アダプティブANCソリューションが優れたオーディオ性能を実現

アクティブノイズキャンセレーション（ANC）は長年オーディオファイルの定番でしたが、2019年に大手カリフォルニアブランドがANC搭載初のイヤホンを発売して以来、その市場での役割は劇的に拡大しました。このマイルストーンが広範な認知を呼び、ANCを真のワイヤレス（TWS）イヤホンとヘッドセットの両方で妥協できない機能に押し上げました。

スタティックANCソリューション

過去10年間、ほとんどのヘッドセットは個別コンポーネントに依存していました。当時、ANCエレクトロニクスの小型化に投資した半導体企業はわずかで、イノベーションが制限されていました。図1は典型的なスタティックANC回路を示します：すべてのフィルターステージが固定され、量産時に電気音響公差を補正するための機械的ポテンショメータによる調整のみが可能でした。

図1：典型的な個別/スタティックANC回路。

過去5年間でデジタルANCソリューションが普及し、いくつかの利点を提供しています：ハンダ付けRCコンポーネントが不要、ファームウェアアップデートによる性能向上が可能、フィールドテスト時の安定性向上。しかし、コア機能はほぼ変わらず、設計者はアナログ設計と比較して依然として高い消費電力と増大したレイテンシに直面していました。

環境音検出によるアダプティブANC

シリコンノードの進歩により消費電力が縮小しDSP能力が向上したことで、周囲環境に応じて応答を調整するアダプティブANCの道が開かれました。業界全体で用語はさまざまですが、最も一般的なアダプティブANCは、環境音検出に基づいてフィルター特性を調整するものです。

商用飛行機内と賑やかなカフェのノイズプロファイルを比較してみてください。前者では低周波のジェットエンジン轟音が支配的ですが、後者では高周波の会話音が優勢です。アダプティブANCシステムは支配的なノイズ周波数帯を検出し、それに応じてANCフィルター係数を再構成します。多くの場合、セカンダリDSPを介して実行されます。図2はこのプロセスを示しています。

図2：環境音検出によるアダプティブANC。

一部のベンダーは複数のプリセットプロファイル（オフィス、カフェ、飛行機など）を提供し、MCUやユーザーインターフェースで選択可能にしています。より高度なソリューションはニューラルネットワークベースのシーン検出を採用し、ヘッドセットが最適なANCフィルターを自動選択し、特定環境向けにヒアリングプロファイルを拡張することさえ可能にします。

自動リーク補償付きアダプティブANC

高品質なANCは適切なイヤーフィットにも依存します：シーリングが不十分だと受動減衰が低下し、フィルターの目標伝達関数を乱します。図4は、さまざまなリークレベルがスペクトル全体でANC性能を低下させる様子を示しています。

図4：イヤホンのさまざまなリークレベルに基づくANC性能損失。

アダプティブミスフィット補償は、リアルタイムリーク測定に基づいてフィードフォワードとフィードバックの両ANCフィルターを動的に調整することでこの問題に対処します。これには洗練されたアーキテクチャが必要です：飛躍的に転移関数を再構成できる低レイテンシDSP、フィット検出と不安定性回避のための追加センサー（マイクロフォン、近接、加速度計）、フィードバック発振を防ぐアルゴリズム的セーフガード。

図5は、無リークと高リークシナリオにおける目標ゲインと位相曲線を示し、イヤホンが緩んでいるときにスタティック設計が失敗する理由を強調しています。

図5：ALC例における異なるリークレベルでの目標フィルター曲線。

図6のハイレベルブロック図は追加コンポーネントを示します：デュアルDSP、セカンダリMCU、センサーインターフェース。鍵は、ANCを安定させながらフィット変化に適応する連続的な低レイテンシ再構成です。

図6：ミスフィット補償のためのアダプティブANCシステム。

図7は実世界の結果を示します：アダプティブANCを採用した緩いフィットのTWSイヤホンは、リークレベル全体で優れた性能を維持し、スピーカー電力制約による極低周波帯でのわずかな低下のみが見られます。これらの結果は、アダプティブミスフィット補償が多様なユーザーに対してANC品質を確実に向上させられることを確認しています。

図7：異なるリークレベルでのALC性能曲線。

将来のイテレーションでは、ミスフィット補償とニューラルネットワークシーン検出が融合し、環境とフィットの両方に自動的に適応する統合ソリューションが提供されるでしょう。

アダプティブANCシステムは意味があるか？

個人の好みも役割を果たします：自動的に調整されるハンズフリー性能を好むユーザーもいれば、手動制御を好むユーザーもいます。アダプティブANCは万人向けの機能ではありませんが、多くのリスナーに具体的なメリットを提供します。製品側で機能を無効化することも可能です。アダプティブANCソリューションのプロトタイピングを検討しているエンジニアは、AS3460デジタル拡張ヒアリングプロセッサを中心としたams AG開発プラットフォームを検討できます。カスタマイズツールは要請に応じて提供されます。

詳細については ams-osram.com をご覧ください。

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