Soluções ANC adaptáveis ​​trazem recursos de áudio aprimorados

Embora o cancelamento de ruído ativo (ANC) não seja novidade para os audiófilos, o a popularidade da tecnologia cresceu desde que uma conhecida empresa californiana lançou seus primeiros fones de ouvido.
Embora ANC não seja nenhuma novidade para audiófilos, a tecnologia cresceu em popularidade desde que uma conhecida empresa californiana lançou seus primeiros fones de ouvido com Cancelamento Ativo de Ruído em 2019. Desde então, a consciência do usuário final sobre ANC aumentou significativamente e se tornou um recurso obrigatório para fones de ouvido True Wireless (TWS), bem como headsets.

Soluções ANC estáticas

Se olharmos dez anos atrás, a maioria dos designs de fones de ouvido foram construídos usando componentes eletrônicos discretos. Naquela época, poucas soluções integradas estavam disponíveis, pois um pequeno número de empresas de semicondutores havia investido na miniaturização de eletrônicos neste nicho de mercado.

Figura 1:Circuito ANC discreto e estático típico.

Observando a implementação típica do ANC, mostrada na Figura 1, pode-se observar que houve pouca oportunidade de implementar muita flexibilidade e inovação. Todo o circuito do filtro foi baseado em componentes eletrônicos fixos. A única chance de ajuste era a calibração dos microfones durante a produção em massa por meio de potenciômetros mecânicos para compensar as tolerâncias eletroacústicas do fone de ouvido.

Durante os últimos cinco anos, as empresas de semicondutores começaram a reconhecer o potencial de mercado do ANC e então lançaram uma abundância de soluções ANC digitais estáticas que oferecem muitos benefícios em relação às soluções analógicas - já que não há mais a necessidade de soldar componentes RC passivos para ajuste de filtro. Por exemplo, as atualizações de software podem melhorar o desempenho de um fone de ouvido ou resolver problemas de estabilidade que podem ocorrer durante o teste de campo. No entanto, além da mudança para o processamento de sinal digital, a funcionalidade básica permaneceu praticamente a mesma das implementações analógicas. Embora os engenheiros de projeto obtenham recursos de ajuste mais convenientes, pode-se dizer que as desvantagens incluem maior consumo de energia e menor desempenho em comparação com soluções analógicas devido ao aumento da latência.

ANC adaptável para detecção de som ambiente

À medida que os nós de processo de silício estão encolhendo para reduzir o consumo de corrente e, ao mesmo tempo, aumentar o poder de computação dos processadores de sinal digital (DSP), os recursos das soluções ANC digitais foram aprimorados. Em vez de sistemas ANC digitais estáticos que oferecem benefícios limitados em comparação com as soluções analógicas, os engenheiros começaram a reconhecer o potencial das novas soluções ANC digitais de baixa potência que podem fornecer um recurso diferenciador denominado Cancelamento Adaptativo de Ruído.

Como não existe uma nomenclatura oficial para os recursos do ANC, geralmente há um mal-entendido na indústria - mesmo entre engenheiros que lidam com o ANC todos os dias. As definições de cancelamento de ruído adaptável variam de acordo com os benefícios experimentados pelos usuários finais. A tecnologia mais comum fornecida por muitas soluções ANC digitais no mercado é ANC adaptável com base na detecção de som ambiente. Mas o que isso significa ou por que eu iria querer adaptar meu sistema ANC com base no ruído ambiente? Bem, à primeira vista, você pode dizer que isso não faz sentido, pois sempre quero que meu ANC funcione da melhor forma. No entanto, os usuários finais hoje em dia estão usando fones de ouvido em muitas situações diferentes, cada um enfrentando características de ruído diferentes, conforme mostrado na Figura 2. O perfil de ruído ambiente em um avião é certamente diferente de um café. Em um avião, o usuário normalmente ouve ruídos irritantes de baixa frequência causados ​​pelo motor a jato, enquanto em um café o usuário provavelmente ouvirá ruídos de alta frequência que preferem limitar.

Figura 2:ANC adaptável para detecção de som ambiente.

A tendência dos sistemas ANC adaptativos é identificar a fonte de ruído dominante e focar o sistema ANC nesta faixa de frequência. Esta tarefa é geralmente implementada com algoritmos de software DSP adicionais. No entanto, para identificar o perfil de ruído ambiente, o microfone ANC feed-forward também alimenta o ANC DSP de baixa latência e um segundo DSP. Com base neste perfil de ruído ambiente, os coeficientes do filtro ANC - que definem as características ANC de um fone de ouvido - podem ser reconfigurados. Como alternativa, também existem várias soluções que oferecem quatro ou mais predefinições ANC diferentes. Eles podem ser controlados por um MCU ou pressionando o botão sem a necessidade de trocar os coeficientes do filtro, o que ajuda a reduzir, por exemplo, I ² Tráfego de ônibus C.

Figura 3:Sistema ANC adaptável baseado na detecção de som ambiente.

O princípio mostrado na Figura 3 é o mesmo para a maioria das soluções de mercado, no entanto, existem diferenças no algoritmo de detecção de ruído ambiente. A maneira mais simples é baseada em FFT com ponderação de frequência do sinal de ruído. Os fornecedores de ANC tentam diferenciar com algoritmos de detecção e os métodos de detecção existentes serão substituídos por detecção de cena baseada em rede neural. Portanto, um fone de ouvido pode determinar exatamente o ambiente - um escritório, café, avião ou outro lugar - e selecionar o filtro ANC ideal ou perfil de audição aumentada. O diagrama de blocos do sistema mostrado na Figura 3 é um exemplo simplificado e há várias opções de implementação para oferecer suporte a esse recurso. Não importa qual solução, a saída é sempre a mesma, a função de cancelamento de ruído é automaticamente ajustada com base no ruído ambiente ou eventos detectados nesta categoria de sistemas ANC adaptativos.

ANC adaptável com compensação automática de vazamento

A segunda categoria compartilha, conforme indicado anteriormente, também o mesmo nome Adaptive Noise Canceling, mas resolve um problema de usuário final completamente diferente. É bem conhecido que um bom desempenho ANC requer circuitos ANC de alta qualidade com baixa latência e excelentes componentes eletroacústicos. No entanto, há um terceiro fator importante que muitas vezes é esquecido. Um fone de ouvido ANC com seus filtros de compensação de ganho e fase são projetados para uma vedação específica e atenuação passiva do fone de ouvido:mas o que isso significa em palavras simples? O importante é o encaixe correto do fone de ouvido nos ouvidos do usuário. Uma vedação deficiente do fone de ouvido influencia a atenuação passiva, que afeta a função de transferência do filtro ANC alvo. Bem, isso pode parecer acadêmico, mas o que isso significa para o usuário final? A influência da atenuação passiva e do ajuste do fone de ouvido pode resultar na perda de desempenho da ANC entre diferentes usuários. Este é um problema comum com o qual os engenheiros lutam para garantir um bom desempenho do ANC em uma ampla gama de usuários. O desenho mostrado na Figura 4 ilustra o problema expresso na perda de desempenho do ANC com diferentes níveis de vazamento do fone de ouvido.

Figura 4:Perda de desempenho ANC com base em diferentes níveis de vazamento do fone de ouvido.

O gráfico mostra o desempenho ANC de um fone de ouvido TWS de ajuste frouxo (sem ponta de borracha) com diferentes níveis de vazamento controlado. A curva ‘Sem vazamento do fone de ouvido’ é o nível de vazamento para o qual o fone de ouvido foi projetado para um bom ajuste ao ouvido do usuário. O dispositivo mostra desempenho ANC superior para este caso de uso, com excelente desempenho de pico e ampla largura de banda ANC. Assim que um vazamento é introduzido (o vazamento médio corresponde a 8 mm ² vazamento controlado) você pode ver claramente que o desempenho do ANC cai em ~ 30dB e também há uma redução massiva da largura de banda do ANC. Se o vazamento aumentar ainda mais (o vazamento alto do fone de ouvido corresponde a cerca de 20 mm ² vazamento controlado), que representa um fone de ouvido largo, o desempenho cai abaixo de 10dB, o que significa que para um usuário final praticamente não há ANC perceptível. O comportamento descrito de diferentes níveis de desempenho ANC e ajustes de fones de ouvido entre diferentes usuários é um problema resolvido pelo Adaptive ANC. Portanto, este tipo de sistema ANC adaptativo visa compensar o desajuste acústico para garantir que cada usuário possa obter um desempenho ANC constante, independentemente do encaixe de um fone de ouvido nas orelhas de seus usuários.

Como funciona a compensação Adaptive Misfit?

O ANC adaptativo que compensa o desajuste requer uma arquitetura complexa de hardware e software. Para obter uma melhor compreensão do que é necessário, faz sentido olhar para a frequência alvo e as curvas de compensação de fase para pelo menos um dos caminhos do sinal ANC. No exemplo mostrado na Figura 5, o ganho de destino de alimentação direta e as curvas do filtro de compensação de fase são mostradas para o caso de uso sem vazamento e alto vazamento. Conforme mencionado anteriormente, em sistemas ANC estáticos, o filtro é normalmente otimizado para operação sem vazamento quando o fone de ouvido está inserido corretamente no ouvido.

Figura 5:Curvas de filtro de destino para exemplo de ALC para diferentes níveis de vazamento.

Como estamos visando um sistema adaptativo, podemos ver na Figura 5 que a frequência de feedforward de ANC alvo e a resposta de fase estão mudando para níveis de alta fuga, o que pode explicar a perda de desempenho de ANC mostrada na Figura 4 anteriormente. Em um sistema ANC estático, o ganho e a fase não correspondem mais à curva alvo, uma vez que o fone de ouvido não está posicionado corretamente no ouvido. Portanto, a exigência é clara para um sistema adaptativo que compense o desajuste. O dispositivo precisa ser capaz de ajustar dinamicamente a função de transferência do filtro ANC com base no nível de vazamento do fone de ouvido. Talvez isso não pareça muito difícil. Como os sistemas ANC de hoje são baseados na tecnologia ANC híbrida, não é tão simples assim, especialmente se olharmos para a Figura 6, que mostra um diagrama de blocos de sistema de alto nível de um sistema ANC adaptativo.

Figura 6:Sistema ANC adaptável para compensação de desajuste.

O diagrama de blocos mostra muito mais blocos de sistema em comparação com um sistema estático. Em princípio, o DSP de baixa latência que suporta a própria função de cancelamento de ruído pode ser como um sistema estático, pois precisa ser capaz de cumprir a mesma função. A única diferença é que em vez de ser capaz de alternar entre diferentes características de filtro ou predefinições, o filtro deve ser ajustado dinamicamente durante o tempo de execução. Uma mudança para outro banco de filtros ou predefinição causaria quedas de ANC, o que certamente não é o preferido. Portanto, o DSP precisa ser capaz de suportar a reconfiguração dinâmica da função de transferência do filtro enquanto o ANC está ativo. Isso torna o projeto de um ANC DSP mais complicado porque em sistemas estáticos isso normalmente não é um requisito.

É importante mencionar que não é apenas o caminho ANC de feed-forward adotado, mas - para manter o desempenho mais alto - também o caminho do sinal ANC de feed-back. Além disso, os sistemas ANC de alta qualidade também adotam a resposta de frequência de reprodução de música para manter a mesma qualidade de som com diferentes níveis de vazamento.

Para alterar os filtros de acordo com o nível de vazamento, também existem algoritmos de software necessários para detectar um nível de vazamento no ouvido do usuário. Isso normalmente é feito com um segundo MCU ou DSP que monitora os microfones, bem como sensores adicionais, como um sensor de proximidade e um acelerômetro. Enquanto os microfones estão sendo usados ​​para detectar o nível de vazamento, os sensores de proximidade são normalmente usados ​​para detectar casos de canto. Como os algoritmos de compensação de desajuste também estão ajustando os filtros ANC de feedback crítico, pode acontecer que o sistema comece a oscilar e se tornar instável porque muito ganho de feedback é usado em uma condição de alto vazamento ou se o fone de ouvido estiver completamente fora do ouvido. Portanto, sinais de sensor adicionais ajudam a tornar o sistema adaptável robusto e detectar instabilidades para evitar uivos dentro ou fora da orelha do usuário. Esta é uma das funções mais críticas porque os clientes certamente reclamariam e pensariam que o fone de ouvido está com defeito. Portanto, os engenheiros devem garantir que em nenhuma circunstância possam ocorrer instabilidades.

As únicas questões que permanecem agora:esse esforço adicional realmente compensa? Esses sistemas adaptativos complexos realmente funcionam? Vejamos a Figura 7, que mostra o desempenho ANC de um fone de ouvido TWS de ajuste livre adaptável com três níveis de vazamento diferentes, como na Figura 4, com um sistema ANC estático. Podemos ver claramente que, sem vazamento, obtemos o melhor desempenho de ANC em uma ampla largura de banda de 20 Hz a 2 kHz. Se o vazamento for introduzido no sistema, os algoritmos de software detectam o vazamento e alteram os filtros ANC de acordo. O nível de desempenho pode ser elevado ao máximo, mesmo com altos níveis de vazamento de fones de ouvido.

Se você olhar atentamente para a curva, poderá reconhecer que, na área de baixa frequência, o desempenho é ligeiramente reduzido. Este fenômeno pode ser facilmente explicado. Este design de fone de ouvido usado para o teste ANC adaptativo não tem pontas de borracha e se enquadra na categoria de fones de ouvido folgados. Em tais sistemas de fones de ouvido abertos com alto vazamento, a potência de saída dos alto-falantes é limitada devido ao tamanho físico. Em um determinado ponto de vazamento, o alto-falante não pode produzir potência de saída suficiente para cancelar todo o ruído de baixa frequência, o que resulta em desempenho de baixa frequência reduzido. Em geral, os resultados dos sistemas ANC adaptativos são promissores e podem elevar o ANC ao próximo nível. A tecnologia certamente também pode ser aplicada a fones de ouvido lacrados ou fones de ouvido, compensando vazamentos causados ​​ao usar óculos.

Figura 7:Curvas de desempenho de ALC com diferentes níveis de vazamento.

Em um futuro próximo, é provável que vejamos sistemas adaptativos que combinam sistemas adaptativos de compensação de desajuste com sistemas baseados em rede neural que reconhecem o ambiente, compensando assim o desajuste e otimizando o ponto ideal ANC simultaneamente.

Os sistemas ANC adaptativos fazem sentido?

Alguns podem dizer:Não quero que um sistema eletrônico assuma o controle e posso gerenciar os modos de operação e o encaixe adequado dos meus fones de ouvido. Outros usuários podem se beneficiar de um sistema que sempre oferece desempenho ideal, independentemente do ambiente. Eu acredito que não existe certo ou errado, é tudo uma questão de preferências pessoais e a forma como um produto está sendo usado. Alguns usuários podem gostar do recurso, enquanto outros não gostam muito dele. Felizmente, é possível desativar esses recursos e a melhor maneira de avaliar as opções é testando a plataforma de desenvolvimento da ams AG para soluções de cancelamento de ruído adaptativo em torno da plataforma auditiva digital aumentada AS3460. Ferramentas de desenvolvimento ANC sob medida para soluções ANC adaptativas, usando o AS3460, estão disponíveis mediante solicitação.

Para obter mais informações, visite https://ams-osram.com

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