最佳數字主動降噪耳機設計要點

目前應用在耳機中的主動降噪(ANC)技術有兩種模式，分別稱為前饋降噪和反饋降噪，兩者結合則組成混合降噪。不同的主動降噪技術在降噪深度和帶寬上有各自的局限性，這主要是由耳機聲學結構、信號處理和系統信號延遲所共同決定的。本文將討論如何結合實際應用體驗，將前饋和反饋兩種降噪技術取長補短，從而最大程度擴展降噪帶寬，並實現40dB降噪深度。

前饋降噪

前饋降噪系統，由耳機輸出與環境雜訊頻響相同但相位相反的信號來實現降噪。如圖1，前饋麥克風偵測雜訊並透過濾波電路產生反相信號，在耳鼓處反相信號與雜訊信號抵消，從而降低人耳聽到的雜訊水平。這裡的濾波電路主要用來補償耳鼓和麥克風處檢測到的雜訊之間的差異，另外對喇叭本身對消噪信號的響應能力也有補償作用。

圖1：前饋降噪耳機

圖2：兩種不同頻率下系統延遲的影響

前饋降噪帶寬，在低頻處被耳機驅動模塊限制在50Hz左右，在高頻處被聲學結構和信號處理延遲限制3kHz。延遲會導致難以在消噪信號和雜訊信號之間實現180度的相位反轉，高頻部分因為波長較短更難處理。圖2顯示了兩種頻率下20μs延遲對降噪效果的影響：頻率為1500Hz時，殘餘雜訊約剩1/5(14dB ANC)，但頻率為4500Hz時，即使延遲不變，殘餘雜訊也已增加到3/5(僅4dB ANC)。

實際可以盡量提前檢測環境雜訊來補償該延遲，這便於處理器有更多時間處理並輸出消噪信號，另外，將降噪麥克風放置於遠離耳道的入口也有利於擴大降噪的角度(圖3)。

圖3：前饋降噪的方向性，(a) 0度時朝向的雜訊(b) 90度時朝向的雜訊

如圖3，如果將麥克風放置在耳機殼外(即遠離耳朵)，當麥克風拾音孔與雜訊的角度分別成0°和90°時，雜訊進入麥克風以及人耳的時間差不同，這也意味著降噪效果會有方向性。控制環境雜訊進入耳朵的路徑並在靠近該路徑放置麥克風則可解決此問題：如圖4，一種有效的設計是在揚聲器後方開泄露孔，雜訊主要從該泄露孔，以及耳機驅動單元進入人耳，從而可以保證不同角度的雜訊進入麥克風和人耳的時間差基本是一致的，進而保證降噪效果的一致性。

圖4：靠近雜訊進入耳朵的位置放置話筒(a) 0度朝向的雜訊(b) 90度朝向的雜訊

雜訊頻率高於3kHz時，聲音的波長明顯短於耳道和耳機腔體尺寸，在聲腔以及揚聲器振膜之間可能產生共振進而難以進行濾波設計，而且該帶寬中的降噪也受限於系統延遲，因此主要靠被動降噪。被動降噪一般隨著耳機氣密性的提高而提高，比如填補或者縮小泄露孔尺寸，但同時也會降低前饋降噪在高頻處的性能。因此，需要權衡該頻段範圍內的被動降噪和主動降噪的取捨。

有趣的是，消費者發現評估ANC效果更容易一些，因為可以通過快速開啟或關閉ANC形成反差得到結果，但評估被動降噪效果就困難了，因為用戶戴上耳機後在很短時間內就會忘記環境雜訊的水平從而難以形成對比。

圖4還可以看出，耳機在設計中還需要保證耳墊和頭部之間密封的穩定性，以便用戶可以得到穩定的聲學特性和降噪性能。

此外，建議耳機喇叭的頻率響應和被動衰減曲線要平滑(例如Q值不會太高或者太低)，以便簡單的數字濾波器就可以對傳遞函數進行補償。

反饋降噪

反饋降噪耳機(圖5)的工作原理主要是檢測耳鼓區域的雜訊，然後形成一個基本的反饋迴路來最大限度降低該區域的雜訊水平。

圖5：反饋降噪耳機

圖5是反饋降噪系統設計的公式。整個「環路」是由喇叭以及麥克風的響應，以及濾波器的組成。公式表明，隨著濾波器增益(及其環路增益)增大，雜訊殘留變小，從而降噪性能得到提升。但如果環路的相位接近±180°，「環路」信號會發生反轉，分母上的「+」將變為「-」。在這種情況下，環路增益大小調節受限，因為當它從0.0增至1.0時，結果是放大，當等於1.0時，結果是「除以零」，這意味著不穩定並且經常隨著頻響幅度增加引起嘯叫——務必要避免。

實際上，環路的相位在頻率為10 Hz時趨向於180度，在頻率為幾kHz時趨向於 -180度。因此，在這些頻率下的增益必須要儘可能大但要低於1.0。通常濾波器會將反饋降噪的帶寬限制在10Hz到1kHz之間，降噪效果也可以從濾波器得出。

環路中高頻部分的相位變化是由處理器中的系統延遲、揚聲器以及喇叭到麥克風的距離等因素決定的。因此，減少其中任何一個因素(使用輕重量高靈敏度的喇叭；將麥克風靠近喇叭振膜放置；盡量減少處理器延遲時間)均可以提高降噪帶寬上限。

由於反饋麥克風靠近喇叭放置，因此耳機播放的音樂也會被誤認為雜訊。結果就是，來自喇叭的音樂信號也被降噪處理，因此還需要通過電路來進行補償。

數字信號處理

環境降噪數字系統的構建模塊簡單如圖6。

圖6：數字降噪IC的基本框圖

將ANC濾波器運行在數字處理器中有多種好處：

?靈活–針對不同的環境能夠切換濾波器做到自適應，或者將周圍環境的聲音直接送入耳機(類似於助聽器)，也可以與藍牙通信設備等進行數字介面通信。

?開發速度更快–ANC濾波器的設計通常隨著聲學的調整而需要修改外圍濾波電路，數字方案則可以在晶元內部快速調整濾波電路並立即投入驗證。

?優化了校準流程–因為聲學器件的公差會影響濾波器形狀。因此在生產中，聲學傳遞函數可能存在差異，從而需要對耳機校準。校準過程需要人工手動完成並且佔用大量時間，數字降噪技術可以省掉這部分資源的支出。

?尺寸更小-因為晶元周邊器件較少。

數字ANC的缺點如下：

?功耗更高

?數字系統的延遲更高 。通常延遲越低越好，20μs在整個迴路延遲所佔比例很小，所以很難明顯區分出可忽略延遲的模擬系統與延遲小於20μs的數字系統之間的差異。

隨著無線「耳穿戴」設備越來越流行，功耗問題變得至關重要。因此，任何數字降噪解決方案都必須高效節能，尤其是其中的ADC和DAC模塊部分。只運行必要的程序(例如，使用結構簡單的濾波器並優化任何其它進程)並儘可能降低時鐘頻率，即可將數字處理器功耗保持在最低水平。加快時鐘頻率雖然可以顯著減少處理器延遲時間，但也會增加功耗，因此需要權衡二者的關係。

電子雜訊

降噪耳機的電子雜訊對降噪會帶來副作用。電子雜訊的主要來源通常是麥克風。儘管硅麥(MEMS)最近越來越流行，但駐極體麥克風(ECM)在信噪比方面仍然優於MEMS。一般業界領先的ECM麥克風信噪比為74 dB(測試條件為94dBSPL@1KHz)，也就是底噪為20dBSPL。儘管麥克風的底噪不高，但仍然建議儘可能選用高SNR的麥克風，從而避免在安靜的環境中聽到不期望的雜訊。

如果使用數字降噪耳機聆聽音樂時關閉ANC，麥克風的雜訊會被系統屏蔽在外，那麼整個數字系統也必須具有足夠低的雜訊才能確保用戶欣賞到純凈的音樂。

數字系統中SNR的計算方法一般是拿最大不失真輸出信號減去可辨別的最小輸出信號，系統中不允許聽到任何雜訊。人耳聽到1KHz主頻的閾值下限被定義為0dBSPL，但您可能發現自己不太可能處於比25dBSPL(差不多1米處呼吸聲被人耳聽到的程度)還安靜的環境中。儘管近期的標準(EN 50322和IEC 600065:2014)規定攜帶型媒體播放器最大播放音量需要限制在100dBA，但在某些頻率下，耳機可輸出的信號峰值可以達到約125dBSPL。

因此，DAC的規格需要定義在至少支持100dB信噪比(125dBSPL–25dBSPL)才是合理的 ，並確保數字域信噪比足夠優秀。這對於現階段的數字處理器來說不難完成，所以一般使用定點演算法而不用功耗比較高的浮點演算法，另外還要保證位元組長度，確保量化雜訊的水平低於ADC和DAC的雜訊。

另外，還需要選擇靈敏度好、失真度低的揚聲器。揚聲器的失真會導致生成的消噪信號失真從而降低降噪水平。

設計要點概述

?彈性的數字降噪架構設計。

?最大程度降低整個系統的聲學延遲，使用低於20μs延時的晶元以保證降噪帶寬。

?為雜訊進入人耳搭建一個可控的路徑渠道，保證前饋降噪效果。

?耳機的結構設計能滿足所有用戶佩戴均具有一致性

?選擇被動降噪差的大尺寸泄露孔設計搭配較強的主動降噪設計，或選擇被動降噪好的小尺寸泄露孔設計搭配稍弱的主動降噪設計。

?調節聲腔容量、泄露孔和通氣孔阻尼直到獲得平滑的耳機和被動衰減響應。

?盡量減少電子雜訊的來源，選擇高SNR的麥克風，保證人耳聽不到數字和DAC部分的雜訊

本文來自《電子工程專輯》2018年3月刊，版權所有，謝絕轉載

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