主動(dòng)降噪耳機(jī)設(shè)計(jì)的兩大挑戰(zhàn)

1、處理主動(dòng)降噪耳機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)間：2011-02-22關(guān)鍵詞：AUMS 濾波器 ANC AS3501ANC耳機(jī)設(shè)計(jì)者耳機(jī)主動(dòng)降噪（Active Noise Cancellation）的基本概念并不復(fù)雜，但如何實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的降噪 效果卻并不簡(jiǎn)單，特別是濾波電路的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程控制更加關(guān)鍵。本文針對(duì)所遇到的困難，針對(duì)性地討論如何采用創(chuàng)新技術(shù)

2、進(jìn)行濾波器及量產(chǎn)時(shí)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)及生產(chǎn)高性能的降噪耳機(jī)。兩種結(jié)構(gòu)的ANC系統(tǒng)的選擇主動(dòng)降噪，是指采集環(huán)境噪音，并產(chǎn)生與噪音反相的信號(hào)用耳機(jī)等裝置回放，用以抵消噪音的技術(shù)。通常，主動(dòng)降噪技術(shù)與被動(dòng)降噪技術(shù)（采用吸音或隔音材料來降低進(jìn)入耳朵聲音的強(qiáng)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(fēng)系統(tǒng)電子控制部份，用以處理聲音信號(hào)，并生成降噪信號(hào)喇叭系統(tǒng)，用以產(chǎn)生降噪聲音信號(hào)。（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(fēng)位于耳機(jī)外部，用以采集進(jìn)入耳機(jī)的噪音，喇叭用以播放反相信號(hào)，用以抵消噪音。前饋系統(tǒng)通常用于入耳式

3、耳機(jī)設(shè)計(jì)。在反饋式系統(tǒng)(如圖2)中，麥克風(fēng)位于耳機(jī)內(nèi)部，采集所謂“誤差信號(hào)”，這就是說，麥克風(fēng)采集了正常播放的音樂信號(hào)與殘留噪音混合的信號(hào)，把正常播放的音樂信號(hào)減去后，就得到殘留的噪音。通過恰當(dāng)?shù)姆答侂娐?，可以使誤差信號(hào)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?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)兩個(gè)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(fēng)到位置 A，組成了降噪回路。這個(gè)降噪回路的傳遞函數(shù)必須被精確測(cè)

4、量，因?yàn)樵陔娐曄到y(tǒng)中，各種衰減及延時(shí)必須被考慮到。換句話說，噪音從被麥克風(fēng)捕獲并通過信號(hào)處理到喇叭回放再傳到耳道必須與噪音從耳機(jī)外部穿過耳機(jī)再傳入耳道保持一致。另外，因?yàn)槎鷻C(jī)吸音材料所造成的被動(dòng)降噪作用，麥克風(fēng)在耳機(jī)外部捕獲的噪音與真正穿過耳機(jī)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(gè)降噪回路中的衰減及延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)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(diǎn)（圖4）的殘留噪音。反饋式設(shè)計(jì)必須要非常小心，在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，必須進(jìn)行負(fù)反饋設(shè)計(jì)從而降低殘留噪音。同時(shí)，必須小

5、心 過濾其余頻率范圍信號(hào)，特別是高頻部份。這是因?yàn)橛捎谘訒r(shí)引起的相們改變將會(huì)隨著頻率的升 高而增大，一旦相位差大于 60度，負(fù)反饋將會(huì)變成正反饋。這將引入嚴(yán)重的聲學(xué)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(xué)測(cè)量是非常重要的。測(cè)量結(jié)果將 被計(jì)算并用于補(bǔ)償降噪回路中的各種衰減與延時(shí)。前饋式耳機(jī)設(shè)計(jì)ANC耳機(jī)。前面討論了 ANC系統(tǒng)在理想情況下如何工作。對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，真正的目標(biāo)是在現(xiàn)在世界 里如何獲得盡可能好的性能。以下為一個(gè)實(shí)際的例子，用以描述如何進(jìn)行設(shè)計(jì)圖5入耳式耳機(jī)設(shè)計(jì)以入耳式耳機(jī)為例，如圖 5，通常設(shè)計(jì)工程師會(huì)遇到以下兩個(gè)挑戰(zhàn)。不同的耳機(jī)有不同的聲學(xué)特性，這些特

6、性會(huì)產(chǎn)生不同的衰減及延時(shí)。必須設(shè)計(jì)有效的濾波機(jī)準(zhǔn)確的衰減與延時(shí)特性。相位與幅度測(cè)量必須同時(shí)進(jìn)行以獲得所有必須的數(shù)據(jù)。測(cè)量由3部份器用以補(bǔ)償這些衰減與延時(shí)。不可避免的，在量產(chǎn)過程中每一個(gè)機(jī)械、 電子及聲學(xué)零件的特性會(huì)有一些偏差。每一個(gè)耳 機(jī)在出廠前必須經(jīng)過校準(zhǔn)用以補(bǔ)償由于各種元器件偏差造成的性能差異。準(zhǔn)確聲學(xué)測(cè)量通過測(cè)量，可以得到耳采用人工耳與標(biāo)準(zhǔn)聲源與音頻分析儀的準(zhǔn)確聲學(xué)測(cè)量是非常重要的。組成，請(qǐng)參看圖6。Jj*Nai強(qiáng) source m a對(duì) he胡'一.Noise source mxmpiRi站 ntihiiHUn inpvr I'o忙卩：；二亠；'-.二 Tur-

7、匚 I】三個(gè)聲學(xué)步藝這使得系統(tǒng)得通過這些測(cè)量，可以設(shè)計(jì) 濾波器，用電路補(bǔ)償由于耳機(jī)所引起的衰減與延時(shí)。以產(chǎn)成反相噪音信號(hào)，用于抵消穿透耳機(jī)，人耳真正聽到的噪音。理想濾波器計(jì)算一旦測(cè)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(shí)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(jì) 濾波

8、器，但最直接可靠的方法是用已經(jīng)在很多設(shè)計(jì)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(jì)(圖8)采用專門為降噪耳機(jī)設(shè)計(jì)的芯 片AS3501及相應(yīng)的外部電路可以很好地完成降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)。而基于 AS3501的降噪耳機(jī)方案已 被多家重要客戶所采用并已在市場(chǎng)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(jì)采用AS3501的設(shè)計(jì)中，濾波器由一個(gè)陷波器和一個(gè)低通 濾波器組成。通過改變 濾波器的參數(shù)配置，可以使實(shí)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(jì)中，如果耳機(jī)的聲學(xué)特性非常好，只采用一個(gè)低通濾波器便可產(chǎn)生非常好的

9、性能。對(duì)一個(gè)典型的一階主動(dòng)低通 濾波器，增益與截止頻率可由下列公式計(jì)算所得:如加二冬上二'對(duì)典埜的陷波蠱，中心城率由下列公式計(jì)算所痔:在這個(gè)例子中，由一個(gè)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(jì)可以通過模擬并進(jìn)行微調(diào)來進(jìn)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(jìn)行過調(diào)整，從而獲得與理想 濾波器盡可能一致的性能。簡(jiǎn)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(shí)際模擬效果圖實(shí)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(dòng)降噪沒有起作用時(shí)的噪音強(qiáng) 度，并以此作為一個(gè)基準(zhǔn)。綠線表示主動(dòng)降噪工作以后噪音強(qiáng)度。紅線與綠線之間的差值就是主 動(dòng)降噪的性能。這個(gè)性能曲線顯示，主動(dòng)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(gè)例子中，主動(dòng)降噪的有效頻率為50Hz-2KHz，主要原因 為:首先，對(duì)于超過2KHZ的噪音，通過對(duì)耳機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇，被動(dòng)降噪可以起到很好的作用。主動(dòng)降噪只需專注于消除低頻噪音，而對(duì)低頻噪音，很難通過被動(dòng)降噪進(jìn)行消除第二個(gè)原因，因?yàn)槁晫W(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)系，高頻部份相位開始快速翻轉(zhuǎn)，這使得無(wú)法采用電

11、子部份 對(duì)快速翻轉(zhuǎn)的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)谌齻€(gè)原因，主動(dòng)降噪也很難對(duì)非常低頻部分的噪音進(jìn)行消除因?yàn)槎鷻C(jī)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(jī)所采用的結(jié)構(gòu)，聲學(xué)及電子元件特性不可避免會(huì)有一定偏差，因此，每一個(gè)耳機(jī)在量產(chǎn)的時(shí)候都要進(jìn)行校準(zhǔn)。這個(gè)校準(zhǔn)過程通常是降噪耳機(jī)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(jì)中，大多采用2個(gè)可調(diào)電位器放置在麥克風(fēng)放大回路中，用以補(bǔ)償 各種原因造成的信號(hào)偏差。在量產(chǎn)過程中，這兩個(gè)可調(diào)電位器必須進(jìn)行非常仔細(xì)的調(diào)整，導(dǎo)致整個(gè)降噪耳機(jī)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(dòng)校準(zhǔn)方式。 這11所示。在這