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引言：蘋果TWS 耳機(jī)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(jī)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(biāo)配無線充電功能，或增加空間音頻功能，相當(dāng)于沒有降噪功能的airpodspro。
雖然筆者也對這番操作極其費(fèi)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(jī)搭配主動降噪功能的熱潮。從2020 年 CES上展示的 TWS耳機(jī)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(jī)的標(biāo)配。除了傳統(tǒng)的專業(yè)音頻廠商，華為、小米、OPPO等手機(jī)廠商也紛紛推出自家的主動降噪耳機(jī)，追求噪聲下用戶更好的聽覺體驗。
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影響消費(fèi)者購買無線耳機(jī)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(fèi)者購買無線耳機(jī)因素中，具有主動降噪功能的比例達(dá)到43.83%。在蘋果AirPods Pro 等降噪機(jī)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(jì)初，聲學(xué)專家們就考慮從噪音的本身入手從而達(dá)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(jī)上，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)引擎的噪音干擾了他戴耳機(jī)欣賞音樂的興致，在下飛機(jī)之后就開始推導(dǎo)驗算寫出了降噪耳機(jī)最原始的方程式。
到上個世紀(jì)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(fèi)者的降噪耳機(jī)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(jī)，為美國每年節(jié)省2億美金的噪聲致殘補(bǔ)償金。
2000年開始，ANC技術(shù)進(jìn)入民用市場，不少航空公司頭等艙會以標(biāo)配QC3等降噪耳機(jī)作為賣點。其中，Bose工程師們在降噪耳機(jī)QuietComfort的基礎(chǔ)上推出小型化降噪耳機(jī)QC20，自此掀起了耳機(jī)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(lán)牙耳機(jī)芯片，一下子把ANC耳機(jī)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(lán)牙耳機(jī)公司都推出了自己的主動降噪藍(lán)牙耳機(jī)，比如，QCY，蛇勝等。
從當(dāng)前各廠商已發(fā)布TWS 耳機(jī)款型來看，已發(fā)布耳機(jī)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(jī)玩家主要來自兩類：一類是以蘋果為代表的手機(jī)廠商，如華為、小米、OPPO、VIVO等；另一類則是傳統(tǒng)的耳機(jī)/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(lán)牙耳機(jī)均采用藍(lán)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(jī)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(jī)SoC 芯片也具有ANC 功能，如恒玄、聯(lián)發(fā)科技、洛達(dá)、瑞昱、中科藍(lán)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(lán)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(lán)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(jī)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(jī)廠不采用單芯片集成ANC的方案，而要用藍(lán)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(dá)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(jìn)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(dāng)前TWS 耳機(jī)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(jī)一般是通過多麥克風(fēng)組成陣列來進(jìn)行降噪，不同麥克風(fēng)分別收集人聲、環(huán)境音，進(jìn)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(jìn)行對比，并對環(huán)境音進(jìn)行弱化處理，即最終留下相對干凈的講話聲。AirpodsPro 更進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(dāng)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(qiáng)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(lán)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(lán)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(jìn)來，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；中間部分是兩顆非常強(qiáng)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(kuò)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(jìn)一步優(yōu)化功耗。
結(jié)論
可以看到，蘋果TWS 耳機(jī)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(jī)，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(qiáng)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(jī)的禁臠，299元的ANCTWS耳機(jī)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(yáng)聲器輸出該聲音信號產(chǎn)生次級聲場，進(jìn)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(qiáng)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(dá)到最佳。但噪聲經(jīng)過揚(yáng)聲器并在揚(yáng)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(yáng)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(qiáng)，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(jī)的設(shè)計中需要克服的問題。以頭戴式耳機(jī)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(jìn)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(zhǔn)，漏掉一些噪聲。
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前饋式主動降噪耳機(jī)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(jī)的麥克風(fēng)位于耳機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jìn)行處理，起到更加準(zhǔn)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)
