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引言：蘋果TWS 耳機在推出主動降噪功能后，隨著產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)水平提升，非蘋果品牌廠商正在加速追趕。然而，帶有ANC主動降噪功能的TWS耳機仍然是少數(shù)，并且集中在1000元以上的價位。一方面，恒玄等本土芯片廠商異軍突起，將ANC功能“平民化”；另一方面，蘋果、華為卻傾向于采用獨立降噪方案。集成與分立方案誰將成為主流？ADI如何幫助中小客戶快速量產(chǎn)ANC？
?AirPods 3或無緣主動降噪功能
根據(jù)最新消息，蘋果將在10月19日凌晨1點的2021秋季新品發(fā)布會（第二場）上發(fā)布AirPods3。此前有傳聞，airpods3可能有降噪和非降噪兩個版本。但是根據(jù)最新爆料，AirPods3可能最終無緣主動降噪版本，有極大可能是AirPods2的基礎(chǔ)上增加防水和標配無線充電功能，或增加空間音頻功能，相當于沒有降噪功能的airpodspro。
雖然筆者也對這番操作極其費解，但不管怎么說，蘋果在2019年 10月推出的具有主動降噪功能的AirPods Pro，算是引爆了TWS耳機搭配主動降噪功能的熱潮。從2020 年 CES上展示的 TWS耳機新品看，主動降噪功能兼顧環(huán)境音模式已經(jīng)成為高端TWS耳機的標配。除了傳統(tǒng)的專業(yè)音頻廠商，華為、小米、OPPO等手機廠商也紛紛推出自家的主動降噪耳機，追求噪聲下用戶更好的聽覺體驗。
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影響消費者購買無線耳機因素，來源：TheState of Play 2018: Audio Consumer Insights、廣證恒生
高通曾做過一份調(diào)查（TheState of Play 2018: AudioConsumerInsights），其中影響消費者購買無線耳機因素中，具有主動降噪功能的比例達到43.83%。在蘋果AirPods Pro 等降噪機型帶動下，用戶習(xí)慣獲得培養(yǎng)，行業(yè)正加速向“TWS+ANC”方向轉(zhuǎn)變。
?TWS芯片盤點，恒玄推動ANC平民化
早在20世紀初，聲學(xué)專家們就考慮從噪音的本身入手從而達到減弱噪音的目的。1933年，德國物理學(xué)家 PaulLueg提出有源噪聲控制即主動降噪的概念，利用聲波相消性干涉原理降噪。1978年，Bose的創(chuàng)始人AmarG.Bose博士在從歐洲飛往波士頓的飛機上，發(fā)現(xiàn)飛機引擎的噪音干擾了他戴耳機欣賞音樂的興致，在下飛機之后就開始推導(dǎo)驗算寫出了降噪耳機最原始的方程式。
到上個世紀90年代，ADIfellow、美國工程院院士BobAdam發(fā)明和開發(fā)了全球第一片單片Σ-Δ音頻ADC，使得Bose面向普通消費者的降噪耳機QuietComfort成為可能。1989年,ANC首次被Bose量產(chǎn)，從此成為美國飛行員的專用耳機，為美國每年節(jié)省2億美金的噪聲致殘補償金。
2000年開始，ANC技術(shù)進入民用市場，不少航空公司頭等艙會以標配QC3等降噪耳機作為賣點。其中，Bose工程師們在降噪耳機QuietComfort的基礎(chǔ)上推出小型化降噪耳機QC20，自此掀起了耳機行業(yè)“革命”的浪潮。2014年開始，Bose的QC25，開始采用數(shù)字ANC方案。
到了2017年，中國內(nèi)地芯片公司恒玄科技（bes）推出了一款單芯片的ANC+藍牙耳機芯片，一下子把ANC耳機的價格拉到了平民都可以使用的水平。乘此東風(fēng)，國內(nèi)很多藍牙耳機公司都推出了自己的主動降噪藍牙耳機，比如，QCY，蛇勝等。
從當前各廠商已發(fā)布TWS 耳機款型來看，已發(fā)布耳機產(chǎn)品中帶主動降噪功能的有蘋果AirPods Pro、華為FreeBuds3、OPPO Enco W51、索尼WF-SP700N、WF-1000XM3、漫步者TWS NB等，其中價位最低的為OPPO Enco W51，其余價格基本上都在1000 元以上。
盤點上述廠商，可以發(fā)現(xiàn)能夠滿足需求的主動降噪耳機玩家主要來自兩類：一類是以蘋果為代表的手機廠商，如華為、小米、OPPO、VIVO等；另一類則是傳統(tǒng)的耳機/音頻廠商，如Sony、Bose等。
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部分支持主動降噪技術(shù)的主流TWS 芯片，來源：我愛音頻網(wǎng)
目前市場上主流的主動降噪藍牙耳機均采用藍牙芯片與主動降噪芯片分立的方案，比如蘋果、華為以及一些高端耳機品牌如BOSE、SONY等，大多采用自研芯片（H1、A1），或者高通的QCC5100（QCC514X）+主動降噪芯片。另一方面，非A 端 TWS耳機SoC 芯片也具有ANC 功能，如恒玄、聯(lián)發(fā)科技、洛達、瑞昱、中科藍汛、杰理等最新產(chǎn)品。
?ANC技術(shù)對比，為何蘋果、華為不選擇單芯片集成？
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主流TWS藍牙音頻芯片技術(shù)對比，來源：國海證券
根據(jù)公開資料查詢，早于恒玄科技推出的主動降噪藍牙單芯片是高通2014 年推出的CSR8675，但從主流品牌量產(chǎn)的產(chǎn)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。對于內(nèi)部空間緊張的TWS耳機來說，單芯片方案可提供更多的內(nèi)部空間給聲學(xué)器件和電池，并具有更低的功耗和成本優(yōu)勢。但是另一方面，為何蘋果、華為、以及一些高端耳機廠不采用單芯片集成ANC的方案，而要用藍牙芯片+獨立降噪芯片的方案呢？
我們回顧一下TWS的主動降噪技術(shù)，主要包括三類：ANC(ActiveNoise Control，主動降噪)；ENC(Environmental Noise Cancellation，環(huán)境降噪技術(shù))；以及AI 通話降噪技術(shù)。
其中主動降噪ANC則是通過偵聽背景噪聲，利用芯片與算法模型計算噪聲聲波并生成反相聲波，利用聲波疊加抵消原理達到降噪效果。
ANC又分為前饋式降噪（FeedForward）、反饋式降噪（FeedBack）以及混合降噪（Hybrid）的形式。關(guān)于這三種技術(shù)的區(qū)別，詳解附錄1，這里就不做太多闡述。
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AirPods利用骨傳導(dǎo)技術(shù)+雙麥克風(fēng)進行通話降噪，來源：廣證恒生
降噪技術(shù)需要通過硬件端（芯片、傳感器、麥克風(fēng)陣列等）與軟件端算法的協(xié)作來實現(xiàn)。當前TWS 耳機主要通過ANC（主動降噪）、雙MIC、Beamforming（波束成型技術(shù)）等技術(shù)來實現(xiàn)降噪。多數(shù)耳機一般是通過多麥克風(fēng)組成陣列來進行降噪，不同麥克風(fēng)分別收集人聲、環(huán)境音，進行分離實現(xiàn)降噪。以Airpods為例，在通話降噪方面，Airpods采用骨傳導(dǎo)技術(shù)+雙麥克降噪，其原理：空氣傳播通過麥克風(fēng)將空氣中的人聲、雜音等環(huán)境聲收入。骨傳聲導(dǎo)僅僅收集人聲帶振動的音頻信息。算法將來自這兩條路徑得到的聲音信號進行對比，并對環(huán)境音進行弱化處理，即最終留下相對干凈的講話聲。AirpodsPro 更進一步加入ANC（主動降噪）功能，單只有3 顆麥克風(fēng)，通過外向式麥克風(fēng)和內(nèi)向式麥克風(fēng)分別檢測外部聲波及多余聲波，然后通過H1 芯片進行處理，產(chǎn)生與之相同的抗噪聲波將其抵消，從而實現(xiàn)降噪。
整體來看，主動降噪技術(shù)在 TWS耳機上的使用在信號采集處理的時延、算法、產(chǎn)品組裝等方面都有較高的門檻。主動降噪不僅比拼芯片性能和算法，還比拼聲學(xué)設(shè)計，聲學(xué)設(shè)計又包含耳機腔體設(shè)計、喇叭單元的選擇等，因此需要芯片廠商與OEM/ODM 廠商高度配合以實現(xiàn)更好的降噪效果。集成降噪的芯片從通過品牌客戶的驗證到量產(chǎn)需要相當長時間，具有較高的行業(yè)壁壘。
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分離方案VS SOC 方案，來源：ADI
從這個角度來看，對于低端白牌TWS客戶來說，采用集成降噪的單芯片，一方面很難做出差異化，另一方面自己的研發(fā)能力也跟不上。而針對蘋果、華為、BOSE、SONY這類頭部客戶來說，之所以不采用集成降噪方案，則是從另外的角度來考慮。首先這些客戶往往具有很強的聲學(xué)設(shè)計和軟硬件設(shè)計能力，此外他們需要通過獨立的降噪芯片（DSP）來實現(xiàn)靈活的動態(tài)參數(shù)調(diào)整，從而實現(xiàn)差異化。ADI主動降噪方案采用藍牙和ANCCODEC分離的數(shù)字處理電路、混合式降噪方案，這種天然隔離的方法相比SoC單芯片的方案，降低了藍牙收發(fā)帶來的噪聲干擾，為客戶帶去更好的音質(zhì)體驗。
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由ADI中國事業(yè)部研發(fā)的ADAU1860/ADAU1850發(fā)布
ADAU1860是ADI推出的新一代低功耗主動降噪芯片，主要由三個部分組成：第一部分是ADC，將外界的音源采集進來，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；中間部分是兩顆非常強大的DSP，一顆是HiFi-3zDSP，主要實現(xiàn)音頻場景的識別，例如上行降噪、語音喚醒。另一顆則是FastDSP，擴展到了96位指令集，在完成ANC的一套濾波器算法外可以實現(xiàn)對底噪的抑制，對EQ的調(diào)整等更多功能；第三部分則是高性能的DAC，供電上1.2V與1.8V的雙電源軌設(shè)置，可以根據(jù)客戶不同的使用場景，進一步優(yōu)化功耗。
結(jié)論
可以看到，蘋果TWS 耳機在推出主動降噪功能后，未出現(xiàn)其他革命性創(chuàng)新功能。隨著產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)水平提升，非蘋果品牌廠商正在加速追趕。
另一方面，雖然TWS市場火爆，但增長的很大一部分仍然是沒有ANC功能的TWS耳機，原因是ANC在開發(fā)和在生產(chǎn)環(huán)節(jié)還是有非常多技術(shù)上的門檻。相比蘋果、華為等頭部客戶，ADI的降噪方案在推出硬件參考設(shè)計之余加強軟件參考引導(dǎo)，讓客戶的設(shè)計和量產(chǎn)更容易，可幫助中小企業(yè)順利導(dǎo)入ANC方案。相信未來隨著ADI等技術(shù)提供商的推動，ANC功能將不再是1000元以上耳機的禁臠，299元的ANCTWS耳機將會遍地開花。
?附錄一：三種不同ANC技術(shù)的區(qū)別
前饋式降噪（FeedForward）技術(shù)使用前饋式有源噪聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱開環(huán)式噪聲控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般需要被控制的初級聲場的聲音信息，通常稱為參考信號。參考信號送到前饋式控制器，經(jīng)過控制器處理后，產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動揚聲器輸出該聲音信號產(chǎn)生次級聲場，進而和實際通過物理途徑中傳來的原始聲波信號相疊加，誤差傳聲器檢測初級聲場和次級聲場的疊加所形成的誤差信號，送到控制器中，控制器根據(jù)特定的算法調(diào)整次級聲源信號的強度。前饋式有源噪聲控制的
優(yōu)點是外面的麥克風(fēng)接收的是純噪聲，并不接收喇叭發(fā)出的聲音，所以系統(tǒng)是一個開環(huán)，不會引起任何的閉環(huán)振蕩和嘯叫，因此可以獨立地調(diào)試電路，使降噪的效果達到最佳。但噪聲經(jīng)過揚聲器并在揚聲器內(nèi)多次反射，其大小和相位已發(fā)生變化，外面的麥克風(fēng)采集到的噪聲與揚聲器內(nèi)的噪聲將有很大的不同，且外部噪聲的方向性很強，難以使用同一電路滿足來自不同方向的噪聲的降噪要求，這些都是在前饋式有源降噪耳機的設(shè)計中需要克服的問題。以頭戴式耳機為例，其采集聲音的麥克風(fēng)是朝外的，來采集耳朵外面的噪聲。采集之后會立刻輸送給DSP進行相應(yīng)的處理（即反相）。如果這個麥克風(fēng)放得足夠好的話，它能夠監(jiān)聽到大部分你能聽到的場景里的噪聲。在這個基礎(chǔ)上來個反相，對噪聲做一個處理，疊加到耳膜上。但是這樣會有一個問題，即噪聲的方向是全向的，不知道在哪兒，還有包括測量也不夠精準，漏掉一些噪聲。
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前饋式主動降噪耳機典型結(jié)構(gòu)，來源：華西證券
反饋式降噪（FeedBack）技術(shù)使用反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱閉環(huán)式噪聲控制系統(tǒng)，它比前饋式系統(tǒng)少了一個參考傳聲器。雖然系統(tǒng)構(gòu)成上得以簡化，但是應(yīng)用范圍也大大縮小。次級聲源發(fā)出的信號將由參考傳聲器和誤差傳聲器共同決定。前饋式系統(tǒng)可以減弱參考傳聲器檢測到的與初級噪聲相關(guān)的噪聲，反饋式系統(tǒng)則對窄帶噪聲十分有效。反饋式降噪耳機的麥克風(fēng)位于耳機腔體的內(nèi)部，采集到的噪聲會和耳朵聽到的噪聲差不多，增益大小也差不多，采集到的噪聲傳送給DSP之后，立刻進行反相聲波大小的復(fù)制，起到降噪效果。同時，麥克風(fēng)還會不斷檢測抵消過后的聲音，是否還有殘余的噪聲存在。不斷對比之后，采集和抵消的過程就會結(jié)束，起到好的效果。
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反饋式主動降噪耳機典型結(jié)構(gòu)，來源：華西證券
混合降噪（Hybrid），即用兩個麥克風(fēng)（前饋+反饋）。復(fù)合式主動降噪耳機是同時采用了前饋式主動降系統(tǒng)和反饋式主動降噪系統(tǒng)，兩者結(jié)合使用，可以增強有源噪聲控制系統(tǒng)的靈活性，從而比使用單一結(jié)構(gòu)獲得更好的降噪效果，但缺點是系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜、成本也比較高。具體到耳機上面，一個麥克風(fēng)是朝外檢測外部的噪聲，另一個放在耳機腔體的內(nèi)部，和耳朵聽到的噪聲是一樣的，這個麥克風(fēng)再監(jiān)聽殘留的噪聲，再做一輪降噪。如此一來就有兩個循環(huán)，而這兩個麥克風(fēng)采集到的噪聲都會輸送給DSP進行處理，起到更加準確，一次成型的反相聲波抵消。
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三種ANC 主動降噪技術(shù)對比，來源：會聽聲學(xué)
