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数位主动降噪耳机的最隹化设计考量
 

【作者: Peter MCCutcheon】2018年04月03日 星期二

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商品化耳机采用的主动降噪(Active Noise Cancelling , ANC)技术主要有两种形式,分别为前??式(feed-forward)和反??式(feedback)。 这两种技术的结合可形成复合系统。由於耳机声学、讯号处理和系统延迟的不同,每一种ANC技术的效能及频宽都有其限制。本文旨在讨论这些限制,以及补偿这些限制的最隹设计方法,进而最大化抵销频宽(cancellation bandwidth),同时实现40 dB的降噪效能。


前??式降噪

前??系统是从耳机驱动器输出一个抗噪讯号,而这个抗噪讯号的大小幅度与环境噪音相同,但是相位相反,如此能达到降噪的目的。这个抗噪讯号是在麦克风上侦测到的噪音讯号的反相滤波版本(图1),与耳膜上的噪音讯号结合,可大幅降低噪音水平。 这个滤波器用於补偿在耳膜处和麦克风处侦测到的噪音频率响应间的差异, 它还能够针对抗噪讯号会受到驱动器响应影响的事实进行补偿。



图1 : 前??式降噪耳机
图1 : 前??式降噪耳机

图2 : 系统延迟对两个不同频率的影响
图2 : 系统延迟对两个不同频率的影响

虽然耳机驱动器特性将低频率下的前??抵消限制在50Hz左右,但由於声学和处理方面的延迟,其在高频下的极限通常接近3kHz。这些延迟会造成抗噪音和噪音讯号之间难以达到180度相位差。在高频方面尤其如此,因为噪音波长会较短。图2显示了在两个频率下,20μs延迟对降噪的影响。即使延迟时间相同,但是在1500Hz时,剩馀噪音的幅度大约为0.2(14dB ANC),但是在4500Hz时,则已经增加到0.6(仅4dB ANC)。


透过在噪音进入耳朵之前先侦测环境噪音,这个延迟可以被部分补偿。这使得处理器在输出抗噪讯号之前有更多的时间来处理讯号。然而,将麦克风放置在远离耳道入囗的位置,则不同方向噪音源的噪音消除效果将会变差(图3)。



图3 : 前??式降噪的方向性,(a)与使用者形成0度的噪音,以及(b)与使用者形成90度的噪音
图3 : 前??式降噪的方向性,(a)与使用者形成0度的噪音,以及(b)与使用者形成90度的噪音

图3显示当麦克风位於耳机外壳(即远离耳朵)时,在麦克风处侦测到噪音与进入耳朵之间的时间,会因为噪音源是位於0度或90度而有所不同。这就意味着各个方向的噪音消除效果将会不同。 这个问题可以透过控制环境噪音进入耳朵的路径,以及将麦克风靠近这条路径来解决。 一种有效的方法是在扬声器後面放置一个通风孔(vent),如图4所示,噪音进入耳朵的主要路径是通过这个通风孔,并通过耳机驱动器或相邻通风孔。 在这种情况下,在麦克风侦测到噪音和噪音进入耳朵之间的时间,将不会因角度不同而有所不同,都是一致的,前??系统的方向性得以大幅降低。



图4 : 将麦克风放在噪音以0度进入使用者耳朵(a),以及以90度(b)进入使用者耳朵的位置附近。
图4 : 将麦克风放在噪音以0度进入使用者耳朵(a),以及以90度(b)进入使用者耳朵的位置附近。

当频率高於3kHz,声音的波长明显短於耳道和耳机腔体尺寸,则可能出现在通风量及扬声器膜片上的声学模式,将难以被滤波。再者,系统延迟限制了这个频宽的消除效果,所以这些频率通常会经历被动衰减。一般来说,通常可以透过让耳机更加封闭来增加被动衰减,但是这需要关闭或缩减图4中所描述的控制路径,而这将抑制较高频率下的前??式降噪效能。这就导致了这个区域的被动和主动消除之间必须有所折衷。


有趣的是,当消费者在评估降噪耳机时,由於使用者可以立即启用或停用主动降噪功能,所以更容易判断此功能的优劣。然而,消费者较难以判断被动衰减功能,因为在将耳机戴上耳朵所需的这短短时间内,使用者已经完全忘记了环境噪音听起来如何。


图4也显示耳机必须能够针对所有使用者提供耳垫和头部间的相同密闭效果,以实现一致的声学和降噪效能。


此外,建议驱动器的频率响应和被动衰减频率响应保持平稳(例如没有高的Q因子峰值和谷值),如此一来,只要使用简单的数位滤波器就能轻易补偿这些传递函数。


反??式降噪

反??式降噪耳机(图5)侦测与鼓膜相同的风量的噪音。此技术采用一个基本的控制反????路,将此区域的噪音降至最低。



图5 : 反??式降噪耳机
图5 : 反??式降噪耳机

图5显示用於计算反??系统降噪效果的公式。「??路」是驱动器响应、麦克风响应和滤波器的产品。该公式显示随着滤波器增益(以及所带动的??路增益)的增加,则残馀噪音讯号将变小,进而提高降噪效能。但是,如果??路的相位接近±180。,则「??路」讯号会有效反转,分母上的“+”变为“ - ”。在这种情况下,??路增益大为受限,因为当它从0.0增加到1.0时,结果是放大,当等於1.0时,结果是“除以零”,这就代表不稳定。这通常会表现为振幅增加的囗哨声-而这是必须不惜一切代价避免的。


在实作中,??路的相位在10Hz时趋於180度,在数kHz时趋於-180度。因此,在这些频率下,增益必须尽量低於1.0,但在两者之间要尽可能大。滤波器可以透过形状调整达到这种效果,一般通常是将反??降噪的频宽限制在10 Hz和1 kHz之间。


??路相位在高频之所以会改变,是由於处理器、扬声器的系统延迟,以及从驱动器到麦克风的距离所致。因此,减少其中任何一个因素(使用重量较轻、更灵敏的驱动器;将麦克风靠近驱动器薄膜,并尽量减少处理器延迟),都可以提高降噪的频宽上限。


由於反??麦克风放置在靠近驱动器的位置,因此麦克风也会将通过耳机播放的音乐讯号侦测为噪音,如此一来,来自扬声器的音乐讯号也会被消除,所以就必须采用电子方式来升压,以补偿这个部分。


数位讯号处理

图6显示一个简单的数位环境降噪系统的建构区块。



图6 : 数位降噪IC的基本区块
图6 : 数位降噪IC的基本区块

在数位处理器中使用ANC滤波器有多种好处:


*弹性:可以针对不同环境切换滤波器来改变降噪效能,或是采用可以消除耳机被衰减效应的环境听通模式。 数位IC也能与辅助IC(如蓝牙通讯装置)进行数位通讯。


*更快速的开发:这通常需重复进行多种声学设计更改和电子设计更改。数位系统可以快速改变滤波器设计,因此可以立即测试新的声学设计,毋需重新焊接元件。


*改善的校准程序:声学元件存在着公差,因此,影响降噪滤波器形状的声学传递函数在制程中会有所不同。每个耳机必须进行校准以补偿这些公差。这是ANC耳机制造过程中非常昂贵的一个部分,大部分是因为这个过程需要时间,且往往需要手动操作。


*较小的占板面积:这是因为所需外部元件较少。


数位系统的缺点如下:


*功耗可能更高


*数位系统具有更高的延迟:一般来说延迟越低越好,然而,一个具有可忽略的延迟的类比系统,与一个延迟小於20μs的数位系统之间的差异,其实是很难被察觉及分辨的,因为在主动降噪的频带中,声学的延迟占有主导地位。


随着无线可听装置越来越普及,功耗变得至关重要。因此任何数位降噪解决方案都必须是省电的。类比数位转换(ADC)和数位类比转换(DAC)的功耗通常是最差的。透过保留简单的程序(例如,使用简单的滤波器和简化任何其他过程)以及尽可能采用最低的时脉速率,数位处理器的功耗可以保持在最低水准。虽然更快的系统时脉可以大幅降低处理器延迟,但同时也会增加功耗,所以必须在低延迟和功耗之间取得平衡。


电子噪音

制造降噪耳机却引发电子噪音,这是得不偿失的。


电子噪音的主要来源通常是麦克风。尽管近来微机电系统(MEMS)麦克风越来越普及,但是驻极体电容式麦克风(ECM)在信噪比的表现仍然优於MEMS。顶级ECM麦克风的74 dB信噪比、94 dBSPL音压,转换为本底噪音约相当於20 dBSPL。尽管麦克风的本底噪音仍然较低,但建议麦克风的SNR可以尽可能提高,以避免在安静的环境中听到不相关的噪音。


在未使用降噪的数位耳机上听音乐时,麦克风噪音当然不宜出现,且整个数位系统必须具有足够低的本底噪音,才不会出现难听的电子噪音。


为数位系统指定一个可接受的SNR,常用的方法是定义期??被输出的最大声音,并从中减去可听到的最安静声音的水平。因此系统中可接受的电噪音水平就是听不到的程度。 虽然0 dBSPL被定义为在1 kHz的人类听力的??值下限,但您其实很难发现自己处於比25 dBSPL(就像是具距离1公尺远的呼吸声)更安静的环境中。虽然最近的标准(EN 50322和IEC 600065:2014)规定,可携式媒体播放器必须将音乐播放最大音量限制在100 dBA,但是在某些频率下,耳机可以输出的峰值数值水准大约为125 dBSPL。


因此,指定一个可达到至少100 dB SNR(125 dBSPL - 25 dBSPL)的DAC,并确保数位电路的噪音低於这数值是非常合理的。 对於现代的数位处理器来说,这看起来似??不是一个困难的目标,但是浮点运算被认为太耗电,於是就采用固定点运算。这必须保持较长的字长,以使量化噪音低於ADC和DAC的噪音。


选择具有良好灵敏度、较低失真度的扬声器也是必要的。来自扬声器的任何失真都将导致抗噪音讯号失真,以及整体降噪效果降低。


设计注意事项摘要

*采用数位降噪架构以提供灵活性。


*尽量减少整个系统的声学延迟,并使用延迟小於20μs的IC来最隹化降噪频宽。


*创造一个控制路径,将噪音传送至耳朵,以实现有效的前??降噪。


*设计适用於所有耳机使用者的机制。


*采用更开放的设计,减少被动衰减,增加主动衰减;或是采用更封闭的设计,增加被动衰减,减少主动衰减。


*调整风量、通风囗和通风囗阻尼(vent damping),以创造平稳的驱动器响应和被动衰减响应。


*藉由指定具有良好信噪比的麦克风,尽量减少电子噪音来源,并确保不会听到任何来自数位电路及DAC的噪音。


(本文作者Peter MCCutcheon为奥地利微电子(ams)应用工程师)


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