Adaptive ANC-Lösungen liefern überlegene Audio-Performance

Während Active Noise Cancellation (ANC) lange Zeit ein fester Bestandteil für Audiophile war, hat sich ihre Rolle im heutigen Markt seit 2019 dramatisch erweitert, als eine führende kalifornische Marke die ersten Ohrhörer mit ANC auf den Markt brachte. Dieser Meilenstein löste breites Bewusstsein aus und machte ANC zu einem unverzichtbaren Feature für True-Wireless (TWS) Ohrhörer und Headsets gleichermaßen.

Statische ANC-Lösungen

Im vergangenen Jahrzehnt verließen sich die meisten Headsets auf diskrete Komponenten. Damals hatten nur wenige Halbleiterfirmen in die Miniaturisierung von ANC-Elektronik investiert, was Innovationen begrenzte. Abbildung 1 zeigt einen typischen statischen ANC-Schaltkreis: Alle Filterstufen waren fest, die einzige Abstimmungsoption waren mechanische Potentiometer, die während der Massenproduktion eingestellt wurden, um elektro-akustische Toleranzen auszugleichen.

Abbildung 1: Typischer diskreter und statischer ANC-Schaltkreis.

In den letzten fünf Jahren haben sich digitale ANC-Lösungen verbreitet und bieten mehrere Vorteile: Kein Bedarf an gelöteten RC-Komponenten, Möglichkeit von Firmware-Updates zur Leistungsverbesserung und bessere Stabilität bei Feldtests. Die Kernfunktionalität blieb jedoch weitgehend unverändert, und Designer standen weiterhin vor höherem Stromverbrauch und erhöhter Latenz im Vergleich zu analogen Designs.

Adaptives ANC für Umgebungsgeräuscherkennung

Fortschritte bei Siliziumknoten haben den Stromverbrauch gesenkt und die DSP-Fähigkeiten gesteigert, was den Weg für adaptives ANC ebnete, das seine Reaktion auf die Umgebung anpasst. Während die Terminologie in der Branche variiert, basiert die häufigste Form von adaptivem ANC auf Umgebungsgeräuscherkennung zur Anpassung der Filtercharakteristiken.

Betrachten Sie das Geräuschprofil eines Linienflugs versus eines belebten Cafés. Tiefrequentes Triebwerksdröhnen dominiert im Ersteren, während hochfrequentes Geplapper im Letzteren vorherrscht. Adaptive ANC-Systeme erkennen das dominante Geräuschfrequenzband und konfigurieren die ANC-Filterkoeffizienten entsprechend neu, oft über einen sekundären DSP. Abbildung 2 veranschaulicht diesen Prozess.

Abbildung 2: Adaptives ANC für Umgebungsgeräuscherkennung.

Einige Anbieter bieten mehrere voreingestellte Profile (z. B. Büro, Café, Flugzeug), die über einen MCU oder Benutzeroberfläche wählbar sind. Fortgeschrittenere Lösungen nutzen neuronale Netze zur Szenenerkennung, sodass das Headset automatisch den optimalen ANC-Filter wählt und sogar das Hörprofil für spezifische Umgebungen anpasst.

Adaptives ANC mit automatischer Leckagekompensation

Hochwertiges ANC hängt auch von einem guten Ohrpassform ab: Schlechte Abdichtung verringert die passive Dämpfung und stört die Zielfilter-Übertragungsfunktion. Abbildung 4 zeigt, wie Leckagepegel die ANC-Leistung über das Spektrum verschlechtern.

Abbildung 4: ANC-Leistungsverlust basierend auf verschiedenen Ohrhörer-Leckagepegeln.

Adaptive Fehlanpassungskompensation geht dieses Problem an, indem sie sowohl den Feed-Forward- als auch den Feedback-ANC-Filter basierend auf Echtzeit-Leckagemessungen dynamisch anpasst. Dies erfordert eine anspruchsvolle Architektur: einen Low-Latency-DSP, der seine Übertragungsfunktion on-the-fly neu konfigurieren kann, zusätzliche Sensoren (Mikrofone, Nähe, Beschleunigungsmesser) zur Erkennung der Passform und zur Vermeidung von Instabilität, sowie algorithmische Schutzmechanismen gegen Feedback-Oszillationen.

Abbildung 5 zeigt Ziel-Gain- und Phasenkurven für No-Leakage- versus High-Leakage-Szenarien und verdeutlicht, warum statische Designs versagen, wenn der Ohrhörer locker sitzt.

Abbildung 5: Ziel-Filterkurven für ALC-Beispiel bei verschiedenen Leckagepegeln.

Das hochrangige Blockdiagramm in Abbildung 6 illustriert die zusätzlichen Komponenten: Dual-DSPs, ein sekundärer MCU und Sensor-Schnittstellen. Der Schlüssel ist kontinuierliche, latenzarme Neukonfiguration, die ANC stabil hält, während sie sich an Passformänderungen anpasst.

Abbildung 6: Adaptives ANC-System für Fehlanpassungskompensation.

Abbildung 7 präsentiert reale Ergebnisse: Ein locker sitzender TWS-Ohrhörer mit adaptivem ANC behält überlegene Leistung über Leckagepegel hinweg bei, mit nur einem moderaten Einbruch im sehr tiefen Frequenzband aufgrund von Lautsprecher-Leistungsbeschränkungen. Diese Ergebnisse bestätigen, dass adaptive Fehlanpassungskompensation die ANC-Qualität für diverse Nutzer zuverlässig steigern kann.

Abbildung 7: ALC-Performance-Kurven bei verschiedenen Leckagepegeln.

Zukünftige Iterationen werden wahrscheinlich Fehlanpassungskompensation mit neuronaler Netzwerk-Szenenerkennung vereinen und eine einheitliche Lösung liefern, die sich automatisch an sowohl Umgebung als auch Passform anpasst.

Machen adaptive ANC-Systeme Sinn?

Persönliche Präferenz spielt eine Rolle: Einige Nutzer schätzen die hands-off Performance, die sich automatisch anpasst, andere bevorzugen manuelle Kontrolle. Adaptives ANC ist keine One-Size-Fits-All-Funktion, bietet aber für viele Hörer einen greifbaren Vorteil. Produkte können das Feature auch deaktivieren, falls gewünscht. Ingenieure, die adaptive ANC-Lösungen prototypisieren möchten, können die ams AG Entwicklungsplattform rund um den AS3460 Digital Augmented Hearing Processor erkunden. Maßgeschneiderte Tools sind auf Anfrage erhältlich.

Weitere Informationen finden Sie unter ams‑osram.com.

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