处理主动降噪耳机设计的两大挑战

liuxi · 发表于 2014-11-6 09:47:38

耳机主动降噪(Active Noise Cancellation) 的基本概念并不复杂,但如何实现高品质的降噪效果却并不简单，特别是滤波电路的设计及生产过程控制更加关键。本文针对ANC耳机设计者所遇到的困难，针对性地讨论如何采用创新技术进行滤波器及量产时调节，设计及生产高性能的降噪耳机。

两种结构的ANC系统的选择
  主动降噪，是指采集环境噪音，并产生与噪音反相的信号用耳机等装置回放，用以抵消噪音的技术。通常，主动降噪技术与被动降噪技术(采用吸音或隔音材料来降低进入耳朵声音的强度)相结合，以产生最佳的降噪效果。
典型的降噪系统由下列部份组成：
● 用以采集噪音的麦克风系统;
● 电子控制部份，用以处理声音信号，并生成降噪信号;
● 喇叭系统，用以产生降噪声音信号。

  大部分ANC系统采用两种主要结构中的一种：前馈式或反馈式。在前馈式系统(如图1)中，采样麦克风位于耳机外部，用以采集进入耳机的噪音，喇叭用以播放反相信号，用以抵消噪音。前馈系统通常用于入耳式耳机设计。在反馈式系统(如图2)中，麦克风位于耳机内部，采集所谓“误差信号”，这就是说，麦克风采集了正常播放的音乐信号与残留噪音混合的信号，把正常播放的音乐信号减去后，就得到残留的噪音。通过恰当的反馈电路，可以使误差信号与正常音乐的差别尽可能的小，也就是说，降低了噪音。

图一.png

在前馈系统中，由喇叭产生的用以抵消噪音的声音称之为反相声音(anti-phase sound)，因为要实现两个声音最好的抵消效果，必须幅度相同，相位相差180度(反相)。
如图3所示，从麦克风到位置A，组成了降噪回路。这个降噪回路的传递函数必须被精确测量，因为在电声系统中，各种衰减及延时必须被考虑到。换句话说，噪音从被麦克风捕获并通过信号处理到喇叭回放再传到耳道必须与噪音从耳机外部穿过耳机再传入耳道保持一致。另外，因为耳机吸音材料所造成的被动降噪作用，麦克风在耳机外部捕获的噪音与真正穿过耳机传入耳道的的噪音并不完全一致。在此，电子处理电路G(W)必须这些在整个降噪回路中的衰减及延时进行补偿。

图二.png

  在前馈系统中，由喇叭产生的用以抵消噪音的声音称之为反相声音(anti-phase sound)，因为要实现两个声音最好的抵消效果，必须幅度相同，相位相差180度(反相)。
  如图3所示，从麦克风到位置A，组成了降噪回路。这个降噪回路的传递函数必须被精确测量，因为在电声系统中，各种衰减及延时必须被考虑到。换句话说，噪音从被麦克风捕获并通过信号处理到喇叭回放再传到耳道必须与噪音从耳机外部穿过耳机再传入耳道保持一致。另外，因为耳机吸音材料所造成的被动降噪作用，麦克风在耳机外部捕获的噪音与真正穿过耳机传入耳道的的噪音并不完全一致。在此，电子处理电路G(W)必须这些在整个降噪回路中的衰减及延时进行补偿。

  反馈式工作原理有些不一样。反馈式处理旨在衰减在A点(图4)的残留噪音。反馈式设计必须要非常小心，在相应的频率范围内，必须进行负反馈设计从而降低残留噪音。同时，必须小心过滤其余频率范围信号，特别是高频部份。这是因为由于延时引起的相们改变将会随着频率的升高而增大，一旦相位差大于60度，负反馈将会变成正反馈。这将引入严重的声学问题—高频噪音甚至是高频震荡引起啸叫。与前馈系统相同的是，精确的声学测量是非常重要的。测量结果将被计算并用于补偿降噪回路中的各种衰减与延时。

前馈式耳机设计
  前面讨论了ANC系统在理想情况下如何工作。对设计人员来说，真正的目标是在现在世界里如何获得尽可能好的性能。以下为一个实际的例子，用以描述如何进行设计ANC耳机。

图三.png

前馈式耳机设计
  前面讨论了ANC系统在理想情况下如何工作。对设计人员来说，真正的目标是在现在世界里如何获得尽可能好的性能。以下为一个实际的例子，用以描述如何进行设计ANC耳机。

  以入耳式耳机为例，如图5，通常设计工程师会遇到以下两个挑战。
  ● 不同的耳机有不同的声学特性，这些特性会产生不同的衰减及延时。必须设计有效的滤波
器用以补偿这些衰减与延时。
  ● 不可避免的，在量产过程中每一个机械、电子及声学零件的特性会有一些偏差。每一个耳机在出厂前必须经过校准用以补偿由于各种元器件偏差造成的性能差异。

准确声学测量
  采用人工耳与标准声源与音频分析仪的准确声学测量是非常重要的。通过测量，可以得到耳机准确的衰减与延时特性。相位与幅度测量必须同时进行以获得所有必须的数据。测量由3部份组成，请参看图6。
图四.png

通过这些测量，可以设计滤波器，用电路补偿由于耳机所引起的衰减与延时。这使得系统得以产成反相噪音信号，用于抵消穿透耳机，人耳真正听到的噪音。

理想滤波器计算
一旦测量完成，理想的滤波器频率响应与相位响应曲线可以由下列公式得到：
公式.png

典型的曲线如图7所示：
图五.png

剩下的问题是，如何用真实的滤波器电路产生与理想滤波器一致的频率响应与相位响应。通常，有很多种方式用以设计滤波器，但最直接可靠的方法是用已经在很多设计用已经采用的方法。由奥地利微电子(austriamicrosystems)提供的参考设计(图8)采用专门为降噪耳机设计的芯片AS3501及相应的外部电路可以很好地完成降噪耳机的设计。而基于AS3501的降噪耳机方案已被多家重要客户所采用并已在市场上销售。

采用AS3501的设计中，滤波器由一个陷波器和一个低通滤波器组成。通过改变滤波器的参数配置，可以使实际滤波器的频率响应与相位相应和理想滤波器非常接近。在一些设计中，如果耳机的声学特性非常好，只采用一个低通滤波器便可产生非常好的性能。
对一个典型的一阶主动低通滤波器，增益与截止频率可由下列公式计算所得：
公式二.png

在这个例子中，由一个截止频率为1KHz左右的低通滤波器和中心频率在3.5KHz的陷波器组成的滤波器即可产生与图7接近的频率与相位响应曲线。滤波器设计可以通过模拟并进行微调来进行优化。如图8所示，陷波器与低通滤波器的电阻与电容值进行过调整，从而获得与理想滤波器尽可能一致的性能。简单的模拟结果如图9所示。
图七.png

实际的降噪效果可以由图10所示的图型表示。红线表示了主动降噪没有起作用时的噪音强度，并以此作为一个基准。绿线表示主动降噪工作以后噪音强度。红线与绿线之间的差值就是主动降噪的性能。
图八.png

这个性能曲线显示，主动降噪在300Hz左右，可以获得超过30dB的降噪效果。虽然人耳可以听见的声音范围是20Hz-20KHz，这个例子中，主动降噪的有效频率为50Hz-2KHz，主要原因为：
  首先，对于超过2KHz的噪音，通过对耳机结构设计及材料选择，被动降噪可以起到很好的作用。主动降噪只需专注于消除低频噪音，而对低频噪音，很难通过被动降噪进行消除; 第二个原因，因为声学设计的关系，高频部份相位开始快速翻转，这使得无法采用电子部份对快速翻转的信号进行补偿;
  第三个原因，主动降噪也很难对非常低频部分的噪音进行消除因为耳机所采用的小型喇叭很难产生足够的低频能量，用以抵消环境噪声。

提高量产效率
  前面提到，由于耳机所采用的结构，声学及电子元件特性不可避免会有一定偏差，因此，每一个耳机在量产的时候都要进行校准。这个校准过程通常是降噪耳机生产过程中最具挑战性，并且最重要的部份。在传统设计中，大多采用2个可调电位器放置在麦克风放大回路中，用以补偿各种原因造成的信号偏差。在量产过程中，这两个可调电位器必须进行非常仔细的调整，导致整个降噪耳机生产的低效，并且很难保证一致性与稳定性。

图九.png

且最重要的部份。在传统设计中，大多采用2个可调电位器放置在麦克风放大回路中，用以补偿各种原因造成的信号偏差。在量产过程中，这两个可调电位器必须进行非常仔细的调整，导致整个降噪耳机生产的低效，并且很难保证一致性与稳定性。

奥地利微电子在AS350X系列产品中采用了全新的技术，为量产提供了全自动校准方式。这种自动调整由一个校准盒，电脑应用程序及自动测量装置组成，如图11所示。在这个系统中，有一个喇叭，放置于小型消音盒内，用来模拟环境噪音。自动校准程序运行在PC上，分析由自动测量装置采集的信号，决定最佳的芯片参数，并将最佳的参数通过耳机音频输入线传输给芯片，并将参数固化在芯片内部，如图12所示。这样的设计将大大减化生产的难度并提高了降噪耳机性能的一致性与稳定性。
图十.png