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數位主動降噪耳機的最佳化設計考量
 

【作者: Peter MCCutcheon】   2018年04月03日 星期二

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商品化耳機採用的主動降噪(Active Noise Cancelling , ANC)技術主要有兩種形式,分別為前饋式(feed-forward)和反饋式(feedback)。 這兩種技術的結合可形成複合系統。由於耳機聲學、訊號處理和系統延遲的不同,每一種ANC技術的效能及頻寬都有其限制。本文旨在討論這些限制,以及補償這些限制的最佳設計方法,進而最大化抵銷頻寬(cancellation bandwidth),同時實現40 dB的降噪效能。


前饋式降噪

前饋系統是從耳機驅動器輸出一個抗噪訊號,而這個抗噪訊號的大小幅度與環境噪音相同,但是相位相反,如此能達到降噪的目的。這個抗噪訊號是在麥克風上偵測到的噪音訊號的反相濾波版本(圖1),與耳膜上的噪音訊號結合,可大幅降低噪音水平。 這個濾波器用於補償在耳膜處和麥克風處偵測到的噪音頻率響應間的差異, 它還能夠針對抗噪訊號會受到驅動器響應影響的事實進行補償。



圖1 : 前饋式降噪耳機
圖1 : 前饋式降噪耳機

圖2 : 系統延遲對兩個不同頻率的影響
圖2 : 系統延遲對兩個不同頻率的影響

雖然耳機驅動器特性將低頻率下的前饋抵消限制在50Hz左右,但由於聲學和處理方面的延遲,其在高頻下的極限通常接近3kHz。這些延遲會造成抗噪音和噪音訊號之間難以達到180度相位差。在高頻方面尤其如此,因為噪音波長會較短。圖2顯示了在兩個頻率下,20μs延遲對降噪的影響。即使延遲時間相同,但是在1500Hz時,剩餘噪音的幅度大約為0.2(14dB ANC),但是在4500Hz時,則已經增加到0.6(僅4dB ANC)。


透過在噪音進入耳朵之前先偵測環境噪音,這個延遲可以被部分補償。這使得處理器在輸出抗噪訊號之前有更多的時間來處理訊號。然而,將麥克風放置在遠離耳道入口的位置,則不同方向噪音源的噪音消除效果將會變差(圖3)。



圖3 : 前饋式降噪的方向性,(a)與使用者形成0度的噪音,以及(b)與使用者形成90度的噪音
圖3 : 前饋式降噪的方向性,(a)與使用者形成0度的噪音,以及(b)與使用者形成90度的噪音

圖3顯示當麥克風位於耳機外殼(即遠離耳朵)時,在麥克風處偵測到噪音與進入耳朵之間的時間,會因為噪音源是位於0度或90度而有所不同。這就意味著各個方向的噪音消除效果將會不同。 這個問題可以透過控制環境噪音進入耳朵的路徑,以及將麥克風靠近這條路徑來解決。 一種有效的方法是在揚聲器後面放置一個通風孔(vent),如圖4所示,噪音進入耳朵的主要路徑是通過這個通風孔,並通過耳機驅動器或相鄰通風孔。 在這種情況下,在麥克風偵測到噪音和噪音進入耳朵之間的時間,將不會因角度不同而有所不同,都是一致的,前饋系統的方向性得以大幅降低。



圖4 : 將麥克風放在噪音以0度進入使用者耳朵(a),以及以90度(b)進入使用者耳朵的位置附近。
圖4 : 將麥克風放在噪音以0度進入使用者耳朵(a),以及以90度(b)進入使用者耳朵的位置附近。

當頻率高於3kHz,聲音的波長明顯短於耳道和耳機腔體尺寸,則可能出現在通風量及揚聲器膜片上的聲學模式,將難以被濾波。再者,系統延遲限制了這個頻寬的消除效果,所以這些頻率通常會經歷被動衰減。一般來說,通常可以透過讓耳機更加封閉來增加被動衰減,但是這需要關閉或縮減圖4中所描述的控制路徑,而這將抑制較高頻率下的前饋式降噪效能。這就導致了這個區域的被動和主動消除之間必須有所折衷。


有趣的是,當消費者在評估降噪耳機時,由於使用者可以立即啟用或停用主動降噪功能,所以更容易判斷此功能的優劣。然而,消費者較難以判斷被動衰減功能,因為在將耳機戴上耳朵所需的這短短時間內,使用者已經完全忘記了環境噪音聽起來如何。


圖4也顯示耳機必須能夠針對所有使用者提供耳墊和頭部間的相同密閉效果,以實現一致的聲學和降噪效能。


此外,建議驅動器的頻率響應和被動衰減頻率響應保持平穩(例如沒有高的Q因子峰值和谷值),如此一來,只要使用簡單的數位濾波器就能輕易補償這些傳遞函數。


反饋式降噪

反饋式降噪耳機(圖5)偵測與鼓膜相同的風量的噪音。此技術採用一個基本的控制反饋迴路,將此區域的噪音降至最低。



圖5 : 反饋式降噪耳機
圖5 : 反饋式降噪耳機

圖5顯示用於計算反饋系統降噪效果的公式。「迴路」是驅動器響應、麥克風響應和濾波器的產品。該公式顯示隨著濾波器增益(以及所帶動的迴路增益)的增加,則殘餘噪音訊號將變小,進而提高降噪效能。但是,如果迴路的相位接近±180°,則「迴路」訊號會有效反轉,分母上的“+”變為“ - ”。在這種情況下,迴路增益大為受限,因為當它從0.0增加到1.0時,結果是放大,當等於1.0時,結果是“除以零”,這就代表不穩定。這通常會表現為振幅增加的口哨聲–而這是必須不惜一切代價避免的。


在實作中,迴路的相位在10Hz時趨於180度,在數kHz時趨於-180度。因此,在這些頻率下,增益必須盡量低於1.0,但在兩者之間要盡可能大。濾波器可以透過形狀調整達到這種效果,一般通常是將反饋降噪的頻寬限制在10 Hz和1 kHz之間。


迴路相位在高頻之所以會改變,是由於處理器、揚聲器的系統延遲,以及從驅動器到麥克風的距離所致。因此,減少其中任何一個因素(使用重量較輕、更靈敏的驅動器;將麥克風靠近驅動器薄膜,並儘量減少處理器延遲),都可以提高降噪的頻寬上限。


由於反饋麥克風放置在靠近驅動器的位置,因此麥克風也會將通過耳機播放的音樂訊號偵測為噪音,如此一來,來自揚聲器的音樂訊號也會被消除,所以就必須採用電子方式來升壓,以補償這個部分。


數位訊號處理

圖6顯示一個簡單的數位環境降噪系統的建構區塊。



圖6 : 數位降噪IC的基本區塊
圖6 : 數位降噪IC的基本區塊

在數位處理器中使用ANC濾波器有多種好處:


*彈性:可以針對不同環境切換濾波器來改變降噪效能,或是採用可以消除耳機被衰減效應的環境聽通模式。 數位IC也能與輔助IC(如藍牙通訊裝置)進行數位通訊。


*更快速的開發:這通常需重複進行多種聲學設計更改和電子設計更改。數位系統可以快速改變濾波器設計,因此可以立即測試新的聲學設計,毋需重新焊接元件。


*改善的校準程序:聲學元件存在著公差,因此,影響降噪濾波器形狀的聲學傳遞函數在製程中會有所不同。每個耳機必須進行校準以補償這些公差。這是ANC耳機製造過程中非常昂貴的一個部分,大部分是因為這個過程需要時間,且往往需要手動操作。


*較小的佔板面積:這是因為所需外部元件較少。


數位系統的缺點如下:


*功耗可能更高


*數位系統具有更高的延遲:一般來說延遲越低越好,然而,一個具有可忽略的延遲的類比系統,與一個延遲小於20μs的數位系統之間的差異,其實是很難被察覺及分辨的,因為在主動降噪的頻帶中,聲學的延遲占有主導地位。


隨著無線可聽裝置越來越普及,功耗變得至關重要。因此任何數位降噪解決方案都必須是省電的。類比數位轉換(ADC)和數位類比轉換(DAC)的功耗通常是最差的。透過保留簡單的程序(例如,使用簡單的濾波器和簡化任何其他過程)以及儘可能採用最低的時脈速率,數位處理器的功耗可以保持在最低水準。雖然更快的系統時脈可以大幅降低處理器延遲,但同時也會增加功耗,所以必須在低延遲和功耗之間取得平衡。


電子噪音

製造降噪耳機卻引發電子噪音,這是得不償失的。


電子噪音的主要來源通常是麥克風。儘管近來微機電系統(MEMS)麥克風越來越普及,但是駐極體電容式麥克風(ECM)在信噪比的表現仍然優於MEMS。頂級ECM麥克風的74 dB信噪比、94 dBSPL音壓,轉換為本底噪音約相當於20 dBSPL。儘管麥克風的本底噪音仍然較低,但建議麥克風的SNR可以儘可能提高,以避免在安靜的環境中聽到不相關的噪音。


在未使用降噪的數位耳機上聽音樂時,麥克風噪音當然不宜出現,且整個數位系統必須具有足夠低的本底噪音,才不會出現難聽的電子噪音。


為數位系統指定一個可接受的SNR,常用的方法是定義期望被輸出的最大聲音,並從中減去可聽到的最安靜聲音的水平。因此系統中可接受的電噪音水平就是聽不到的程度。 雖然0 dBSPL被定義為在1 kHz的人類聽力的閾值下限,但您其實很難發現自己處於比25 dBSPL(就像是具距離1公尺遠的呼吸聲)更安靜的環境中。雖然最近的標準(EN 50322和IEC 600065:2014)規定,可攜式媒體播放器必須將音樂播放最大音量限制在100 dBA,但是在某些頻率下,耳機可以輸出的峰值數值水準大約為125 dBSPL。


因此,指定一個可達到至少100 dB SNR(125 dBSPL - 25 dBSPL)的DAC,並確保數位電路的噪音低於這數值是非常合理的。 對於現代的數位處理器來說,這看起來似乎不是一個困難的目標,但是浮點運算被認為太耗電,於是就採用固定點運算。這必須保持較長的字長,以使量化噪音低於ADC和DAC的噪音。


選擇具有良好靈敏度、較低失真度的揚聲器也是必要的。來自揚聲器的任何失真都將導致抗噪音訊號失真,以及整體降噪效果降低。


設計注意事項摘要

*採用數位降噪架構以提供靈活性。


*儘量減少整個系統的聲學延遲,並使用延遲小於20μs的IC來最佳化降噪頻寬。


*創造一個控制路徑,將噪音傳送至耳朵,以實現有效的前饋降噪。


*設計適用於所有耳機使用者的機制。


*採用更開放的設計,減少被動衰減,增加主動衰減;或是採用更封閉的設計,增加被動衰減,減少主動衰減。


*調整風量、通風口和通風口阻尼(vent damping),以創造平穩的驅動器響應和被動衰減響應。


*藉由指定具有良好信噪比的麥克風,盡量減少電子噪音來源,並確保不會聽到任何來自數位電路及DAC的噪音。


(本文作者Peter MCCutcheon為奧地利微電子(ams)應用工程師)


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