Adaptive ANC-Lösungen bieten verbesserte Audiofunktionen

Während aktive Geräuschunterdrückung (ANC) für Audiophile nichts Neues ist, ist die Technologie hat an Popularität gewonnen, seit ein bekanntes kalifornisches Unternehmen seine ersten Ohrhörer herausgebracht hat.

Obwohl ANC für Audiophile nichts Neues ist, hat die Technologie an Popularität gewonnen, seit ein bekanntes kalifornisches Unternehmen 2019 seine ersten Ohrhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung auf den Markt brachte für True Wireless (TWS) Ohrhörer sowie Headsets.

Statische ANC-Lösungen

Wenn wir zehn Jahre zurückblicken, wurden die meisten Headset-Designs mit diskreter Elektronik gebaut. Zu dieser Zeit waren nur wenige integrierte Lösungen verfügbar, da einige Halbleiterunternehmen in diesem Nischenmarkt in die Miniaturisierung der Elektronik investiert hatten.

Abbildung 1:Typische diskrete und statische ANC-Schaltung.

Betrachtet man die typische ANC-Implementierung, die in Abbildung 1 dargestellt ist, kann man feststellen, dass es kaum Möglichkeiten gab, viel Flexibilität und Innovation zu implementieren. Die gesamte Filterschaltung basierte auf festen elektronischen Komponenten. Die einzige Möglichkeit zur Abstimmung bestand in der Kalibrierung der Mikrofone während der Massenproduktion über mechanische Potentiometer, um die elektroakustischen Toleranzen des Headsets auszugleichen.

In den letzten fünf Jahren haben Halbleiterunternehmen das Marktpotenzial von ANC erkannt und eine Fülle von statischen digitalen ANC-Lösungen auf den Markt gebracht, die viele Vorteile gegenüber analogen Lösungen bieten – da das Löten passiver RC-Komponenten für die Filterabstimmung nicht mehr erforderlich ist. Software-Updates können beispielsweise die Leistung eines Headsets verbessern oder Stabilitätsprobleme lösen, die bei Feldtests auftreten können. Abgesehen von der Umstellung auf digitale Signalverarbeitung blieb die grundlegende Funktionalität jedoch praktisch die gleiche wie bei analogen Implementierungen. Während Designingenieure bequemere Tuning-Funktionen erhalten, könnte man als Nachteile einen höheren Stromverbrauch und eine geringere Leistung im Vergleich zu analogen Lösungen aufgrund der höheren Latenz anführen.

Adaptives ANC zur Erkennung von Umgebungsgeräuschen

Da Siliziumprozessknoten schrumpfen, um den Stromverbrauch zu reduzieren, während die Rechenleistung digitaler Signalprozessoren (DSP) erhöht wird, haben sich die Fähigkeiten digitaler ANC-Lösungen verbessert. Anstelle von statischen digitalen ANC-Systemen, die im Vergleich zu analogen Lösungen begrenzte Vorteile bieten, begannen Ingenieure das Potenzial neuer digitaler stromsparender ANC-Lösungen zu erkennen, die eine differenzierende Funktion namens Adaptive Noise Cancelling bieten können.

Da es keine offizielle Nomenklatur für ANC-Features gibt, kommt es in der Branche oft zu Missverständnissen – selbst zwischen Ingenieuren, die täglich mit ANC zu tun haben. Die Definitionen der adaptiven Geräuschunterdrückung variieren je nach den Vorteilen, die die Endbenutzer erfahren. Die gebräuchlichste Technologie vieler digitaler ANC-Lösungen auf dem Markt ist adaptives ANC, das auf Umgebungsgeräuscherkennung basiert. Aber was bedeutet das oder warum sollte ich mein ANC-System an die Umgebungsgeräusche anpassen wollen? Nun, auf den ersten Blick mag man sagen, dass dies keinen Sinn macht, da ich immer möchte, dass mein ANC optimal funktioniert. Allerdings tragen Endnutzer heutzutage Kopfhörer in vielen verschiedenen Situationen, die jeweils mit unterschiedlichen Geräuscheigenschaften konfrontiert sind, wie in Abbildung 2 gezeigt. Das Umgebungsgeräuschprofil in einem Flugzeug unterscheidet sich sicherlich von einem Café. In einem Flugzeug hört der Benutzer normalerweise störende, niederfrequente Geräusche, die vom Düsentriebwerk verursacht werden, während der Benutzer in einem Café wahrscheinlich hochfrequente Geräusche wahrnimmt, die er lieber begrenzen möchte.

Abbildung 2:Adaptive ANC zur Erkennung von Umgebungsgeräuschen.

Der Trend adaptiver ANC-Systeme besteht darin, die dominante Rauschquelle zu identifizieren und das ANC-System auf diesen Frequenzbereich zu fokussieren. Diese Aufgabe wird normalerweise mit zusätzlichen DSP-Softwarealgorithmen implementiert. Um jedoch das Umgebungsgeräuschprofil zu identifizieren, speist das Feed-Forward-ANC-Mikrofon auch in den ANC-DSP mit niedriger Latenz und einen zweiten DSP ein. Basierend auf diesem Umgebungsgeräuschprofil können die ANC-Filterkoeffizienten – die die ANC-Eigenschaften eines Headsets definieren – neu konfiguriert werden. Alternativ gibt es auch mehrere Lösungen, die vier oder mehr verschiedene ANC-Presets anbieten. Diese können über eine MCU oder per Knopfdruck gesteuert werden, ohne dass Filterkoeffizienten ausgetauscht werden müssen, was beispielsweise zur Reduzierung von I ² . beiträgt C-Busverkehr.

Abbildung 3:Adaptives ANC-System basierend auf Umgebungsgeräuscherkennung.

Das in Abbildung 3 gezeigte Prinzip ist für die meisten Marktlösungen gleich, es gibt jedoch Unterschiede im Algorithmus zur Erkennung von Umgebungsgeräuschen. Der einfachste Weg basiert auf FFT mit Frequenzbewertung des Rauschsignals. ANC-Anbieter versuchen, mit Erkennungsalgorithmen zu differenzieren, und bestehende Erkennungsmethoden werden durch eine auf neuronalen Netzwerken basierende Szenenerkennung ersetzt. Daher kann ein Headset die Umgebung – ein Büro, ein Café, ein Flugzeug oder anderswo – genau bestimmen und den idealen ANC-Filter oder das erweiterte Hörprofil auswählen. Das in Abbildung 3 gezeigte Systemblockdiagramm ist ein vereinfachtes Beispiel und es gibt verschiedene Implementierungsoptionen, um diese Funktion zu unterstützen. Egal welche Lösung, die Ausgabe ist immer gleich, die Geräuschunterdrückungsfunktion wird automatisch basierend auf Umgebungsgeräuschen oder erkannten Ereignissen in dieser Kategorie von adaptiven ANC-Systemen angepasst.

Adaptive ANC mit automatischer Leckagekompensation

Die zweite Kategorie teilt sich, wie bereits erwähnt, auch den gleichen Namen Adaptive Noise Cancelling, löst aber ein völlig anderes Endbenutzerproblem. Es ist bekannt, dass eine gute ANC-Leistung eine hochwertige ANC-Schaltung mit geringer Latenzzeit sowie hervorragende elektroakustische Komponenten erfordert. Es gibt jedoch einen dritten wichtigen Faktor, der sehr oft vergessen wird. Ein ANC-Headset mit seinen Gain- und Phasenkompensationsfiltern ist auf eine bestimmte Abdichtung und passive Dämpfung des Headsets ausgelegt:aber was heißt das in einfachen Worten? Es geht um den richtigen Sitz des Ohrhörers in den Ohren des Benutzers. Eine schlechte Abdichtung des Ohrhörers beeinflusst die passive Dämpfung, was die Übertragungsfunktion des Ziel-ANC-Filters beeinträchtigt. Das mag akademisch klingen, aber was bedeutet das für einen Endverbraucher? Der Einfluss der passiven Dämpfung und des Sitzes des Ohrhörers kann dazu führen, dass die ANC-Leistung bei verschiedenen Benutzern verloren geht. Dies ist ein häufiges Problem, mit dem Ingenieure kämpfen, um eine gute ANC-Leistung für eine Vielzahl von Benutzern sicherzustellen. Die in Abbildung 4 gezeigte Zeichnung veranschaulicht das Problem, das sich in einem ANC-Leistungsverlust bei unterschiedlichen Leckagepegeln der Ohrhörer äußert.

Abbildung 4:ANC-Leistungsverlust basierend auf unterschiedlichen Leckagepegeln der Ohrhörer.

Die Grafik zeigt die ANC-Leistung eines locker sitzenden (keine Gummispitze verwendet) TWS-Ohrhörers mit verschiedenen kontrollierten Leckagepegeln. Die Kurve „No Earbud Leakage“ ist der Leckagepegel, für den das Headset so ausgelegt ist, dass es gut am Ohr des Benutzers sitzt. Das Gerät zeigt für diesen Anwendungsfall eine überragende ANC-Leistung mit hervorragender Spitzenleistung und großer ANC-Bandbreite. Sobald eine Leckage auftritt (Medium Leakage entspricht 8 mm ² Controlled Leakage) sieht man deutlich, dass die ANC-Leistung um ~30dB sinkt und auch die ANC-Bandbreite massiv reduziert wird. Wenn die Leckage weiter erhöht wird (High Earbud Leakage entspricht ~20 mm ² Controlled Leakage), was für einen locker sitzenden Ohrhörer steht, sinkt die Leistung unter 10 dB, was bedeutet, dass für einen Endbenutzer praktisch kein ANC wahrnehmbar ist. Das beschriebene Verhalten unterschiedlicher ANC-Leistungsstufen und Ohrhöreranpassungen bei verschiedenen Benutzern ist ein Problem, das von Adaptive ANC gelöst wurde. Daher zielt diese Art von adaptivem ANC-System darauf ab, akustische Fehlanpassungen zu kompensieren, um sicherzustellen, dass jeder Benutzer eine konstante ANC-Leistung erhalten kann, unabhängig davon, ob ein Ohrhörer an den Ohren seines Benutzers sitzt.

Wie funktioniert die adaptive Misfit-Kompensation?

Adaptives ANC, das Fehlanpassungen ausgleicht, erfordert eine komplexe Hardware- und Softwarearchitektur. Um besser zu verstehen, was benötigt wird, ist es sinnvoll, sich die Zielfrequenz- und Phasenkompensationskurven für mindestens einen der ANC-Signalpfade anzusehen. In dem in Abbildung 5 gezeigten Beispiel werden die Kennlinien der Feed-Forward-Zielverstärkung und der Phasenkompensationsfilter für den Anwendungsfall ohne Leckage und mit hoher Leckage gezeigt. Wie bereits erwähnt, ist der Filter bei statischen ANC-Systemen in der Regel für einen leckagefreien Betrieb optimiert, wenn der Ohrhörer richtig im Ohr eingesetzt ist.

Abbildung 5:Zielfilterkurven für ALC-Beispiel für verschiedene Leckagepegel.

Da wir ein adaptives System anstreben, können wir in Abbildung 5 sehen, dass sich die Ziel-ANC-Feed-Forward-Frequenz und -Phasenantwort für hohe Leckagepegel ändert, was den zuvor in Abbildung 4 gezeigten ANC-Leistungsverlust erklären kann. In einem statischen ANC-System stimmen Verstärkung und Phase nicht mehr mit der Zielkurve überein, wenn der Ohrhörer nicht richtig im Ohr positioniert ist. Daher ist die Forderung nach einem adaptiven System klar, das Fehlanpassungen ausgleicht. Das Gerät muss in der Lage sein, die ANC-Filterübertragungsfunktion basierend auf dem Leckpegel der Ohrhörer dynamisch anzupassen. Das klingt vielleicht nicht allzu schwierig. Da die heutigen ANC-Systeme auf hybrider ANC-Technologie basieren, ist dies nicht so einfach, insbesondere wenn wir uns Abbildung 6 ansehen, die ein allgemeines Systemblockdiagramm eines adaptiven ANC-Systems zeigt.

Abbildung 6:Adaptives ANC-System zum Ausgleich von Fehlanpassungen.

Das Blockschaltbild zeigt im Vergleich zu einem statischen System viel mehr Systemblöcke. Im Prinzip kann der Low-Latency-DSP, der die Noise Cancelling-Funktion selbst unterstützt, wie ein statisches System sein, da es in der Lage sein muss, dieselbe Funktion zu erfüllen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass statt zwischen verschiedenen Filtercharakteristiken oder Presets umschalten zu können, der Filter zur Laufzeit dynamisch angepasst werden muss. Ein Wechsel zu einer anderen Filterbank oder einem anderen Preset würde zu ANC-Aussetzern führen, was sicherlich nicht zu bevorzugen ist. Daher muss der DSP in der Lage sein, die dynamische Neukonfiguration der Filterübertragungsfunktion zu unterstützen, während ANC aktiv ist. Dies macht das Design eines ANC-DSP komplizierter, da dies in statischen Systemen normalerweise nicht erforderlich ist.

Wichtig zu erwähnen ist, dass nicht nur der Feed-Forward-ANC-Pfad verwendet wird, sondern – um die höchste Leistung zu erhalten – auch der Feedback-ANC-Signalpfad. Darüber hinaus übernehmen hochwertige ANC-Systeme auch den Frequenzgang der Musikwiedergabe, um die gleiche Klangqualität mit unterschiedlichen Leckagepegeln beizubehalten.

Um die Filter entsprechend dem Leckagepegel zu ändern, sind auch Softwarealgorithmen erforderlich, um einen Leckagepegel im Ohr des Benutzers zu erkennen. Dies geschieht normalerweise mit einer zweiten MCU oder einem DSP, der die Mikrofone sowie zusätzlichen Sensoren wie einem Näherungssensor und einem Beschleunigungsmesser überwacht. Während Mikrofone verwendet werden, um den Leckagepegel zu erkennen, werden normalerweise Näherungssensoren verwendet, um Eckfälle zu erkennen. Da Misfit-Kompensationsalgorithmen auch die kritischen Rückkopplungs-ANC-Filter anpassen, kann es passieren, dass das System zu schwingen beginnt und instabil wird, weil bei hoher Leckage zu viel Rückkopplungsverstärkung verwendet wird oder wenn der Ohrhörer vollständig aus dem Ohr ist. Daher tragen zusätzliche Sensorsignale dazu bei, das adaptive System robust zu machen und Instabilitäten zu erkennen, um ein Heulen innerhalb oder außerhalb des Ohrs des Benutzers zu vermeiden. Dies ist eine der kritischsten Funktionen, denn Kunden würden sich sicherlich beschweren und denken, dass der Ohrhörer defekt ist. Daher müssen Ingenieure sicherstellen, dass unter keinen Umständen Instabilitäten auftreten können.

Bleibt nur noch die Frage:Lohnt sich dieser Mehraufwand wirklich? Funktionieren diese komplexen adaptiven Systeme wirklich? Schauen wir uns Abbildung 7 an, die die ANC-Leistung eines adaptiven, locker sitzenden TWS-Ohrhörers mit drei verschiedenen Leckagepegeln wie in Abbildung 4 mit einem statischen ANC-System zeigt. Wir können deutlich sehen, dass wir ohne Leckage die beste ANC-Leistung über eine große Bandbreite von 20 Hz bis 2 kHz erzielen. Wenn nun eine Leckage in das System eingeführt wird, erkennen Softwarealgorithmen die Leckage und ändern die ANC-Filter entsprechend. Das Leistungsniveau kann auch bei hohen Ohrstöpseln auf einem Maximum gehalten werden.

Wenn Sie sich die Kurve genau ansehen, können Sie feststellen, dass die Leistung im unteren Frequenzbereich leicht reduziert ist. Dieses Phänomen lässt sich leicht erklären. Dieses für den adaptiven ANC-Test verwendete Ohrhörerdesign hat keine Gummispitzen und fällt in die Kategorie der locker sitzenden Ohrhörer. Bei solchen offenen Ohrhörersystemen mit hoher Leckage ist die Ausgangsleistung der Lautsprecher aufgrund der physikalischen Größe begrenzt. An einem bestimmten Leckpunkt kann der Lautsprecher nicht genug Ausgangsleistung erzeugen, um das gesamte niederfrequente Rauschen zu unterdrücken, was zu einer verringerten Leistung bei den niederfrequenten Frequenzen führt. Im Allgemeinen sind die Ergebnisse adaptiver ANC-Systeme vielversprechend und können ANC auf die nächste Stufe heben. Die Technologie kann sicherlich auch auf versiegelte Ohrhörer oder Over-Ear-Headsets angewendet werden, um Undichtigkeiten beim Tragen einer Brille auszugleichen.

Abbildung 7:ALC-Leistungskurven mit unterschiedlichen Leckagepegeln.

In naher Zukunft werden wir wahrscheinlich adaptive Systeme sehen, die adaptive Fehlanpassungskompensationssysteme mit auf neuronalen Netzwerken basierenden Systemen kombinieren, die die Umgebung erkennen und so gleichzeitig Fehlanpassungen kompensieren und den ANC-Sweet-Spot optimieren.

Sind adaptive ANC-Systeme sinnvoll?

Manche mögen sagen:Ich möchte nicht, dass ein elektronisches System die Kontrolle übernimmt, und ich kann die Betriebsmodi und den richtigen Sitz meiner Ohrhörer verwalten. Andere Benutzer können von einem System profitieren, das unabhängig von der Umgebung immer die ideale Leistung liefert. Ich glaube, es gibt kein richtig oder falsch, es geht um persönliche Vorlieben und die Art und Weise, wie ein Produkt verwendet wird. Einige Benutzer mögen die Funktion, während andere sie nicht wirklich zu schätzen wissen. Glücklicherweise ist es möglich, solche Funktionen zu deaktivieren, und der beste Weg, um Optionen zu bewerten, besteht darin, die Entwicklungsplattform der ams AG für adaptive Geräuschunterdrückungslösungen rund um die digitale erweiterte Hörplattform AS3460 zu testen. Maßgeschneiderte ANC-Entwicklungstools für adaptive ANC-Lösungen mit dem AS3460 sind auf Anfrage erhältlich.

Weitere Informationen finden Sie unter https://ams-osram.com

---

Verwandte Inhalte:

• KI findet ihre Stimme in der Audiokette
• Wie Audio-Edge-Prozessoren die Sprachintegration in IoT-Geräten ermöglichen
• Bessere Audioverarbeitung am Rand
• Verbesserte aktive Geräuschunterdrückung mit neuen Automobil-Audiotechnologien
• Designüberlegungen für stromsparende, immer aktive Sprachbefehlssysteme
• Low-Power-Geräte könnten mit einer Silizium-Cochlea zuhören

Für mehr Embedded, abonnieren Sie den wöchentlichen E-Mail-Newsletter von Embedded.