Solusi ANC adaptif menghadirkan kemampuan audio yang ditingkatkan

Meskipun active noise cancelling (ANC) bukanlah hal baru bagi audiophiles, Teknologi ini semakin populer sejak perusahaan California yang terkenal merilis earbud pertamanya.

Meskipun ANC bukanlah hal baru bagi audiophiles, teknologi ini semakin populer sejak perusahaan California yang terkenal merilis earbud pertamanya yang menampilkan Active Noise Cancellation pada tahun 2019. Sejak itu, kesadaran pengguna akhir tentang ANC telah meningkat secara signifikan dan telah menjadi fitur yang diperlukan untuk earbud True Wireless (TWS) serta headset.

Solusi ANC Statis

Jika kita melihat ke belakang sepuluh tahun, sebagian besar desain headset dibuat menggunakan elektronik diskrit. Pada saat itu, hanya sedikit solusi terintegrasi yang tersedia karena sejumlah kecil perusahaan semikonduktor telah berinvestasi dalam miniaturisasi elektronik di ceruk pasar ini.

Gambar 1:Sirkuit ANC diskrit dan statis yang umum.

Melihat penerapan ANC yang khas, yang ditunjukkan pada Gambar 1, dapat diamati bahwa hanya ada sedikit peluang untuk menerapkan banyak fleksibilitas dan inovasi. Semua sirkuit filter didasarkan pada komponen elektronik tetap. Satu-satunya kesempatan untuk penyetelan adalah kalibrasi mikrofon selama produksi massal melalui potensiometer mekanis untuk mengimbangi toleransi elektro-akustik headset.

Selama lima tahun terakhir, perusahaan semikonduktor mulai mengenali potensi pasar ANC dan dengan demikian merilis banyak solusi ANC digital statis yang menawarkan banyak manfaat dibandingkan solusi analog – karena tidak perlu lagi menyolder komponen RC pasif untuk penyetelan filter. Misalnya, pembaruan perangkat lunak dapat meningkatkan kinerja headset atau memecahkan masalah stabilitas yang mungkin terjadi selama pengujian lapangan. Namun, di samping perpindahan ke pemrosesan sinyal digital, fungsionalitas dasar tetap hampir sama dengan implementasi analog. Sementara insinyur desain mendapatkan kemampuan penyetelan yang lebih nyaman, kekurangannya dapat dikatakan mencakup konsumsi daya yang lebih tinggi dan kinerja yang lebih rendah dibandingkan dengan solusi analog karena peningkatan latensi.

ANC Adaptif untuk Deteksi Suara Sekitar

Karena node proses silikon menyusut untuk mengurangi konsumsi arus sambil meningkatkan daya komputasi prosesor sinyal digital (DSP), kemampuan solusi ANC digital telah meningkat. Alih-alih sistem ANC digital statis yang menawarkan manfaat terbatas dibandingkan solusi analog, para insinyur mulai mengenali potensi solusi ANC digital berdaya rendah baru yang dapat memberikan fitur pembeda yang disebut Adaptive Noise Cancelling.

Karena tidak ada nomenklatur resmi untuk fitur ANC, sering kali terjadi kesalahpahaman di industri – bahkan di antara para insinyur yang berurusan dengan ANC setiap hari. Definisi peredam bising adaptif bervariasi tergantung pada manfaat yang dialami oleh pengguna akhir. Teknologi paling umum yang disediakan oleh banyak solusi ANC digital di pasaran adalah ANC adaptif berdasarkan deteksi suara sekitar. Tapi apa artinya ini atau mengapa saya ingin menyesuaikan sistem ANC saya berdasarkan kebisingan sekitar? Yah, pada pandangan pertama, Anda mungkin mengatakan bahwa ini tidak masuk akal karena saya selalu ingin ANC saya bekerja dengan baik. Namun, pengguna akhir saat ini memakai headphone dalam berbagai situasi, masing-masing menghadapi karakteristik kebisingan yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Profil kebisingan sekitar di pesawat tentu berbeda dengan di kafe. Di pesawat, pengguna biasanya mendengar suara frekuensi rendah yang mengganggu yang disebabkan oleh mesin jet, sedangkan di kafe, pengguna cenderung mengalami suara frekuensi tinggi yang ingin mereka batasi.

Gambar 2:ANC adaptif untuk deteksi suara sekitar.

Kecenderungan sistem ANC adaptif adalah mengidentifikasi sumber kebisingan yang dominan dan memfokuskan sistem ANC pada rentang frekuensi ini. Tugas ini biasanya diimplementasikan dengan algoritme perangkat lunak DSP tambahan. Namun, untuk mengidentifikasi profil kebisingan sekitar, mikrofon ANC feed-forward juga diumpankan ke DSP ANC latensi rendah dan DSP kedua. Berdasarkan profil kebisingan sekitar ini, koefisien filter ANC – yang menentukan karakteristik ANC headset – dapat dikonfigurasi ulang. Atau, ada juga beberapa solusi yang menawarkan empat atau lebih preset ANC yang berbeda. Ini dapat dikontrol oleh MCU atau melalui penekanan tombol tanpa perlu menukar koefisien filter yang membantu mengurangi, misalnya, I ² C lalu lintas bus.

Gambar 3:Sistem ANC Adaptif berdasarkan deteksi suara sekitar.

Prinsip yang ditunjukkan pada Gambar 3 adalah sama untuk sebagian besar solusi pasar, namun ada perbedaan dalam algoritma deteksi kebisingan sekitar. Cara paling sederhana didasarkan pada FFT dengan pembobotan frekuensi sinyal noise. Vendor ANC mencoba membedakan dengan algoritma deteksi dan metode deteksi yang ada akan diganti dengan deteksi adegan berbasis jaringan saraf. Oleh karena itu, headset dapat dengan tepat menentukan lingkungan – kantor, kafe, pesawat, atau tempat lain – dan memilih filter ANC yang ideal atau profil pendengaran yang ditingkatkan. Diagram blok sistem yang ditunjukkan pada Gambar 3 adalah contoh yang disederhanakan dan ada berbagai opsi implementasi untuk mendukung fitur ini. Apa pun solusinya, outputnya selalu sama, fungsi peredam bising secara otomatis disesuaikan berdasarkan kebisingan sekitar atau peristiwa yang terdeteksi dalam kategori sistem ANC adaptif ini.

ANC Adaptif dengan Kompensasi Kebocoran Otomatis

Kategori kedua berbagi, seperti yang ditunjukkan sebelumnya, juga dengan nama yang sama Adaptive Noise Cancelling tetapi memecahkan masalah pengguna akhir yang sama sekali berbeda. Telah diketahui dengan baik bahwa kinerja ANC yang baik memerlukan sirkuit ANC berkualitas tinggi dengan latensi rendah ditambah komponen elektroakustik yang sangat baik. Namun, ada faktor penting ketiga yang sangat sering dilupakan. Headset ANC dengan filter penguatan dan kompensasi fase dirancang untuk penyegelan tertentu dan redaman pasif headset:tetapi apa artinya ini dengan kata-kata sederhana? Ini semua tentang kecocokan earbud yang benar di telinga pengguna. Penyegelan earbud yang buruk memengaruhi redaman pasif, yang memengaruhi fungsi transfer filter ANC target. Yah, ini mungkin terdengar akademis, tapi apa artinya ini bagi pengguna akhir? Pengaruh redaman pasif dan kecocokan earbud dapat mengakibatkan penurunan kinerja ANC di antara pengguna yang berbeda. Ini adalah masalah umum yang dihadapi para insinyur untuk memastikan kinerja ANC yang baik di berbagai pengguna. Gambar yang ditunjukkan pada Gambar 4 mengilustrasikan masalah yang dinyatakan dalam penurunan kinerja ANC dengan tingkat kebocoran earbud yang berbeda.

Gambar 4:Penurunan performa ANC berdasarkan tingkat kebocoran earbud yang berbeda.

Grafik menunjukkan kinerja ANC dari earbud TWS yang longgar (tidak ada ujung karet yang digunakan) dengan tingkat kebocoran terkontrol yang berbeda. Kurva 'Tanpa Kebocoran Earbud' adalah tingkat kebocoran headset yang dirancang agar pas dengan telinga pengguna. Perangkat menunjukkan kinerja ANC yang unggul untuk kasus penggunaan ini dengan kinerja puncak yang sangat baik dan bandwidth ANC yang lebar. Segera setelah kebocoran terjadi (Kebocoran Sedang setara dengan 8mm ² kebocoran terkendali) Anda dapat dengan jelas melihat bahwa kinerja ANC turun ~30dB dan ada juga pengurangan besar-besaran pada bandwidth ANC. Jika kebocoran semakin meningkat (Kebocoran Earbud Tinggi setara dengan ~20mm ² kebocoran terkontrol), yang mewakili earbud longgar, kinerja turun di bawah 10dB yang berarti bagi pengguna akhir hampir tidak ada ANC yang terlihat. Perilaku yang dijelaskan dari tingkat kinerja ANC yang berbeda dan kecocokan earbud di antara pengguna yang berbeda adalah masalah yang diselesaikan oleh Adaptive ANC. Oleh karena itu, jenis sistem ANC adaptif ini bertujuan untuk mengkompensasi ketidaksesuaian akustik untuk memastikan setiap pengguna dapat memperoleh kinerja ANC yang konstan terlepas dari kecocokan earbud ke telinga penggunanya.

Bagaimana cara kerja kompensasi Adaptive Misfit?

ANC adaptif yang mengkompensasi ketidaksesuaian membutuhkan arsitektur perangkat keras dan perangkat lunak yang kompleks. Untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang apa yang dibutuhkan, masuk akal untuk melihat frekuensi target dan kurva kompensasi fase untuk setidaknya satu jalur sinyal ANC. Dalam contoh yang ditunjukkan pada Gambar 5, kurva target gain feed-forward dan filter kompensasi fase ditampilkan untuk kasus penggunaan tanpa kebocoran dan kebocoran tinggi. Seperti disebutkan sebelumnya dalam sistem ANC statis, filter biasanya dioptimalkan untuk operasi tanpa kebocoran saat earbud dimasukkan dengan benar ke dalam telinga.

Gambar 5:Kurva filter target untuk contoh ALC untuk tingkat kebocoran yang berbeda.

Karena kami bertujuan untuk sistem adaptif, kita dapat melihat pada Gambar 5 bahwa frekuensi umpan-maju target ANC dan respons fase berubah untuk tingkat kebocoran tinggi yang dapat menjelaskan hilangnya kinerja ANC yang ditunjukkan pada Gambar 4 sebelumnya. Dalam sistem ANC statis, penguatan dan fase tidak lagi sesuai dengan kurva target setelah earbud tidak diposisikan dengan benar di telinga. Oleh karena itu, persyaratannya jelas untuk sistem adaptif yang mengkompensasi ketidaksesuaian. Perangkat harus dapat menyesuaikan fungsi transfer filter ANC secara dinamis berdasarkan tingkat kebocoran earbud. Mungkin ini tidak terdengar terlalu sulit. Karena sistem ANC saat ini didasarkan pada teknologi hybrid ANC maka tidak sesederhana itu, terutama jika kita melihat Gambar 6 yang menunjukkan diagram blok sistem tingkat tinggi dari sistem ANC adaptif.

Gambar 6:Sistem ANC adaptif untuk kompensasi ketidaksesuaian.

Diagram blok menunjukkan lebih banyak blok sistem dibandingkan dengan sistem statis. Pada prinsipnya, DSP berlatensi rendah yang mendukung fungsi peredam bising itu sendiri bisa seperti sistem statis karena harus dapat memenuhi fungsi yang sama. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa alih-alih dapat beralih di antara karakteristik filter atau preset yang berbeda, filter harus disesuaikan secara dinamis selama waktu berjalan. Peralihan ke bank filter atau preset lain akan menyebabkan putusnya ANC yang tentunya tidak disukai. Oleh karena itu DSP harus dapat mendukung konfigurasi ulang dinamis dari fungsi transfer filter saat ANC aktif. Hal ini membuat desain ANC DSP lebih rumit karena dalam sistem statis hal ini biasanya bukan merupakan persyaratan.

Penting untuk disebutkan bahwa tidak hanya jalur feed-forward ANC yang diadopsi, tetapi – untuk mempertahankan kinerja tertinggi – juga jalur sinyal feed-back ANC. Selain itu, sistem ANC berkualitas tinggi juga mengadopsi respons frekuensi pemutaran musik untuk mempertahankan kualitas suara yang sama dengan tingkat kebocoran yang berbeda.

Untuk mengubah filter sesuai dengan tingkat kebocoran, ada juga algoritma perangkat lunak yang diperlukan untuk mendeteksi tingkat kebocoran di telinga pengguna. Ini biasanya dilakukan dengan MCU atau DSP kedua yang memantau mikrofon serta sensor tambahan seperti sensor jarak dan akselerometer. Sementara mikrofon digunakan untuk mendeteksi tingkat kebocoran, sensor jarak biasanya digunakan untuk mendeteksi kasus sudut. Karena algoritme kompensasi ketidaksesuaian juga menyesuaikan filter ANC umpan balik kritis, dapat terjadi bahwa sistem mulai berosilasi dan menjadi tidak stabil karena terlalu banyak penguatan umpan balik digunakan dalam kondisi kebocoran tinggi atau jika earbud benar-benar lepas dari telinga. Oleh karena itu, sinyal sensor tambahan membantu membuat sistem adaptif menjadi kuat dan mendeteksi ketidakstabilan untuk menghindari melolong di dalam atau di luar telinga pengguna. Ini adalah salah satu fungsi yang paling kritis karena pelanggan pasti akan mengeluh dan berpikir bahwa earbud rusak. Oleh karena itu, para insinyur harus memastikan bahwa dalam situasi apa pun ketidakstabilan tidak dapat terjadi.

Satu-satunya pertanyaan yang tersisa sekarang:apakah upaya tambahan ini benar-benar membuahkan hasil? Apakah sistem adaptif yang kompleks ini benar-benar berfungsi? Mari kita lihat Gambar 7 yang menunjukkan kinerja ANC dari earbud longgar TWS adaptif dengan tiga tingkat kebocoran yang berbeda seperti pada Gambar 4 dengan sistem ANC statis. Kami dapat dengan jelas melihat bahwa tanpa kebocoran kami mendapatkan kinerja ANC terbaik melalui bandwidth yang lebar dari 20Hz hingga 2kHz. Jika kebocoran sekarang diperkenalkan ke sistem, algoritme perangkat lunak mendeteksi kebocoran dan mengubah filter ANC yang sesuai. Tingkat kinerja dapat dipertahankan tinggi hingga maksimum bahkan dengan tingkat kebocoran earbud yang tinggi.

Jika Anda melihat lebih dekat ke kurva, Anda mungkin mengenali bahwa di area frekuensi yang lebih rendah, kinerjanya sedikit berkurang. Fenomena ini dapat dengan mudah dijelaskan. Desain earbud yang digunakan untuk pengujian ANC adaptif ini tidak memiliki ujung karet dan termasuk dalam kategori earbud yang longgar. Dalam sistem earbud terbuka dengan kebocoran tinggi, daya keluaran speaker terbatas karena ukuran fisik. Pada titik kebocoran tertentu, speaker tidak dapat menghasilkan daya output yang cukup untuk membatalkan seluruh kebisingan frekuensi rendah yang mengakibatkan penurunan kinerja frekuensi rendah. Secara umum, hasil sistem ANC adaptif menjanjikan dan dapat meningkatkan ANC ke tingkat berikutnya. Teknologi ini tentunya juga dapat diterapkan pada earbud tertutup atau headset over-ear, yang mengkompensasi kebocoran yang disebabkan saat memakai kacamata.

Gambar 7:Kurva kinerja ALC dengan tingkat kebocoran berbeda.

Dalam waktu dekat, kita kemungkinan akan melihat sistem adaptif yang menggabungkan sistem kompensasi ketidaksesuaian adaptif dengan sistem berbasis jaringan saraf yang mengenali lingkungan, sehingga mengkompensasi ketidaksesuaian dan mengoptimalkan sweet spot ANC secara bersamaan.

Apakah Sistem ANC Adaptif Masuk Akal?

Beberapa orang mungkin berkata:Saya tidak ingin sistem elektronik mengambil alih kendali dan saya dapat mengatur mode pengoperasian dan kecocokan earbud saya dengan benar. Pengguna lain dapat mengambil manfaat dari sistem yang selalu memberikan kinerja ideal yang terlepas dari lingkungan. Saya percaya tidak ada benar atau salah, ini semua tentang preferensi pribadi dan cara suatu produk digunakan. Beberapa pengguna mungkin menikmati fitur ini, sementara yang lain tidak terlalu menghargainya. Untungnya, fitur tersebut dapat dinonaktifkan dan cara terbaik untuk mengevaluasi opsi adalah dengan menguji platform pengembangan ams AG untuk solusi peredam bising adaptif di sekitar platform pendengaran augmented digital AS3460. Alat pengembangan ANC yang dibuat khusus untuk solusi ANC adaptif, menggunakan AS3460, tersedia berdasarkan permintaan.

Untuk informasi lebih lanjut, silakan kunjungi https://ams-osram.com

---

Konten Terkait:

• AI menemukan suaranya dalam rantai audio
• Bagaimana prosesor audio edge mengaktifkan integrasi suara di perangkat IoT
• Pemrosesan audio yang lebih baik di tepi
• Meningkatkan peredam bising aktif dengan teknologi audio otomotif baru
• Pertimbangan desain untuk sistem perintah suara yang selalu aktif dan berdaya rendah
• Perangkat berdaya rendah dapat mendengarkan dengan koklea silikon

Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tersemat.