主动降噪(ANC)技术通常被用在价格昂贵的耳机上,一般用来减弱飞机引擎等的噪声。这种消除扰人的环境噪声的技术是一项非常老的技术,发明于上个世纪。此期间,耳机产业者注意到了带来先进聆听体验的ANC技术能为耳机提供差异化优势。对于半导体行业来说,ANC是一个不可忽视的商机。过去,ANC技术通常由独立的耳机功放、运算放大器以及麦克风前置放大器等几部分组成,如图1的简化模拟框图所示。

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图1:模拟混合ANC系统简化框图。

看着相当复杂的模拟方案框图,也许有人会问,为什么不使用数字化解决方案来取代所有离散组件?因为摩尔定律支持ANC系统,并且数字信号处理器的计算能力越来越强,这无疑是一个有效论证。不过,模拟方案能够在这样一个越来越数字化的世界里生存,可能还有其它一些因素。

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图2:数字混合主动降噪系统(ANC)简化框图。

如图2所示,在一个数字主动降噪系统中,所有模拟解决方案中用到的简单放大器都被替换成模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。在DAC和ADC之间运行ANC算法会涉及一些信号处理。所有这些模块的共同点是它们运行时都需要一个时钟,更重要的是,每个模块都需要不同的时钟周期将模拟信号转换为数字信号,通过ANC算法计算,再由DAC将数字信号转换回模拟信号。一个信号从模拟输入到模拟输出产生的完整传播时延对ANC滤波器来说是一个至关重要的因素,会直接影响ANC性能。

时延对ANC系统的影响

时延对ANC性能带来的负面影响如图3所示。绿线是一个模拟混合ANC耳机的典型ANC性能曲线简化图。

将一个恒定的时延(因DAC、ADC以及ANC算法的数字信号处理而产生)加到ANC信号通路上,会引起额外的相移,从而降低ANC能够达到的带宽。原因非常简单,如果降噪信号在人耳听到噪声之后才播放出来,那么这个180°的反相降噪信号就不可能有效抵消环境噪声了。尤其对于反馈系统,由于相位裕度更低,增加了不稳定的风险(声学振荡)。

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图3:系统时延与ANC带宽。

没有数据采样(ADC和DAC)的模拟系统几乎不会产生延迟,这也是为什么过去高品质ANC系统通常是模拟系统的主要原因。由于DSP运算能力越来越强大,一个必然的趋势是提高所有数字模块的时钟频率,以进一步降低系统时延,提升ANC带宽。

提升时钟频率会增加总体功耗,这是提高采样率的一个缺点。对于便携式设备,电池寿命是最关键的参数之一,它将直接影响终端用户耳机的运行时间。图4显示了模拟混合ANC系统的典型功耗,以及拥有不同采样率的数字系统的功耗。

对一个模拟系统来说,预期的功耗大约是30 mW。根据系统架构的不同,一个数字系统的功耗在50mW到120mW的范围内。

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图4:模拟和数字混合ANC系统的典型功耗。

我们可以看到,相对于数字方案,模拟方案仍然有着明显的功耗优势,即使是低采样率的通用DSP,其功耗也将近模拟方案的两倍。然而,在设计时考虑将ANC作为主要应用,可以对DSP内的整个信号处理流程进行定制优化,进一步减少模拟和数字系统之间的差距。一个好的数字解决方案应该能在优越的ANC性能和功耗之间取得合理的平衡。当这样的数字系统被开发出来,数字方案就能完全发挥它所有的优势。

模拟系统落后在哪里?

模拟系统的一个缺点是开发过程相当复杂,这主要与ANC滤波器的设计有关。这一过程有时相当耗时,是每一个耳机开发过程的一部分。需要说明的是,声学特性的量测永远都是耳机开发中必不可少的一个步骤,不会因为选择模拟还是数字方案而有任何不同。然而,在滤波器的设计方面,两种解决方案之间有着巨大的差异。

对于一个模拟ANC系统,ANC滤波器基于离散的组件,如电阻和电容,设计出模拟滤波器需要模拟滤波器设计方面的经验。另外,硬件设计工程师在开发耳机的电路板(PCB)时,都面临着一个常见的问题:ANC滤波器仍在设计中,所需的占位面积还没有最终确定。在不知道元件确切尺寸的情况下,经常会在PCB上预留一些元件空位,但最终产品很可能并不会用到这些元件。对于可以为硬件设计工程师提供标准化占位面积的数字系统,这是另一个重要的差异化因素。因为数字滤波器是在开发过程中可随时更新的固件的一部分,因此无需再考虑外部的滤波器元件。在数字系统中,ANC滤波器传递函数的实现非常简单直接,一个简单的用户界面就可以完成ANC滤波器的设计。

在数字系统中,设计人员能够实时观察改变滤波器对ANC性能有何影响,增加一些额外的功能也像点击鼠标那样简单。此外,它还能通过升级固件为已经上市的耳机增加或者增强一些功能,比如备选的ANC工作模式,或者不同的音乐均衡,这是终端客户选择数字ANC方案的重要因素。

数字系统的好处不仅体现在开发过程中,它还具有更大的灵活性,能在大规模生产中提高良率。对ANC滤波器及音乐播放,模拟系统都采用固定的元件,所以在量产过程中,除了ANC麦克风的增益,其它部分都不能被修改调整。ANC系统对电气及机电元件的公差相当敏感,数字系统可以使用算法对音乐播放路径上频率响应的公差进行补偿。相对于直接更换频响不足的扬声器,DSP可以弥补性能的缺失。同样的步骤也可以用在ANC信号通路上。数字系统允许实时调整滤波器来满足对性能的要求,能进一步提升产线良率,并降低成本。

数字模拟谁更好?

对于耳机尤其是高端耳机而言,音质绝对是一个非常重要的因素。由于ADC底噪的限制,从模拟到数字的转换通常并不能提升音质。目前智能手机能做到高达120dB信噪比的卓越音质,而在一些便携式设备里ADC的信噪比通常都只有100dB左右。

整个音频系统的信噪比与嘶嘶的底噪声直接相关,音乐发烧友对此格外关注。在这种情况下,模拟系统(图1)具备它的优势,因为整个AD/DA转换过程不是必需的。

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图5:数字与模拟USP概述。

图5显示了模拟和数字ANC系统各自的卖点。显然,模拟方案的低功耗和ANC带宽的优势很难被数字解决方案击败,特别是对高端系统来说。然而,对于普通用户,额外的ANC带宽或轻微的嘶嘶声并不影响他们的购买。

在功耗方面,现在人们习惯于每天为手机充电,因此电池寿命对于终端用户来说并不那么关键,只要电池能够满足在一次洲际航班上使用即可。在设计工程师和产品经理看来,快速开发时间和高灵活性无疑极具吸引力,可能比用户体验和长电池寿命更重要。哪个系统是更好的选择,直到今天似乎也没有明确的答案。对于设计工程师来说,答案绝对是数字解决方案,而对于终端消费者来说,模拟系统明显是更好的选择。

作者:Horst Gether,Martin Denda,AMS公司

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