2019年以來，在產業鏈多方共同推動下，真無線立體聲（TWS）耳機出貨量快速攀升。通過比照不難發現，TWS耳機這波商機與智能手機爆發初期相似，受益于上游技術如藍牙、主動降噪等的扎堆升級，后續走勢有望復刻智能手機市場，想象空間極大。調研機構Counterpoint Research數據預測稱，2020年TWS耳機出貨量將以超90%的增速暴增至2.3億只。
如何把握TWS耳機市場的強勁商機？上游領導廠商的技術紅利不容錯過。以高性能信號鏈著稱業內的ADI的主動降噪方案，就以技術實力大幅提升耳機聽音體驗，助力BOSE等客戶的產品成為行業標桿。近期，ADI官方微信平臺“ADI智庫”主辦的線上“ADI數字主動降噪耳機方案”直播對TWS耳機最火的主動降噪技術進行普及推廣，并介紹了ADI數字主動降噪系列方案和成功案例，本文將分享直播部分深度觀點并結合該直播提及的主要解決方案，從技術角度分析主動降噪芯片的選擇。
主動降噪是大勢所趨
直播中，ADI應用工程師先是介紹了耳機降噪技術的發展，主動降噪的模擬和數字電路對比，主動降噪技術的三種實現方式，以及最新的自適應主動降噪技術要點等。
被動降噪是通過耳機的外殼、硅膠耳塞等物理阻擋來隔離噪聲，主動降噪是指通過電子線路采集產生一個與噪聲大小相等、相位相反的反向聲波來抵消噪聲，從而達到抑制噪聲的效果。被動降噪對高頻噪聲能起到很好的抑制作用，但對低頻噪聲卻無能為力，對低頻噪聲降噪則有賴于主動降噪。
圖1：模擬主動降噪與數字主動降噪對比
主動降噪有模擬和數字兩種噪聲處理電路。如圖1所示，模擬主動降噪電路組成元器件多，精度要求高，PCB板尺寸是數字電路的2倍；模擬電路基本零延時，數字電路存在延時。靈活性方面，模擬主動降噪方式有限，主要以調音量為主，而數字主動降噪可以通過調節增益、EQ系數、更新固件等方式優化降噪效果。模擬主動降噪電路的一致性很差，需要多次、反復在硬件上調整校準；數字主動降噪一致性好，并有相應的調校工具和軟件來輕松實現校準。最后，模擬主動降噪的BOM成本看似較低，但不良率、返工率高，整體量產成本其實比數字電路更高。也因此，模擬主動降噪漸成昨日黃花，數字主動降噪的時代大潮奔騰來襲。
在實現方式上，主動降噪可分為三種：前饋式（FeedForward），反饋式（Feedback），以及兩者結合的混合式（Hybrid）。如下圖所示，前饋式主動降噪耳機一般位于外部，采集噪聲后輸送給DSP處理，再輸出反向聲波進行降噪。但由于進入人耳的噪聲是經被動降噪后的，幅度有所減小，因此反向效果較難達到理想狀態。
圖2：主動降噪的3種實現方式
反饋式主動降噪耳機的麥克風位于腔體內部，所采集并輸往DSP的噪聲與耳朵聽到的基本一致，可以直接進行反向處理。但是，為保證降噪效果，麥克風會實時監測降噪效果并輸送給DSP繼續進行反向處理，直至殘余噪聲小到可以忽略為止。
兩種方式結合的混合式主動降噪，內外兩個麥克風，分別采集內、外部噪聲輸送給DSP進行處理，以輸出更加準確、一次成形的反向聲波，達到更快、更好的降噪效果。比如，混合式主動降噪可達到比單一方案更高的降噪深度，而且降噪頻段更寬。目前，雖然混合式主動降噪成本相對更高，但隨著芯片、麥克風成本降低，這種能帶來更佳聽音體驗的方式必將成為主流。
高性能信號處理方案帶來純凈聽音感受
對于TWS耳機，用戶最基本的需求在于便攜、長續航，因此芯片方案基本要求是小封裝、低功耗。在此之上，用戶的主要需求是清晰、干凈的聽音體驗，這也是提升產品附加值、實現差異化的關鍵所在。想做到這點，重點在于準確采集噪聲、快速處理后輸出抵消的反向聲波，也就是說，超低延時、很強的DSP對信號處理的能力——而這，正是以高性能模擬技術和數字信號處理技術領先的ADI優勢所在。
針對逐漸升溫的TWS耳機市場，ADI有一系列專用降噪解決方案，通俗地講就是基礎版ADAU1777、高配版ADAU1787和高性價比版ADAU1788。其中，ADAU1777、ADAU1787均為量產版， BOSE等領導廠商均有應用；在ADAU1787的基礎上設計的高性價比方案ADAU1788也即將量產，滿足高端用戶將產品覆蓋至中端市場的需求。
這里主要聊下ADAU1777，這是一款具有四個ADC輸入和兩個DAC輸出的編解碼器，內置數字處理器，可執行濾波、電平控制、信號電平監控和混合。從模擬輸入至DSP內核再到模擬輸出的路徑經過優化，實現了低延遲，非常適用于主動降噪耳機。作為ADI主動降噪耳機系列方案的基礎版，只需添加幾個無源元件、晶體和用于引導的EEPROM，ADAU1777即可提供完整的耳機解決方案。
圖3：廣泛應用的ADI 主動降噪音頻SoC ADAU1777
直播中，ADI應用工程師著重介紹了ADAU1777 集成4個ADC，可滿足采集噪聲麥克風、語音、藍牙音樂等模擬輸入端需求，2個DAC可滿足左右耳各一個輸出；DSP內部有兩個Bank的資源，分別有32條指令，可進行濾波、音量控制或混音等處理；并可通過EQ調節對在降噪處理中受損的原始音頻信號做補償。尤其值得一提的是，集成的ADC和DAC信噪比均超100 dB，水準甚至可接近Hi-Fi級；內部集成耳機功放，提供差分輸出，可以避免爆破音的產生；集成I2C和SPI總線，還可外接EEPROM、支持自啟動。除此之外，ADI還在ADAU1777中集成了LDO，無需外部調節穩壓，既節省空間，也降低了成本。
在精心設計下，ADAU1777的芯片封裝僅為3.2mmx3.8 mm，尺寸雖非市面最小，但綜合功能與尺寸而言，卻是TWS耳機成熟方案中的上佳之選。據介紹，ADAU1777單一芯片即可實現所有降噪功能，ADI有客戶將其作為低成本降噪方案直接使用。
限于篇幅，此處僅對ADI三款方案的重要技術點做下對比介紹。相比于ADAU1777，ADAU1787和ADAU1788技術點提升為：從Banks數來看，由2個增加至3個，指令數也從32翻番到64；DSP輸入通道數，由4個增加至6個，更適合用于混合式主動降噪；典型功耗由14mW分別降至11mW和8mW，降耗接近50%。需要留意的是，為了更低的功耗，ADAU1787和ADAU1788支持的電壓限制為1.8V，I/O電壓也僅為1.2V-1.8V，DVDD也由1.1V分別降到0.9V和0.85V這樣低壓的工作范圍；并稍微犧牲了信噪比，ADC SNR由102降至96，DAC SNR由108降至104。
隨著TWS耳機市場熱度飆升，各路巨頭紛紛入場，而ADAU1787相對ADAU1777而言，提供了非常大的靈活性，讓實力強的客戶得以充分發揮所長、更靈活地實現對TWS耳機降噪的設想，最終給用戶呈現各具特色的產品，讓市場更加繁榮。
圖4. ADAU1777、ADAU1787和ADAU1788對比
結語
從替代傳統有線耳機的角度來看，短期內，TWS耳機市場屬于所有入局者，從6.8元起價的白牌產品到1999元的AirPods Pro，耳機廠商、手機品牌以及白牌都在暢享這場盛宴。然而，長期來看，用戶對更佳聽音體驗、更高性價比的追求，讓市場最終集中于與上游芯片廠商密切合作、有上游技術加持的玩家。而ADI，憑借在要求嚴苛的航天、汽車、工業燈的技術優勢溢出至消費電子領域，已成為多款TWS耳機產品進一步獲得市場成功的重要推動力。
