設(shè)計一款主動降噪（ANC）耳機

在我最新的文章（主動降噪發(fā)展趨勢、概念及技術(shù)難題）中，闡述了現(xiàn)有的各種主動降噪拓撲結(jié)構(gòu)，并對原始設(shè)計商和合約制造商在生產(chǎn)過程中遇到的困難進行了分析。開發(fā)過程的另一個難題是主動降噪回路本身。本文將敘述以AS3415主動降噪芯片為基礎(chǔ)設(shè)計一款主動降噪前饋耳機的必要步驟。

在正式開始制作一款主動降噪耳機之前，我們需要特殊的音頻設(shè)備。首先是用于測量頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的音頻測量系統(tǒng)。可選用的音頻設(shè)備有Audio Precision、BrüelKjaer、Soundcheck等。除了音頻測量系統(tǒng)，人耳模擬裝置也是重要的一部分，如來自Head Acoustics、BrüelKjaer或GRAS的IEC711（入耳式主動降噪產(chǎn)品）或HeadTorso模擬器（頭戴式及耳罩式產(chǎn)品）。人耳模擬裝置可在量測耳機特性時用于模擬人耳響應(yīng)。這些人工耳集成了高度精確的麥克風，能夠測量到人戴耳機時真實聽到的聲音。另外還需要一個揚聲器，用于測量耳機的被動衰減特性，這是濾波器設(shè)計的一部分。此揚聲器應(yīng)該是雙向式揚聲器，且最好是同軸雙向式揚聲器，以保證從揚聲器到耳機的高頻與低頻的傳輸距離相等。最后需要AS3415評估板，它包含了所有必要的連接器和前置放大器，使性能測試過程盡可能流暢地進行。

為什么要對耳機進行性能測試？

每個耳機的聲學表現(xiàn)都不盡相同。原因很簡單，因為耳機采用不同的組件，如擁有不同阻抗和傳遞系數(shù)的揚聲器。且每一款耳機的彈性襯墊以及前后聲腔也都不一樣。

要制作主動降噪耳機，了解耳機的特性很重要，這樣才能獲得良好的降噪性能。主動降噪前饋耳機使用ECM麥克風捕捉耳機外部的噪音。電子線路會產(chǎn)生一個抗噪反信號，然后通過揚聲器播放出來。理論上，ANC回路是一個簡單的反相電路，但事實并非如此。由于耳機的不同組件會影響頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)，簡單的反相無法令ANC達到性能要求。為了解耳機在增益和相位方面的表現(xiàn)，ANC耳機的性能測試顯得尤為重要。

為了得到理想的ANC濾波曲線，我們必須采用第一段提到的設(shè)備進行三項測量。第一項測量是被動衰減測量，如圖1所示。

圖1：前饋性能測量一

我們用同軸揚聲器發(fā)出20Hz-22kHz的掃頻聲波，并測量到達人耳的聲波。到達人耳的聲波可使用人耳模擬器內(nèi)部的麥克風來測量。這樣，我們測到耳機自身引起的噪聲衰減，即被動衰減。

如圖2所示，第二項是捕捉噪音的麥克風的頻率響應(yīng)測量。同樣，正弦掃頻信號通過同軸揚聲器播放出來，并由ANC麥克風收集。

圖2：前饋性能測量二

第三項，也就是最后一項，（如圖3）是耳機內(nèi)部揚聲器的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)測量。20Hz至22 kHz的掃頻信號由耳機內(nèi)部的揚聲器發(fā)出，供測試使用的人工頭內(nèi)的麥克風收集到該信號。該項檢測測量了降噪信號通過揚聲器播出時的傳遞函數(shù)，以及信號是如何被人耳接收的。相位對這三項測量都十分重要，如果揚聲器播出的抗噪信號與從環(huán)境進入人耳的噪音具有相同的相位，噪音非但不會減弱，還會被放大。

圖3：前饋性能測量三

計算主動降噪濾波器的理想值

一旦完成這三項測量，我們就能夠用測量結(jié)果來計算ANC濾波器的理想值。所需的濾波器振幅計算如下：

所需濾波器的相位計算如下：

計算結(jié)果能夠很容易通過Excel表格得出，一個濾波器范例如圖6顯示。范例的頻率響應(yīng)及相位響應(yīng)表明，僅使用一個全頻寬的反相放大器是難以做出理想降噪信號的。

開發(fā)濾波器

一個好的ANC耳機的關(guān)鍵在于濾波器的設(shè)計。如果濾波器的設(shè)計不合理，即使再好的ANC芯片也沒用。濾波器設(shè)計的目標是盡量匹配增益和相位響應(yīng)。在特定頻率匹配得越好，ANC性能也就越好。因為是模擬信號處理，濾波器的仿真通常是通過spice仿真工具完成的。圖4是一個spice仿真線路，該線路體現(xiàn)了ANC麥克風濾波器的信號路徑。

圖4：Spice濾波器仿真范例

ANC濾波器設(shè)計工程師的目的是將圖4濾波器仿真線路中的增益和相位響應(yīng)與計算出的理想曲線匹配起來?，F(xiàn)在人們使用的典型濾波器有一階低通濾波器、陷波濾波器、高架及低架濾波器。設(shè)計師必須了解不同的拓撲結(jié)構(gòu)以及截止頻率、通帶、阻帶的計算方法。這當然不是一個簡單的任務(wù)，尤其是當他們不習慣使用spice仿真工具和模擬濾波器開發(fā)工具時。

圖5：AS3415前饋濾波仿真工具

為了解決這一問題，AS3415評估軟件整合了前饋濾波器仿真工具，如圖5所示。設(shè)計工程師能夠使用這一工具來設(shè)計理想的ANC濾波器。這一工具提供了一套預定義的濾波器架構(gòu)，取代了修改零件值及濾波器結(jié)構(gòu)的做法?；跒樵S多不同客戶模擬的濾波器結(jié)構(gòu)，這些預定義的濾波器結(jié)構(gòu)能夠涵蓋90%的ANC聲學需求。圖6顯示了該工具的模擬結(jié)果。綠色曲線代表理想的ANC增益和相位響應(yīng)，藍色曲線顯示了利用圖5的工具制作的ANC濾波器的模擬結(jié)果。設(shè)計濾波器時，有一點很重要，那就是我們要注重哪些頻段。ANC耳機的運作有特定的頻率范圍，這并非由于AS3415本身的局限性，而是跟聲音的傳播速度及耳機的聲學特性相關(guān)。如果我們只關(guān)注理想濾波曲線中的增益響應(yīng)，設(shè)計符合該曲線的濾波器則很容易。但問題是在ANC濾波器的設(shè)計中也得同時匹配相位。由于更高頻率下的相位幾乎旋轉(zhuǎn)了180度，設(shè)計出的濾波器很有可能與頻率響應(yīng)匹配，而不與相位匹配。取決于不同的耳機及其相位響應(yīng)，我們通常可以做到1.5kHz頻率以下的濾波器匹配。更高頻的部分需要盡可能的衰減。如果不衰減這些未匹配的高頻部分，可能會引入噪音。我們在低頻部分減弱噪音，但如果高頻的相位失配，就會導致噪音被放大。為了避免這一現(xiàn)象，我們會盡量在無法匹配的區(qū)域降低增益。圖6中的綠色透明區(qū)域代表我們通常能達到的增益和相位的最小失配。紅色區(qū)域是我們要盡量衰減的部分。高頻衰減和相位響應(yīng)之間必須達到一個良好的平衡。如果在高頻下衰減得太多，會影響到低頻的相位響應(yīng)，從而可能失去ANC的效果。

圖6：模擬結(jié)果

濾波器檢驗及ANC測試

得到令人滿意的濾波曲線以后，AS3415濾波器仿真工具同時提供材料清單輸出功能。由于該工具和AS3415的評估板相匹配，材料清單中列出的項目能夠被焊接在評估板上，以測試帶有該濾波器的ANC的性能。測試包含兩項內(nèi)容：一是耳機戴在人工頭上時的被動衰減測試，二是打開AS3415芯片并配置好前饋降噪功能時的頻響測試。ANC性能計算如下：

這些計算可以通過一個Excel表格來完成，并生成一份音頻范圍內(nèi)的ANC降噪性能曲線圖。這張ANC降噪性能曲線圖在降噪耳機的設(shè)計及生產(chǎn)過程中是十分重要及常見的。AS3415的開發(fā)工具以及ANC降噪耳機開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用注解和樣板現(xiàn)已上線。