使用AS3415设计主动降噪耳机

本文将介绍设计基于以下目标的前馈主动降噪耳机所需的开发步骤 AS3415 艾迈斯半导体的主动降噪芯片组。

设备概述

在我们真正开始任何类型的 ANC 耳机开发之前，重要的是要知道特殊的音频设备是必要的。最重要的部分是能够进行频率和相位响应测量的音频测量系统。适合这些测量的音频设备包括Audio Precision，Brüel&Kjaer和Soundcheck。

除了音频测量系统之外，拥有IEC711（入耳式ANC产品）或Head Acoustics，Brüel&Kjaer或GRAS的头部和躯干模拟器（入耳式和耳罩式产品）也很重要。模拟器对于在进行耳机表征时模拟人耳是必要的。这些人造耳朵确实集成了一个高度精确的麦克风，使我们能够测量佩戴耳机时人们实际听到的声音。

为了确定耳机的无源衰减（这是滤波器表征过程的一部分），还需要扬声器。扬声器应为双向扬声器系统，最好是双向同轴扬声器，以确保从扬声器到耳机的高频和低频距离相同。最后但并非最不重要的一点是，您需要一个AS3415评估板，其中包括所有必要的连接器和前置放大器，以使表征过程尽可能顺利。

为什么我们需要对耳机进行表征？

每个耳机在声学方面的行为都不同。原因解释起来很简单。耳机使用不同的组件，如具有不同阻抗和传递函数的扬声器。靠垫因型号而异，正面和背面空腔也不同。

对于 ANC 耳机，了解耳机的特性以获得良好的 ANC 性能对于开发至关重要。前馈 ANC 耳机使用驻极体电容麦克风 （ECM） 拾取耳罩外部的噪音。电子设备产生反相抗噪信号，该信号与扬声器一起播放。

理论上，ANC电路可以是一个简单的反相电路，但实际情况看起来有所不同。由于耳机具有影响频率和相位响应的不同组件，因此简单的反相电路无法满足获得良好ANC性能的要求。为了了解头戴式耳机在增益和相位方面的行为，表征主动降噪耳机非常重要。

为了获得理想的ANC滤波器曲线，我们必须使用第一段中描述的设备进行三次测量。第一个测量是无源衰减测量，如 图1 。

图 1：首次前馈表征测量

我们用同轴扬声器开始频率扫描（20 Hz至22 kHz），并测量到达人耳的声音。这种声音可以用耳模拟器内的麦克风测量。我们描述了耳机本身如何阻尼噪声，这就是所谓的被动衰减。

第二次测量，如 图2 ，测量拾取噪声的麦克风的频率响应。同样，正弦扫描信号与同轴扬声器一起播放，并由ANC麦克风拾取。

图 2：第二次前馈表征测量

第三次也是最后一次测量， 图3 ，是耳机内部扬声器的频率和相位响应测量值。使用耳机内的扬声器播放 20 Hz 至 22 kHz 的频率扫描，并由人工测试头内的麦克风拾取信号。

图 3：第三次前馈表征测量

该测量表示扬声器播放的抗噪声信号的传递函数以及人耳如何接收该信号。对于所有三次测量，相位都非常重要，因为如果扬声器播放的抗噪声信号与从嘈杂环境传播到人耳的噪声同相，我们会放大噪声而不是衰减噪声。

理想主动降噪滤波器计算

完成三次测量后，我们可以使用它来计算耳机的理想ANC滤波器。所需的滤波器幅度计算如下：

一个滤波器 （f ） = 一个 1 （f ） – （一个 3 （f ） + 一个 3 （f ）） ［分贝 ］

哪里：

一个滤波器 （f） = 理想的主动降噪滤波器增益响应

一个1 （f） = 表征测量增益 1

一个2 （f） = 表征测量增益 2

一个3 （f） = 表征测量增益 3

所需的滤波相位计算如下：

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

哪里：

φ滤波器 （f） = 理想的主动降噪滤波器相位响应

φ1 （f） = 表征测量阶段 1

φ 2 （f） = 表征测量阶段 2

φ 3 （f） = 表征测量阶段 3

计算可以在Excel工作表中轻松完成，示例过滤器显示在 图6 。观察采样频率和相位响应可以清楚地看出，我们离理想的系统还很远，理想系统只需要一个在整个频率范围内使用反相放大器来产生必要的抗噪声信号。

过滤器开发

一个好的主动降噪耳机成功的关键是滤波器的开发。如果滤波器设计不当，即使是最好的 ANC 芯片组也无济于事。在进行滤波器开发时，目标是尽可能匹配增益和相位响应。在特定频率下的匹配越好，您可以期望的 ANC 性能就越高。

由于信号处理是基于模拟的，因此滤波器仿真通常使用香料仿真工具完成。什么 图4 show是一个香料仿真电路，表示ANC麦克风滤波器信号路径。

图 4：香料过滤器仿真示例

ANC滤波器设计工程师现在的目标是匹配滤波器仿真电路的增益和相位响应，如 图4 与计算出的理想ANC滤波器曲线尽可能接近。使用的典型滤波器是低通滤波器 1圣 订购，陷波滤波器，高架和低架滤波器。

设计人员必须了解不同拓扑的外观，以及如何计算截止频率、通带和阻带。当然，这不是一件容易的事 - 特别是如果您不习惯香料模拟工具和模拟滤波器开发。

为了克服这个问题，AS3515评估软件集成了前馈滤波器仿真工具，如 图5 。设计工程师可以使用此工具开发理想的ANC滤波器。

图 5：AS3415 前馈滤波器模拟器

该工具不会更改组件值和物理过滤器拓扑，而是为您提供一组预定义的过滤器结构。这些预定义的滤波器结构基于艾迈斯半导体过去为许多不同的客户所做的滤波器仿真，应该可以覆盖几乎90%的主动降噪声学。

给定工具示例的仿真结果显示在 图6 。绿色曲线表示理想的ANC滤波器增益和相位响应。蓝色曲线显示了使用中所示工具开发的ANC滤波器的仿真结果 图5 。

图 6：仿真结果

在开发过滤器时，重要的是要知道我们必须关注哪些领域。ANC 耳机确实可以在某个频率范围内工作。其原因不是AS3415电子设备本身的限制。它与声速和耳机的声学行为有关。

当我们分析理想滤波器曲线并查看增益响应时，设计与曲线匹配的滤波器应该是一件容易的事。ANC滤波器设计中的棘手之处在于匹配相位。由于较高频率下的相位偏移约180°，因此可以设计出与频率响应匹配但与相位不匹配的滤波器。

根据耳机和相位响应，您通常可以尝试将滤波器匹配到1.5 kHz。更高的频率必须尽可能衰减。如果我们不衰减这些无与伦比的更高频率，我们就会引入噪声。我们在较低频率下衰减噪声，但由于较高频率下的相位不匹配，噪声被放大而不是衰减。为了避免这种行为，我们试图在相位和增益不匹配的那些区域将该增益降低到最小。

绿色透明区域，如 图6 ，表示我们通常可以在最小失配的情况下满足增益和相位的区域。红色区域是我们尝试尽可能衰减的区域。在高频衰减和相位响应之间找到良好的权衡始终很重要，因为当您在较高频率下衰减过多时，它会影响较低频率下的相位响应，因此您可能会失去ANC性能。

滤波器验证和主动降噪测试

一旦您对滤波器曲线感到满意，AS3415滤波器仿真工具将为您提供BOM导出功能。由于该工具链接到AS3415的评估板，因此可以将BOM中列出的组件焊接到评估板上，以使用开发的滤波器测试ANC性能。它由两个测量值组成。首先是对戴头戴式耳机放在人造头上的被动衰减测量。第二个是相同的测量，现在AS3515开关打开并配置为前馈ANC操作。主动降噪性能的计算方法如下：

一个非国大 （f ） = 一个积极 （f ） – 一个被动 （f ） ［分贝 ］

哪里：

一个非国大 （f） = 主动降噪级别

一个积极 （f） = 主动降噪开启时的被动衰减

一个被动 （f） = 主动降噪关闭时的无源衰减

可以使用Excel工作表进行计算，以创建ANC性能随频率变化的图，这在行业中非常常见。可根据要求提供AS3415的开发工具以及ANC耳机开发的应用笔记和模板。