ANC主動降噪基本原理是通過Ref Mic（reference microphone）采集環境噪音噪聲，通過降噪係統電路產生降噪MIC接收的外界環境噪音相等的反相信號，將噪聲抵消（如圖1所示）。

 

 

ANC主動降噪耳機的好處在於低頻噪聲的控製效果顯著，減輕噪音對人體健康的影響。一般情況下
，ANC主動降噪的有效頻率在50Hz—2KHz之間。對於超過2KHz的噪音
，降噪耳機可以通過耳機的結構設計與材料的選擇，融合被動降噪的方法、耳機入耳式結構設計與耳帽采用隔音材料等，也可以起到很好的降噪效果。主動降噪隻需專注於消除低頻噪音
，與被動降噪相輔相成。

 

ANC主動降噪耳機目前有模擬和數字兩種主流方案，但在大規模生產時，模擬降噪方案需要調整外圍的RC阻容器件作為濾波器反饋端的參數
，而RC器件的精度導致最終耳機的降噪能力差異極大，且不良率很高。對於這個問題
，技術型授權分銷商Excelpoint世健公司的技術支持部副經理Jack Yao向我們介紹了ADI 數字主動降噪方案。他表示，麵對消費級ANC耳機麵臨一致性
、功耗、音質三重挑戰

，該方案都可以一並解決。

 

 

如圖2所示ADAU1777框架結構圖
， ADAU1777具有快速高精度（高達768 kHz）采樣處理路徑
，5μs analog-to-analog延遲
，保證了DSP處理濾波器速度和精度；4個ADC模擬輸入，可配置為麥克風或線路輸入；同時，兩路數字麥克風輸入可作為選通輸入。基於以上性能
，ADAU1777已在國內外各大耳機ODM廠商都有成熟產品的應用和量產。

 

Jack還向我們介紹了ADI發布了新一代DSP產品 ADAU1787。這款產品針對主動降噪耳機的應用又做了進一步的性能優化和提升。

 

 

如圖3所示 ADAU1787框架圖，ADAU1787具有獨特的雙核設計，FastDSP 核做主動降噪濾波器處理，同時SigmaDSP核做EQ後處理，對降噪處理後損失的音樂中低頻部分做補償。

 

因為混合（hybrid）主動降噪解決方案需要四個主動降噪麥克風：其中兩個用於前饋回路，兩個用於反饋回路
，再加上line in通道至少需要6個輸入通道，ADAU1787提供4路ADC輸入接口和4路數字麥克風輸入，且這些輸入口是並行輸入，所以ADAU1787可以實現單芯片應用於混合（hybrid）降噪耳機。同時
，ADAU1787還能提供2.3*2.8 mm的更小BGA封裝
，在1.8V供電功耗僅約為6-7mW，可以應用在功耗和芯片體積要求更嚴苛的TWS耳機。

 

主動降噪（ANC）耳機設計和調試

 

如何設計一款高性能主動降噪（ANC）耳機呢
？Jack進一步介紹了主動降噪（ANC）耳機設計和調試步驟。

 

首先需要進行的是Matlab仿真模型搭建，如圖4是ANC係統框架：

 

 

一共三層，用虛線分隔：最上麵一層primary path是從Ref Mic到Error Mic的聲學通道

，響應函數用P(Z)來表示；中間一層是模擬通道，其中secondary path是adaptive filter輸出到返回殘差的通路，包括DAC、reconstruction filter
、power amplifier、speaker播放
、再采集、pre-amplifier、anti-aliasing filter
、ADC；最下麵一層是數字通路，其中adaptive filter不斷調整濾波器權係數來削減殘差，直到收斂。最常用的方案是用FIR濾波器結合LMS算法來實現自適應濾波器。簡化圖4，可以得到圖5。

 

 

這裏adaptive filter輸出後經過S(z)和desire output比較後
，可能會引起instability。一種有效的方法是FXLMS（Filtered-X LMS），也就讓x(n)經過Sˆ(z)S^(z)再輸入給LMS 模塊, 使adaptive filter可以正常收斂。也就是說
，自適應濾波器的權係數是由耳機的primary path和secondary path決定的。耳機的primary path和secondary path相對穩定
，所以adaptive filter的權係數也相對穩定。用變步長LMS的adaptive filter
，得仿真結果如圖6，在0到2KHz範圍內（圖6）。

 

 

接著第二步，就需要一些設備對耳機的聲學特性做檢測
，可選用的音頻設備有Audio Precision、Soundcheck等。人耳模擬裝置也是重要的一部分，如來自Head Acoustics、GRAS的IEC711。

 

人ren耳er模mo擬ni裝zhuang置zhi可ke在zai量liang測ce耳er機ji特te性xing時shi，用yong於yu模mo擬ni人ren耳er響xiang應ying。這zhe些xie人ren工gong耳er集ji成cheng了le高gao度du精jing確que的de麥mai克ke風feng，能neng測ce量liang到dao人ren戴dai耳er機ji時shi真zhen實shi聽ting到dao的de聲sheng音yin。另ling外wai還hai需xu要yao一yi個ge揚yang聲sheng器qi
，用yong於yu測ce量liang耳er機ji的de被bei動dong衰shuai減jian特te性xing。耳er機ji腔qiang體ti聲sheng學xue指zhi標biao的de測ce試shi是shiANC濾波器仿真設計非常重要的環節。

 

 

最後，需要在ADI Sigmastudio 圖形化工具對Matlab仿真係數做相應濾波器參數的代入和調整（圖7）
，而這部分調試需要和耳機聲學曲線測試做反複驗證。

 

 

總的來說，ANC降噪耳機市場潛力很大，而采用數字芯片來實現ANC降噪處理的耳機是未來發展方向，但從研發到量產這條路上還有很多挑戰,包括了研發階段的ID設計、傳遞函數測量、ANC濾波器仿真和調試，量產階段的來料檢驗控製、成品產線自動增益調整係統等。目前
，世健與有經驗的IDH配合支持客戶，可以縮短客戶產品的研發周期。

 

如圖8是IDH用ADAU1787在一款頭戴式ANC耳機測試曲線。

 

最深降噪-40DB,在50-2khz平均-30DB以上降噪深度。

 

 

備注：文中關於Matlab仿真模型算法參考： Kuo S M, Morgan D. Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations[M]. John Wiley & Sons, Inc. 1996.

 

 

推薦閱讀：