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数字主动降噪耳机设计要点

时间:2018-04-19 作者:Peter MCCutcheon,ams声学应用工程师 阅读:
本文讨论如何结合实际应用体验,让前馈和反馈两种降噪技术截长补短,大幅扩展降噪带宽,并实现40dB降噪深度。

目前应用在耳机中的主动降噪(ANC)技术有两种模式,分别称为前馈(Feed-Forward)降噪和反馈(Feedback)降噪,两者结合则组成混合(Hybrid)降噪。不同的主动降噪技术在降噪深度和带宽上有各自的局限性,这主要是由耳机声学结构、讯号处理和系统讯号延迟共同决定的。本文将讨论如何结合实际应用体验,在前馈和反馈两种降噪技术之间截长补短,从而最大程度地扩展降噪带宽,并实现40dB降噪深度。

前馈降噪

前馈降噪系统,由耳机输出与环境噪声频响相同但相位相反的讯号来实现降噪。如图1,前馈麦克风侦测噪声并透过滤波电路产生反相讯号,在耳鼓处反相讯号与噪声讯号抵消,从而降低人耳听到的噪声级。这里的滤波电路主要用来补偿耳鼓和麦克风处侦测到的噪声之间差异,另外对于喇叭本身在降噪讯号的响应能力方面也有补偿作用。

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图1:前馈降噪耳机

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图2:两种不同频率下系统延迟的影响

前馈降噪带宽,在低频处被耳机驱动模块限制在50Hz左右,在高频处被声学结构和讯号处理延迟限制于3kHz。延迟会导致难以在抗噪讯号和噪声讯号之间实现180度的相位反转,高频部份因为波长较短更难处理。图2显示了两种频率下20μs延迟对降噪效果的影响:频率为1500Hz时,残余噪声约剩1/5(14dB ANC),但频率为4500Hz时,即使延迟不变,残余噪声也已增加到3/5(仅4dB ANC)。

实际上可以尽量提前侦测环境噪声来补偿该延迟,这有助于让处理器有更多时间处理并输出抗噪讯号,另外,将降噪麦克风放置于远离耳道的入口也有利于扩大降噪的角度(图3)。

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图3:前馈降噪的方向性,(a) 0度时朝向的噪声(b) 90度时朝向的噪声

如图3,如果将麦克风放置在耳机壳外(即远离耳朵),当麦克风拾音孔与噪声的角度分别成0°和90°时,噪声进入麦克风以及人耳的时间差不同,这也意味着降噪效果会有方向性。控制环境噪声进入耳朵的路径并在靠近该路径放置麦克风则可解决此问题:如图4,一种有效的设计是在扬声器后方开泄露孔,噪声主要从该泄露孔,以及耳机驱动单元进入人耳,从而可以保证不同角度的噪声进入麦克风和人耳的时间差基本是一致的,进而保证降噪效果的一致性。

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图4:靠近噪声进入耳朵的位置放置话筒(a) 0度朝向的噪声(b) 90度朝向的噪声

噪声频率高于3kHz时,声音的波长明显短于耳道和耳机腔体尺寸,在声腔以及扬声器振膜之间可能产生共振进而难以进行滤波设计,而且该带宽中的降噪也受限于系统延迟,因此主要靠被动降噪。被动降噪一般随着耳机气密性的提高而提高,例如填补或者缩小泄露孔尺寸,但同时也会降低前馈降噪在高频处的性能。因此,需要权衡该频段范围内的被动降噪和主动降噪的取舍。

有趣的是,消费者发现评估ANC效果更容易一些,因为可以透过快速开启或关闭ANC形成反差得到结果,但评估被动降噪效果就困难了,因为用户戴上耳机后在很短时间内就会忘记环境噪声级,从而难以形成对比。

图4还可以看出,耳机在设计中还需要保证耳垫和头部之间密封的稳定性,以便用户可以得到稳定的声学特性和降噪性能。

此外,建议耳机喇叭的频率响应和被动衰减曲线要平滑(例如Q值不会太高或者太低),以便简单的数字滤波器就可以对传递函数进行补偿。

反馈降噪

反馈降噪耳机(图5)的工作原理主要是检测耳鼓区域的噪声,然后形成一个基本的反馈回路,以便最大限度地降低该区域的噪声级。

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图5:反馈降噪耳机

参考图5反馈降噪系统设计的公式。整个「回路」(loop)是由喇叭与麦克风的响应以及滤波器的组成。根据公式显示,随着滤波器增益(及其回路增益)增加,噪声残留变小,从而降噪性能得到提升。但如果回路的相位接近±180°,「回路」讯号会发生反转,分母上的‘+’将变为‘-’。在这种情况下,回路增益大小调节受限,因为当它从0.0增加至1.0时,结果是放大,而当等于1.0时,结果则是「零除」,这意味着不稳定并且经常随着频响幅度增加引起的啸叫——务必要避免。

实际上,回路的相位在频率为10Hz时趋向180度,在频率为几kHz时趋向-180度。因此,在这些频率下的增益必须要尽可能大但要低于1.0。通常滤波器会将反馈降噪的带宽限制在10Hz到1kHz之间,降噪效果也可以从滤波器得出。

回路中高频部份的相位变化是由处理器中的系统延迟、扬声器以及喇叭到麦克风的距离等因素决定的。因此,减少其中任何一个因素(使用轻重量高灵敏度的喇叭;将麦克风靠近喇叭振膜放置;尽量减少处理器延迟时间)均可以提高降噪带宽上限。

由于反馈麦克风靠近喇叭位置,因此耳机播放的音乐也会被误认为噪声。其结果是来自喇叭的音乐讯号也被降噪处理,因此还需要透过电路来进行补偿。

数字讯号处理

环境降噪数字系统的建构模块如图6所示。

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图6:数字降噪IC的基本方块图

在数字处理器中执行ANC滤波器有多种好处:

灵活——针对不同的环境能够切换滤波器进行自动调整,或者将周围环境的声音直接送入耳机(类似于助听器),也可以与蓝牙通讯设备等进行数字接口通讯。
开发速度更快——ANC滤波器的设计通常随着声学的调整而需要修改外围滤波器,数字方案则可以在芯片内部快速调整滤波器并立即投入验证。
优化校准流程——因为声学组件的容差会影响滤波器形状。因此在生产中,声学传递函数可能存在差异,从而需要对耳机进行校准。校准过程需要人为手动完成并且占用大量时间,数字降噪技术可以省掉这部份资源的支出。
尺寸更小——因为芯片外围组件较少。

数字ANC的缺点如下:

功耗更高;
数字系统的延迟更高。通常延迟越低越好,20μs在整个回路延迟所占比例很小,所以很难明显区分出可忽略延迟的模拟系统与延迟小于20μs的数字系统之间差异。

随着无线「耳戴式」装置越来越流行,功耗问题变得至关重要。因此,任何数字降噪解决方案都必须高效节能,尤其是其中的ADC和DAC模块部份。只运行必要的程序(例如,使用结构简单的滤波器并优化任何其它进程)并尽可能降低频率频率,即可将数字处理器功耗保持在最低水平。加快频率频率虽然可以显著减少处理器延迟时间,但也会增加功耗,因此需要权衡二者的关系。

电子噪声

降噪耳机的电子噪声对降噪会带来副作用。电子噪声的主要来源通常是麦克风。尽管MEMS最近越来越流行,但驻极体麦克风(ECM)在讯噪比(SNR)方面仍然优于MEMS。一般业界领先的ECM麦克风讯噪比为74dB(测试条件为94dBSPL@1KHz),也就是噪声层为20dBSPL。尽管麦克风的噪声层不高,但仍然建议尽可能选用高SNR的麦克风,以免在安静的环境中听到不期望的噪声。

如果使用数字降噪耳机聆听音乐时关闭ANC,麦克风的噪声会被系统隔离在外,那么整个数字系统也必须具有足够低的噪声,才能确保用户欣赏到纯净的音乐。

数字系统中SNR的计算方法一般是以最大不失真输出讯号减去可辨别的最小输出讯号,系统中不允许听到任何噪声。人耳听到1KHz主频的阈值下限被定义为0dBSPL,但您可能发现自己不太可能处于比25dBSPL(差不多1公尺处呼吸声被人耳听到的程度)更安静的环境中。尽管近期的标准(EN 50322和IEC 600065:2014)规定可携式媒体播放器最大播放音量必须限制在100dBA,但在某些频率下,耳机输出的讯号峰值可以达到约125dBSPL。

因此,DAC的规格需要定义在至少支持100dB讯噪比(125dBSPL–25dBSPL)才是合理的,并确保数位域讯噪比足够优越。这对于现阶段的数字处理器来说不难完成,所以一般使用定点算法而不用功耗比较高的浮点算法,另外还要保证位组长度,确保量化噪声的水平低于ADC和DAC的噪声。

另外,还必须选择较佳灵敏度且失真度低的扬声器。扬声器的失真会导致产生的抗噪讯号失真,从而降低降噪级。

设计要点概述

弹性的数字降噪架构设计。
最大程度降低整个系统的声学延迟,使用低于20μs延迟的芯片,以确保降噪带宽。
为噪声进入人耳搭建一个可控制的路径信道,确保前馈降噪效果。
耳机的结构设计能满足所有用户佩戴均具有一致性
选择被动降噪差的大尺寸泄露孔设计搭配较强的主动降噪设计,或选择被动降噪好的小尺寸泄露孔设计搭配稍弱的主动降噪设计。
调节声腔容量、泄露孔和通气孔阻尼直到获得平滑的耳机和被动衰减响应。
尽量减少电子噪声的来源,选择高SNR的麦克风,确保人耳听不到数字和DAC部份的噪声。

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