主動降噪(ANC)技ji術shu通tong常chang被bei用yong在zai價jia格ge昂ang貴gui的de耳er機ji上shang，一yi般ban用yong來lai減jian弱ruo飛fei機ji引yin擎qing等deng的de噪zao聲sheng。這zhe種zhong消xiao除chu擾rao人ren的de環huan境jing噪zao聲sheng的de技ji術shu是shi一yi項xiang非fei常chang老lao的de技ji術shu，發fa明ming於yu上shang個ge世shi紀ji。此ci期qi間jian，耳er機ji產chan業ye者zhe注zhu意yi到dao了le帶dai來lai先xian進jin聆ling聽ting體ti驗yan的deANC技術能為耳機提供差異化優勢。對於半導體行業來說，ANC是一個不可忽視的商機。過去，ANC技術通常由獨立的耳機功放、運算放大器以及麥克風前置放大器等幾部分組成，如圖1的簡化模擬框圖所示。

 

圖1：模擬混合ANC係統簡化框圖。

 

看著相當複雜的模擬方案框圖，也許有人會問，為什麼不使用數字化解決方案來取代所有離散組件?因為摩爾定律支持ANC係(xi)統(tong)，並(bing)且(qie)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)器(qi)的(de)計(ji)算(suan)能(neng)力(li)越(yue)來(lai)越(yue)強(qiang)，這(zhe)無(wu)疑(yi)是(shi)一(yi)個(ge)有(you)效(xiao)論(lun)證(zheng)。不(bu)過(guo)，模(mo)擬(ni)方(fang)案(an)能(neng)夠(gou)在(zai)這(zhe)樣(yang)一(yi)個(ge)越(yue)來(lai)越(yue)數(shu)字(zi)化(hua)的(de)世(shi)界(jie)裏(li)生(sheng)存(cun)
，可(ke)能(neng)還(hai)有(you)其(qi)它(ta)一(yi)些(xie)因(yin)素(su)。

 

圖2：數字混合主動降噪係統(ANC)簡化框圖。

 

如圖2所示，在一個數字主動降噪係統中，所有模擬解決方案中用到的簡單放大器都被替換成模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)。在DAC和ADC之間運行ANCsuanfahuishejiyixiexinhaochuli。suoyouzhexiemokuaidegongtongdianshitamenyunxingshidouxuyaoyigeshizhong
，gengzhongyaodeshi，meigemokuaidouxuyaobutongdeshizhongzhouqijiangmonixinhaozhuanhuanweishuzixinhao，tongguoANC算法計算，再由DAC將數字信號轉換回模擬信號。一個信號從模擬輸入到模擬輸出產生的完整傳播時延對ANC濾波器來說是一個至關重要的因素，會直接影響ANC性能。

 

 

時延對ANC性能帶來的負麵影響如圖3所示。綠線是一個模擬混合ANC耳機的典型ANC性能曲線簡化圖。

 

將一個恒定的時延(因DAC、ADC以及ANC算法的數字信號處理而產生)加到ANC信號通路上，會引起額外的相移
，從而降低ANC能夠達到的帶寬。原因非常簡單，如果降噪信號在人耳聽到噪聲之後才播放出來，那麼這個180°的反相降噪信號就不可能有效抵消環境噪聲了。尤其對於反饋係統
，由於相位裕度更低，增加了不穩定的風險(聲學振蕩)。

 

圖3：係統時延與ANC帶寬。

 

沒有數據采樣(ADC和DAC)的模擬係統幾乎不會產生延遲
，這也是為什麼過去高品質ANC係統通常是模擬係統的主要原因。由於DSP運算能力越來越強大
，一個必然的趨勢是提高所有數字模塊的時鍾頻率，以進一步降低係統時延，提升ANC帶寬。

 

tishengshizhongpinlvhuizengjiazongtigonghao，zheshitigaocaiyanglvdeyigequedian。duiyubianxieshishebei，dianchishoumingshizuiguanjiandecanshuzhiyi，tajiangzhijieyingxiangzhongduanyonghuerjideyunxingshijian。tu4顯示了模擬混合ANC係統的典型功耗，以及擁有不同采樣率的數字係統的功耗。

 

對一個模擬係統來說，預期的功耗大約是30 mW。根據係統架構的不同，一個數字係統的功耗在50mW到120mW的範圍內。

 

圖4：模擬和數字混合ANC係統的典型功耗。

 

我們可以看到

，相對於數字方案


，模擬方案仍然有著明顯的功耗優勢

，即使是低采樣率的通用DSP，其功耗也將近模擬方案的兩倍。然而
，在設計時考慮將ANC作為主要應用
，可以對DSP內的整個信號處理流程進行定製優化
，進一步減少模擬和數字係統之間的差距。一個好的數字解決方案應該能在優越的ANC性能和功耗之間取得合理的平衡。當這樣的數字係統被開發出來，數字方案就能完全發揮它所有的優勢。

 

 

模擬係統的一個缺點是開發過程相當複雜，這主要與ANC濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)設(she)計(ji)有(you)關(guan)。這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)有(you)時(shi)相(xiang)當(dang)耗(hao)時(shi)，是(shi)每(mei)一(yi)個(ge)耳(er)機(ji)開(kai)發(fa)過(guo)程(cheng)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。需(xu)要(yao)說(shuo)明(ming)的(de)是(shi)
，聲(sheng)學(xue)特(te)性(xing)的(de)量(liang)測(ce)永(yong)遠(yuan)都(dou)是(shi)耳(er)機(ji)開(kai)發(fa)中(zhong)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的(de)一(yi)個(ge)步(bu)驟(zhou)，不(bu)會(hui)因(yin)為(wei)選(xuan)擇(ze)模(mo)擬(ni)還(hai)是(shi)數(shu)字(zi)方(fang)案(an)而(er)有(you)任(ren)何(he)不(bu)同(tong)。然(ran)而(er)，在(zai)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)設(she)計(ji)方(fang)麵(mian)，兩(liang)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)之(zhi)間(jian)有(you)著(zhe)巨(ju)大(da)的(de)差(cha)異(yi)。

 

對於一個模擬ANC係統
，ANC濾lv波bo器qi基ji於yu離li散san的de組zu件jian，如ru電dian阻zu和he電dian容rong，設she計ji出chu模mo擬ni濾lv波bo器qi需xu要yao模mo擬ni濾lv波bo器qi設she計ji方fang麵mian的de經jing驗yan。另ling外wai，硬ying件jian設she計ji工gong程cheng師shi在zai開kai發fa耳er機ji的de電dian路lu板ban（PCB）時，都麵臨著一個常見的問題：ANC濾波器仍在設計中
，所需的占位麵積還沒有最終確定。在不知道元件確切尺寸的情況下，經常會在PCB上shang預yu留liu一yi些xie元yuan件jian空kong位wei，但dan最zui終zhong產chan品pin很hen可ke能neng並bing不bu會hui用yong到dao這zhe些xie元yuan件jian。對dui於yu可ke以yi為wei硬ying件jian設she計ji工gong程cheng師shi提ti供gong標biao準zhun化hua占zhan位wei麵mian積ji的de數shu字zi係xi統tong
，這zhe是shi另ling一yi個ge重zhong要yao的de差cha異yi化hua因yin素su。因yin為wei數shu字zi濾lv波bo器qi是shi在zai開kai發fa過guo程cheng中zhong可ke隨sui時shi更geng新xin的de固gu件jian的de一yi部bu分fen，因yin此ci無wu需xu再zai考kao慮lv外wai部bu的de濾lv波bo器qi元yuan件jian。在zai數shu字zi係xi統tong中zhong，ANC濾波器傳遞函數的實現非常簡單直接，一個簡單的用戶界麵就可以完成ANC濾波器的設計。

 

在數字係統中
，設計人員能夠實時觀察改變濾波器對ANCxingnengyouheyingxiang，zengjiayixieewaidegongnengyexiangdianjishubiaonayangjiandan。ciwai
，tahainengtongguoshengjigujianweiyijingshangshideerjizengjiahuozhezengqiangyixiegongneng，birubeixuandeANC工作模式，或者不同的音樂均衡
，這是終端客戶選擇數字ANC方案的重要因素。

 

數字係統的好處不僅體現在開發過程中，它還具有更大的靈活性，能在大規模生產中提高良率。對ANC濾波器及音樂播放，模擬係統都采用固定的元件
，所以在量產過程中，除了ANC麥克風的增益，其它部分都不能被修改調整。ANCxitongduidianqijijidianyuanjiandegongchaxiangdangmingan
，shuzixitongkeyishiyongsuanfaduiyinlebofanglujingshangpinlvxiangyingdegongchajinxingbuchang。xiangduiyuzhijiegenghuanpinxiangbuzudeyangshengqi
，DSP可以彌補性能的缺失。同樣的步驟也可以用在ANC信號通路上。數字係統允許實時調整濾波器來滿足對性能的要求，能進一步提升產線良率，並降低成本。

 

 

對於耳機尤其是高端耳機而言，音質絕對是一個非常重要的因素。由於ADC底噪的限製

，從模擬到數字的轉換通常並不能提升音質。目前智能手機能做到高達120dB信噪比的卓越音質，而在一些便攜式設備裏ADC的信噪比通常都隻有100dB左右。

 

整個音頻係統的信噪比與嘶嘶的底噪聲直接相關，音樂發燒友對此格外關注。在這種情況下，模擬係統(圖1)具備它的優勢，因為整個AD/DA轉換過程不是必需的。

 

圖5：數字與模擬USP概述。

 

圖5顯示了模擬和數字ANC係統各自的賣點。顯然，模擬方案的低功耗和ANC帶寬的優勢很難被數字解決方案擊敗，特別是對高端係統來說。然而
，對於普通用戶，額外的ANC帶寬或輕微的嘶嘶聲並不影響他們的購買。

 

zaigonghaofangmian，xianzairenmenxiguanyumeitianweishoujichongdian，yincidianchishoumingduiyuzhongduanyonghulaishuobingbunameguanjian，zhiyaodianchinenggoumanzuzaiyicizhoujihangbanshangshiyongjike。zaishejigongchengshihechanpinjinglikanlai，kuaisukaifashijianhegaolinghuoxingwuyijijuxiyinli
，kenengbiyonghutiyanhechangdianchishouminggengzhongyao。nagexitongshigenghaodexuanze，zhidaojintiansihuyemeiyoumingquededaan。duiyushejigongchengshilaishuo，daanjueduishishuzijiejuefangan
，erduiyuzhongduanxiaofeizhelaishuo，monixitongmingxianshigenghaodexuanze。

 

作者：Horst Gether，Martin Denda
，AMS公司

 

本文轉載自電子技術設計。