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为真正的无线立体声(TWS)应用程序的下一代音频编解码器铺平道路
发布时间:2021-04-03 12:08:08  阅读次数:

在TWS耳塞或耳机中,有两种类型的消噪方法:无源和有源,这两种方法可以分别使用,也可以一起使用。被动噪声消除(也称为噪声隔离)可通过耳机的组件(例如橡胶头或衬垫)滤除环境噪声,这些噪声对高频噪声(音频带宽高于1 kHz)有效,而对低频噪声则无效。频率环境噪声。另一方面,主动噪声消除在处理恒定的重复性低频噪声(例如飞机发动机的嗡嗡声或冰箱的嗡嗡声)方面更为有效。在本文中,我们将主要着眼于TWS系统中的主动噪声消除技术。


图1突出显示了耳塞中嵌入的主要功能中正在讨论的功能。

为真正的无线立体声(TWS)应用程序的下一代音频编解码器铺平道路(图1)

图1:典型的TWS芯片的功能块(仅耳塞式芯片)


主动降噪(ANC)最初是为了减少飞行中发动机的静态噪声而开发的。如今,更强大的算法和更好的麦克风使ANC超越了旅行世界,使用户能够消除办公室和家庭中的背景噪音和声音。它甚至是当今TWS耳机中的一项功能。无论是在家工作还是在嘈杂的环境中,使用麦克风阵列进行波束成形都可以使人们进行清晰的对话。主动降噪(ANC)技术在无线和真正的无线耳塞设计中开启了音频设备的新纪元。


噪声消除的原理是,麦克风收集外部环境噪声,然后系统将其转换为反向声波,并将其添加到扬声器端,从而降低感官噪声。在面向TWS的应用程序中,有多种设计和实现ANC技术的方法:前馈ANC、反馈ANC和混合ANC。

为真正的无线立体声(TWS)应用程序的下一代音频编解码器铺平道路(图2)

图2:主动降噪(ANC)原理


1、主动降噪(ANC)技术

使用前馈技术(或FF),将噪声捕获麦克风放置在耳机的外部。前馈ANC使用数字信号处理器(DSP)或其他专用的ANC处理硬件将噪声信号映射到用户将在耳机内部听到的频率响应。前馈技术可在大约80 Hz至2 kHz的音频带宽范围内高效运行。


反馈(或FB)ANC与前馈相反,麦克风放置在耳罩内或带有耳塞的佩戴者耳朵内。主要好处是,无论耳机的确切位置和佩戴方式如何,麦克风捕获的噪音都能更准确地反映出佩戴者听到的噪音。与所有反馈系统一样,失控放大的风险很小。系统拾取其自身的抗噪信号并增加放大级别以消除它的风险很小,但实际上会增加噪声量,甚至会产生回音。另一个好处是,由于它正在处理已经非常靠近耳朵的音频,因此处理时间更少。反馈技术可在大约50 Hz至800 Hz的音频带宽内高效运行。


混合式ANC具有两全其美的优点,它结合了FF和FB麦克风以及处理能力,可以覆盖所有基地。因此,混合式ANC实现了最佳的噪声衰减频率覆盖范围和最小的反馈问题机会。缺点是混合ANC更昂贵。不仅有两个麦克风,而且这些麦克风都必须具有高品质,以避免引入额外的噪音。此外,耳机需要更强大的专用处理硬件来处理复杂的数据处理,这将增加ANC软件或算法的开发成本。


但是这里有一个问题,在为TWS耳塞或耳机选择音频编解码器IP时,不同的ANC技术有何关系?


在回答这个问题之前,我们将讨论针对TWS的目标应用中的ANC技术设计挑战。

  • 数字滤波器(输入到输出或模拟到模拟)的音频等待时间非常有限。

  • 基于实时音频样本的流传输(即,一个音频样本输入,一个音频样本输出)。

  • 资源受限,用于大量音频数据处理。

  • ADCDAC的极低功耗,低输入到输出延迟和高采样率。


2、输入到输出延迟

我们用一个简单的例子来说明音频等待时间和ANC算法之间的关系。ADC / DAC采样率(Fs)为192 kHz的音频编解码器(即,一个音频采样等于1 / 192,000秒)应在800个时钟周期(5 µs /(1000/160 MHz)= 800个周期)内完成。 。此外,要使用最有效的ANC消除噪声,您需要使用最高的滤波器抽头数。如果说128(2 7)抽头用于加法和乘法运算,这意味着仅一个音频样本就需要896加法和896乘法。因此,如果使用FF或FB ANC算法,则总共仅需要1个音频采样就可以使用384个MAC。如果使用混合ANC,则仅用于1个音频样本的896个MAC。因此,输入2输出等待时间对于ANC算法的效率起着关键作用(我们假设MCU或DSP的频率是固定的)。


有两个方面需要考虑。一方面,我们希望实现完全的前馈,反馈或混合实施,通过提供高性能ANC并同时最大化音频质量和电池寿命,将两者的优点结合在一起。凭借高性能的音频记录和音频播放路径,音频编解码器IP旨在将延迟降至最低,尤其是数字滤波器的延迟,从而可提供出色的ANC性能和音频质量。另一方面,如果“抗噪声”镜像信号以有效的方式消除了环境噪声,则在执行ANC软件时DSP不一定需要全速工作,这导致了进一步的功耗优化。



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