主動降噪耳機設(shè)計的兩大挑戰(zhàn)

1、處理主動降噪耳機設(shè)計的兩大挑戰(zhàn)Filter Desig n and Trimming: Han dli ng the Two Big Challe nges of Active NoiseCan cellati on Earphone Desig n作者：奧地利微電子 Jackey Mao 時間：2011-02-22關(guān)鍵詞：AUMS 濾波器 ANC AS3501ANC耳機設(shè)計者耳機主動降噪（Active Noise Cancellation）的基本概念并不復(fù)雜，但如何實現(xiàn)高品質(zhì)的降噪 效果卻并不簡單，特別是濾波電路的設(shè)計及生產(chǎn)過程控制更加關(guān)鍵。本文針對所遇到的困難，針對性地討論如何采用創(chuàng)新技術(shù)

2、進行濾波器及量產(chǎn)時調(diào)節(jié)，設(shè)計及生產(chǎn)高性能的降噪耳機。兩種結(jié)構(gòu)的ANC系統(tǒng)的選擇主動降噪，是指采集環(huán)境噪音，并產(chǎn)生與噪音反相的信號用耳機等裝置回放，用以抵消噪音的技術(shù)。通常，主動降噪技術(shù)與被動降噪技術(shù)（采用吸音或隔音材料來降低進入耳朵聲音的強度） 相結(jié)合，以產(chǎn)生最佳的降噪效果。典型的降噪系統(tǒng)由下列部份組成:用以采集噪音的麥克風系統(tǒng)電子控制部份，用以處理聲音信號，并生成降噪信號喇叭系統(tǒng)，用以產(chǎn)生降噪聲音信號。（如圖1）中,大部分ANC系統(tǒng)采用兩種主要結(jié)構(gòu)中的一種：前饋式或反饋式。在前饋式系統(tǒng) 采樣麥克風位于耳機外部，用以采集進入耳機的噪音，喇叭用以播放反相信號，用以抵消噪音。前饋系統(tǒng)通常用于入耳式

3、耳機設(shè)計。在反饋式系統(tǒng)(如圖2)中，麥克風位于耳機內(nèi)部，采集所謂“誤差信號”，這就是說，麥克風采集了正常播放的音樂信號與殘留噪音混合的信號，把正常播放的音樂信號減去后，就得到殘留的噪音。通過恰當?shù)姆答侂娐?，可以使誤差信號與正常音樂的差別盡可能的小,也就是說，降低了噪音。EbacDTiic prowasirtgActiveAttgnuatiDn在前饋系統(tǒng)中,由喇叭產(chǎn)生的用以抵消噪音的聲音稱之為反相聲音(an ti-phase sou nd)，因為要實現(xiàn)兩個聲音最好的抵消效果，必須幅度相同，相位相差180度(反相)。如圖3所示，從麥克風到位置 A，組成了降噪回路。這個降噪回路的傳遞函數(shù)必須被精確測

4、量，因為在電聲系統(tǒng)中，各種衰減及延時必須被考慮到。換句話說，噪音從被麥克風捕獲并通過信號處理到喇叭回放再傳到耳道必須與噪音從耳機外部穿過耳機再傳入耳道保持一致。另外，因為耳機吸音材料所造成的被動降噪作用，麥克風在耳機外部捕獲的噪音與真正穿過耳機傳入耳道的的噪音并不完全一致。在此，電子處理電路G(W)必須這些在整個降噪回路中的衰減及延時進行補償。MICSounNoiseGw)So Lin；：c Cj：rcn<5WMoiseMIC反饋式工作原理有些不一樣。反饋式處理旨在衰減在A點（圖4）的殘留噪音。反饋式設(shè)計必須要非常小心，在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，必須進行負反饋設(shè)計從而降低殘留噪音。同時，必須小

5、心 過濾其余頻率范圍信號，特別是高頻部份。這是因為由于延時引起的相們改變將會隨著頻率的升 高而增大，一旦相位差大于 60度，負反饋將會變成正反饋。這將引入嚴重的聲學問題一高頻噪 音甚至是高頻震蕩引起嘯叫。與前饋系統(tǒng)相同的是，精確的聲學測量是非常重要的。測量結(jié)果將 被計算并用于補償降噪回路中的各種衰減與延時。前饋式耳機設(shè)計ANC耳機。前面討論了 ANC系統(tǒng)在理想情況下如何工作。對設(shè)計人員來說，真正的目標是在現(xiàn)在世界 里如何獲得盡可能好的性能。以下為一個實際的例子，用以描述如何進行設(shè)計圖5入耳式耳機設(shè)計以入耳式耳機為例，如圖 5，通常設(shè)計工程師會遇到以下兩個挑戰(zhàn)。不同的耳機有不同的聲學特性，這些特

6、性會產(chǎn)生不同的衰減及延時。必須設(shè)計有效的濾波機準確的衰減與延時特性。相位與幅度測量必須同時進行以獲得所有必須的數(shù)據(jù)。測量由3部份器用以補償這些衰減與延時。不可避免的，在量產(chǎn)過程中每一個機械、 電子及聲學零件的特性會有一些偏差。每一個耳 機在出廠前必須經(jīng)過校準用以補償由于各種元器件偏差造成的性能差異。準確聲學測量通過測量，可以得到耳采用人工耳與標準聲源與音頻分析儀的準確聲學測量是非常重要的。組成，請參看圖6。Jj*Nai強 source m a對 he胡'一.Noise source mxmpiRi站 ntihiiHUn inpvr I'o忙卩：；二亠；'-.二 Tur-

7、匚 I】三個聲學步藝這使得系統(tǒng)得通過這些測量，可以設(shè)計 濾波器，用電路補償由于耳機所引起的衰減與延時。以產(chǎn)成反相噪音信號，用于抵消穿透耳機，人耳真正聽到的噪音。理想濾波器計算一旦測量完成，理想的濾波器頻率響應(yīng)與相位響應(yīng)曲線可以由下列公式得到:Needed filter amplitude O = O -( ©+©)Needed filter pha.se -100®+ phase( phaseQt phase()典型的曲線如圖7所示:LL- r-蘭.一剩下的問題是，如何用真實的 濾波器電路產(chǎn)生與理想 濾波器一致的頻率響應(yīng)與相位響應(yīng)。通常，有很多種方式用以設(shè)計 濾波

8、器，但最直接可靠的方法是用已經(jīng)在很多設(shè)計用已經(jīng)采用的方法。由奧地利微電子(austriamicrosystems)提供的參考設(shè)計(圖8)采用專門為降噪耳機設(shè)計的芯 片AS3501及相應(yīng)的外部電路可以很好地完成降噪耳機的設(shè)計。而基于 AS3501的降噪耳機方案已 被多家重要客戶所采用并已在市場上銷售。I!丄 rL.XI 9*J亍才劇器寸臭，coTO.x;n圖S參考設(shè)計采用AS3501的設(shè)計中，濾波器由一個陷波器和一個低通 濾波器組成。通過改變 濾波器的參數(shù)配置，可以使實際濾波器的頻率響應(yīng)與相位相應(yīng)和理想 濾波器非常接近。在一些設(shè)計中，如果耳機的聲學特性非常好，只采用一個低通濾波器便可產(chǎn)生非常好的

9、性能。對一個典型的一階主動低通 濾波器，增益與截止頻率可由下列公式計算所得:如加二冬上二'對典埜的陷波蠱，中心城率由下列公式計算所痔:在這個例子中，由一個截止頻率為1KHZ左右的低通 濾波器和中心頻率在3.5KHZ的陷波器組成的濾波器即可產(chǎn)生與圖7接近的頻率與相位響應(yīng)曲線。濾波器設(shè)計可以通過模擬并進行微調(diào)來進行優(yōu)化。如圖8所示，陷波器與低通濾波器的電阻與9所示。電容值進行過調(diào)整，從而獲得與理想 濾波器盡可能一致的性能。簡單的模擬結(jié)果如圖忙Ji，士 "Pl-.*.B -1.4-iLj ;.n L.丄亠 1 二 2Pn1:W'jJTdi- it-圖9實際模擬效果圖實際的降

10、噪效果可以由圖10所示的圖型表示。紅線表示了主動降噪沒有起作用時的噪音強 度，并以此作為一個基準。綠線表示主動降噪工作以后噪音強度。紅線與綠線之間的差值就是主 動降噪的性能。這個性能曲線顯示，主動降噪在300Hz左右，可以獲得超過 30dB的降噪效果。雖然人耳可以聽見的聲音范圍是20HZ-20KHZ，這個例子中，主動降噪的有效頻率為50Hz-2KHz，主要原因 為:首先，對于超過2KHZ的噪音，通過對耳機結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇，被動降噪可以起到很好的作用。主動降噪只需專注于消除低頻噪音，而對低頻噪音，很難通過被動降噪進行消除第二個原因，因為聲學設(shè)計的關(guān)系，高頻部份相位開始快速翻轉(zhuǎn)，這使得無法采用電

11、子部份 對快速翻轉(zhuǎn)的信號進行補償?shù)谌齻€原因，主動降噪也很難對非常低頻部分的噪音進行消除因為耳機所采用的小型喇叭很 難產(chǎn)生足夠的低頻能量，用以抵消環(huán)境噪聲。提高量產(chǎn)效率前面提到，由于耳機所采用的結(jié)構(gòu)，聲學及電子元件特性不可避免會有一定偏差，因此，每一個耳機在量產(chǎn)的時候都要進行校準。這個校準過程通常是降噪耳機生產(chǎn)過程中最具挑戰(zhàn)性，并 且最重要的部份。在傳統(tǒng)設(shè)計中，大多采用2個可調(diào)電位器放置在麥克風放大回路中，用以補償 各種原因造成的信號偏差。在量產(chǎn)過程中，這兩個可調(diào)電位器必須進行非常仔細的調(diào)整，導(dǎo)致整個降噪耳機生產(chǎn)的低效，并且很難保證一致性與穩(wěn)定性。奧地利微電子在AS350X系列產(chǎn)品中采用了全新的技術(shù)，為量產(chǎn)提供了全自動校準方式。 這11所示。在這