Les solutions ANC adaptatives offrent des capacités audio améliorées

Bien que la suppression active du bruit (ANC) ne soit pas une nouveauté pour les audiophiles, la La technologie a gagné en popularité depuis qu'une entreprise californienne bien connue a sorti ses premiers écouteurs.

Bien que l'ANC ne soit pas nouveau pour les audiophiles, la technologie a gagné en popularité depuis qu'une société californienne bien connue a sorti ses premiers écouteurs avec suppression active du bruit en 2019. Depuis lors, la sensibilisation des utilisateurs finaux à l'ANC a considérablement augmenté et c'est devenu une fonctionnalité requise. pour les écouteurs True Wireless (TWS) ainsi que les casques.

Solutions ANC statiques

Si nous regardons en arrière dix ans, la plupart des conceptions de casques ont été construites à l'aide d'électronique discrète. À cette époque, peu de solutions intégrées étaient disponibles car un petit nombre de sociétés de semi-conducteurs avaient investi dans la miniaturisation de l'électronique sur ce marché de niche.

Figure 1 :Circuit ANC discret et statique typique.

En regardant la mise en œuvre typique de l'ANC, illustrée à la figure 1, on peut observer qu'il y avait peu d'opportunités de mettre en œuvre beaucoup de flexibilité et d'innovation. Tous les circuits de filtrage étaient basés sur des composants électroniques fixes. La seule chance de réglage était l'étalonnage des microphones lors de la production en série via des potentiomètres mécaniques pour compenser les tolérances électro-acoustiques du casque.

Au cours des cinq dernières années, les sociétés de semi-conducteurs ont commencé à reconnaître le potentiel de marché de l'ANC et ont donc lancé une abondance de solutions ANC numériques statiques offrant de nombreux avantages par rapport aux solutions analogiques, car il n'est plus nécessaire de souder des composants RC passifs pour le réglage du filtre. Par exemple, les mises à jour logicielles peuvent améliorer les performances d'un casque ou résoudre les problèmes de stabilité pouvant survenir lors des tests sur le terrain. Cependant, outre le passage au traitement numérique du signal, la fonctionnalité de base est restée pratiquement la même qu'avec les implémentations analogiques. Alors que les ingénieurs de conception bénéficient de capacités de réglage plus pratiques, les inconvénients pourraient inclure une consommation d'énergie plus élevée et des performances inférieures par rapport aux solutions analogiques en raison d'une latence accrue.

ANC adaptatif pour la détection du son ambiant

Alors que les nœuds de traitement au silicium se rétrécissent pour réduire la consommation de courant tout en augmentant la puissance de calcul des processeurs de signaux numériques (DSP), les capacités des solutions ANC numériques se sont améliorées. Au lieu de systèmes ANC numériques statiques qui offrent des avantages limités par rapport aux solutions analogiques, les ingénieurs ont commencé à reconnaître le potentiel des nouvelles solutions ANC numériques à faible consommation qui peuvent fournir une fonction de différenciation appelée suppression adaptative du bruit.

Comme il n'y a pas de nomenclature officielle pour les fonctionnalités ANC, il y a souvent un malentendu dans l'industrie - même entre les ingénieurs qui traitent avec ANC tous les jours. Les définitions de la suppression adaptative du bruit varient en fonction des avantages ressentis par les utilisateurs finaux. La technologie la plus courante fournie par de nombreuses solutions ANC numériques sur le marché est l'ANC adaptatif basé sur la détection du son ambiant. Mais qu'est-ce que cela signifie ou pourquoi voudrais-je adapter mon système ANC en fonction du bruit ambiant ? Eh bien, à première vue, vous pourriez dire que cela n'a aucun sens car je veux toujours que mon ANC fonctionne au mieux. Cependant, les utilisateurs finaux portent aujourd'hui des écouteurs dans de nombreuses situations différentes, chacune faisant face à des caractéristiques de bruit différentes, comme le montre la figure 2. Le profil de bruit ambiant dans un avion est certainement différent de celui d'un café. Dans un avion, l'utilisateur entend généralement des bruits à basse fréquence gênants causés par le moteur à réaction, tandis que dans un café, l'utilisateur est susceptible de ressentir des bruits à haute fréquence qu'il préfère limiter.

Figure 2 :ANC adaptatif pour la détection des sons ambiants.

La tendance des systèmes ANC adaptatifs est d'identifier la source de bruit dominante et de concentrer le système ANC sur cette gamme de fréquences. Cette tâche est généralement implémentée avec des algorithmes logiciels DSP supplémentaires. Cependant, pour identifier le profil de bruit ambiant, le microphone ANC à anticipation alimente également le DSP ANC à faible latence et un deuxième DSP. Sur la base de ce profil de bruit ambiant, les coefficients du filtre ANC - qui définissent les caractéristiques ANC d'un casque - peuvent être reconfigurés. Alternativement, il existe également plusieurs solutions qui offrent quatre préréglages ANC différents ou plus. Ceux-ci peuvent être contrôlés par un MCU ou via une pression sur un bouton sans avoir besoin d'échanger les coefficients de filtre, ce qui permet de réduire, par exemple, I ² C trafic de bus.

Figure 3 : système ANC adaptatif basé sur la détection du son ambiant.

Le principe illustré à la figure 3 est le même pour la plupart des solutions du marché, mais il existe des différences dans l'algorithme de détection du bruit ambiant. Le moyen le plus simple est basé sur la FFT avec pondération fréquentielle du signal de bruit. Les fournisseurs d'ANC essaient de se différencier avec des algorithmes de détection et les méthodes de détection existantes vont être remplacées par une détection de scène basée sur le réseau de neurones. Par conséquent, un casque peut déterminer exactement l'environnement - un bureau, un café, un avion ou ailleurs - et sélectionner le filtre ANC ou le profil auditif augmenté idéal. Le schéma fonctionnel du système illustré à la figure 3 est un exemple simplifié et il existe diverses options de mise en œuvre pour prendre en charge cette fonctionnalité. Quelle que soit la solution, la sortie est toujours la même, la fonction de suppression du bruit est automatiquement ajustée en fonction du bruit ambiant ou des événements détectés dans cette catégorie de systèmes ANC adaptatifs.

ANC adaptatif avec compensation de fuite automatique

La deuxième catégorie partage, comme indiqué précédemment, également le même nom Adaptive Noise Cancelling mais résout un problème d'utilisateur final complètement différent. Il est bien connu que de bonnes performances ANC nécessitent des circuits ANC de haute qualité avec une faible latence ainsi que d'excellents composants électroacoustiques. Cependant, il y a un troisième facteur important qui est très souvent oublié. Un casque ANC avec ses filtres de compensation de gain et de phase est conçu pour une étanchéité et une atténuation passive spécifiées du casque :mais qu'est-ce que cela signifie en termes simples ? Il s'agit de l'ajustement correct de l'écouteur dans les oreilles de l'utilisateur. Une mauvaise étanchéité de l'écouteur influence l'atténuation passive, ce qui affecte la fonction de transfert du filtre ANC cible. Eh bien, cela peut sembler académique, mais qu'est-ce que cela signifie pour un utilisateur final ? L'influence de l'atténuation passive et de l'ajustement de l'écouteur peut entraîner des pertes de performances ANC chez différents utilisateurs. Il s'agit d'un problème courant avec lequel les ingénieurs ont du mal à garantir de bonnes performances ANC sur un large éventail d'utilisateurs. Le dessin illustré à la figure 4 illustre le problème exprimé par la perte de performances ANC avec différents niveaux de fuite des écouteurs.

Figure 4 :Perte de performance ANC basée sur différents niveaux de fuite des écouteurs.

Le graphique montre les performances ANC d'un écouteur TWS à ajustement lâche (aucun embout en caoutchouc n'est utilisé) avec différents niveaux de fuite contrôlés. La courbe « Aucune fuite des écouteurs » est le niveau de fuite pour lequel le casque est conçu pour un bon ajustement à l'oreille de l'utilisateur. L'appareil affiche des performances ANC supérieures pour ce cas d'utilisation avec d'excellentes performances de pointe et une large bande passante ANC. Dès qu'une fuite est introduite (La fuite moyenne correspond à 8mm ² fuite contrôlée), vous pouvez clairement voir que les performances ANC chutent d'environ 30 dB et qu'il y a également une réduction massive de la bande passante ANC. Si la fuite augmente davantage (la fuite élevée des écouteurs correspond à ~20 mm ² fuite contrôlée), qui représente un écouteur lâche, les performances chutent en dessous de 10 dB, ce qui signifie que pour un utilisateur final, il n'y a pratiquement pas d'ANC perceptible. Le comportement décrit des différents niveaux de performance ANC et des ajustements d'écouteurs parmi différents utilisateurs est un problème résolu par Adaptive ANC. Par conséquent, ce type de système ANC adaptatif vise à compenser l'inadéquation acoustique pour garantir que chaque utilisateur peut obtenir des performances ANC constantes indépendamment de l'ajustement d'un écouteur aux oreilles de ses utilisateurs.

Comment fonctionne la compensation Adaptive Misfit ?

L'ANC adaptatif qui compense l'inadéquation nécessite une architecture matérielle et logicielle complexe. Pour mieux comprendre ce qui est nécessaire, il est logique d'examiner les courbes de compensation de fréquence et de phase cibles pour au moins un des chemins de signal ANC. Dans l'exemple illustré à la Figure 5, les courbes de gain cible et de filtre de compensation de phase sont illustrées pour les cas d'utilisation sans fuite et à fuite élevée. Comme mentionné précédemment dans les systèmes ANC statiques, le filtre est généralement optimisé pour un fonctionnement sans fuite lorsque l'écouteur est inséré correctement dans l'oreille.

Figure 5 : courbes de filtre cible pour l'exemple ALC pour différents niveaux de fuite.

Comme nous visons un système adaptatif, nous pouvons voir sur la figure 5 que la fréquence d'anticipation de l'ANC cible et la réponse en phase changent pour les niveaux de fuite élevés, ce qui peut expliquer la perte de performance ANC illustrée précédemment sur la figure 4. Dans un système ANC statique, le gain et la phase ne correspondent plus à la courbe cible une fois que l'écouteur n'est pas correctement positionné dans l'oreille. Par conséquent, l'exigence est claire pour un système adaptatif qui compense l'inadéquation. L'appareil doit pouvoir ajuster dynamiquement la fonction de transfert du filtre ANC en fonction du niveau de fuite des écouteurs. Cela ne semble peut-être pas trop difficile. Comme les systèmes ANC d'aujourd'hui sont basés sur la technologie ANC hybride, ce n'est pas aussi simple que cela, surtout si nous regardons la figure 6 qui montre un schéma fonctionnel de haut niveau d'un système ANC adaptatif.

Figure 6 :Système ANC adaptatif pour la compensation des inadéquations.

Le schéma fonctionnel montre beaucoup plus de blocs système par rapport à un système statique. En principe, le DSP à faible latence qui prend en charge la fonction de suppression du bruit lui-même peut être comme un système statique car il doit pouvoir remplir la même fonction. La seule différence est qu'au lieu de pouvoir basculer entre différentes caractéristiques de filtre ou préréglages, le filtre doit être ajusté dynamiquement pendant le temps d'exécution. Un passage à une autre banque de filtres ou préréglage entraînerait des pertes d'ANC, ce qui n'est certainement pas préféré. Par conséquent, le DSP doit être capable de prendre en charge la reconfiguration dynamique de la fonction de transfert de filtre pendant que l'ANC est actif. Cela rend la conception d'un DSP ANC plus compliquée car dans les systèmes statiques, ce n'est normalement pas une exigence.

Il est important de mentionner que non seulement le chemin ANC de rétroaction est adopté, mais – pour maintenir les performances les plus élevées – également le chemin du signal ANC de rétroaction. De plus, les systèmes ANC de haute qualité adoptent également la réponse en fréquence de lecture de musique pour maintenir la même qualité sonore avec différents niveaux de fuite.

Pour changer les filtres en fonction du niveau de fuite, il existe également des algorithmes logiciels nécessaires pour détecter un niveau de fuite dans l'oreille de l'utilisateur. Cela se fait généralement avec un deuxième MCU ou DSP qui surveille les microphones ainsi que des capteurs supplémentaires comme un capteur de proximité et un accéléromètre. Alors que des microphones sont utilisés pour détecter le niveau de fuite, des capteurs de proximité sont généralement utilisés pour détecter les cas d'angle. Comme les algorithmes de compensation d'inadéquation ajustent également les filtres ANC de rétroaction critiques, il peut arriver que le système commence à osciller et devienne instable car trop de gain de rétroaction est utilisé dans des conditions de fuite élevée ou si l'écouteur est complètement hors de l'oreille. Par conséquent, des signaux de capteurs supplémentaires contribuent à rendre le système adaptatif robuste et à détecter les instabilités pour éviter de hurler à l'intérieur ou à l'extérieur de l'oreille de l'utilisateur. C'est l'une des fonctions les plus critiques car les clients se plaindraient certainement et penseraient que l'écouteur est défectueux. Par conséquent, les ingénieurs doivent s'assurer qu'en aucun cas des instabilités ne peuvent se produire.

Les seules questions qui restent maintenant :cet effort supplémentaire est-il vraiment payant ? Ces systèmes adaptatifs complexes fonctionnent-ils vraiment ? Examinons la figure 7 qui montre les performances ANC d'un écouteur souple TWS adaptatif avec trois niveaux de fuite différents, comme dans la figure 4 avec un système ANC statique. Nous pouvons clairement voir que, sans fuite, nous obtenons les meilleures performances ANC sur une large bande passante de 20 Hz à 2 kHz. Si une fuite est maintenant introduite dans le système, des algorithmes logiciels détectent la fuite et modifient les filtres ANC en conséquence. Le niveau de performance peut être maintenu au maximum, même avec des niveaux de fuite élevés dans les écouteurs.

Si vous regardez attentivement la courbe, vous remarquerez peut-être que dans la zone de fréquence inférieure, les performances sont légèrement réduites. Ce phénomène s'explique facilement. Cette conception d'écouteur utilisée pour le test ANC adaptatif n'a pas d'embouts en caoutchouc et relève de la catégorie des écouteurs lâches. Dans de tels systèmes d'écouteurs ouverts avec des fuites élevées, la puissance de sortie des haut-parleurs est limitée en raison de la taille physique. À un certain point de fuite, le haut-parleur ne peut pas produire une puissance de sortie suffisante pour annuler l'intégralité du bruit basse fréquence, ce qui entraîne une réduction des performances basse fréquence. En général, les résultats des systèmes ANC adaptatifs sont prometteurs et peuvent élever l'ANC au niveau supérieur. La technologie peut certainement également être appliquée aux oreillettes scellées ou aux casques supra-auriculaires, compensant les fuites causées par le port de lunettes.

Figure 7 :Courbes de performance ALC avec différents niveaux de fuite.

Dans un avenir proche, nous verrons probablement des systèmes adaptatifs qui combinent des systèmes de compensation adaptatifs d'inadéquation avec des systèmes basés sur un réseau de neurones qui reconnaissent l'environnement, compensant ainsi l'inadéquation et optimisant simultanément le point idéal de l'ANC.

Les systèmes ANC adaptatifs ont-ils un sens ?

Certains diront :je ne veux pas qu'un système électronique prenne le contrôle et je peux gérer les modes de fonctionnement et le bon ajustement de mes écouteurs. D'autres utilisateurs peuvent bénéficier d'un système qui offre toujours des performances idéales indépendamment de l'environnement. Je crois qu'il n'y a pas de bien ou de mal, tout est une question de préférences personnelles et de la façon dont un produit est utilisé. Certains utilisateurs peuvent apprécier la fonctionnalité, tandis que d'autres ne l'apprécient pas vraiment. Heureusement, il est possible de désactiver ces fonctionnalités et la meilleure façon d'évaluer les options est de tester la plate-forme de développement ams AG pour des solutions adaptatives de suppression du bruit autour de la plate-forme auditive numérique augmentée AS3460. Des outils de développement ANC sur mesure pour les solutions ANC adaptatives, utilisant l'AS3460, sont disponibles sur demande.

Pour plus d'informations, veuillez visiter https://ams-osram.com

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