使用AS3415設計主動降噪耳機

本文將介紹設計基于以下目標的前饋主動降噪耳機所需的開發步驟 AS3415 艾邁斯半導體的主動降噪芯片組。

設備概述

在我們真正開始任何類型的 ANC 耳機開發之前，重要的是要知道特殊的音頻設備是必要的。最重要的部分是能夠進行頻率和相位響應測量的音頻測量系統。適合這些測量的音頻設備包括Audio Precision，Brüel&Kjaer和Soundcheck。

除了音頻測量系統之外，擁有IEC711（入耳式ANC產品）或Head Acoustics，Brüel&Kjaer或GRAS的頭部和軀干模擬器（入耳式和耳罩式產品）也很重要。模擬器對于在進行耳機表征時模擬人耳是必要的。這些人造耳朵確實集成了一個高度精確的麥克風，使我們能夠測量佩戴耳機時人們實際聽到的聲音。

為了確定耳機的無源衰減（這是濾波器表征過程的一部分），還需要揚聲器。揚聲器應為雙向揚聲器系統，最好是雙向同軸揚聲器，以確保從揚聲器到耳機的高頻和低頻距離相同。最后但并非最不重要的一點是，您需要一個AS3415評估板，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。

為什么我們需要對耳機進行表征？

每個耳機在聲學方面的行為都不同。原因解釋起來很簡單。耳機使用不同的組件，如具有不同阻抗和傳遞函數的揚聲器?？繅|因型號而異，正面和背面空腔也不同。

對于 ANC 耳機，了解耳機的特性以獲得良好的 ANC 性能對于開發至關重要。前饋 ANC 耳機使用駐極體電容麥克風 （ECM） 拾取耳罩外部的噪音。電子設備產生反相抗噪信號，該信號與揚聲器一起播放。

理論上，ANC電路可以是一個簡單的反相電路，但實際情況看起來有所不同。由于耳機具有影響頻率和相位響應的不同組件，因此簡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在增益和相位方面的行為，表征主動降噪耳機非常重要。

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備進行三次測量。第一個測量是無源衰減測量，如 圖1 。

圖 1：首次前饋表征測量

我們用同軸揚聲器開始頻率掃描（20 Hz至22 kHz），并測量到達人耳的聲音。這種聲音可以用耳模擬器內的麥克風測量。我們描述了耳機本身如何阻尼噪聲，這就是所謂的被動衰減。

第二次測量，如 圖2 ，測量拾取噪聲的麥克風的頻率響應。同樣，正弦掃描信號與同軸揚聲器一起播放，并由ANC麥克風拾取。

圖 2：第二次前饋表征測量

第三次也是最后一次測量， 圖3 ，是耳機內部揚聲器的頻率和相位響應測量值。使用耳機內的揚聲器播放 20 Hz 至 22 kHz 的頻率掃描，并由人工測試頭內的麥克風拾取信號。

圖 3：第三次前饋表征測量

該測量表示揚聲器播放的抗噪聲信號的傳遞函數以及人耳如何接收該信號。對于所有三次測量，相位都非常重要，因為如果揚聲器播放的抗噪聲信號與從嘈雜環境傳播到人耳的噪聲同相，我們會放大噪聲而不是衰減噪聲。

理想主動降噪濾波器計算

完成三次測量后，我們可以使用它來計算耳機的理想ANC濾波器。所需的濾波器幅度計算如下：

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

哪里：

一個濾波器 （f） = 理想的主動降噪濾波器增益響應

一個1 （f） = 表征測量增益 1

一個2 （f） = 表征測量增益 2

一個3 （f） = 表征測量增益 3

所需的濾波相位計算如下：

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

哪里：

φ濾波器 （f） = 理想的主動降噪濾波器相位響應

φ1 （f） = 表征測量階段 1

φ 2 （f） = 表征測量階段 2

φ 3 （f） = 表征測量階段 3

計算可以在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可以清楚地看出，我們離理想的系統還很遠，理想系統只需要一個在整個頻率范圍內使用反相放大器來產生必要的抗噪聲信號。

過濾器開發

一個好的主動降噪耳機成功的關鍵是濾波器的開發。如果濾波器設計不當，即使是最好的 ANC 芯片組也無濟于事。在進行濾波器開發時，目標是盡可能匹配增益和相位響應。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是一個香料仿真電路，表示ANC麥克風濾波器信號路徑。

圖 4：香料過濾器仿真示例

ANC濾波器設計工程師現在的目標是匹配濾波器仿真電路的增益和相位響應，如 圖4 與計算出的理想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。

設計人員必須了解不同拓撲的外觀，以及如何計算截止頻率、通帶和阻帶。當然，這不是一件容易的事 - 特別是如果您不習慣香料模擬工具和模擬濾波器開發。

為了克服這個問題，AS3515評估軟件集成了前饋濾波器仿真工具，如 圖5 。設計工程師可以使用此工具開發理想的ANC濾波器。

圖 5：AS3415 前饋濾波器模擬器

該工具不會更改組件值和物理過濾器拓撲，而是為您提供一組預定義的過濾器結構。這些預定義的濾波器結構基于艾邁斯半導體過去為許多不同的客戶所做的濾波器仿真，應該可以覆蓋幾乎90%的主動降噪聲學。

給定工具示例的仿真結果顯示在 圖6 。綠色曲線表示理想的ANC濾波器增益和相位響應。藍色曲線顯示了使用中所示工具開發的ANC濾波器的仿真結果 圖5 。

圖 6：仿真結果

在開發過濾器時，重要的是要知道我們必須關注哪些領域。ANC 耳機確實可以在某個頻率范圍內工作。其原因不是AS3415電子設備本身的限制。它與聲速和耳機的聲學行為有關。

當我們分析理想濾波器曲線并查看增益響應時，設計與曲線匹配的濾波器應該是一件容易的事。ANC濾波器設計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°，因此可以設計出與頻率響應匹配但與相位不匹配的濾波器。

根據耳機和相位響應，您通?？梢試L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，我們就會引入噪聲。我們在較低頻率下衰減噪聲，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，我們試圖在相位和增益不匹配的那些區域將該增益降低到最小。

綠色透明區域，如 圖6 ，表示我們通?？梢栽谧钚∈涞那闆r下滿足增益和相位的區域。紅色區域是我們嘗試盡可能衰減的區域。在高頻衰減和相位響應之間找到良好的權衡始終很重要，因為當您在較高頻率下衰減過多時，它會影響較低頻率下的相位響應，因此您可能會失去ANC性能。

濾波器驗證和主動降噪測試

一旦您對濾波器曲線感到滿意，AS3415濾波器仿真工具將為您提供BOM導出功能。由于該工具鏈接到AS3415的評估板，因此可以將BOM中列出的組件焊接到評估板上，以使用開發的濾波器測試ANC性能。它由兩個測量值組成。首先是對戴頭戴式耳機放在人造頭上的被動衰減測量。第二個是相同的測量，現在AS3515開關打開并配置為前饋ANC操作。主動降噪性能的計算方法如下：

一個非國大 （f ） = 一個積極 （f ） – 一個被動 （f ） ［分貝 ］

哪里：

一個非國大 （f） = 主動降噪級別

一個積極 （f） = 主動降噪開啟時的被動衰減

一個被動 （f） = 主動降噪關閉時的無源衰減

可以使用Excel工作表進行計算，以創建ANC性能隨頻率變化的圖，這在行業中非常常見?？筛鶕筇峁〢S3415的開發工具以及ANC耳機開發的應用筆記和模板。