アダプティブANCソリューションは強化されたオーディオ機能をもたらします

アクティブノイズキャンセレーション（ANC）はオーディオファンにとって目新しいものではありませんが、有名なカリフォルニアの会社が最初のイヤフォンをリリースして以来、このテクノロジーの人気は高まっています。

ANCはオーディオファンにとって目新しいものではありませんが、有名なカリフォルニアの会社が2019年にアクティブノイズキャンセレーションを備えた最初のイヤフォンをリリースして以来、このテクノロジーの人気が高まっています。それ以来、ANCのエンドユーザーの意識は大幅に高まり、必須の機能になりました。 True Wireless（TWS）イヤフォンおよびヘッドセット用。

静的ANCソリューション

10年を振り返ると、ほとんどのヘッドセットの設計はディスクリート電子機器を使用して構築されています。当時、少数の半導体企業がこのニッチ市場での電子機器の小型化に投資していたため、統合ソリューションはほとんど利用できませんでした。

図1：一般的なディスクリートおよび静的ANC回路。

図1に示す典型的なANCの実装を見ると、多くの柔軟性と革新を実装する機会がほとんどなかったことがわかります。すべてのフィルター回路は、固定された電子部品に基づいていました。チューニングの唯一のチャンスは、ヘッドセットの電気音響公差を補正するための機械式ポテンショメータによる大量生産中のマイクのキャリブレーションでした。

過去5年間で、半導体企業はANCの市場の可能性を認識し始め、フィルター調整のためにパッシブRCコンポーネントをはんだ付けする必要がなくなったため、アナログソリューションに比べて多くの利点を提供する豊富な静的デジタルANCソリューションをリリースしました。たとえば、ソフトウェアの更新により、ヘッドセットのパフォーマンスが向上したり、フィールドテスト中に発生する可能性のある安定性の問題を解決したりできます。ただし、デジタル信号処理への移行を除けば、基本的な機能はアナログ実装と実質的に同じままでした。設計エンジニアはより便利なチューニング機能を利用できますが、遅延が増えるため、アナログソリューションと比較して消費電力が高くパフォーマンスが低下するという欠点があります。

周囲音検出用の適応型ANC

デジタルシグナルプロセッサ（DSP）の計算能力を高めながら、消費電流を削減するためにシリコンプロセスノードが縮小するにつれて、デジタルANCソリューションの機能が向上しました。アナログソリューションと比較して限られたメリットしか提供しない静的デジタルANCシステムの代わりに、エンジニアは、アダプティブノイズキャンセリングと呼ばれる差別化機能を提供できる新しいデジタル低電力ANCソリューションの可能性を認識し始めました。

ANC機能の正式な命名法がないため、ANCを毎日扱うエンジニアの間でさえ、業界ではしばしば誤解があります。アダプティブノイズキャンセリングの定義は、エンドユーザーが経験するメリットによって異なります。市場に出回っている多くのデジタルANCソリューションによって提供される最も一般的なテクノロジーは、周囲の音の検出に基づく適応型ANCです。しかし、これはどういう意味ですか、または周囲のノイズに基づいてANCシステムを適応させたいのはなぜですか？ええと、一見すると、ANCを常に最高の状態で動作させたいので、これは意味がないと言うかもしれません。ただし、最近のエンドユーザーは、さまざまな状況でヘッドホンを装着しており、図2に示すように、それぞれが異なるノイズ特性に直面しています。飛行機の周囲のノイズプロファイルは、カフェの場合とは確かに異なります。飛行機では、ユーザーは通常、ジェットエンジンによって引き起こされる不快な低周波ノイズを聞きますが、カフェでは、ユーザーは制限したい高周波ノイズを経験する可能性があります。

図2：周囲の音を検出するためのアダプティブANC。

アダプティブANCシステムのトレンドは、主要なノイズ源を特定し、ANCシステムをこの周波数範囲に集中させることです。このタスクは通常、追加のDSPソフトウェアアルゴリズムを使用して実装されます。ただし、周囲のノイズプロファイルを特定するために、フィードフォワードANCマイクは低遅延ANCDSPと2番目のDSPにもフィードします。この周囲ノイズプロファイルに基づいて、ヘッドセットのANC特性を定義するANCフィルター係数を再構成できます。または、4つ以上の異なるANCプリセットを提供するソリューションもいくつかあります。これらは、たとえばI ² を減らすのに役立つフィルター係数を交換する必要なしに、MCUまたはボタンを押すことによって制御できます。 Cバスの交通量。

図3：周囲の音の検出に基づく適応型ANCシステム。

図3に示す原理は、ほとんどの市場ソリューションで同じですが、周囲ノイズ検出アルゴリズムに違いがあります。最も簡単な方法は、ノイズ信号の周波数重み付けを使用したFFTに基づいています。 ANCベンダーは検出アルゴリズムで差別化を図っており、既存の検出方法はニューラルネットワークベースのシーン検出に置き換えられる予定です。したがって、ヘッドセットは、オフィス、カフェ、飛行機、またはその他の場所などの環境を正確に判断し、理想的なANCフィルターまたは拡張聴覚プロファイルを選択できます。図3に示すシステムブロック図は簡略化された例であり、この機能をサポートするためのさまざまな実装オプションがあります。どのソリューションでも、出力は常に同じです。ノイズキャンセル機能は、このカテゴリの適応型ANCシステムで周囲のノイズまたは検出されたイベントに基づいて自動的に調整されます。

自動リーク補正を備えたアダプティブANC

2番目のカテゴリは、前に示したように、同じ名前のアダプティブノイズキャンセリングを共有しますが、まったく異なるエンドユーザーの問題を解決します。優れたANCパフォーマンスには、低遅延と優れた電気音響コンポーネントを備えた高品質のANC回路が必要であることはよく知られています。ただし、忘れられがちな3番目の重要な要素があります。ゲインおよび位相補償フィルターを備えたANCヘッドセットは、ヘッドセットの特定のシーリングおよびパッシブ減衰用に設計されています。しかし、これは簡単な言葉で何を意味するのでしょうか。それはすべて、ユーザーの耳にイヤフォンを正しくフィットさせることです。イヤフォンの密閉が不十分な場合、パッシブ減衰に影響し、ターゲットのANCフィルター伝達関数に影響します。まあ、これは学術的に聞こえるかもしれませんが、これはエンドユーザーにとって何を意味しますか？パッシブ減衰の影響とイヤフォンの適合により、さまざまなユーザー間でANCのパフォーマンスが低下する可能性があります。これは、エンジニアが幅広いユーザーに優れたANCパフォーマンスを確保するために苦労している一般的な問題です。図4に示す図は、イヤフォンの漏れレベルが異なる場合のANCパフォーマンスの低下で表される問題を示しています。

図4：さまざまなイヤフォンのリークレベルに基づくANCパフォーマンスの低下。

グラフは、さまざまな制御されたリークレベルでのルーズフィット（ラバーチップが使用されていない）TWSイヤフォンのANCパフォーマンスを示しています。 「イヤフォンの漏れなし」曲線は、ヘッドセットがユーザーの耳にぴったり合うように設計された漏れレベルです。このデバイスは、優れたピークパフォーマンスと広いANC帯域幅を備えた、このユースケースで優れたANCパフォーマンスを示します。漏れが発生するとすぐに（中程度の漏れは8mm ² に相当します 制御されたリーク）ANCのパフォーマンスが約30dB低下し、ANC帯域幅も大幅に減少していることがはっきりとわかります。漏れがさらに増加し​​た場合（高イヤフォン漏れは約20mm ² に相当します 緩いイヤフォンを表す制御された漏れ）、パフォーマンスは10dBを下回ります。これは、エンドユーザーにとってANCがほとんど目立たないことを意味します。さまざまなANCパフォーマンスレベルとさまざまなユーザー間でのイヤフォンの適合に関する説明されている動作は、AdaptiveANCによって解決される問題です。したがって、このタイプの適応型ANCシステムは、音響の不適合を補正して、すべてのユーザーがイヤフォンのユーザーの耳への適合に関係なく一定のANCパフォーマンスを確実に得られるようにすることを目的としています。

アダプティブミスフィット補正はどのように機能しますか？

不適合を補償するアダプティブANCには、複雑なハードウェアおよびソフトウェアアーキテクチャが必要です。何が必要かをよりよく理解するには、少なくとも1つのANC信号パスのターゲット周波数と位相補償曲線を調べるのが理にかなっています。図5に示す例では、フィードフォワードターゲットゲインおよび位相補償フィルター曲線が、漏れのない使用例と漏れの多い使用例について示されています。静的ANCシステムで前述したように、フィルターは通常、イヤフォンが耳に適切に挿入されている場合に漏れがないように最適化されています。

図5：さまざまなリークレベルのALCの例のターゲットフィルター曲線。

適応システムを目指しているため、図5で、ターゲットANCフィードフォワード周波数と位相応答が高リークレベルで変化していることがわかります。これは、前に図4で示したANCパフォーマンスの低下を説明できます。静的ANCシステムでは、イヤフォンが耳に適切に配置されていない場合、ゲインと位相はターゲットカーブと一致しなくなります。したがって、不適合を補償する適応システムの要件は明らかです。デバイスは、イヤフォンの漏れレベルに基づいて、ANCフィルターの伝達関数を動的に調整できる必要があります。おそらく、これはそれほど難しくは聞こえません。今日のANCシステムはハイブリッドANCテクノロジーに基づいているため、特に適応型ANCシステムの高レベルのシステムブロック図を示す図6を見ると、それほど単純ではありません。

図6：不適合補償のための適応型ANCシステム。

ブロック図は、静的システムと比較してはるかに多くのシステムブロックを示しています。原則として、ノイズキャンセリング機能自体をサポートする低遅延DSPは、同じ機能を実行できる必要があるため、静的システムのようになります。唯一の違いは、異なるフィルター特性やプリセットを切り替える代わりに、実行時にフィルターを動的に調整する必要があることです。別のフィルターバンクまたはプリセットに切り替えると、ANCドロップアウトが発生しますが、これは確かに好ましくありません。したがって、DSPは、ANCがアクティブな間、フィルター伝達関数の動的再構成をサポートできる必要があります。静的システムでは通常これは要件ではないため、これによりANCDSPの設計がより複雑になります。

重要なのは、フィードフォワードANCパスが採用されているだけでなく、最高のパフォーマンスを維持するために、フィードバックANC信号パスも採用されていることです。さらに、高品質のANCシステムは、音楽再生周波数応答を採用して、異なるリークレベルで同じ音質を維持します。

漏れレベルに応じてフィルターを変更するために、ユーザーの耳の漏れレベルを検出するために必要なソフトウェアアルゴリズムもあります。これは通常、マイクロフォンと、近接センサーや加速度計などの追加センサーを監視している2番目のMCUまたはDSPを使用して行われます。漏れレベルを検出するためにマイクが使用されている間、近接センサーは通常、コーナーケースを検出するために使用されます。ミスフィット補正アルゴリズムも重要なフィードバックANCフィルターを調整しているため、高リーク状態で使用されるフィードバックゲインが多すぎるため、またはイヤフォンが完全に耳から外れている場合、システムが振動し始めて不安定になる可能性があります。したがって、追加のセンサー信号は、適応システムを堅牢にし、不安定性を検出して、ユーザーの耳の内側または外側でのハウリングを回避するのに役立ちます。これは最も重要な機能の1つです。顧客は確かに不満を言い、イヤフォンに欠陥があると考えるからです。したがって、エンジニアはいかなる状況でも不安定が発生しないようにする必要があります。

現在残っている唯一の質問：この追加の努力は本当に報われるのでしょうか？これらの複雑な適応システムは本当に機能しますか？静的ANCシステムを使用した図4のように、3つの異なるリークレベルを持つ適応型TWSルーズフィットイヤフォンのANCパフォーマンスを示す図7を見てみましょう。漏れがない場合、20Hzから2kHzまでの広い帯域幅で最高のANCパフォーマンスが得られることがはっきりとわかります。システムに漏れが発生した場合、ソフトウェアアルゴリズムが漏れを検出し、それに応じてANCフィルターを変更します。イヤフォンの漏れレベルが高くても、パフォーマンスレベルを最大限に保つことができます。

曲線をよく見ると、低周波数領域ではパフォーマンスがわずかに低下していることに気付くかもしれません。この現象は簡単に説明できます。アダプティブANCテストに使用されるこのイヤフォンのデザインにはゴム製の先端がなく、ルーズフィットイヤフォンのカテゴリに分類されます。漏れの多いこのようなオープンイヤフォンシステムでは、物理的なサイズのためにスピーカーの出力電力が制限されます。特定のリークポイントでは、スピーカーは低周波ノイズ全体をキャンセルするのに十分な出力電力を生成できず、その結果、低周波性能が低下します。一般に、適応型ANCシステムの結果は有望であり、ANCを次のレベルに引き上げることができます。この技術は確かに密閉型イヤフォンやオーバーイヤーヘッドセットにも適用でき、眼鏡をかけているときに発生する漏れを補正します。

図7：さまざまなリークレベルのALCパフォーマンス曲線。

近い将来、適応ミスフィット補正システムと環境を認識するニューラルネットワークベースのシステムを組み合わせたアダプティブシステムが登場する可能性があります。これにより、ミスフィットの補正とANCスイートスポットの最適化を同時に行うことができます。

アダプティブANCシステムは理にかなっていますか？

電子システムが制御を引き継ぐことを望まず、操作モードとイヤフォンの適切な装着を管理できると言う人もいるかもしれません。他のユーザーは、環境に関係なく常に理想的なパフォーマンスを提供するシステムの恩恵を受ける可能性があります。正しいことも悪いこともありません。それは個人的な好みと製品の使用方法がすべてです。一部のユーザーはこの機能を楽しんでいますが、他のユーザーは実際にはそれを高く評価していません。幸い、このような機能を無効にすることは可能であり、オプションを評価する最良の方法は、AS3460デジタル拡張聴覚プラットフォーム周辺の適応型ノイズキャンセリングソリューションについてamsAG開発プラットフォームをテストすることです。 AS3460を使用した、アダプティブANCソリューション向けのオーダーメイドのANC開発ツールは、ご要望に応じてご利用いただけます。

詳細については、https：//ams-osram.com

をご覧ください。

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