Las soluciones ANC adaptables brindan capacidades de audio mejoradas

Si bien la cancelación activa de ruido (ANC) no es nada nuevo para los audiófilos, La tecnología ha ganado popularidad desde que una conocida empresa californiana lanzó sus primeros auriculares.

Si bien ANC no es nada nuevo para los audiófilos, la tecnología ha ganado popularidad desde que una conocida compañía californiana lanzó sus primeros auriculares con cancelación activa de ruido en 2019. Desde entonces, el conocimiento del usuario final sobre ANC ha aumentado significativamente y se ha convertido en una característica imprescindible. para auriculares True Wireless (TWS) y auriculares.

Soluciones ANC estáticas

Si miramos hacia atrás diez años, la mayoría de los diseños de auriculares se construyeron utilizando componentes electrónicos discretos. En ese momento, había pocas soluciones integradas disponibles, ya que un pequeño número de empresas de semiconductores habían invertido en la miniaturización de la electrónica en este nicho de mercado.

Figura 1:Circuito ANC discreto y estático típico.

Al observar la implementación típica de ANC, que se muestra en la Figura 1, se puede observar que hubo pocas oportunidades para implementar mucha flexibilidad e innovación. Todos los circuitos del filtro se basaron en componentes electrónicos fijos. La única posibilidad de sintonización era la calibración de los micrófonos durante la producción en masa mediante potenciómetros mecánicos para compensar las tolerancias electroacústicas de los auriculares.

Durante los últimos cinco años, las empresas de semiconductores comenzaron a reconocer el potencial de mercado de ANC y, por lo tanto, lanzaron una gran cantidad de soluciones ANC digitales estáticas que ofrecen muchos beneficios sobre las soluciones analógicas, ya que ya no es necesario soldar componentes RC pasivos para ajustar el filtro. Por ejemplo, las actualizaciones de software pueden mejorar el rendimiento de un auricular o resolver problemas de estabilidad que pueden ocurrir durante las pruebas de campo. Sin embargo, además del paso al procesamiento de señales digitales, la funcionalidad básica se mantuvo prácticamente igual que con las implementaciones analógicas. Si bien los ingenieros de diseño obtienen capacidades de ajuste más convenientes, se podría decir que los inconvenientes incluyen un mayor consumo de energía y un menor rendimiento en comparación con las soluciones analógicas debido a una mayor latencia.

ANC adaptable para detección de sonido ambiental

A medida que los nodos de proceso de silicio se reducen para reducir el consumo de corriente y al mismo tiempo aumentar la potencia de cálculo de los procesadores de señales digitales (DSP), las capacidades de las soluciones ANC digitales han mejorado. En lugar de sistemas ANC digitales estáticos que ofrecen beneficios limitados en comparación con las soluciones analógicas, los ingenieros comenzaron a reconocer el potencial de las nuevas soluciones ANC digitales de baja potencia que pueden proporcionar una característica diferenciadora llamada Cancelación Adaptativa de Ruido.

Como no existe una nomenclatura oficial para las funciones de ANC, a menudo hay un malentendido en la industria, incluso entre los ingenieros que se ocupan de ANC todos los días. Las definiciones de cancelación de ruido adaptativa varían según los beneficios experimentados por los usuarios finales. La tecnología más común proporcionada por muchas soluciones ANC digitales en el mercado es la ANC adaptativa basada en la detección de sonido ambiental. Pero, ¿qué significa esto o por qué querría adaptar mi sistema ANC en función del ruido ambiental? Bueno, a primera vista, se podría decir que esto no tiene sentido, ya que siempre quiero que mi ANC funcione de la mejor manera. Sin embargo, los usuarios finales de hoy en día usan audífonos en muchas situaciones diferentes, cada uno con diferentes características de ruido, como se muestra en la Figura 2. El perfil de ruido ambiental en un avión es ciertamente diferente al de un café. En un avión, el usuario suele escuchar un ruido molesto de baja frecuencia causado por el motor a reacción, mientras que en un café es probable que el usuario experimente un ruido de alta frecuencia que prefiere limitar.

Figura 2:ANC adaptable para detección de sonido ambiental.

La tendencia de los sistemas ANC adaptativos es identificar la fuente de ruido dominante y enfocar el sistema ANC en este rango de frecuencia. Esta tarea generalmente se implementa con algoritmos de software DSP adicionales. Sin embargo, para identificar el perfil de ruido ambiental, el micrófono ANC de avance también alimenta el ANC DSP de baja latencia y un segundo DSP. Basándose en este perfil de ruido ambiental, los coeficientes del filtro ANC, que definen las características ANC de un auricular, se pueden reconfigurar. Alternativamente, también hay varias soluciones que ofrecen cuatro o más preajustes ANC diferentes. Estos pueden ser controlados por una MCU o presionando un botón sin la necesidad de intercambiar coeficientes de filtro, lo que ayuda a reducir, por ejemplo, I ² Tráfico de autobús C.

Figura 3:Sistema de ANC adaptable basado en la detección de sonido ambiental.

El principio que se muestra en la Figura 3 es el mismo para la mayoría de las soluciones del mercado; sin embargo, existen diferencias en el algoritmo de detección de ruido ambiental. La forma más sencilla se basa en FFT con ponderación de frecuencia de la señal de ruido. Los proveedores de ANC intentan diferenciarse con algoritmos de detección y los métodos de detección existentes serán reemplazados por detección de escenas basada en redes neuronales. Por lo tanto, un auricular puede determinar exactamente el entorno (una oficina, cafetería, avión o cualquier otro lugar) y seleccionar el filtro ANC ideal o el perfil de audición aumentada. El diagrama de bloques del sistema que se muestra en la Figura 3 es un ejemplo simplificado y hay varias opciones de implementación para admitir esta característica. Independientemente de la solución, la salida es siempre la misma, la función de cancelación de ruido se ajusta automáticamente según el ruido ambiental o los eventos detectados en esta categoría de sistemas ANC adaptativos.

ANC adaptable con compensación automática de fugas

La segunda categoría comparte, como se indicó anteriormente, también el mismo nombre Cancelación de ruido adaptable, pero resuelve un problema del usuario final completamente diferente. Es bien sabido que un buen rendimiento ANC requiere circuitos ANC de alta calidad con baja latencia además de excelentes componentes electroacústicos. Sin embargo, hay un tercer factor importante que a menudo se olvida. Un auricular ANC con sus filtros de compensación de ganancia y fase están diseñados para un sellado específico y una atenuación pasiva del auricular:pero ¿qué significa esto en palabras simples? Se trata de que el auricular encaje correctamente en los oídos del usuario. Un sellado deficiente del auricular influye en la atenuación pasiva, que afecta a la función de transferencia del filtro ANC de destino. Bueno, esto puede parecer académico, pero ¿qué significa esto para un usuario final? La influencia de la atenuación pasiva y el ajuste del auricular puede provocar pérdidas de rendimiento ANC entre diferentes usuarios. Este es un problema común con el que luchan los ingenieros para garantizar un buen rendimiento de ANC en una amplia gama de usuarios. El dibujo que se muestra en la Figura 4 ilustra el problema expresado en la pérdida de rendimiento de ANC con diferentes niveles de fuga de auriculares.

Figura 4:Pérdida de rendimiento de ANC según los diferentes niveles de fuga de los auriculares.

El gráfico muestra el rendimiento ANC de un auricular TWS holgado (sin punta de goma) con diferentes niveles de fuga controlados. La curva "Sin fugas del auricular" es el nivel de fuga para el que el auricular está diseñado para un buen ajuste al oído del usuario. El dispositivo muestra un rendimiento ANC superior para este caso de uso con un rendimiento máximo excelente y un ancho de banda ANC amplio. Tan pronto como se introduce una fuga (la fuga media corresponde a 8 mm ² fuga controlada) puede ver claramente que el rendimiento de ANC cae en ~ 30dB y también hay una reducción masiva del ancho de banda de ANC. Si la fuga aumenta aún más (la fuga alta del auricular corresponde a ~ 20 mm ² fuga controlada), que representa un auricular holgado, el rendimiento cae por debajo de 10dB, lo que significa que para un usuario final prácticamente no hay ANC perceptible. El comportamiento descrito de diferentes niveles de rendimiento de ANC y ajustes de auriculares entre diferentes usuarios es un problema resuelto por Adaptive ANC. Por lo tanto, este tipo de sistema ANC adaptativo tiene como objetivo compensar el desajuste acústico para garantizar que cada usuario pueda obtener un rendimiento ANC constante independientemente del ajuste de un auricular a los oídos de sus usuarios.

¿Cómo funciona la compensación Adaptive Misfit?

El ANC adaptable que compensa el desajuste requiere una arquitectura compleja de hardware y software. Para comprender mejor lo que se necesita, tiene sentido observar la frecuencia objetivo y las curvas de compensación de fase para al menos una de las rutas de la señal ANC. En el ejemplo que se muestra en la Figura 5, se muestran las curvas del filtro de compensación de fase y la ganancia de objetivo de retroalimentación para el caso de uso sin fugas y con fugas altas. Como se mencionó anteriormente en los sistemas ANC estáticos, el filtro generalmente se optimiza para una operación sin fugas cuando el auricular se inserta correctamente en el oído.

Figura 5:Curvas de filtro objetivo para el ejemplo de ALC para diferentes niveles de fuga.

Como nuestro objetivo es un sistema adaptativo, podemos ver en la Figura 5 que la respuesta de fase y frecuencia de alimentación directa de ANC objetivo está cambiando para niveles de alta fuga, lo que puede explicar la pérdida de rendimiento de ANC mostrada anteriormente en la Figura 4. En un sistema ANC estático, la ganancia y la fase ya no coinciden con la curva objetivo una vez que el auricular no está colocado correctamente en el oído. Por lo tanto, el requisito es claro para un sistema adaptativo que compense los desajustes. El dispositivo debe poder ajustar dinámicamente la función de transferencia del filtro ANC según el nivel de fuga del auricular. Quizás esto no suene demasiado difícil. Como los sistemas ANC actuales se basan en la tecnología ANC híbrida, no es tan simple, especialmente si observamos la Figura 6, que muestra un diagrama de bloques del sistema de alto nivel de un sistema ANC adaptativo.

Figura 6:Sistema de ANC adaptable para compensación de desajuste.

El diagrama de bloques muestra muchos más bloques de sistema en comparación con un sistema estático. En principio, el DSP de baja latencia que admite la función de cancelación de ruido en sí mismo puede ser como un sistema estático, ya que necesita poder cumplir la misma función. La única diferencia es que, en lugar de poder cambiar entre diferentes características de filtro o ajustes preestablecidos, el filtro debe ajustarse dinámicamente durante el tiempo de ejecución. Un cambio a otro banco de filtros o preajuste causaría caídas de ANC, lo que ciertamente no es el preferido. Por lo tanto, el DSP debe poder admitir la reconfiguración dinámica de la función de transferencia de filtro mientras ANC está activo. Esto hace que el diseño de un ANC DSP sea más complicado porque en los sistemas estáticos esto normalmente no es un requisito.

Es importante mencionar que no solo se adopta la ruta ANC de retroalimentación, sino también, para mantener el máximo rendimiento, la ruta de la señal ANC de retroalimentación. Además, los sistemas ANC de alta calidad también adoptan la respuesta de frecuencia de reproducción de música para mantener la misma calidad de sonido con diferentes niveles de fuga.

Para cambiar los filtros de acuerdo con el nivel de fuga, también hay algoritmos de software necesarios para detectar un nivel de fuga en el oído del usuario. Esto generalmente se hace con un segundo MCU o DSP que monitorea los micrófonos, así como sensores adicionales como un sensor de proximidad y un acelerómetro. Mientras que los micrófonos se utilizan para detectar el nivel de fuga, los sensores de proximidad se utilizan normalmente para detectar casos de esquina. Como los algoritmos de compensación de desajuste también están ajustando los filtros ANC de retroalimentación críticos, puede suceder que el sistema comience a oscilar y se vuelva inestable porque se usa demasiada ganancia de retroalimentación en una condición de alta fuga o si el auricular está completamente fuera del oído. Por lo tanto, las señales de los sensores adicionales ayudan a fortalecer el sistema adaptativo y a detectar inestabilidades para evitar aullidos dentro o fuera del oído del usuario. Esta es una de las funciones más críticas porque los clientes ciertamente se quejarían y pensarían que el auricular está defectuoso. Por lo tanto, los ingenieros deben asegurarse de que no se produzcan inestabilidades bajo ninguna circunstancia.

Las únicas preguntas que quedan ahora:¿realmente vale la pena este esfuerzo adicional? ¿Funcionan realmente estos complejos sistemas adaptativos? Veamos la Figura 7, que muestra el rendimiento ANC de un auricular TWS de ajuste holgado adaptativo con tres niveles de fuga diferentes como en la Figura 4 con un sistema ANC estático. Podemos ver claramente que, sin fugas, obtenemos el mejor rendimiento de ANC en un ancho de banda amplio desde 20 Hz hasta 2 kHz. Si ahora se introduce una fuga en el sistema, los algoritmos de software detectan la fuga y cambian los filtros ANC en consecuencia. El nivel de rendimiento se puede mantener alto al máximo incluso con niveles altos de fuga de auriculares.

Si observa de cerca la curva, puede reconocer que en el área de frecuencia más baja el rendimiento se reduce ligeramente. Este fenómeno se puede explicar fácilmente. Este diseño de auricular utilizado para la prueba ANC adaptativa no tiene puntas de goma y se incluye en la categoría de auriculares holgados. En tales sistemas de audífonos abiertos con alta fuga, la potencia de salida de los altavoces está limitada debido al tamaño físico. En un cierto punto de fuga, el altavoz no puede producir suficiente potencia de salida para cancelar todo el ruido de baja frecuencia, lo que da como resultado una reducción del rendimiento de baja frecuencia. En general, los resultados de los sistemas adaptativos de ANC son prometedores y pueden llevar a ANC al siguiente nivel. Ciertamente, la tecnología también se puede aplicar a auriculares sellados o sobre las orejas, compensando las fugas causadas por el uso de anteojos.

Figura 7:Curvas de rendimiento de ALC con diferentes niveles de fuga.

En un futuro próximo, es probable que veamos sistemas adaptativos que combinan sistemas de compensación adaptativos de desajuste con sistemas basados ​​en redes neuronales que reconocen el entorno, compensando así el desajuste y optimizando el punto óptimo de ANC simultáneamente.

¿Tienen sentido los sistemas de ANC adaptativos?

Algunos pueden decir:No quiero que un sistema electrónico tome el control y puedo administrar los modos de operación y el ajuste adecuado de mis auriculares. Otros usuarios pueden beneficiarse de un sistema que siempre ofrece un rendimiento ideal independientemente del entorno. Creo que no hay bien o mal, se trata de preferencias personales y de la forma en que se utiliza un producto. Algunos usuarios pueden disfrutar de la función, mientras que otros realmente no la aprecian. Afortunadamente, es posible deshabilitar estas funciones y la mejor manera de evaluar las opciones es probando la plataforma de desarrollo de ams AG para soluciones adaptativas de cancelación de ruido alrededor de la plataforma de audición aumentada digital AS3460. Las herramientas de desarrollo ANC hechas a medida para soluciones ANC adaptativas, utilizando el AS3460, están disponibles a pedido.

Para obtener más información, visite https://ams-osram.com

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