【導(dǎo)讀】本文討論如何結(jié)合實際應(yīng)用體驗，讓前饋和反饋兩種降噪技術(shù)截長補短，大幅擴(kuò)展降噪帶寬，并實現(xiàn)40dB降噪深度。目前應(yīng)用在耳機(jī)中的主動降噪(ANC)技術(shù)有兩種模式，分別稱為前饋(Feed-Forward)降噪和反饋(Feedback)降噪，兩者結(jié)合則組成混合(Hybrid)降噪。
目前應(yīng)用在耳機(jī)中的主動降噪(ANC)技術(shù)有兩種模式，分別稱為前饋(Feed-Forward)降噪和反饋(Feedback)降噪，兩者結(jié)合則組成混合(Hybrid)降噪。不同的主動降噪技術(shù)在降噪深度和帶寬上有各自的局限性，這主要是由耳機(jī)聲學(xué)結(jié)構(gòu)、訊號處理和系統(tǒng)訊號延遲共同決定的。本文將討論如何結(jié)合實際應(yīng)用體驗，在前饋和反饋兩種降噪技術(shù)之間截長補短，從而最大程度地擴(kuò)展降噪帶寬，并實現(xiàn)40dB降噪深度。
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訊號來實現(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)生反相訊號，在耳鼓處反相訊號與噪聲訊號抵消，從而降低人耳聽到的噪聲級。這里的濾波電路主要用來補償耳鼓和麥克風(fēng)處偵測到的噪聲之間差異，另外對于喇叭本身在降噪訊號的響應(yīng)能力方面也有補償作用。
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)動模塊限制在50Hz左右，在高頻處被聲學(xué)結(jié)構(gòu)和訊號處理延遲限制于3kHz。延遲會導(dǎo)致難以在抗噪訊號和噪聲訊號之間實現(xiàn)180度的相位反轉(zhuǎn)，高頻部份因為波長較短更難處理。圖2顯示了兩種頻率下20μs延遲對降噪效果的影響：頻率為1500Hz時，殘余噪聲約剩1/5(14dB ANC)，但頻率為4500Hz時，即使延遲不變，殘余噪聲也已增加到3/5(僅4dB ANC)。
實際上可以盡量提前偵測環(huán)境噪聲來補償該延遲，這有助于讓處理器有更多時間處理并輸出抗噪訊號，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度時朝向的噪聲(b) 90度時朝向的噪聲
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，噪聲進(jìn)入麥克風(fēng)以及人耳的時間差不同，這也意味著降噪效果會有方向性。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)計是在揚聲器后方開泄露孔，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，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，而且該帶寬中的降噪也受限于系統(tǒng)延遲，因此主要靠被動降噪。被動降噪一般隨著耳機(jī)氣密性的提高而提高，例如填補或者縮小泄露孔尺寸，但同時也會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)的被動降噪和主動降噪的取舍。
有趣的是，消費者發(fā)現(xiàn)評估ANC效果更容易一些，因為可以透過快速開啟或關(guān)閉ANC形成反差得到結(jié)果，但評估被動降噪效果就困難了，因為用戶戴上耳機(jī)后在很短時間內(nèi)就會忘記環(huán)境噪聲級，從而難以形成對比。
圖4還可以看出，耳機(jī)在設(shè)計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)和被動衰減曲線要平滑(例如Q值不會太高或者太低)，以便簡單的數(shù)字濾波器就可以對傳遞函數(shù)進(jìn)行補償。
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，然后形成一個基本的反饋回路，以便最大限度地降低該區(qū)域的噪聲級。
圖5：反饋降噪耳機(jī)
參考圖5反饋降噪系統(tǒng)設(shè)計的公式。整個「回路」(loop)是由喇叭與麥克風(fēng)的響應(yīng)以及濾波器的組成。根據(jù)公式顯示，隨著濾波器增益(及其回路增益)增加，噪聲殘留變小，從而降噪性能得到提升。但如果回路的相位接近±180°，「回路」訊號會發(fā)生反轉(zhuǎn)，分母上的‘+’將變?yōu)?lsquo;-’。在這種情況下，回路增益大小調(diào)節(jié)受限，因為當(dāng)它從0.0增加至1.0時，結(jié)果是放大，而當(dāng)?shù)扔?.0時，結(jié)果則是「零除」，這意味著不穩(wěn)定并且經(jīng)常隨著頻響幅度增加引起的嘯叫——務(wù)必要避免。
實際上，回路的相位在頻率為10Hz時趨向180度，在頻率為幾kHz時趨向-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。
回路中高頻部份的相位變化是由處理器中的系統(tǒng)延遲、揚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間)均可以提高降噪帶寬上限。
由于反饋麥克風(fēng)靠近喇叭位置，因此耳機(jī)播放的音樂也會被誤認(rèn)為噪聲。其結(jié)果是來自喇叭的音樂訊號也被降噪處理，因此還需要透過電路來進(jìn)行補償。
數(shù)字訊號處理
環(huán)境降噪數(shù)字系統(tǒng)的建構(gòu)模塊如圖6所示。
圖6：數(shù)字降噪IC的基本方塊圖
在數(shù)字處理器中執(zhí)行ANC濾波器有多種好處：
靈活——針對不同的環(huán)境能夠切換濾波器進(jìn)行自動調(diào)整，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)牙通訊設(shè)備等進(jìn)行數(shù)字接口通訊。
開發(fā)速度更快——ANC濾波器的設(shè)計通常隨著聲學(xué)的調(diào)整而需要修改外圍濾波器，數(shù)字方案則可以在芯片內(nèi)部快速調(diào)整濾波器并立即投入驗證。
優(yōu)化校準(zhǔn)流程——因為聲學(xué)組件的容差會影響濾波器形狀。因此在生產(chǎn)中，聲學(xué)傳遞函數(shù)可能存在差異，從而需要對耳機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程需要人為手動完成并且占用大量時間，數(shù)字降噪技術(shù)可以省掉這部份資源的支出。
尺寸更小——因為芯片外圍組件較少。
數(shù)字ANC的缺點如下：
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)之間差異。
隨著無線「耳戴式」裝置越來越流行，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模塊部份。只運行必要的程序(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)并盡可能降低頻率頻率，即可將數(shù)字處理器功耗保持在最低水平。加快頻率頻率雖然可以顯著減少處理器延遲時間，但也會增加功耗，因此需要權(quán)衡二者的關(guān)系。
電子噪聲
降噪耳機(jī)的電子噪聲對降噪會帶來副作用。電子噪聲的主要來源通常是麥克風(fēng)。盡管MEMS最近越來越流行，但駐極體麥克風(fēng)(ECM)在訊噪比(SNR)方面仍然優(yōu)于MEMS。一般業(yè)界領(lǐng)先的ECM麥克風(fēng)訊噪比為74dB(測試條件為94dBSPL@1KHz)，也就是噪聲層為20dBSPL。盡管麥克風(fēng)的噪聲層不高，但仍然建議盡可能選用高SNR的麥克風(fēng)，以免在安靜的環(huán)境中聽到不期望的噪聲。
如果使用數(shù)字降噪耳機(jī)聆聽音樂時關(guān)閉ANC，麥克風(fēng)的噪聲會被系統(tǒng)隔離在外，那么整個數(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的計算方法一般是以最大不失真輸出訊號減去可辨別的最小輸出訊號，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公尺處呼吸聲被人耳聽到的程度)更安靜的環(huán)境中。盡管近期的標(biāo)準(zhǔn)(EN 50322和IEC 600065:2014)規(guī)定可攜式媒體播放器最大播放音量必須限制在100dBA，但在某些頻率下，耳機(jī)輸出的訊號峰值可以達(dá)到約125dBSPL。
因此，DAC的規(guī)格需要定義在至少支持100dB訊噪比(125dBSPL–25dBSPL)才是合理的，并確保數(shù)位域訊噪比足夠優(yōu)越。這對于現(xiàn)階段的數(shù)字處理器來說不難完成，所以一般使用定點算法而不用功耗比較高的浮點算法，另外還要保證位組長度，確保量化噪聲的水平低于ADC和DAC的噪聲。
另外，還必須選擇較佳靈敏度且失真度低的揚聲器。揚聲器的失真會導(dǎo)致產(chǎn)生的抗噪訊號失真，從而降低降噪級。
設(shè)計要點概述
彈性的數(shù)字降噪架構(gòu)設(shè)計。
最大程度降低整個系統(tǒng)的聲學(xué)延遲，使用低于20μs延遲的芯片，以確保降噪帶寬。
為噪聲進(jìn)入人耳搭建一個可控制的路徑信道，確保前饋降噪效果。
耳機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足所有用戶佩戴均具有一致性
選擇被動降噪差的大尺寸泄露孔設(shè)計搭配較強的主動降噪設(shè)計，或選擇被動降噪好的小尺寸泄露孔設(shè)計搭配稍弱的主動降噪設(shè)計。
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)，確保人耳聽不到數(shù)字和DAC部份的噪聲。
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