前饋降噪

前饋降噪系統(tǒng)，由耳機(jī)輸出與環(huán)境噪聲頻響相同但相位相反的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)降噪。如圖1，前饋麥克風(fēng)偵測噪聲并透過濾波電路產(chǎn)生反相信號(hào)，在耳鼓處反相信號(hào)與噪聲信號(hào)抵消，從而降低人耳聽到的噪聲水平。這里的濾波電路主要用來補(bǔ)償耳鼓和麥克風(fēng)處檢測到的噪聲之間的差異，另外對(duì)喇叭本身對(duì)消噪信號(hào)的響應(yīng)能力也有補(bǔ)償作用。

圖1：前饋降噪耳機(jī)

圖2：兩種不同頻率下系統(tǒng)延遲的影響

前饋降噪帶寬，在低頻處被耳機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊限制在50Hz左右，在高頻處被聲學(xué)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理延遲限制3kHz。延遲會(huì)導(dǎo)致難以在消噪信號(hào)和噪聲信號(hào)之間實(shí)現(xiàn)180度的相位反轉(zhuǎn)，高頻部分因?yàn)椴ㄩL較短更難處理。圖2顯示了兩種頻率下20μs延遲對(duì)降噪效果的影響：頻率為1500Hz時(shí)，殘余噪聲約剩1/5(14dB ANC)，但頻率為4500Hz時(shí)，即使延遲不變，殘余噪聲也已增加到3/5(僅4dB ANC)。

實(shí)際可以盡量提前檢測環(huán)境噪聲來補(bǔ)償該延遲，這便于處理器有更多時(shí)間處理并輸出消噪信號(hào)，另外，將降噪麥克風(fēng)放置于遠(yuǎn)離耳道的入口也有利于擴(kuò)大降噪的角度(圖3)。

圖3：前饋降噪的方向性，(a) 0度時(shí)朝向的噪聲(b) 90度時(shí)朝向的噪聲

如圖3，如果將麥克風(fēng)放置在耳機(jī)殼外(即遠(yuǎn)離耳朵)，當(dāng)麥克風(fēng)拾音孔與噪聲的角度分別成0°和90°時(shí)，噪聲進(jìn)入麥克風(fēng)以及人耳的時(shí)間差不同，這也意味著降噪效果會(huì)有方向性。控制環(huán)境噪聲進(jìn)入耳朵的路徑并在靠近該路徑放置麥克風(fēng)則可解決此問題：如圖4，一種有效的設(shè)計(jì)是在揚(yáng)聲器后方開泄露孔，噪聲主要從該泄露孔，以及耳機(jī)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)入人耳，從而可以保證不同角度的噪聲進(jìn)入麥克風(fēng)和人耳的時(shí)間差基本是一致的，進(jìn)而保證降噪效果的一致性。

圖4：靠近噪聲進(jìn)入耳朵的位置放置話筒(a) 0度朝向的噪聲(b) 90度朝向的噪聲

噪聲頻率高于3kHz時(shí)，聲音的波長明顯短于耳道和耳機(jī)腔體尺寸，在聲腔以及揚(yáng)聲器振膜之間可能產(chǎn)生共振進(jìn)而難以進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)，而且該帶寬中的降噪也受限于系統(tǒng)延遲，因此主要靠被動(dòng)降噪。被動(dòng)降噪一般隨著耳機(jī)氣密性的提高而提高，比如填補(bǔ)或者縮小泄露孔尺寸，但同時(shí)也會(huì)降低前饋降噪在高頻處的性能。因此，需要權(quán)衡該頻段范圍內(nèi)的被動(dòng)降噪和主動(dòng)降噪的取舍。

有趣的是，消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)評(píng)估ANC效果更容易一些，因?yàn)榭梢酝ㄟ^快速開啟或關(guān)閉ANC形成反差得到結(jié)果，但評(píng)估被動(dòng)降噪效果就困難了，因?yàn)橛脩舸魃隙鷻C(jī)后在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)忘記環(huán)境噪聲的水平從而難以形成對(duì)比。

圖4還可以看出，耳機(jī)在設(shè)計(jì)中還需要保證耳墊和頭部之間密封的穩(wěn)定性，以便用戶可以得到穩(wěn)定的聲學(xué)特性和降噪性能。

此外，建議耳機(jī)喇叭的頻率響應(yīng)和被動(dòng)衰減曲線要平滑(例如Q值不會(huì)太高或者太低)，以便簡單的數(shù)字濾波器就可以對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

反饋降噪

反饋降噪耳機(jī)(圖5)的工作原理主要是檢測耳鼓區(qū)域的噪聲，然后形成一個(gè)基本的反饋回路來最大限度降低該區(qū)域的噪聲水平。

圖5：反饋降噪耳機(jī)

圖5是反饋降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的公式。整個(gè)“環(huán)路”是由喇叭以及麥克風(fēng)的響應(yīng)，以及濾波器的組成。公式表明，隨著濾波器增益(及其環(huán)路增益)增大，噪聲殘留變小，從而降噪性能得到提升。但如果環(huán)路的相位接近±180°，“環(huán)路”信號(hào)會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，分母上的“+”將變?yōu)椤?”。在這種情況下，環(huán)路增益大小調(diào)節(jié)受限，因?yàn)楫?dāng)它從0.0增至1.0時(shí)，結(jié)果是放大，當(dāng)?shù)扔?.0時(shí)，結(jié)果是“除以零”，這意味著不穩(wěn)定并且經(jīng)常隨著頻響幅度增加引起嘯叫——?jiǎng)?wù)必要避免。

實(shí)際上，環(huán)路的相位在頻率為10 Hz時(shí)趨向于180度，在頻率為幾kHz時(shí)趨向于 -180度。因此，在這些頻率下的增益必須要盡可能大但要低于1.0。通常濾波器會(huì)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(huán)路中高頻部分的相位變化是由處理器中的系統(tǒng)延遲、揚(yáng)聲器以及喇叭到麥克風(fēng)的距離等因素決定的。因此，減少其中任何一個(gè)因素(使用輕重量高靈敏度的喇叭；將麥克風(fēng)靠近喇叭振膜放置；盡量減少處理器延遲時(shí)間)均可以提高降噪帶寬上限。

由于反饋麥克風(fēng)靠近喇叭放置，因此耳機(jī)播放的音樂也會(huì)被誤認(rèn)為噪聲。結(jié)果就是，來自喇叭的音樂信號(hào)也被降噪處理，因此還需要通過電路來進(jìn)行補(bǔ)償。

數(shù)字信號(hào)處理

環(huán)境降噪數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)建模塊簡單如圖6。

圖6：數(shù)字降噪IC的基本框圖

將ANC濾波器運(yùn)行在數(shù)字處理器中有多種好處：

靈活–針對(duì)不同的環(huán)境能夠切換濾波器做到自適應(yīng)，或者將周圍環(huán)境的聲音直接送入耳機(jī)(類似于助聽器)，也可以與藍(lán)牙通信設(shè)備等進(jìn)行數(shù)字接口通信。

開發(fā)速度更快–ANC濾波器的設(shè)計(jì)通常隨著聲學(xué)的調(diào)整而需要修改外圍濾波電路，數(shù)字方案則可以在芯片內(nèi)部快速調(diào)整濾波電路并立即投入驗(yàn)證。

優(yōu)化了校準(zhǔn)流程–因?yàn)槁晫W(xué)器件的公差會(huì)影響濾波器形狀。因此在生產(chǎn)中，聲學(xué)傳遞函數(shù)可能存在差異，從而需要對(duì)耳機(jī)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程需要人工手動(dòng)完成并且占用大量時(shí)間，數(shù)字降噪技術(shù)可以省掉這部分資源的支出。

尺寸更小-因?yàn)樾酒苓吰骷^少。

數(shù)字ANC的缺點(diǎn)如下：

功耗更高

數(shù)字系統(tǒng)的延遲更高 。通常延遲越低越好，20μs在整個(gè)回路延遲所占比例很小，所

以很難明顯區(qū)分出可忽略延遲的模擬系統(tǒng)與延遲小于20μs的數(shù)字系統(tǒng)之間的差異。

隨著無線“耳穿戴”設(shè)備越來越流行，功耗問題變得至關(guān)重要。因此，任何數(shù)字降噪解決方案都必須高效節(jié)能，尤其是其中的ADC和DAC模塊部分。只運(yùn)行必要的程序(例如，使用結(jié)構(gòu)簡單的濾波器并優(yōu)化任何其它進(jìn)程)并盡可能降低時(shí)鐘頻率，即可將數(shù)字處理器功耗保持在最低水平。加快時(shí)鐘頻率雖然可以顯著減少處理器延遲時(shí)間，但也會(huì)增加功耗，因此需要權(quán)衡二者的關(guān)系。

電子噪聲

降噪耳機(jī)的電子噪聲對(duì)降噪會(huì)帶來副作用。電子噪聲的主要來源通常是麥克風(fēng)。盡管硅麥(MEMS)最近越來越流行，但駐極體麥克風(fēng)(ECM)在信噪比方面仍然優(yōu)于MEMS。一般業(yè)界領(lǐng)先的ECM麥克風(fēng)信噪比為74 dB(測試條件為94dBSPL@1KHz)，也就是底噪為20dBSPL。盡管麥克風(fēng)的底噪不高，但仍然建議盡可能選用高SNR的麥克風(fēng)，從而避免在安靜的環(huán)境中聽到不期望的噪聲。

如果使用數(shù)字降噪耳機(jī)聆聽音樂時(shí)關(guān)閉ANC，麥克風(fēng)的噪聲會(huì)被系統(tǒng)屏蔽在外，那么整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)也必須具有足夠低的噪聲才能確保用戶欣賞到純凈的音樂。

數(shù)字系統(tǒng)中SNR的計(jì)算方法一般是拿最大不失真輸出信號(hào)減去可辨別的最小輸出信號(hào)，系統(tǒng)中不允許聽到任何噪聲。人耳聽到1KHz主頻的閾值下限被定義為0dBSPL，但您可能發(fā)現(xiàn)自己不太可能處于比25dBSPL(差不多1米處呼吸聲被人耳聽到的程度)還安靜的環(huán)境中。盡管近期的標(biāo)準(zhǔn)(EN 50322和IEC 600065:2014)規(guī)定便攜式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(jī)可輸出的信號(hào)峰值可以達(dá)到約125dBSPL。

因此，DAC的規(guī)格需要定義在至少支持100dB信噪比(125dBSPL–25dBSPL)才是合理的 ，并確保數(shù)字域信噪比足夠優(yōu)秀。這對(duì)于現(xiàn)階段的數(shù)字處理器來說不難完成，所以一般使用定點(diǎn)算法而不用功耗比較高的浮點(diǎn)算法，另外還要保證字節(jié)長度，確保量化噪聲的水平低于ADC和DAC的噪聲。

另外，還需要選擇靈敏度好、失真度低的揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器的失真會(huì)導(dǎo)致生成的消噪信號(hào)失真從而降低降噪水平。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)概述

彈性的數(shù)字降噪架構(gòu)設(shè)計(jì)。

最大程度降低整個(gè)系統(tǒng)的聲學(xué)延遲，使用低于20μs延時(shí)的芯片以保證降噪帶寬。

為噪聲進(jìn)入人耳搭建一個(gè)可控的路徑渠道，保證前饋降噪效果。

耳機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足所有用戶佩戴均具有一致性

選擇被動(dòng)降噪差的大尺寸泄露孔設(shè)計(jì)搭配較強(qiáng)的主動(dòng)降噪設(shè)計(jì)，或選擇被動(dòng)降噪好的小尺寸泄露孔設(shè)計(jì)搭配稍弱的主動(dòng)降噪設(shè)計(jì)。

調(diào)節(jié)聲腔容量、泄露孔和通氣孔阻尼直到獲得平滑的耳機(jī)和被動(dòng)衰減響應(yīng)。

盡量減少電子噪聲的來源，選擇高SNR的麥克風(fēng)，保證人耳聽不到數(shù)字和DAC部分的噪聲。