解码TWS耳机主动降噪技术

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解码TWS耳机主动降噪技术

TWS的英文全称是True Wireless Stereo，翻译成中文就是真无线立体声，故TWS耳机也就是真无线立体声耳机，立体声是它与之前的蓝牙耳机最大的区别。在苹果2016年推出第一代Airpods之后，很快就成为了最受欢迎的苹果产品之一。
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' H7 ]- O6 X' {/ D0 A) `6 k. A在AirPods的带动下，越来越多的人开始关注TWS耳机，其流行程度也越来越高。加上在TWS耳机行业逐步攻克了双耳连接、续航能力和降噪能力后，TWS耳机迎来了加速发展期。
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目前的TWS耳机已经基本解决了连接的稳定性和功耗问题， 如何在噪声过大或信号不好的时候保证通话质量，成为了提升用户体验的关键因素。特别是在AirPods Pro引入SiP封装，进一步提高了内部元器件集成度，利用节省出来的空间，加入了更多的传感器和芯片，实现了主动降噪功能后，TWS耳机的主动降噪功能更受到业界的关注。


TWS耳机如何实现主动降噪？
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目前的TWS耳机市场的主动降噪技术主要有三类，ANC(Active Noise Control，主动降噪)；ENC(Environmental Noise Cancellation，环境降噪技术)；以及AI通话降噪技术。

' W) d* i# Z; X& S4 o其中，ANC降噪的工作原理是通过麦克风收集外部的环境噪声，系统根据收集到的噪声变换一个反相的声波加到扬声器端，最终人耳听到的声音是环境噪音+反相的环境噪音，两种噪音叠加从而实现感官上的噪音降低。它可分为前馈式主动降噪和反馈式主动降噪，以及混合式主动降噪。不过，反馈式主动降噪容易引起啸叫。

/ X, x( \- m# p而ENC则是通过双麦克风阵列，精准计算通话者说话的方位，在保护主方向目标语音的同时，去除环境中的各种干扰噪声。ENC技术能有效抑制90%的反向环境噪声，由此降低环境噪声最高可达35dB以上。

: N1 o7 E* F2 L. {. i" L据说，AirPods Pro除了采用了ANC技术外，也采用了ENC技术。另一个采用ENC技术的产品是谷歌的pixel buds。他们都是采用了ST的方案。
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不过，该方案有个缺点，就是需要比较大的算法开发工作，也会提升全系统的功耗。

AI通话降噪技术，是2018年由大象声科提出的一种单麦克风通话降噪方案，将计算听觉场景分析理论（CASA）与深度学习技术相结合，能够实时分离人声和背景噪声，从环境噪音中提取清晰人声。

OPPO的TWS耳机产品OPPO Enco Free所采用的声加科技的SVE AI双麦降噪技术更是将二者结合起来，将深度神经网络与双麦克风波束成形技术相结合，实现了可观的降噪效果。
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2 \- b, N: B: `/ N+ V2 d目前市面上有哪些支持主动降噪的主芯片？
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随着性能的改善，用户体验的提升，越来越多的用户开始认可TWS耳机这个产品，因此，其出货量也不断加速，呈现爆发式增长。据Counterpoint统计，2016年全球TWS耳机出货量为918万部，主要由初代AirPods贡献；后续伴随着AirPods新品迭代和其他公司跟随苹果切入该市场，TWS耳机的出货量增幅不断扩大，2017-2019年出货量分别为2000万、4600万、1.29亿部，对应YOY分别为118%，130%和179%。连续三年实现一倍以上的强劲增长。
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( L8 a  X1 }5 X0 g* f' gTWS耳机的火爆，离不开其背后的主芯片公司的努力，正是因为他们不断推出各种蓝牙真无线耳机方案，才有了如今TWS耳机火爆的场景出现。比如中高端市场的芯片供应商有高通和恒玄；白牌市场的瑞昱、络达、中科蓝讯、原相和杰理等；当然，还有些有芯片自研能力的大牌厂商，比如苹果和华为等。

目前苹果、华为、联发科技、络达、恒玄、高通、瑞昱等厂商的最新TWS芯片均已经支持主动降噪功能。苹果和华为的芯片是专供自己使用的，所以我们就看看其他厂家可以提供哪些支持主动降噪技术的SoC芯片可供TWS耳机厂商选择。

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高通

3 @0 M$ L$ v) s3 f3 w4 ^, l  t! J" Z高通除了在手机SoC方面强势以外，在无线连接方面的实力也不容小觑，其2018年推出的QCC5100系列芯片为很多高端TWS耳机厂商所选用。据其发布的新闻稿介绍，该系列芯片的SoC架构支持低功耗性能，包含了蓝牙5.0双模射频、低功耗音频和应用子系统。支持Qualcomm TrueWireless立体声，Qualcomm aptX HD音频，集成混合主动降噪（前馈式、后馈式、混合式）， 语音UI控制，并通过云服务支持语音助手。

而在今年3月份，高通又发布了两款专为无线耳机设计的新型蓝牙芯片，即QCC514x和QCC304x SoC。其中，QCC514x面向高端市场，QCC304x面向中低端市场，两者都支持主动降噪和语音助手功能。

# }8 W# ]/ V: ?) v5 M这两款芯片均使用了高通的TrueWireless Mirroring技术，可以令单侧耳机通过蓝牙与手机相连，并同时保持与另一侧耳机的连接。
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  B4 L3 @+ m# \/ X9 `0 V这两款芯片使用了高通的混合式ANC技术（hybrid ANC），芯片集成了主动降噪功能，采用这些芯片的相对廉价无线耳机产品也可以拥有主动降噪功能。
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, n% d$ |$ v8 t1 k+ JQCC514x和QCC304x主要区别在于语音助理集成方面，QCC514x支持唤醒词唤醒语音助手，QCC304x只提供按键唤醒。

& S# f) b& C% ?* u: l8 \恒玄

9 @7 Z' q- E& o% q- A6 D6 wBES2300是恒玄推出的一款全集成自适应主动降噪方案，它支持蓝牙5.0、LBRT低频转发技术和双模蓝牙5.0，同时它还支持第三代FWS全无线立体声技术、双麦克风等。

该SoC采用了28nm工艺，BGA封装。支持降噪技术，尤其是高性能的自适应主动降噪技术，可以让高端主动降噪耳机使用一颗全集成芯片实现高音质和主动降噪。BES2300的主副耳机之间使用LBRT（Low Band (10-15MHz) Bluetooth Retransmission Technology）低频转发。
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" u2 A/ V; _; g8 i此外，BES2300还支持外接心率传感器、加速度传感器等等外接传感器设备和eMMC闪存，可以达到外接存储设备播放音乐的目的。BES恒玄BES2300可以给耳机和家庭音响输出声音，也可以从外部麦克风录音。

) ~2 E8 f8 m6 f联发科技/络达
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- d2 u9 m& w' p* V络达科技成立于2001年，是一家IC设计企业，2017年开始成为了联发科技集团的一员。产品主要包括手机功率放大器(PA)、射频开关(T/R Switch)、低噪声功率放大器(LNA)、数字电视与机顶盒卫星(DVB-S/S2)调谐器、WiFi射频收发器、蓝牙低功耗单芯片、蓝牙无线音频系统解决方案、WiFi物联网单芯片、卫星定位芯片、及智能装置与可穿戴系统解决方案。
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! N; u) V4 `9 ~0 _- t其AB1552x是一款高度集成的低功耗蓝牙音频SoC芯片，采用了络达独有的MCSync TWS连接方式，具备自由切换低延时等特性。同时支持混合ANC（前后双馈主动降噪）功能。
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" u: }" A+ b4 q据其官网介绍，AB1552x的平均功耗表现可达~6mA，音频解码器支持 24bit 192KHz高清采样率的解码，支持环境音侦测、双麦语音通话降噪及主动降噪功能。
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而联发科技的MT2811这款为索尼WF-1000XM3定制的芯片就是络达AB155x平台系列中一款高效能的芯片。该芯片搭载MCSync TWS双发蓝牙传输机制，支持主从互换的无缝连线体验，并支持蓝牙5.0，Ultra low power等功能。

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3 R, V. y1 {0 G5 U0 w  j瑞昱最新的一款蓝牙主控芯片RTL8773C，是一颗高度集成的蓝牙音频芯片，具备高性能、低功耗的优势，支持ANC和环境降噪（ENC）。
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  z: t6 Y6 F8 HRTL8773C优化了主动降噪（ANC）算法，不仅可以集成瑞昱自己的降噪算法，还支持第三方降噪算法，同时可直接对接云端云台，进行关键词识别，支持AI语音助手，能够做到7×24 小时始终在线、始终唤醒、始终监听功能。
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据瑞昱的人介绍，瑞昱芯片在低延迟方面也表现不错，采用RTL8763BFP后可实现100ms或更低的延迟，相较于华为Freebuds 3（Kirin A1；190ms）、vivo TWS Earphone（QCC5126；180ms），瑞昱所支持的 TWS 耳机的延迟最低。
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8 u4 V* h7 [5 E1 Z中科蓝讯
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就在今年4月底，中科蓝讯推出了其首款支持主动降噪功能的TWS耳机芯片BT8892A，根据其官网的资料，该芯片使用了其自主研发的RISC-V处理器，支持DSP指令集，目前测试的芯片功耗为5mA，关机功耗为2uA。
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BT8892A的数字主动降噪支持前馈FF、后馈FB、混合降噪 hybrid 等三种模式。能提供 30dB 降噪深度。并且 BT8892A 芯片还内置有三路 MIC 信号放大器与高性能 Delta-Sigma ADC，可提供更灵活多变的降噪结构选择。

( H! ^4 Q) `: p/ Y, J: f% p% g在延时方面，由于采用了全新架构的蓝牙5.1协议栈和新的蓝牙通信算法，延时可控制在 60ms-100ms。
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在编解码方面，该芯片标配 AAC 音频解码格式，通话解码格式为16K采样率的mSBC，可高度还原人声。
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此外，它内置有完善的电源管理系统，包括锂电池充电、电池保护、BUCK 降压电路、软开关机电路、复位与唤醒电路系统。
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7 r, i3 O8 m8 ?, W) H主动降噪芯片

除了这些集成了主动降噪功能的主控芯片，还有一些降噪芯片可供TWS耳机方案厂选择，比如ams的AS3460，ADI的ADAU1787，以及Dialog的DA7402等等。
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AS3460是ams针对半入耳式TWS耳机推出的一款主动降噪芯片。该芯片内部除了集成了主要用于降噪算法运行的 Augmented Hearing Engine（简称 AHE）外，还集成了用于信号控制的 Arm Cortex-M4F MCU。其中AHE中的自研DSP更是ams这个方案的核心竞争力之一。
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3 H+ j: u1 ^, t; ?据ams介绍，该芯片目前最高能实现 40db 的降噪效果；能在不同场景平滑切换降噪系统，保证最佳体验；另外，还能提供低延迟低功耗且具有非常自然听感的助听器模式；芯片本身的小尺寸和低功耗也能帮助实现最大化电池容量设计并延长待机时间。
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ADAU17XX是ADI公司专用降噪系列解决方案，在CES2020上ADI对可编程主动降噪芯片 ADAU1787 和 ADAU1788 的主动降噪功能做出了全面的演示，该芯片具有较低的输入输出延迟和运行功率。
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% m3 K$ ^: i) M! r* z5 q" _据其官网介绍，该SoC方案，整合了两个数字信号处理器（DSP），一个可编程的FastDSP音频处理器（高达768kHz的采样率和双二阶滤波器、限制器、音量控制器和混频），另一个是28位的SigmaDSP音频处理器内核，可使用SigmaStudio进行可视化编程，具有高达50MIPS的性能。此外，还搭配有低延迟的24位ADC和DAC、4个数字麦克风输入、1个模拟差分音频输出等等。

3 k* q/ }4 E& {, X  P! s. A在2019年6月份，Dialog半导体业推出了具有主动降噪功能的高集成音频编解码芯片DA740X。包括了具有主动降噪的立体声高性能编解码器DA7402、具有主动降噪的单声道高性能编解码器DA7401和没有主动降噪功能的立体声编解码器DA7400。

其中，DA7402支持混合式、前馈式和反馈式拓扑，高达35 dB抑制，并提供专用校准和调谐工具，以支持数字主动降噪。DA7402具有高性能播放和录音路径，提供高动态范围和最低延迟。
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. ?9 x+ I, e- k$ [作为DA7402的衍生版本，DA7401是一款专为TWS耳机和智能耳戴式设备设计的高性能单声道主动降噪编解码器。它提供115 dB播放动态范围、103 dB录音动态范围、混合主动降噪和灵活的时钟架构。DA7400则专为需要高分辨率、高性能音频的消费类应用而设计，提供相似的功能，但无主动降噪。

2 `. \1 s* D0 [* u, D结语
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在TWS耳机市场，目前可以说是群雄并起，众多小厂商百花齐放，有人将现在的TWS耳机比作当年国内“山寨机”市场阶段，未来可能跟现在的手机市场一样，归于几个大的品牌旗下。但现在群雄逐鹿的情况下，如何保证自己能够活到将来，质量和良好的用户体验是必不可少的，所以做出一些高品质的差异化产品才是TWS耳机厂商的生存之道。