本文將介紹設(shè)計(jì)基于以下目標(biāo)的前饋主動(dòng)降噪耳機(jī)所需的開發(fā)步驟 AS3415 艾邁斯半導(dǎo)體的主動(dòng)降噪芯片組。

設(shè)備概述

在我們真正開始任何類型的 ANC 耳機(jī)開發(fā)之前，重要的是要知道特殊的音頻設(shè)備是必要的。最重要的部分是能夠進(jìn)行頻率和相位響應(yīng)測(cè)量的音頻測(cè)量系統(tǒng)。適合這些測(cè)量的音頻設(shè)備包括Audio Precision，Brüel&Kjaer和Soundcheck。

除了音頻測(cè)量系統(tǒng)之外，擁有IEC711（入耳式ANC產(chǎn)品）或Head Acoustics，Brüel&Kjaer或GRAS的頭部和軀干模擬器（入耳式和耳罩式產(chǎn)品）也很重要。模擬器對(duì)于在進(jìn)行耳機(jī)表征時(shí)模擬人耳是必要的。這些人造耳朵確實(shí)集成了一個(gè)高度精確的麥克風(fēng)，使我們能夠測(cè)量佩戴耳機(jī)時(shí)人們實(shí)際聽到的聲音。

為了確定耳機(jī)的無源衰減（這是濾波器表征過程的一部分），還需要揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器應(yīng)為雙向揚(yáng)聲器系統(tǒng)，最好是雙向同軸揚(yáng)聲器，以確保從揚(yáng)聲器到耳機(jī)的高頻和低頻距離相同。最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，您需要一個(gè)AS3415評(píng)估板，其中包括所有必要的連接器和前置放大器，以使表征過程盡可能順利。

為什么我們需要對(duì)耳機(jī)進(jìn)行表征？

每個(gè)耳機(jī)在聲學(xué)方面的行為都不同。原因解釋起來很簡(jiǎn)單。耳機(jī)使用不同的組件，如具有不同阻抗和傳遞函數(shù)的揚(yáng)聲器。靠墊因型號(hào)而異，正面和背面空腔也不同。

對(duì)于 ANC 耳機(jī)，了解耳機(jī)的特性以獲得良好的 ANC 性能對(duì)于開發(fā)至關(guān)重要。前饋 ANC 耳機(jī)使用駐極體電容麥克風(fēng) （ECM） 拾取耳罩外部的噪音。電子設(shè)備產(chǎn)生反相抗噪信號(hào)，該信號(hào)與揚(yáng)聲器一起播放。

理論上，ANC電路可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的反相電路，但實(shí)際情況看起來有所不同。由于耳機(jī)具有影響頻率和相位響應(yīng)的不同組件，因此簡(jiǎn)單的反相電路無法滿足獲得良好ANC性能的要求。為了了解頭戴式耳機(jī)在增益和相位方面的行為，表征主動(dòng)降噪耳機(jī)非常重要。

為了獲得理想的ANC濾波器曲線，我們必須使用第一段中描述的設(shè)備進(jìn)行三次測(cè)量。第一個(gè)測(cè)量是無源衰減測(cè)量，如 圖1 。

圖 1：首次前饋表征測(cè)量

我們用同軸揚(yáng)聲器開始頻率掃描（20 Hz至22 kHz），并測(cè)量到達(dá)人耳的聲音。這種聲音可以用耳模擬器內(nèi)的麥克風(fēng)測(cè)量。我們描述了耳機(jī)本身如何阻尼噪聲，這就是所謂的被動(dòng)衰減。

第二次測(cè)量，如 圖2 ，測(cè)量拾取噪聲的麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)。同樣，正弦掃描信號(hào)與同軸揚(yáng)聲器一起播放，并由ANC麥克風(fēng)拾取。

圖 2：第二次前饋表征測(cè)量

第三次也是最后一次測(cè)量， 圖3 ，是耳機(jī)內(nèi)部揚(yáng)聲器的頻率和相位響應(yīng)測(cè)量值。使用耳機(jī)內(nèi)的揚(yáng)聲器播放 20 Hz 至 22 kHz 的頻率掃描，并由人工測(cè)試頭內(nèi)的麥克風(fēng)拾取信號(hào)。

圖 3：第三次前饋表征測(cè)量

該測(cè)量表示揚(yáng)聲器播放的抗噪聲信號(hào)的傳遞函數(shù)以及人耳如何接收該信號(hào)。對(duì)于所有三次測(cè)量，相位都非常重要，因?yàn)槿绻麚P(yáng)聲器播放的抗噪聲信號(hào)與從嘈雜環(huán)境傳播到人耳的噪聲同相，我們會(huì)放大噪聲而不是衰減噪聲。

理想主動(dòng)降噪濾波器計(jì)算

完成三次測(cè)量后，我們可以使用它來計(jì)算耳機(jī)的理想ANC濾波器。所需的濾波器幅度計(jì)算如下：

一個(gè)濾波器 （f ） = 一個(gè) 1 （f ） – （一個(gè) 3 （f ） + 一個(gè) 3 （f ）） ［分貝 ］

哪里：

一個(gè)濾波器 （f） = 理想的主動(dòng)降噪濾波器增益響應(yīng)

一個(gè)1 （f） = 表征測(cè)量增益 1

一個(gè)2 （f） = 表征測(cè)量增益 2

一個(gè)3 （f） = 表征測(cè)量增益 3

所需的濾波相位計(jì)算如下：

F濾波器 （f ） = F 1 （f ） – （F 3 （f ） + F 3 （f ）） ［度 ］

哪里：

φ濾波器 （f） = 理想的主動(dòng)降噪濾波器相位響應(yīng)

φ1 （f） = 表征測(cè)量階段 1

φ 2 （f） = 表征測(cè)量階段 2

φ 3 （f） = 表征測(cè)量階段 3

計(jì)算可以在Excel工作表中輕松完成，示例過濾器顯示在 圖6 。觀察采樣頻率和相位響應(yīng)可以清楚地看出，我們離理想的系統(tǒng)還很遠(yuǎn)，理想系統(tǒng)只需要一個(gè)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)使用反相放大器來產(chǎn)生必要的抗噪聲信號(hào)。

過濾器開發(fā)

一個(gè)好的主動(dòng)降噪耳機(jī)成功的關(guān)鍵是濾波器的開發(fā)。如果濾波器設(shè)計(jì)不當(dāng)，即使是最好的 ANC 芯片組也無濟(jì)于事。在進(jìn)行濾波器開發(fā)時(shí)，目標(biāo)是盡可能匹配增益和相位響應(yīng)。在特定頻率下的匹配越好，您可以期望的 ANC 性能就越高。

由于信號(hào)處理是基于模擬的，因此濾波器仿真通常使用香料仿真工具完成。什么 圖4 show是一個(gè)香料仿真電路，表示ANC麥克風(fēng)濾波器信號(hào)路徑。

圖 4：香料過濾器仿真示例

ANC濾波器設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在的目標(biāo)是匹配濾波器仿真電路的增益和相位響應(yīng)，如 圖4 與計(jì)算出的理想ANC濾波器曲線盡可能接近。使用的典型濾波器是低通濾波器 1圣 訂購，陷波濾波器，高架和低架濾波器。

設(shè)計(jì)人員必須了解不同拓?fù)涞耐庥^，以及如何計(jì)算截止頻率、通帶和阻帶。當(dāng)然，這不是一件容易的事 - 特別是如果您不習(xí)慣香料模擬工具和模擬濾波器開發(fā)。

為了克服這個(gè)問題，AS3515評(píng)估軟件集成了前饋濾波器仿真工具，如 圖5 。設(shè)計(jì)工程師可以使用此工具開發(fā)理想的ANC濾波器。

圖 5：AS3415 前饋濾波器模擬器

該工具不會(huì)更改組件值和物理過濾器拓?fù)洌菫槟峁┮唤M預(yù)定義的過濾器結(jié)構(gòu)。這些預(yù)定義的濾波器結(jié)構(gòu)基于艾邁斯半導(dǎo)體過去為許多不同的客戶所做的濾波器仿真，應(yīng)該可以覆蓋幾乎90%的主動(dòng)降噪聲學(xué)。

給定工具示例的仿真結(jié)果顯示在 圖6 。綠色曲線表示理想的ANC濾波器增益和相位響應(yīng)。藍(lán)色曲線顯示了使用中所示工具開發(fā)的ANC濾波器的仿真結(jié)果 圖5 。

圖 6：仿真結(jié)果

在開發(fā)過濾器時(shí)，重要的是要知道我們必須關(guān)注哪些領(lǐng)域。ANC 耳機(jī)確實(shí)可以在某個(gè)頻率范圍內(nèi)工作。其原因不是AS3415電子設(shè)備本身的限制。它與聲速和耳機(jī)的聲學(xué)行為有關(guān)。

當(dāng)我們分析理想濾波器曲線并查看增益響應(yīng)時(shí)，設(shè)計(jì)與曲線匹配的濾波器應(yīng)該是一件容易的事。ANC濾波器設(shè)計(jì)中的棘手之處在于匹配相位。由于較高頻率下的相位偏移約180°，因此可以設(shè)計(jì)出與頻率響應(yīng)匹配但與相位不匹配的濾波器。

根據(jù)耳機(jī)和相位響應(yīng)，您通常可以嘗試將濾波器匹配到1.5 kHz。更高的頻率必須盡可能衰減。如果我們不衰減這些無與倫比的更高頻率，我們就會(huì)引入噪聲。我們?cè)谳^低頻率下衰減噪聲，但由于較高頻率下的相位不匹配，噪聲被放大而不是衰減。為了避免這種行為，我們?cè)噲D在相位和增益不匹配的那些區(qū)域?qū)⒃撛鲆娼档偷阶钚　?/p>

綠色透明區(qū)域，如 圖6 ，表示我們通常可以在最小失配的情況下滿足增益和相位的區(qū)域。紅色區(qū)域是我們嘗試盡可能衰減的區(qū)域。在高頻衰減和相位響應(yīng)之間找到良好的權(quán)衡始終很重要，因?yàn)楫?dāng)您在較高頻率下衰減過多時(shí)，它會(huì)影響較低頻率下的相位響應(yīng)，因此您可能會(huì)失去ANC性能。

濾波器驗(yàn)證和主動(dòng)降噪測(cè)試

一旦您對(duì)濾波器曲線感到滿意，AS3415濾波器仿真工具將為您提供BOM導(dǎo)出功能。由于該工具鏈接到AS3415的評(píng)估板，因此可以將BOM中列出的組件焊接到評(píng)估板上，以使用開發(fā)的濾波器測(cè)試ANC性能。它由兩個(gè)測(cè)量值組成。首先是對(duì)戴頭戴式耳機(jī)放在人造頭上的被動(dòng)衰減測(cè)量。第二個(gè)是相同的測(cè)量，現(xiàn)在AS3515開關(guān)打開并配置為前饋ANC操作。主動(dòng)降噪性能的計(jì)算方法如下：

一個(gè)非國大 （f ） = 一個(gè)積極 （f ） – 一個(gè)被動(dòng) （f ） ［分貝 ］

哪里：

一個(gè)非國大 （f） = 主動(dòng)降噪級(jí)別

一個(gè)積極 （f） = 主動(dòng)降噪開啟時(shí)的被動(dòng)衰減

一個(gè)被動(dòng) （f） = 主動(dòng)降噪關(guān)閉時(shí)的無源衰減

可以使用Excel工作表進(jìn)行計(jì)算，以創(chuàng)建ANC性能隨頻率變化的圖，這在行業(yè)中非常常見。可根據(jù)要求提供AS3415的開發(fā)工具以及ANC耳機(jī)開發(fā)的應(yīng)用筆記和模板。