Adaptieve ANC-oplossingen zorgen voor verbeterde audiomogelijkheden

Hoewel actieve ruisonderdrukking (ANC) niets nieuws is voor audiofielen, technologie is in populariteit gegroeid sinds een bekend Californisch bedrijf zijn eerste oordopjes uitbracht.

Hoewel ANC niets nieuws is voor audiofielen, is de technologie in populariteit toegenomen sinds een bekend Californisch bedrijf in 2019 zijn eerste oordopjes met actieve ruisonderdrukking uitbracht. Sindsdien is het bewustzijn van eindgebruikers van ANC aanzienlijk toegenomen en is het een vereiste functie geworden voor True Wireless (TWS) oordopjes en headsets.

Statische ANC-oplossingen

Als we tien jaar terugkijken, zijn de meeste headset-ontwerpen gebouwd met discrete elektronica. Op dat moment waren er weinig geïntegreerde oplossingen beschikbaar omdat een klein aantal halfgeleiderbedrijven had geïnvesteerd in de miniaturisering van elektronica in deze nichemarkt.

Afbeelding 1:Typisch discreet en statisch ANC-circuit.

Kijkend naar de typische ANC-implementatie, weergegeven in figuur 1, kan worden vastgesteld dat er weinig gelegenheid was om veel flexibiliteit en innovatie te implementeren. Alle filterschakelingen waren gebaseerd op vaste elektronische componenten. De enige kans om af te stemmen was de kalibratie van de microfoons tijdens massaproductie via mechanische potentiometers om de elektro-akoestische toleranties van de headset te compenseren.

In de afgelopen vijf jaar begonnen halfgeleiderbedrijven het marktpotentieel van ANC in te zien en brachten ze een overvloed aan statische digitale ANC-oplossingen uit die veel voordelen bieden ten opzichte van analoge oplossingen - aangezien het niet langer nodig is om passieve RC-componenten te solderen voor filterafstemming. Software-updates kunnen bijvoorbeeld de prestaties van een headset verbeteren of stabiliteitsproblemen oplossen die zich tijdens veldtesten kunnen voordoen. Naast de overstap naar digitale signaalverwerking bleef de basisfunctionaliteit echter vrijwel hetzelfde als bij analoge implementaties. Hoewel ontwerpingenieurs handigere afstemmingsmogelijkheden krijgen, zijn er nadelen zoals een hoger stroomverbruik en lagere prestaties in vergelijking met analoge oplossingen als gevolg van verhoogde latentie.

Adaptieve ANC voor detectie van omgevingsgeluid

Omdat siliciumprocesknooppunten kleiner worden om het stroomverbruik te verminderen en tegelijkertijd de rekenkracht van digitale signaalprocessors (DSP) te vergroten, zijn de mogelijkheden van digitale ANC-oplossingen verbeterd. In plaats van statische digitale ANC-systemen die beperkte voordelen bieden in vergelijking met analoge oplossingen, begonnen ingenieurs het potentieel in te zien van nieuwe digitale low-power ANC-oplossingen die een onderscheidende functie kunnen bieden, genaamd Adaptive Noise Cancelling.

Omdat er geen officiële nomenclatuur is voor ANC-functies, is er vaak een misverstand in de branche, zelfs tussen technici die dagelijks met ANC te maken hebben. De definities van adaptieve ruisonderdrukking variëren afhankelijk van de voordelen die eindgebruikers ervaren. De meest gebruikte technologie die door veel digitale ANC-oplossingen op de markt wordt geboden, is adaptieve ANC op basis van detectie van omgevingsgeluid. Maar wat betekent dit of waarom zou ik mijn ANC-systeem willen aanpassen op basis van omgevingsgeluid? Nou, op het eerste gezicht zou je kunnen zeggen dat dit geen zin heeft, omdat ik altijd wil dat mijn ANC op zijn best werkt. Eindgebruikers dragen tegenwoordig echter een koptelefoon in veel verschillende situaties, elk met verschillende geluidskarakteristieken, zoals weergegeven in figuur 2. Het omgevingsgeluidsprofiel in een vliegtuig is zeker anders dan in een café. In een vliegtuig hoort de gebruiker meestal irritant laagfrequent geluid dat wordt veroorzaakt door de straalmotor, terwijl de gebruiker in een café waarschijnlijk hoogfrequent geluid ervaart dat hij liever beperkt.

Afbeelding 2:Adaptieve ANC voor detectie van omgevingsgeluid.

De trend van adaptieve ANC-systemen is om de dominante ruisbron te identificeren en het ANC-systeem op dit frequentiebereik te concentreren. Deze taak wordt meestal uitgevoerd met aanvullende DSP-software-algoritmen. Om het omgevingsgeluidsprofiel te identificeren, voert de feed-forward ANC-microfoon echter ook de ANC DSP met lage latentie en een tweede DSP in. Op basis van dit omgevingsgeluidsprofiel kunnen de ANC-filtercoëfficiënten - die de ANC-kenmerken van een headset definiëren - opnieuw worden geconfigureerd. Als alternatief zijn er ook verschillende oplossingen die vier of meer verschillende ANC-presets bieden. Deze kunnen worden bestuurd door een MCU of via een druk op de knop zonder de noodzaak om filtercoëfficiënten uit te wisselen, wat bijvoorbeeld helpt om I ² te verminderen C busverkeer.

Afbeelding 3:Adaptief ANC-systeem op basis van detectie van omgevingsgeluid.

Het principe dat wordt getoond in figuur 3 is hetzelfde voor de meeste marktoplossingen, maar er zijn verschillen in het algoritme voor het detecteren van omgevingsgeluid. De eenvoudigste manier is gebaseerd op FFT met frequentieweging van het ruissignaal. ANC-leveranciers proberen te differentiëren met detectiealgoritmen en bestaande detectiemethoden zullen worden vervangen door scènedetectie op basis van neurale netwerken. Daarom kan een headset precies de omgeving bepalen - een kantoor, café, vliegtuig of ergens anders - en het ideale ANC-filter of vergroot gehoorprofiel selecteren. Het systeemblokdiagram dat wordt weergegeven in Afbeelding 3 is een vereenvoudigd voorbeeld en er zijn verschillende implementatieopties om deze functie te ondersteunen. Welke oplossing ook, de output is altijd hetzelfde, de ruisonderdrukkingsfunctie wordt automatisch aangepast op basis van omgevingsgeluid of gedetecteerde gebeurtenissen in deze categorie van adaptieve ANC-systemen.

Adaptieve ANC met automatische lekkagecompensatie

De tweede categorie deelt, zoals eerder aangegeven, ook dezelfde naam Adaptive Noise Canceling maar lost een heel ander eindgebruikersprobleem op. Het is algemeen bekend dat voor goede ANC-prestaties hoogwaardige ANC-schakelingen met een lage latentie en uitstekende elektro-akoestische componenten nodig zijn. Er is echter nog een derde belangrijke factor die vaak wordt vergeten. Een ANC-headset met zijn versterkings- en fasecompensatiefilters is ontworpen voor een bepaalde afdichting en passieve demping van de headset:maar wat betekent dit in eenvoudige bewoordingen? Het draait allemaal om de juiste pasvorm van de oordopjes in de oren van de gebruiker. Een slechte afdichting van de oordopjes beïnvloedt de passieve demping, die de overdrachtsfunctie van het doel-ANC-filter beïnvloedt. Dit klinkt misschien academisch, maar wat betekent dit voor een eindgebruiker? De invloed van passieve demping en de pasvorm van de oordopjes kan leiden tot verlies van ANC-prestaties bij verschillende gebruikers. Dit is een veelvoorkomend probleem waar ingenieurs mee worstelen om goede ANC-prestaties te garanderen voor een breed scala aan gebruikers. De tekening in Afbeelding 4 illustreert het probleem dat wordt uitgedrukt in ANC-prestatieverlies met verschillende lekkageniveaus van oordopjes.

Afbeelding 4:ANC-prestatieverlies op basis van verschillende lekkageniveaus van oordopjes.

De grafiek toont de ANC-prestaties van een TWS-oordopje met losse pasvorm (er wordt geen rubberen tip gebruikt) met verschillende gecontroleerde lekkageniveaus. De 'No Earbud Leakage'-curve is het lekniveau waarvoor de headset is ontworpen om goed op het oor van de gebruiker te passen. Het apparaat vertoont superieure ANC-prestaties voor dit gebruik met uitstekende piekprestaties en brede ANC-bandbreedte. Zodra een lekkage wordt geïntroduceerd (gemiddelde lekkage komt overeen met 8 mm ² gecontroleerde lekkage) kun je duidelijk zien dat de ANC-prestaties met ~30dB dalen en er is ook een enorme vermindering van de ANC-bandbreedte. Als de lekkage verder toeneemt (hoge lekkage van oordopjes komt overeen met ~20 mm ² gecontroleerde lekkage), wat een loszittende oordop vertegenwoordigt, daalt de prestatie onder 10dB, wat betekent dat er voor een eindgebruiker vrijwel geen ANC merkbaar is. Het beschreven gedrag van verschillende ANC-prestatieniveaus en oordopjes bij verschillende gebruikers is een probleem dat is opgelost door Adaptive ANC. Daarom is dit type adaptief ANC-systeem bedoeld om akoestische misfit te compenseren om ervoor te zorgen dat elke gebruiker constante ANC-prestaties kan krijgen, onafhankelijk van de pasvorm van een oordopje in de oren van zijn gebruikers.

Hoe werkt Adaptive Misfit-compensatie?

Adaptieve ANC die misfit compenseert, vereist een complexe hardware- en softwarearchitectuur. Om een ​​beter begrip te krijgen van wat nodig is, is het zinvol om te kijken naar de doelfrequentie- en fasecompensatiecurves voor ten minste één van de ANC-signaalpaden. In het voorbeeld in afbeelding 5 worden de feed-forward doelversterking en fasecompensatiefiltercurves weergegeven voor gebruikssituaties zonder lekkage en hoge lekkage. Zoals eerder vermeld in statische ANC-systemen, is het filter doorgaans geoptimaliseerd voor lekkage wanneer de oordop goed in het oor is geplaatst.

Figuur 5:Doelfiltercurves voor ALC-voorbeeld voor verschillende lekkageniveaus.

Omdat we streven naar een adaptief systeem, kunnen we in figuur 5 zien dat de beoogde ANC-feedforwardfrequentie en faserespons veranderen voor hoge lekkageniveaus, wat het ANC-prestatieverlies kan verklaren dat eerder in figuur 4 is getoond. In een statisch ANC-systeem komen de versterking en fase niet meer overeen met de doelcurve als de oortelefoon niet goed in het oor is geplaatst. De eis voor een adaptief systeem dat misfit compenseert is dan ook duidelijk. Het apparaat moet de overdrachtsfunctie van het ANC-filter dynamisch kunnen aanpassen op basis van het lekkageniveau van de oordopjes. Misschien klinkt dit niet al te moeilijk. Aangezien de ANC-systemen van tegenwoordig gebaseerd zijn op hybride ANC-technologie, is het niet zo eenvoudig, vooral als we kijken naar figuur 6, die een systeemblokdiagram op hoog niveau van een adaptief ANC-systeem laat zien.

Figuur 6:Adaptief ANC-systeem voor compensatie voor misfit.

Het blokschema laat veel meer systeemblokken zien in vergelijking met een statisch systeem. In principe kan de low-latency DSP, die de ruisonderdrukkingsfunctie zelf ondersteunt, als een statisch systeem zijn, omdat het dezelfde functie moet kunnen vervullen. Het enige verschil is dat in plaats van te kunnen schakelen tussen verschillende filterkarakteristieken of presets, het filter dynamisch moet worden aangepast tijdens runtime. Een overstap naar een andere filterbank of preset zou ANC-uitval veroorzaken, wat zeker niet de voorkeur heeft. Daarom moet de DSP dynamische herconfiguratie van de filteroverdrachtfunctie kunnen ondersteunen terwijl ANC actief is. Dit maakt het ontwerp van een ANC DSP ingewikkelder omdat dit in statische systemen normaal gesproken geen vereiste is.

Belangrijk om te vermelden is dat niet alleen het feed-forward ANC-pad is aangenomen, maar - om de hoogste prestaties te behouden - ook het feed-back ANC-signaalpad. Bovendien passen hoogwaardige ANC-systemen ook de frequentierespons voor het afspelen van muziek toe om dezelfde geluidskwaliteit te behouden met verschillende lekniveaus.

Om de filters te wijzigen op basis van het lekkageniveau zijn er ook software-algoritmen nodig om een ​​lekkageniveau in het oor van de gebruiker te detecteren. Dit wordt meestal gedaan met een tweede MCU of DSP die de microfoons bewaakt, evenals extra sensoren zoals een naderingssensor en een versnellingsmeter. Terwijl microfoons worden gebruikt om het lekkageniveau te detecteren, worden nabijheidssensoren meestal gebruikt om hoekgevallen te detecteren. Omdat misfit-compensatiealgoritmen ook de kritieke feedback-ANC-filters aanpassen, kan het gebeuren dat het systeem begint te oscilleren en onstabiel wordt omdat er te veel feedbackversterking wordt gebruikt in een toestand met veel lekkage of als de oordop volledig uit het oor is. Daarom helpen extra sensorsignalen om het adaptieve systeem robuust te maken en instabiliteiten te detecteren om gehuil binnen of buiten het oor van de gebruiker te voorkomen. Dit is een van de meest kritische functies omdat klanten zeker zouden klagen en denken dat de oordop defect is. Daarom moeten ingenieurs ervoor zorgen dat er in geen geval instabiliteiten kunnen optreden.

De enige vragen die nu nog resteren:loont deze extra inspanning echt? Werken deze complexe adaptieve systemen echt? Laten we eens kijken naar figuur 7, die de ANC-prestaties toont van een adaptieve TWS loose-fit oordopje met drie verschillende lekkageniveaus zoals in figuur 4 met een statisch ANC-systeem. We kunnen duidelijk zien dat we zonder lekkage de beste ANC-prestaties krijgen over een brede bandbreedte van 20 Hz tot 2 kHz. Als er nu lekkage in het systeem wordt geïntroduceerd, detecteren software-algoritmen de lekkage en veranderen de ANC-filters dienovereenkomstig. Het prestatieniveau kan tot een maximum worden gehouden, zelfs bij hoge lekkageniveaus van oordopjes.

Als u goed naar de curve kijkt, ziet u misschien dat de prestaties in het lagere frequentiegebied enigszins zijn verminderd. Dit fenomeen is gemakkelijk te verklaren. Dit oordopjesontwerp dat wordt gebruikt voor de adaptieve ANC-test heeft geen rubberen uiteinden en valt onder de categorie losse oordopjes. In dergelijke open oordopjessystemen met hoge lekkage is het uitgangsvermogen van luidsprekers beperkt vanwege de fysieke grootte. Op een bepaald lekpunt kan de luidspreker niet genoeg uitgangsvermogen produceren om de volledige laagfrequente ruis te annuleren, wat resulteert in verminderde laagfrequente prestaties. Over het algemeen zijn de resultaten van adaptieve ANC-systemen veelbelovend en kunnen ze ANC naar een hoger niveau tillen. De technologie kan zeker ook worden toegepast op verzegelde oordopjes of over-ear headsets, waardoor lekkages bij het dragen van een bril worden gecompenseerd.

Figuur 7:ALC-prestatiecurves met verschillende lekkageniveaus.

In de nabije toekomst zullen we waarschijnlijk adaptieve systemen zien die adaptieve misfit-compensatiesystemen combineren met neurale netwerkgebaseerde systemen die de omgeving herkennen, om zo de misfit te compenseren en tegelijkertijd de ANC-sweet spot te optimaliseren.

Zijn adaptieve ANC-systemen zinvol?

Sommigen zullen zeggen:ik wil niet dat een elektronisch systeem de controle overneemt en ik kan de bedieningsmodi en de juiste pasvorm van mijn oordopjes beheren. Andere gebruikers kunnen baat hebben bij een systeem dat altijd ideale prestaties levert, onafhankelijk van de omgeving. Ik geloof dat er geen goed of fout is, het draait allemaal om persoonlijke voorkeuren en de manier waarop een product wordt gebruikt. Sommige gebruikers kunnen genieten van de functie, terwijl anderen het niet echt waarderen. Gelukkig is het mogelijk om dergelijke functies uit te schakelen en de beste manier om opties te evalueren is door het ams AG-ontwikkelplatform te testen voor adaptieve ruisonderdrukkingsoplossingen rond het AS3460 digitale augmented hoorplatform. Op maat gemaakte ANC-ontwikkeltools voor adaptieve ANC-oplossingen, met behulp van de AS3460, zijn op aanvraag beschikbaar.

Ga voor meer informatie naar https://ams-osram.com

---

Verwante inhoud:

• AI vindt zijn stem in audioketen
• Hoe audio edge-processors spraakintegratie in IoT-apparaten mogelijk maken
• Betere audioverwerking aan de rand
• Betere actieve ruisonderdrukking met nieuwe auto-audiotechnologieën
• Ontwerpoverwegingen voor energiezuinige, altijd ingeschakelde spraakopdrachtsystemen
• Low-power apparaten kunnen luisteren met een siliconen cochlea

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.