本系列的上一篇文章(使用 AS3415 設(shè)計(jì)主動(dòng)降噪耳機(jī)) 提供了有關(guān)如何開發(fā)基于前饋拓?fù)涞闹鲃?dòng)降噪 (ANC) 耳機(jī)的見解。

　　前饋耳機(jī)通常更容易開發(fā)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)工程師通常不必處理穩(wěn)定性問題。然而，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是風(fēng)噪聲，因?yàn)橹鲃?dòng)降噪麥克風(fēng)直接暴露在環(huán)境中?？朔@一缺點(diǎn)的另一種方法是使用反饋主動(dòng)降噪技術(shù)。本文介紹了基于艾邁斯半導(dǎo)體AS3435設(shè)計(jì)反饋主動(dòng)降噪耳機(jī)所需的開發(fā)步驟。

　　設(shè)備概述

　　與前饋耳機(jī)的設(shè)計(jì)一樣，反饋耳機(jī)也需要某些設(shè)備，其中最重要的是能夠進(jìn)行頻率和相位響應(yīng)測量的音頻測量系統(tǒng)。

　　適用于這些測量的音頻設(shè)備包括Audio Precision，Brüel & Kj?r和Soundcheck。人工耳模擬器，在Head Acoustics，Brüel & Kj?r或G.R.A.S.的聲學(xué)行為方面模擬人耳，強(qiáng)烈建議使用不同類型的人造耳。

　　此應(yīng)用通常不需要用于入耳式產(chǎn)品(例如前饋耳機(jī)中的產(chǎn)品)的 IEC711 耦合，因?yàn)?99% 的反饋耳機(jī)通常是貼耳式和耳罩式設(shè)計(jì)。這是由于入耳式反饋系統(tǒng)中麥克風(fēng)放置的機(jī)械限制。但是，當(dāng)今市場上有入耳式反饋設(shè)計(jì)。除了人工頭/耳模擬器和能夠進(jìn)行增益和相位測量的音頻測量設(shè)備外，這些入耳式設(shè)計(jì)還包含成功表征反饋主動(dòng)降噪耳機(jī)所需的一切。為了確定頭戴式耳機(jī)的主動(dòng)降噪性能，還需要使用兩分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)(最好是兩分頻同軸揚(yáng)聲器)，以便在執(zhí)行測量時(shí)將主動(dòng)降噪耳機(jī)暴露在噪聲中。

　　最后一個(gè)需要元件是AS3435評(píng)估板(EVB)，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。

　　如何表征反饋耳機(jī)

　　每個(gè) ANC 耳機(jī)除了需要耳墊和揚(yáng)聲器腔體等機(jī)械組件外，還需要揚(yáng)聲器和 ANC 麥克風(fēng)等電聲組件。這些組件共同定義了頭戴式耳機(jī)的頻率和相位響應(yīng)。不同的耳機(jī)通常具有不同的頻率和相位響應(yīng)，因此需要適當(dāng)?shù)谋碚鳎詢?yōu)化每個(gè)耳機(jī)的ANC性能，以實(shí)現(xiàn)最大帶寬。

　　在反饋系統(tǒng)中，與前饋系統(tǒng)相比，主動(dòng)降噪表征測量相當(dāng)簡單。所需要的只是耳機(jī)揚(yáng)聲器和 ANC 麥克風(fēng)之間的開環(huán)測量。

　　包括音頻數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)、人造頭和ANC耳機(jī)的測量設(shè)置如 圖1 .DAQ系統(tǒng)的信號(hào)輸出連接到AS3435評(píng)估板的線路輸入。ANC耳機(jī)的揚(yáng)聲器必須連接到AS3435評(píng)估板的耳機(jī)放大器輸出。主動(dòng)降噪麥克風(fēng)連接到評(píng)估板的麥克風(fēng)輸入。必要的麥克風(fēng)偏置電壓由 EVB 提供，因此麥克風(fēng)連接不需要外部附加組件。

　　圖1 測量 設(shè)置 包括 音頻 DAQ 系統(tǒng)、 人工 頭 和 ANC 耳機(jī)。

　　最后一個(gè)重要且必要的連接是從EVB的QMICx引腳(麥克風(fēng)前置放大器輸出)到DAQ系統(tǒng)的模擬音頻輸入。在開始測量之前，必須正確配置AS3435 EVB。EVB 軟件的屏幕截圖顯示在 圖2 .對(duì)于測量來說，將麥克風(fēng)前置放大器增益設(shè)置為0dB非常重要，以便以后匹配艾邁斯半導(dǎo)體濾波器計(jì)算模板。

　　還需要將耳機(jī)多路復(fù)用器輸入配置為“未連接”位置，這有助于避免麥克風(fēng)信號(hào)反饋給揚(yáng)聲器。當(dāng)然，這在ANC操作期間是需要的，但對(duì)于開環(huán)表征測量則不是。

　　圖2 此屏幕截圖顯示了AS3435 EVB軟件。

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　　一旦 EVB 配置正確，音頻 DAQ 系統(tǒng) 可以 生成 20kHz 至 20Hz 的正弦掃描信號(hào)。然后，在DAQ系統(tǒng)的輸入端測量麥克風(fēng)前置放大器輸出端的增益和相位響應(yīng)。該測量包括第一個(gè)反饋濾波器設(shè)計(jì)所需的所有相關(guān)信息。

　　主動(dòng)降噪濾波器計(jì)算

　　反饋電路的ANC濾波器計(jì)算相當(dāng)簡單，可以按如下方式計(jì)算：

　　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)M (f) = 測得的開環(huán)頻率響應(yīng)

　　理想相位響應(yīng)計(jì)算如下：

　　φ濾波器 (f) = 理想的主動(dòng)降噪濾波器相位響應(yīng)

　　φM (f) = 測量的開環(huán)相位響應(yīng)

　　如這些圖所示，所需的濾波器計(jì)算只是增益和相位響應(yīng)的反轉(zhuǎn)。計(jì)算可以在Microsoft Excel電子表格中方便地完成。AS3435評(píng)估套件中包含計(jì)算模板。

　　過濾器開發(fā)

　　開發(fā)鏈中的下一個(gè)，也許是最重要的一步是ANC濾波器的開發(fā)。通過濾波器計(jì)算了解 ANC 耳機(jī)的特性意味著此信息可用于開發(fā) ANC 濾波器。

　　市場上有許多反饋ANC耳機(jī)，但大多數(shù)設(shè)計(jì)只是反轉(zhuǎn)反饋信號(hào)，導(dǎo)致ANC性能相當(dāng)?shù)?。因此，在過濾器開發(fā)過程中知道重點(diǎn)在哪里很重要。這涉及了解和理解系統(tǒng)的局限性。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師可以使用香料仿真工具來設(shè)計(jì)ANC濾波器。此過程需要大量經(jīng)驗(yàn)，尤其是在濾波器拓?fù)浜蜑V波器計(jì)算方面。此類 ANC 濾波器示例如 圖3 .

　　圖3 下面是香料過濾器模擬的示例。

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　　該示例顯示了完整的ANC信號(hào)鏈，其中反相放大器和RC網(wǎng)絡(luò)定義了ANC濾波器的頻率和增益響應(yīng)。為了使濾波器設(shè)計(jì)對(duì)工程師來說更加方便，艾邁斯半導(dǎo)體開發(fā)了一款濾波器仿真工具，作為AS3435評(píng)估套件的一部分。模擬工具的屏幕截圖顯示在 圖4 .

　　圖4 這是AS3435濾波器仿真工具的屏幕截圖。

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　　該工具還使用香料模擬器，但帶有圖形用戶界面(GUI)，使濾波器開發(fā)更加容易，特別是對(duì)于“未經(jīng)培訓(xùn)”的ANC濾波器設(shè)計(jì)工程師。它允許設(shè)計(jì)人員使用一組預(yù)定義的濾波器拓?fù)鋪矶x各種增益和截止頻率。該系統(tǒng)不像用戶定義濾波器拓?fù)湟约半娮韬碗娙葜档南懔夏M器那樣靈活，但這是一個(gè)很好的起點(diǎn)。它有望幫助工程師更好地了解ANC濾波器設(shè)計(jì)帶來的設(shè)計(jì)障礙。

　　中的模擬窗口 圖5 顯示在模擬窗口中設(shè)置過濾器模擬設(shè)置的結(jié)果。綠色曲線表示基于倒開環(huán)測量的理想反饋濾波器。藍(lán)色曲線標(biāo)識(shí)香料模擬的結(jié)果。反饋濾波器仿真與前饋仿真的差異表明，僅匹配頻率和相位響應(yīng)是不夠的。在反饋系統(tǒng)中，較高的增益會(huì)導(dǎo)致更好的主動(dòng)降噪性能，而在前饋系統(tǒng)中，過高的增益會(huì)導(dǎo)致噪聲放大而不是抵消噪聲。在反饋系統(tǒng)中，重點(diǎn)通常集中在 20 Hz 到 800 Hz 的較低頻率區(qū)域，峰值在 100 Hz 范圍內(nèi)，具體取決于耳機(jī)的聲學(xué)效果。 較高的頻率也很難抵消，因?yàn)楹茈y/不可能匹配相位響應(yīng)。因此，盡可能衰減更高的頻率以避免系統(tǒng)振蕩非常重要。

　　圖5 濾波器模擬設(shè)置設(shè)置的結(jié)果將顯示在此模擬窗口中。

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　　如果增益太高，并且仿真濾波器和理想濾波器之間的相位不匹配太大(典型值為120°)，耳機(jī)可能會(huì)陷入振蕩。AS3435濾波器仿真軟件提供穩(wěn)定性檢查功能，可自動(dòng)顯示計(jì)算出的ANC濾波器與仿真ANC濾波器之間的增益和相位失配。仿真結(jié)果顯示在 圖6 .在相位失配大于120°且增益高于-12 dB的區(qū)域，該工具用紅色框指示關(guān)鍵區(qū)域。在這個(gè)頻率區(qū)域振蕩的概率相當(dāng)高。

　　圖6 穩(wěn)定性檢查功能可自動(dòng)顯示計(jì)算出的ANC濾波器與仿真的ANC濾波器之間的增益和相位失配。

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　　在相位失配較高的區(qū)域，濾波器設(shè)計(jì)工程師必須確保增益盡可能低。振蕩通常發(fā)生在較高的頻率下，但也有可能在1 Hz范圍內(nèi)振蕩。

　　濾波器驗(yàn)證和主動(dòng)降噪測試

　　一旦設(shè)計(jì)工程師找到在整個(gè)頻率范圍內(nèi)看起來穩(wěn)定的濾波器設(shè)計(jì)，就可以導(dǎo)出ANC濾波器。該工具具有基于標(biāo)準(zhǔn) E24 組件集成的物料清單 (BOM) 導(dǎo)出功能。此外，它還直接連接到AS3435的評(píng)估板。BOM中列出的元件可以直接焊接到EVB上，因?yàn)閰⒖贾甘痉c評(píng)估板的參考指示符相匹配。

　　圖7 圖中顯示了 ANC 性能測量設(shè)置。

　　ANC 性能測量由兩個(gè)測量組成，不再需要相位測量。第一個(gè)測量是安裝在人造頭上的耳機(jī)的被動(dòng)衰減測量。第二個(gè)是相同的測量，但這次是AS3535開關(guān)打開，并針對(duì)反饋應(yīng)用配置了模擬麥克風(fēng)前置放大器增益。ANC性能可以通過以下兩個(gè)測量值計(jì)算得出：

　　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)的有源衰減

　　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電子表格進(jìn)行計(jì)算，從而創(chuàng)建ANC性能頻率圖，這在行業(yè)中非常常見。

　　可根據(jù)要求提供使用AS3435進(jìn)行ANC耳機(jī)開發(fā)的開發(fā)工具、應(yīng)用筆記和模板。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問 本頁.