集到的噪声与扬声器内的噪声将有很大的不同,且外部噪声的方向性很强,难以使用同一电路满足来自不同方向的噪声的降噪要求,这些都是在前馈式有源降噪耳机的设计中需要克服的问题。以头戴式耳机为例,其采集声音的麦克风是朝外的,来采集耳朵外面的噪声。采集之后会立刻输送给DSP进行相应的处理(即反相)。如果这个麦克风放得足够好的话,它能够监听到大部分你能听到的场景里的噪声。在这个基础上来个反相,对噪声做一个处理,叠加到耳膜上。但是这样会有一个问题,即噪声的方向是全向的,不知道在哪儿,还有包括测量也不够精准,漏掉一些噪声。

 

前馈式主动降噪耳机典型结构

 

前馈式主动降噪耳机典型结构,来源:华西证券

 

反馈式降噪(FeedBack)技术使用反馈式有源噪声控制系统,该系统又称闭环式噪声控制系统,它比前馈式系统少了一个参考传声器。虽然系统构成上得以简化,但是应用范围也大大缩小。次级声源发出的信号将由参考传声器和误差传声器共同决定。前馈式系统可以减弱参考传声器检测到的与初级噪声相关的噪声,反馈式系统则对窄带噪声十分有效。反馈式降噪耳机的麦克风位于耳机腔体的内部,采集到的噪声会和耳朵听到的噪声差不多,增益大小也差不多,采集到的噪声传送给DSP之后,立刻进行反相声波大小的复制,起到降噪效果。同时,麦克风还会不断检测抵消过后的声音,是否还有残余的噪声存在。不断对比之后,采集和抵消的过程就会结束,起到好的效果。

 

反馈式主动降噪耳机典型结构

 

反馈式主动降噪耳机典型结构,来源:华西证券

 

混合降噪(Hybrid),即用两个麦克风(前馈+反馈)。复合式主动降噪耳机是同时采用了前馈式主动降系统和反馈式主动降噪系统,两者结合使用,可以增强有源噪声控制系统的灵活性,从而比使用单一结构获得更好的降噪效果,但缺点是系统实现复杂、成本也比较高。具体到耳机上面,一个麦克风是朝外检测外部的噪声,另一个放在耳机腔体的内部,和耳朵听到的噪声是一样的,这个麦克风再监听残留的噪声,再做一轮降噪。如此一来就有两个循环,而这两个麦克风采集到的噪声都会输送给DSP进行处理,起到更加准确,一次成型的反相声波抵消。

 

三种ANC 主动降噪技术对比

 

三种ANC 主动降噪技术对比,来源:会听声学