적응형 ANC 솔루션은 향상된 오디오 기능을 제공합니다.

능동 소음 제거(ANC)는 오디오 애호가에게 새로운 것은 아니지만 기술은 유명한 캘리포니아 회사가 첫 번째 이어버드를 출시한 이후 인기를 얻었습니다.

ANC는 오디오 애호가에게 새로운 것은 아니지만, 캘리포니아의 한 유명 회사가 2019년 Active Noise Cancellation 기능을 갖춘 첫 번째 이어버드를 출시한 이후로 이 기술의 인기가 높아졌습니다. 그 이후로 ANC에 대한 최종 사용자의 인식이 크게 높아졌으며 필수 기능이 되었습니다. TWS(True Wireless) 이어버드 및 헤드셋용

정적 ANC 솔루션

10년을 되돌아보면 대부분의 헤드셋 디자인은 개별 전자 장치를 사용하여 제작되었습니다. 그 당시에는 소수의 반도체 회사가 이 틈새 시장에서 전자 제품의 소형화에 투자했기 때문에 사용할 수 있는 통합 솔루션이 거의 없었습니다.

그림 1:일반적인 이산 및 정적 ANC 회로

그림 1에 표시된 일반적인 ANC 구현을 살펴보면 많은 유연성과 혁신을 구현할 기회가 거의 없다는 것을 알 수 있습니다. 모든 필터 회로는 고정된 전자 부품을 기반으로 했습니다. 튜닝할 수 있는 유일한 기회는 헤드셋의 전기 음향 허용 오차를 보상하기 위해 기계식 전위차계를 통해 대량 생산 중에 마이크를 보정하는 것이었습니다.

지난 5년 동안 반도체 회사는 ANC의 시장 잠재력을 인식하기 시작했고, 필터 튜닝을 위해 더 이상 수동 RC 구성요소를 납땜할 필요가 없기 때문에 아날로그 솔루션보다 많은 이점을 제공하는 풍부한 정적 디지털 ANC 솔루션을 출시했습니다. 예를 들어 소프트웨어 업데이트는 헤드셋의 성능을 향상시키거나 현장 테스트 중에 발생할 수 있는 안정성 문제를 해결할 수 있습니다. 그러나 디지털 신호 처리로의 이동 외에 기본 기능은 아날로그 구현과 거의 동일하게 유지되었습니다. 설계 엔지니어는 보다 편리한 조정 기능을 얻을 수 있지만 지연 시간 증가로 인해 아날로그 솔루션에 비해 더 높은 전력 소비와 낮은 성능이 단점이라고 할 수 있습니다.

주변 소리 감지를 위한 적응형 ANC

디지털 신호 프로세서(DSP)의 연산 능력을 높이는 동시에 전류 소비를 줄이기 위해 실리콘 프로세스 노드가 축소됨에 따라 디지털 ANC 솔루션의 기능이 향상되었습니다. 엔지니어들은 아날로그 솔루션에 비해 제한된 이점을 제공하는 정적 디지털 ANC 시스템 대신 적응형 잡음 제거라는 차별화된 기능을 제공할 수 있는 새로운 디지털 저전력 ANC 솔루션의 잠재력을 인식하기 시작했습니다.

ANC 기능에 대한 공식적인 명명법이 없기 때문에 매일 ANC를 다루는 엔지니어들 사이에서도 업계에서 종종 오해가 있습니다. 적응형 소음 제거 정의는 최종 사용자가 경험하는 이점에 따라 다릅니다. 시중에 나와 있는 많은 디지털 ANC 솔루션이 제공하는 가장 일반적인 기술은 주변 소리 감지를 기반으로 하는 적응형 ANC입니다. 그러나 이것이 의미하는 바는 무엇이며 주변 소음을 기반으로 ANC 시스템을 조정하고 싶은 이유는 무엇입니까? 글쎄요, 언뜻 보기에 이것이 말이 안 된다고 말할 수도 있습니다. 저는 항상 ANC가 최상의 상태로 작동하기를 원하기 때문입니다. 그러나 오늘날 최종 사용자는 그림 2와 같이 각기 다른 소음 특성에 직면하는 다양한 상황에서 헤드폰을 착용하고 있습니다. 비행기의 주변 소음 프로파일은 확실히 카페의 것과 다릅니다. 비행기에서 사용자는 일반적으로 제트 엔진으로 인해 발생하는 성가신 저주파 소음을 듣는 반면 카페에서는 사용자가 제한하기를 선호하는 고주파 소음을 경험할 가능성이 높습니다.

그림 2:주변 소리 감지를 위한 적응형 ANC.

적응형 ANC 시스템의 경향은 지배적인 잡음 소스를 식별하고 이 주파수 범위에 ANC 시스템을 집중시키는 것입니다. 이 작업은 일반적으로 추가 DSP 소프트웨어 알고리즘으로 구현됩니다. 그러나 주변 잡음 프로파일을 식별하기 위해 피드포워드 ANC 마이크는 저지연 ANC DSP와 두 번째 DSP에도 피드합니다. 이 주변 소음 프로필을 기반으로 헤드셋의 ANC 특성을 정의하는 ANC 필터 계수를 재구성할 수 있습니다. 또는 4개 이상의 서로 다른 ANC 사전 설정을 제공하는 여러 솔루션이 있습니다. 이는 예를 들어 I ² 를 줄이는 데 도움이 되는 필터 계수를 교환할 필요 없이 MCU 또는 버튼 누름을 통해 제어할 수 있습니다. C 버스 트래픽.

그림 3:주변 소리 감지 기반 적응형 ANC 시스템

그림 3에 표시된 원리는 대부분의 시장 솔루션에서 동일하지만 주변 소음 감지 알고리즘에는 차이가 있습니다. 가장 간단한 방법은 잡음 신호의 주파수 가중치를 갖는 FFT를 기반으로 합니다. ANC 공급업체는 감지 알고리즘으로 차별화를 시도하며 기존 감지 방법은 신경망 기반 장면 감지로 대체될 예정입니다. 따라서 헤드셋은 사무실, 카페, 비행기 또는 다른 곳과 같은 환경을 정확하게 파악하고 이상적인 ANC 필터 또는 증강 청각 프로필을 선택할 수 있습니다. 그림 3에 표시된 시스템 블록 다이어그램은 단순화된 예이며 이 기능을 지원하기 위한 다양한 구현 옵션이 있습니다. 어떤 솔루션이든 출력은 항상 동일하며 이 범주의 적응형 ANC 시스템에서 주변 소음 또는 감지된 이벤트를 기반으로 노이즈 제거 기능이 자동으로 조정됩니다.

자동 누출 보상 기능이 있는 적응형 ANC

두 번째 범주는 앞에서 언급한 것과 같이 동일한 이름의 적응형 소음 제거를 공유하지만 완전히 다른 최종 사용자 문제를 해결합니다. 우수한 ANC 성능을 위해서는 대기 시간이 짧은 고품질 ANC 회로와 우수한 전기 음향 구성 요소가 필요하다는 것은 잘 알려져 있습니다. 그러나 매우 자주 잊혀지는 세 번째 중요한 요소가 있습니다. 게인 및 위상 보상 필터가 있는 ANC 헤드셋은 헤드셋의 특정 밀봉 및 수동 감쇠를 위해 설계되었습니다. 하지만 이것이 간단히 말해서 무엇을 의미합니까? 사용자의 귀에 이어버드를 정확하게 맞추는 것이 중요합니다. 이어버드의 열악한 밀봉은 수동 감쇠에 영향을 미치며, 이는 대상 ANC 필터 전달 기능에 영향을 미칩니다. 글쎄, 이것은 학문적으로 들릴지 모르지만 이것이 최종 사용자에게 무엇을 의미합니까? 수동 감쇠의 영향과 이어버드의 착용감으로 인해 여러 사용자 간에 ANC 성능이 저하될 수 있습니다. 이것은 엔지니어가 광범위한 사용자에게 우수한 ANC 성능을 보장하기 위해 고심하는 일반적인 문제입니다. 그림 4에 표시된 그림은 다양한 이어버드 누출 수준에서 ANC 성능 손실로 표현된 문제를 보여줍니다.

그림 4:다양한 이어폰 누출 수준에 따른 ANC 성능 손실

그래프는 제어된 누출 수준이 다른 헐렁한(고무 팁 사용 안함) TWS 이어버드의 ANC 성능을 보여줍니다. 'No Earbud Leakage' 곡선은 헤드셋이 사용자의 귀에 잘 맞도록 설계된 누출 수준입니다. 이 장치는 뛰어난 피크 성능과 넓은 ANC 대역폭으로 이 사용 사례에 대해 우수한 ANC 성능을 보여줍니다. 누출이 발생하는 즉시 (중간 누출은 8mm ² 에 해당) 누출 제어) ANC 성능이 ~30dB까지 떨어지고 ANC 대역폭도 크게 감소한 것을 분명히 볼 수 있습니다. 누출이 더 증가하는 경우(높은 이어폰 누출은 ~20mm에 해당 ² 헐렁한 이어버드를 나타내는 제어된 누출), 성능은 10dB 아래로 떨어집니다. 이는 최종 사용자에게 사실상 눈에 띄는 ANC가 없음을 의미합니다. 설명된 다양한 ANC 성능 수준 및 다양한 사용자 간의 이어버드 적합 동작은 Adaptive ANC로 해결된 문제입니다. 따라서 이러한 유형의 적응형 ANC 시스템은 음향 부적합을 보상하여 모든 사용자가 사용자의 귀에 이어폰을 착용하는 것과 무관하게 일정한 ANC 성능을 얻을 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다.

Adaptive Misfit 보상은 어떻게 작동하나요?

부적합을 보상하는 적응형 ANC에는 복잡한 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처가 필요합니다. 무엇이 필요한지 더 잘 이해하려면 ANC 신호 경로 중 하나 이상에 대한 목표 주파수 및 위상 보상 곡선을 살펴보는 것이 좋습니다. 그림 5에 표시된 예에서 피드포워드 목표 이득 및 위상 보상 필터 곡선은 누설이 없고 누설이 높은 사용 사례에 대해 표시됩니다. 정적 ANC 시스템에서 앞서 언급했듯이 필터는 일반적으로 이어버드가 귀에 제대로 삽입될 때 누출이 없는 작동을 위해 최적화됩니다.

그림 5:다양한 누출 수준에 대한 ALC 예시의 대상 필터 곡선

적응형 시스템을 목표로 하고 있으므로 그림 5에서 목표 ANC 피드포워드 주파수와 위상 응답이 높은 누설 수준에 대해 변경되고 있음을 볼 수 있으며 이는 이전에 그림 4에 표시된 ANC 성능 손실을 설명할 수 있습니다. 정적 ANC 시스템에서 이어버드가 귀에 제대로 배치되지 않으면 게인과 위상이 더 이상 목표 곡선과 일치하지 않습니다. 따라서 부적합을 보상하는 적응형 시스템에 대한 요구 사항이 명확합니다. 장치는 이어버드 누출 수준에 따라 ANC 필터 전달 기능을 동적으로 조정할 수 있어야 합니다. 아마도 이것은 너무 어렵게 들리지 않을 것입니다. 오늘날의 ANC 시스템은 하이브리드 ANC 기술을 기반으로 하기 때문에 특히 적응형 ANC 시스템의 상위 수준 시스템 블록 다이어그램을 보여주는 그림 6을 보면 그렇게 간단하지 않습니다.

그림 6:부적합 보상을 위한 적응형 ANC 시스템.

블록 다이어그램은 정적 시스템에 비해 훨씬 더 많은 시스템 블록을 보여줍니다. 원칙적으로 노이즈 제거 기능 자체를 지원하는 저지연 DSP는 동일한 기능을 수행할 수 있어야 하므로 정적 시스템과 같을 수 있습니다. 유일한 차이점은 다른 필터 특성 또는 사전 설정 간에 전환할 수 있는 대신 런타임 중에 필터를 동적으로 조정해야 한다는 것입니다. 다른 필터 뱅크 또는 사전 설정으로 전환하면 확실히 선호하지 않는 ANC 드롭아웃이 발생합니다. 따라서 DSP는 ANC가 활성화되어 있는 동안 필터 전달 기능의 동적 재구성을 지원할 수 있어야 합니다. 이것은 정적 시스템에서 일반적으로 요구 사항이 아니기 때문에 ANC DSP의 설계를 더 복잡하게 만듭니다.

언급해야 할 중요한 점은 피드포워드 ANC 경로가 채택되었을 뿐만 아니라 최고의 성능을 유지하기 위해 피드백 ANC 신호 경로도 채택되었다는 것입니다. 또한 고품질 ANC 시스템은 음악 재생 주파수 응답을 채택하여 다양한 누출 수준으로 동일한 음질을 유지합니다.

누출 수준에 따라 필터를 변경하려면 사용자 귀의 누출 수준을 감지하는 데 필요한 소프트웨어 알고리즘도 있습니다. 이것은 일반적으로 근접 센서 및 가속도계와 같은 추가 센서뿐만 아니라 마이크를 모니터링하는 두 번째 MCU 또는 DSP로 수행됩니다. 마이크가 누출 수준을 감지하는 데 사용되는 동안 근접 센서는 일반적으로 모서리 케이스를 감지하는 데 사용됩니다. 부적합 보상 알고리즘도 중요한 피드백 ANC 필터를 조정하기 때문에 누설이 심한 조건에서 피드백 게인을 너무 많이 사용하거나 이어버드가 귀에서 완전히 빠져 있는 경우 시스템이 진동을 시작하고 불안정해지는 일이 발생할 수 있습니다. 따라서 추가 센서 신호는 적응형 시스템을 견고하게 만들고 불안정성을 감지하여 사용자의 귀 안팎에서 하울링을 방지하는 데 도움이 됩니다. 고객들은 당연히 이어폰에 결함이 있다고 불평하고 생각할 것이기 때문에 이것은 가장 중요한 기능 중 하나입니다. 따라서 엔지니어는 어떠한 상황에서도 불안정이 발생하지 않도록 해야 합니다.

이제 남은 질문은 이 추가 노력이 실제로 효과가 있습니까? 이러한 복잡한 적응 시스템이 실제로 작동합니까? 정적 ANC 시스템을 사용하는 그림 4와 같이 세 가지 다른 누출 수준을 가진 적응형 TWS 헐렁한 이어버드의 ANC 성능을 보여주는 그림 7을 살펴보겠습니다. 누출이 없는 경우 20Hz에서 최대 2kHz까지의 넓은 대역폭에서 최상의 ANC 성능을 얻을 수 있음을 분명히 알 수 있습니다. 누출이 시스템에 도입되면 소프트웨어 알고리즘이 누출을 감지하고 그에 따라 ANC 필터를 변경합니다. 이어폰 누출 수준이 높아도 성능 수준을 최대로 높게 유지할 수 있습니다.

곡선을 자세히 보면 저주파 영역에서 성능이 약간 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 이 현상은 쉽게 설명할 수 있습니다. 적응형 ANC 테스트에 사용된 이 이어버드 디자인은 고무 팁이 없으며 루즈핏 이어버드 범주에 속합니다. 이러한 누설이 많은 개방형 이어버드 시스템에서는 물리적인 크기로 인해 스피커의 출력이 제한됩니다. 특정 누설 지점에서 스피커는 전체 저주파 노이즈를 제거하기에 충분한 출력을 생성할 수 없으므로 저주파 성능이 저하됩니다. 일반적으로 적응형 ANC 시스템의 결과는 유망하며 ANC를 다음 단계로 끌어올릴 수 있습니다. 이 기술은 확실히 밀폐형 이어버드나 오버이어 헤드셋에도 적용할 수 있어 안경을 착용할 때 발생하는 누수를 보정할 수 있습니다.

그림 7:다양한 누출 수준의 ALC 성능 곡선

가까운 장래에 적응형 부적합 보상 시스템과 환경을 인식하는 신경망 기반 시스템을 결합하여 부적합을 보상하고 ANC 스위트 스팟을 동시에 최적화하는 적응형 시스템을 보게 될 것입니다.

적응형 ANC 시스템이 의미가 있습니까?

일부는 다음과 같이 말할 수 있습니다. 전자 시스템이 제어권을 넘겨받는 것을 원하지 않으며 작동 모드와 이어폰의 적절한 착용감을 관리할 수 있습니다. 다른 사용자는 환경에 관계없이 항상 이상적인 성능을 제공하는 시스템의 이점을 누릴 수 있습니다. 옳고 그름은 없으며 개인의 취향과 제품이 사용되는 방식에 달려 있다고 생각합니다. 일부 사용자는 이 기능을 즐길 수 있지만 다른 사용자는 실제로 이 기능을 높이 평가하지 않습니다. 다행히도 이러한 기능을 비활성화할 수 있으며 옵션을 평가하는 가장 좋은 방법은 AS3460 디지털 증강 청각 플랫폼 주변의 적응형 소음 제거 솔루션용 ams AG 개발 플랫폼을 테스트하는 것입니다. AS3460을 사용하는 적응형 ANC 솔루션용 맞춤형 ANC 개발 도구는 요청 시 제공됩니다.

자세한 내용은 https://ams-osram.com

을 참조하십시오.

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