Adaptieve ANC-oplossingen leveren superieure audio-prestaties

Terwijl active noise cancellation (ANC) lang een vast onderdeel was voor audiofielsen, is de rol in de huidige markt dramatisch uitgebreid sinds 2019, toen een toonaangevend Californiase merk de eerste oordopjes met ANC lanceerde. Deze mijlpaal ontbrandde wijdverspreide bewustwording, wat ANC een non-negotiable-functie maakte voor true-wireless (TWS) oordopjes en headsets alike.

Statische ANC-oplossingen

Voor het afgelopen decennium vertrouwde de meeste headsets op discrete componenten. Op dat moment hadden slechts een handvol semiconductor-bedrijven geïnvesteerd in het miniaturiseren van ANC-elektronica, wat innovatie beperkte. Figuur 1 toont een typisch statisch ANC-circuit: alle filterfasen waren vast, met de enige afstelmogelijkheid mechanische potentiometers ingesteld tijdens massaproductie om electro-akoestische toleranties te compenseren.

Figuur 1: Typisch discrete en statische ANC-circuit.

Over de laatste vijf jaar hebben digitale ANC-oplossingen geprolifererd, wat diverse voordelen biedt: geen gesoldeerde RC-componenten nodig, de mogelijkheid van firmware-updates om prestaties te verbeteren, en betere stabiliteit tijdens veldtesten. Echter, de kernfunctionaliteit bleef grotendeels ongewijzigd, en ontwerpers confronteerden nog steeds hoger stroomverbruik en verhoogde latentie vergeleken met analoge ontwerpen.

Adaptieve ANC voor omgevingsgeluidsdetectie

Vooruitgang in silicium-nodes heeft stroomverbruik gekrimpt terwijl DSP-capaciteiten boostten, wat de weg baande voor adaptieve ANC die zijn respons afstemt op de omringende omgeving. Hoewel terminologie varieert over de industrie, steunt de meest voorkomende vorm van adaptieve ANC op omgevingsgeluidsdetectie om filterkenmerken aan te passen.

Overweeg het geluidsprofiel op een commercieel vlucht versus een drukke café. Laag-frequente straalmotor-gerimpel domineert in de eerste, terwijl hoog-frequent gepraat heerst in de laatste. Adaptieve ANC-systemen detecteren het dominante geluidsfrequentieband en herconfigureren de ANC-filtercoëfficiënten dienovereenkomstig, vaak via een secundaire DSP. Figuur 2 illustreert dit proces.

Figuur 2: Adaptieve ANC voor omgevingsgeluidsdetectie.

Sommige leveranciers bieden meerdere preset-profielen (bijv. kantoor, café, vliegtuig), selecteerbaar via een MCU of gebruikersinterface. Geavanceerdere oplossingen gebruiken neurale-netwerk-gebaseerde scene-detectie, wat de headset in staat stelt om automatisch het optimale ANC-filter te kiezen en zelfs het hoorprofiel te augmenteren voor specifieke omgevingen.

Adaptieve ANC met automatische lekkage-compensatie

Hoogwaardige ANC hangt ook af van een goede oorpast: slecht afdichten verlaagt passive demping, wat de filter-doel-transferfunctie verstoort. Figuur 4 demonstreert hoe lekkageniveaus ANC-prestaties over het spectrum degraderen.

Figuur 4: ANC-prestatieverlies gebaseerd op verschillende oordop-lekkageniveaus.

Adaptieve misfit-compensatie pakt dit aan door zowel de feed-forward- als feed-back-ANC-filters dynamisch aan te passen op basis van real-time lekkagemetingen. Dit vereist een gesofistikeerde architectuur: een lage-latentie DSP die zijn transferfunctie on-the-fly kan herconfigureren, additionele sensoren (microfoons, nabijheid, accelerometer) om fit te detecteren en instabiliteit te vermijden, en algorithmische beschermingen om feedback-oscillaties te voorkomen.

Figuur 5 toont doel-gain- en fase-curven voor geen-lekkage versus hoog-lekkage-scenario's, wat onderstreept waarom statische ontwerpen struikelen wanneer de oordop los zit.

Figuur 5: Doel-filtercurven voor ALC-voorbeeld voor verschillende lekkageniveaus.

Het hoog-niveau blokdiagram in Figuur 6 illustreert de additionele componenten: dual DSP's, een secundaire MCU, en sensor-interfaces. De sleutel is continue, lage-latentie herconfiguratie die ANC stabiel houdt terwijl het aanpast aan fit-veranderingen.

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

Figuur 7 presenteert real-world-resultaten: een los-zittende TWS-oordop met adaptieve ANC behoudt superieure prestaties over lekkageniveaus, met slechts een bescheiden dip in de erg-laag-frequente-band vanwege spreker-vermogensbeperkingen. Deze bevindingen bevestigen dat adaptieve misfit-compensatie betrouwbaar ANC-kwaliteit voor diverse gebruikers kan verhogen.

Figuur 7: ALC-prestatiecurven met verschillende lekkageniveaus.

Toekomstige iteraties zullen waarschijnlijk misfit-compensatie samenvoegen met neurale-netwerk-scene-detectie, wat een geünificeerde oplossing levert die automatisch aanpast aan zowel omgeving als fit.

Zijn adaptieve ANC-systemen zinvol?

Persoonlijke voorkeur speelt een rol: sommige gebruikers waarderen hands-off-prestaties die automatisch aanpassen, terwijl anderen handmatige controle prefereren. Adaptieve ANC is geen one-size-fits-all-functie, maar het biedt een tastbaar voordeel voor veel luisteraars. Producten kunnen de functie ook uitschakelen als gewenst. Ingenieurs die adaptieve ANC-oplossingen willen prototypen, kunnen het ams AG-ontwikkelplatform verkennen gebouwd rond de AS3460 digitale verhoogde-hoor-processor. Maatwerk-tools zijn beschikbaar op verzoek.

Voor meer informatie, bezoek ams-osram.com.

Gerelateerde Inhoud:

• AI vindt zijn stem in audio-keten
• Hoe audio-edge-processors stem-integratie in IoT-apparaten mogelijk maken
• Betere audio-verwerking aan de edge
• Verbeteren van active noise cancellation met nieuwe automotive-audiotechnologieën
• Ontwerpoverwegingen voor laagstroom, always-on-stemcommando-systemen
• Laagstroom-apparaten kunnen luisteren met een silicium-cochlea

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mail-nieuwsbrief.