前饋式耳機(jī)一般來說是比較容易開發(fā)的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)工程師通常不用處理穩(wěn)定性方面的問題。然而，這種拓?fù)涞囊粋€(gè)主要缺點(diǎn)就是風(fēng)噪聲（Wind noise），因?yàn)樗慕翟臌溈孙L(fēng)是直接暴露在環(huán)境中的。克服此缺點(diǎn)的方法之一就是采用反饋式主動(dòng)降噪技術(shù)。此篇文章將說明采用ams的 AS3435 設(shè)計(jì)反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)所需的步驟。

　　設(shè)備綜述

　　同設(shè)計(jì)前饋式耳機(jī)一樣，反饋式耳機(jī)也需要特定的設(shè)備，其中最重要的就是能夠測(cè)量頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的音頻測(cè)量系統(tǒng)。

　　適合用來進(jìn)行這些測(cè)量的音頻設(shè)備包括Audio Precision、Bruel&Kjaer及 Soundcheck等。搭配不同類型人工耳的人耳仿真器可用來模擬人耳的聲學(xué)響應(yīng)。推薦采用Head Acoustics、Bruel&Kjaer或是 GRAS的產(chǎn)品。

　　常用于前饋入耳式產(chǎn)品的IEC711耦合器在這項(xiàng)應(yīng)用中是不需要的。在反饋入耳式系統(tǒng)中，麥克風(fēng)的擺放會(huì)受到空間限制。所以，99%的反饋式耳機(jī)一般都是罩耳式（on-ear）或者包耳式（over-ear）設(shè)計(jì)。當(dāng)然，目前市場(chǎng)上還是有反饋入耳式設(shè)計(jì)的。除了仿真人耳和能夠測(cè)量增益和相位的音頻測(cè)量設(shè)備之外，其余的用于前饋式設(shè)計(jì)的設(shè)備已經(jīng)包含了所有開發(fā)反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)的需求。為測(cè)定耳機(jī)的主動(dòng)降噪性能，還需要一個(gè)雙向式揚(yáng)聲器系統(tǒng)（最好是雙向同軸揚(yáng)聲器），以便將主動(dòng)降噪耳機(jī)暴露在噪音場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試。

　　設(shè)計(jì)反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)所需的最后一個(gè)要素是AS3435評(píng)估板（EVB），它包括了所有必要的連接器和前置放大器，滿足了耳機(jī)聲學(xué)特性量測(cè)時(shí)的需求。

　　如何量測(cè)反饋式耳機(jī)聲學(xué)特性？

　　除了襯墊（cushion）和揚(yáng)聲器聲腔等機(jī)械組件之外，每部主動(dòng)降噪耳機(jī)還需要揚(yáng)聲器和主動(dòng)降噪麥克風(fēng)等電聲組件。這些組件集合在一起，決定了耳機(jī)的頻率和相位響應(yīng)。不同的耳機(jī)會(huì)有不同的頻率和相位響應(yīng)，所以需要正確的特性量測(cè)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)耳機(jī)主動(dòng)降噪性能的優(yōu)化，以達(dá)到最大的帶寬。

　　相較于前饋式系統(tǒng)，反饋式系統(tǒng)的主動(dòng)降噪特性測(cè)量是非常簡(jiǎn)單的，所需要的就只是量測(cè)耳機(jī)揚(yáng)聲器和主動(dòng)降噪麥克風(fēng)之間的開環(huán)回路。

　　圖 1：反饋式耳機(jī)特性測(cè)量

　　測(cè)量裝置包括圖1所示的Audio DAQ（數(shù)據(jù)擷取）系統(tǒng)、人工頭及主動(dòng)降噪耳機(jī)。數(shù)據(jù)獲取（Data Acquisition）系統(tǒng)的輸出連接至AS3435評(píng)估板的輸入，主動(dòng)降噪耳機(jī)的揚(yáng)聲器需連接至AS3435評(píng)估板的耳機(jī)放大器輸出，同時(shí)，主動(dòng)降噪麥克風(fēng)連接至評(píng)估板的麥克風(fēng)輸入。設(shè)計(jì)所需的麥克風(fēng)偏壓（bias voltage）由評(píng)估板提供，因此麥克風(fēng)連接無需額外的外部組件。

　　最后一個(gè)重要且必需的連接，是從評(píng)估板的QMICx引腳（麥克風(fēng)前置放大器輸出）連接至DAQ系統(tǒng)的模擬音頻輸入。在測(cè)量開始前，AS3435評(píng)估板必須進(jìn)行正確配置。評(píng)估板軟件的屏幕截圖如圖2所示。很重要的一點(diǎn)是，要將麥克風(fēng)前置放大器增益設(shè)定為0dB，使其之后能匹配ams的濾波器計(jì)算模板。

　　圖2：反饋系統(tǒng)特性測(cè)量時(shí)的軟件配置

　　另外，將耳機(jī)多路輸入設(shè)定到“未連接”位置也是必需的，有助于避免麥克風(fēng)信號(hào)回饋至揚(yáng)聲器。當(dāng)然，這是主動(dòng)降噪運(yùn)作期間所需的，而非針對(duì)開環(huán)回路特性的測(cè)量。

　　當(dāng)評(píng)估板得到正確配置后，DAQ系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從20kHz至20Hz的正弦掃頻信號(hào)。然后DAQ系統(tǒng)便會(huì)測(cè)量麥克風(fēng)前置放大器輸出端的增益和相位響應(yīng)。該測(cè)量包括所有反饋濾波器設(shè)計(jì)所需的相關(guān)信息。

　　主動(dòng)降噪濾波器（ANC Filter）計(jì)算

　　反饋電路的主動(dòng)降噪濾波器計(jì)算非常簡(jiǎn)單，計(jì)算方式如下：

　　理想的相位響應(yīng)計(jì)算方式如下：

　　如這些算式所示，所需的濾波器計(jì)算只是增益和相位響應(yīng)的反向。通過Excel表格便能完成計(jì)算。AS3435評(píng)估套件提供此計(jì)算模板。

　　濾波器開發(fā)

　　下一個(gè)，可能也是開發(fā)環(huán)節(jié)中最重要的步驟，就是主動(dòng)降噪濾波器的開發(fā)。通過濾波器計(jì)算來了解主動(dòng)降噪耳機(jī)的特性，意味著這些信息可以用在主動(dòng)降噪濾波器的開發(fā)上。降噪耳機(jī)的聲學(xué)特性以及濾波器計(jì)算，可用于ANC濾波器的開發(fā)。

　　市面上有許多反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)，但是大部分的設(shè)計(jì)都只是簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)反饋信號(hào)，因而主動(dòng)降噪性能極低。所以，重要的是把握濾波器開發(fā)過程中的重點(diǎn)，包括了解并懂得系統(tǒng)的限制。有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以使用Spice仿真工具來設(shè)計(jì)主動(dòng)降噪濾波器。這需要很多經(jīng)驗(yàn)，尤其是在濾波器拓?fù)浜蜑V波器計(jì)算方面的經(jīng)驗(yàn)。圖3 為主動(dòng)降噪濾波器范例。

　　圖 3： Spice 濾波器仿真范例

　　圖示為完整的主動(dòng)降噪信號(hào)鏈，包含反向放大器和RC網(wǎng)絡(luò)，可以設(shè)計(jì)主動(dòng)降噪濾波器的頻率和增益響應(yīng)。為了讓工程師能夠更方便地設(shè)計(jì)濾波器，ams開發(fā)了濾波器仿真工具，作為AS3435評(píng)估軟件的一部分。此仿真工具的屏幕截圖如圖4所示。

　　圖 4： AS3435濾波器仿真工具

　　該工具也使用spice仿真器，但配備了圖形用戶接口（GUI），使濾波器的開發(fā)變得容易很多，特別是對(duì)于那些“未經(jīng)培訓(xùn)”的設(shè)計(jì)工程師而言。它可以幫助設(shè)計(jì)工程師通過一組預(yù)定義的濾波器拓?fù)涠x不同的增益和截止頻率。這個(gè)系統(tǒng)不像spice仿真器那么有彈性，讓用戶可以定義濾波器拓?fù)湟约?a target="_blank">電阻和電容數(shù)值，但它是一個(gè)很好的起點(diǎn)，將協(xié)助設(shè)計(jì)工程師更加了解主動(dòng)降噪濾波器設(shè)計(jì)中可能會(huì)遇到的困難。

　　圖5所示的仿真窗口，顯示了仿真窗口中設(shè)定濾波器仿真的結(jié)果。綠色曲線為理想的反饋濾波器，它是量測(cè)到的開環(huán)回路的翻轉(zhuǎn)。藍(lán)色曲線則代表了spice仿真的結(jié)果。反饋濾波器仿真前饋濾波器仿真的差異表明僅僅做到頻率和相位的匹配是不夠的。在反饋系統(tǒng)中，更高的增益帶來更佳的主動(dòng)降噪性能，然而在前饋式系統(tǒng)中，太高的增益不但不能消除噪聲，反而會(huì)放大噪聲。在反饋系統(tǒng)中，焦點(diǎn)通常是在較低的頻率范圍內(nèi)：從20Hz至800Hz。基于耳機(jī)的聲學(xué)性能，焦點(diǎn)的峰值則落在100Hz的范圍內(nèi)。較高的頻率也較難消除，因?yàn)楹茈y或根本無法匹配其相位響應(yīng)。所以，減弱較高頻率以及盡可能避免系統(tǒng)震蕩是很重要的。

　　圖5： 濾波器仿真結(jié)果

　　如果增益過高，且仿真出來的濾波器與理論計(jì)算出來的理想濾波器之間的相位不匹配度太大（typ. 120°），則耳機(jī)會(huì)發(fā)生震蕩。AS3435濾波器仿真軟件具備穩(wěn)定性檢查功能，能夠自動(dòng)顯示理論計(jì)算出來的ANC濾波器與仿真出來的ANC濾波器之間的增益和相位的不匹配。仿真結(jié)果如圖6所示。

　　在相位不匹配大于120°，同時(shí)增益不匹配高于-12dB的區(qū)域，該工具以紅框標(biāo)示出重點(diǎn)區(qū)域。在這個(gè)頻率區(qū)域中，震蕩的發(fā)生率是很高的。

　　圖6： 穩(wěn)定性檢查功能

　　在相位不匹配度高的區(qū)域中，濾波器設(shè)計(jì)工程師必須確保增益盡可能低。震蕩一般發(fā)生在高頻，然而在1Hz附近發(fā)生也是有可能的。

　　濾波器驗(yàn)證和主動(dòng)降噪測(cè)試

　　當(dāng)設(shè)計(jì)工程師發(fā)現(xiàn)某個(gè)濾波器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都表現(xiàn)穩(wěn)定時(shí)，那么就可以導(dǎo)出此濾波器。該工具整合了物料清單（BOM）輸出功能，物料清單中的阻容器件都是基于E24標(biāo)準(zhǔn)的常用料。另外，由于元件指示符與評(píng)估板完全匹配，物料清單中的元器件可以直接被焊接到評(píng)估板上。

　　圖 7： 主動(dòng)降噪性能測(cè)試

　　主動(dòng)降噪性能測(cè)試包含兩個(gè)步驟，且不再需要相位測(cè)量。首先將耳機(jī)佩戴在人工頭上進(jìn)行被動(dòng)衰減的量測(cè)。步驟二與步驟一類似，但需要將AS3435打開，對(duì)其按照反饋應(yīng)用進(jìn)行配置，并根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)定麥克風(fēng)前置放大器的增益。降噪性能可根據(jù)兩次測(cè)得的數(shù)據(jù)按照如下公式計(jì)算：

　　可借助Excel完成計(jì)算，并制繪出降噪曲線。這條降噪曲線在業(yè)界是一項(xiàng)非常普遍的指標(biāo)。

　　針對(duì)使用AS3435開發(fā)主動(dòng)降噪耳機(jī)，相關(guān)的開發(fā)工具、應(yīng)用筆記及模板等都已齊備，可根據(jù)要求提供。