1、ANC的工作原理 在非常小巧的TWS耳機中加入降噪功能，是目前音頻廠商共同面對的難題，今天我們來就來針對性的聊聊TWS耳機降噪技術是如何實現的。 主動降噪(ANC)技術是現代耳機行業的主要技術。雖然它仍然是一個高端的功能，但它不再為最昂貴的耳機所獨享。 事實上，設計和實現 ANC 技術的方法有很多種。其中每一個都影響耳機消除噪音的質量。我們将解釋這些方法之間的差異。 簡單來說，主動降噪(ANC)基于聲波相位抵消的原理。相位差為 180 度的波（如聲波）或相互反轉的波疊加在一起時，相互抵消。類似于-1 加到 1，結果為零。 消除噪聲的思路是，記錄背景噪聲，再反轉噪聲信号以創建”反相噪聲”，然後将其添加到輸出信号中。在噪聲信号在到達耳朵時，反相噪聲也剛好到達，從而消除實際的背景噪音。

聲波相位消除原理圖

這個想法确實非常簡單，可以追溯到上個世紀30年代，但它實現起來卻非常困難。 ANC最大問題是如何足夠準确地捕獲背景聲音，并同步提供最大衰減量。麥克風具有不完善的頻率響應、聲電轉換會引入自己的噪聲，而用于消噪的反相聲波使揚聲器在到達耳朵時可能無法完全與噪聲相位剛好相反。 針對這些問題，系統需要仔細計算和調整，但即使如此，也不會看到100% 抵消。不過，-20dB到 -30dB之間的降噪在高端耳機還是較為常見，這将背景噪音減少到原來的從 1/10到1/32，還是很可觀的。 要考慮的另一個關鍵點是，耳機内部和外部聽到的噪音非常不同。聲音捕獲的這種差異将影響主動降噪耳機的質量和功能。 這就引出了這樣一個問題：最好将麥克風安裝在什麼位置以捕獲噪音？在耳機外面、裡面、或者二者兼顧？ 1.1、前饋 ANC（FF ANC） 前饋 ANC 相對來說是更簡單的主動噪聲消除類型的技術。使用前饋技術時，用于捕獲噪聲的麥克風放在耳機外側。

前饋 ANC（FF ANC）示意

前饋ANC使用數字信号處理器(DSP)其他專用ANC處理單元将噪聲信号映射到用戶在耳機内部實際聽到的頻率響應。通過理論分析和産品測試，确保正确應用此映射以滿足最大噪聲消除的要求。但是，這不如在耳機内放置麥克風那樣準确，而且外部麥克風對噪音源的方向比較敏感，不同方向的噪音可能會造成不一樣的降噪效果。 此外，降噪性能在不同的佩戴者之間會有不同的效果。例如，松散的配合可能會導緻用戶音頻洩露到外部麥克風，導緻處理器誤把用戶音頻當成噪音處理。也可能把外部麥克風沒有捕獲的噪音洩露到耳機内部，從而無法消噪。 1.2、反饋 ANC (FB ANC) 反饋 ANC 與前饋相反，麥克風放置在耳機内。雖然在耳機内側選擇正确的位置會帶來一系列新的困難，但其主要優點是麥克風捕獲的噪音更準确地反映佩戴者聽到的噪音，而不管耳機的确切位置和貼合度如何。這也使耳機更容易消除風噪。

反饋 ANC (FB ANC)示意

除了噪音，用戶音頻也會被内部麥克風捕獲，因此，在産生反相噪音之前，需要過濾掉用戶音頻，由此校準過的信号，才能用于産生反相噪音。 與所有反饋系統一樣，存在失控放大的風險。這需要方案采取足夠的預防措施。反饋ANC的處理時間也更少，因為它正在處理已經非常接近耳膜的音頻。 1.3、混合ANC 混合ANC 結合了FF和FB二者的優點，它将獲得最佳的噪聲衰減頻率覆蓋率，并弱化了FF和FB ANC的缺點。

混合ANC示意

混合 ANC的缺點是系統更複雜、成本更高。不僅有兩個麥克風，而且這些麥克風需要很高的質量，以避免引入額外的噪音。耳機還需要更強大的專用處理硬件來處理額外的運算。但它們确實可以提供更優的ANC。 2、降噪條件分析 前文提到，要使降噪效果最好，必須使反相噪音和環境噪音的剛好同步疊加，因此，要求反相信号不能晚于噪音到達用戶的耳朵。如果反相信号提前到達用戶耳朵的話，則系統可以主動調節，以便使二者同步，達到消噪的目的。 因此，系統處理聲音的速度就顯得很重要，速度越快，系統就越能從容處理噪音。 下圖中Tsound是指聲音從外部麥克風到揚聲器之間的傳播時間。聲音處理時間包括聲音信号在各個環節消耗的時間之和。這些環節包括：麥克風把聲音轉為電信号的過程、ADC（模數轉換）［如果有的話］、聲學計算、DAC（數模轉換）［如果有的話］、PA(功率放大器)、揚聲器。 已知聲音在空氣中的傳播速度為340m/s，如果外部麥克風到揚聲器的距離是3mm，那麼它的傳播時間為88us。此時，聲音消耗在所有環節消耗的時間之和必須小于88us。

降噪條件分析

由于聲音在塑料、金屬等固體中的傳播速度比在空氣中的速度快得多，實際上，外部噪音從麥克風傳播到揚聲器的時間比上面計算的結果要更少。可見，整個系統對聲音的處理時間要足夠小。

3、ANC的挑戰和應對元器件的機械參數和電氣參數必然存在公差，組裝生産過程也會引入公差，盡管這些公差很小，但是很容易引起微秒級别的誤差。從前文的分析結果看到，微秒級的誤差就足以讓讓反相噪音和真實噪音失去同步，從而降低減噪效果。因此，如何保證産品的性能的一緻和穩定可靠，成為降噪TWS耳機的一大挑戰。另外，如前文提到，麥克風、ADC、DAC（如果有的話）、揚聲器都會引入噪音和産生失真，在抑制環境噪音的同時，盡量減少系統自身引入的噪音和失真，也是挑戰。

那麼，針對這些挑戰，如何應對呢？從耳機産品的角度來看，需要在以下幾個方面加以考慮：首先，選擇專業的、最新的ANC芯片，或者選擇集成了專業ANC功能的SoC（或SiP）。這些芯片的THD N（總諧波失真 噪聲）與DNR（動态範圍）足夠高，在保證音質的前提下，還能讓最終的成品達到40dB的降噪目效果。另外，這些專業ANC處理器的處理時間足夠快。從模拟信号輸入到模拟信号輸出（A2A）的時間可以控制在5us左右，可以留出更多的時間作為麥克風和揚聲器的響應時間。其次，麥克風和揚聲器除了頻率響應範圍寬以及失真小，它們的聲電轉換時間的公差也要足夠小，從而允許系統可以針對不同的噪音傳播時間進行适應性調節。第三，主控芯片必須能提供自适應的校準算法。耳機零部件和組裝生産一定會存在一定的誤差，隻要這些誤差能夠控制在校準算法控制的公差範圍内，就能夠實現自動校準，從而提高生産直通率。最後，音腔設計、模具加工、時鐘設計、電路設計、PCBA、組裝生産都需要針對性地進行優化。

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