高性能數(shù)字ANC主動(dòng)降噪方案

隨著社會(huì)進(jìn)步、城市化快速發(fā)展，我們的生活環(huán)境也在逐漸變得復(fù)雜，所接觸到的噪音污染也越來越大了。雖然我們使用的耳機(jī)產(chǎn)品越來越高檔，但在室外使用普通耳機(jī)耳塞只能通過提高音量來蓋過噪聲，這樣就不可避免地對(duì)我們的聽力造成一定的損傷。針對(duì)這個(gè)問題，使用降噪耳機(jī)是比較好的選擇，可以讓消費(fèi)者在飛機(jī)、火車、地鐵等噪音比較大的環(huán)境中，較好地保護(hù)聽力，同時(shí)也能安靜地享受音樂帶來的樂趣。

ANC主動(dòng)降噪基本原理是通過Ref Mic(reference microphone)采集環(huán)境噪音噪聲，通過降噪系統(tǒng)電路產(chǎn)生降噪MIC接收的外界環(huán)境噪音相等的反相信號(hào)，將噪聲抵消(如圖1所示)。

ANC主動(dòng)降噪耳機(jī)的好處在于低頻噪聲的控制效果顯著，減輕噪音對(duì)人體健康的影響。一般情況下，ANC主動(dòng)降噪的有效頻率在50Hz—2KHz之間。對(duì)于超過2KHz的噪音，降噪耳機(jī)可以通過耳機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的選擇，融合被動(dòng)降噪的方法、耳機(jī)入耳式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與耳帽采用隔音材料等，也可以起到很好的降噪效果。主動(dòng)降噪只需專注于消除低頻噪音，與被動(dòng)降噪相輔相成。

ANC主動(dòng)降噪耳機(jī)目前有模擬和數(shù)字兩種主流方案，但在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，模擬降噪方案需要調(diào)整外圍的RC阻容器件作為濾波器反饋端的參數(shù)，而RC器件的精度導(dǎo)致最終耳機(jī)的降噪能力差異極大，且不良率很高。對(duì)于這個(gè)問題，技術(shù)型授權(quán)分銷商Excelpoint世健公司的技術(shù)支持部副經(jīng)理Jack Yao向我們介紹了ADI 數(shù)字主動(dòng)降噪方案。他表示，面對(duì)消費(fèi)級(jí)ANC耳機(jī)面臨一致性、功耗、音質(zhì)三重挑戰(zhàn)，該方案都可以一并解決。

如圖2所示ADAU1777框架結(jié)構(gòu)圖， ADAU1777具有快速高精度(高達(dá)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(gè)ADC模擬輸入，可配置為麥克風(fēng)或線路輸入;同時(shí)，兩路數(shù)字麥克風(fēng)輸入可作為選通輸入。基于以上性能，ADAU1777已在國(guó)內(nèi)外各大耳機(jī)ODM廠商都有成熟產(chǎn)品的應(yīng)用和量產(chǎn)。

Jack還向我們介紹了ADI發(fā)布了新一代DSP產(chǎn)品 ADAU1787。這款產(chǎn)品針對(duì)主動(dòng)降噪耳機(jī)的應(yīng)用又做了進(jìn)一步的性能優(yōu)化和提升。

如圖3所示 ADAU1787框架圖，ADAU1787具有獨(dú)特的雙核設(shè)計(jì)，F(xiàn)astDSP 核做主動(dòng)降噪濾波器處理，同時(shí)SigmaDSP核做EQ后處理，對(duì)降噪處理后損失的音樂中低頻部分做補(bǔ)償。

因?yàn)榛旌?hybrid)主動(dòng)降噪解決方案需要四個(gè)主動(dòng)降噪麥克風(fēng)：其中兩個(gè)用于前饋回路，兩個(gè)用于反饋回路，再加上line in通道至少需要6個(gè)輸入通道，ADAU1787提供4路ADC輸入接口和4路數(shù)字麥克風(fēng)輸入，且這些輸入口是并行輸入，所以ADAU1787可以實(shí)現(xiàn)單芯片應(yīng)用于混合(hybrid)降噪耳機(jī)。同時(shí)，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(yīng)用在功耗和芯片體積要求更嚴(yán)苛的TWS耳機(jī)。

主動(dòng)降噪(ANC)耳機(jī)設(shè)計(jì)和調(diào)試

如何設(shè)計(jì)一款高性能主動(dòng)降噪(ANC)耳機(jī)呢?Jack進(jìn)一步介紹了主動(dòng)降噪(ANC)耳機(jī)設(shè)計(jì)和調(diào)試步驟。

首先需要進(jìn)行的是Matlab仿真模型搭建，如圖4是ANC系統(tǒng)框架：

一共三層，用虛線分隔：最上面一層primary path是從Ref Mic到Error Mic的聲學(xué)通道，響應(yīng)函數(shù)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;最下面一層是數(shù)字通路，其中adaptive filter不斷調(diào)整濾波器權(quán)系數(shù)來削減殘差，直到收斂。最常用的方案是用FIR濾波器結(jié)合LMS算法來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器。簡(jiǎn)化圖4，可以得到圖5。

這里adaptive filter輸出后經(jīng)過S(z)和desire output比較后，可能會(huì)引起instability。一種有效的方法是FXLMS(Filtered-X LMS)，也就讓x(n)經(jīng)過S?(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(yīng)濾波器的權(quán)系數(shù)是由耳機(jī)的primary path和secondary path決定的。耳機(jī)的primary path和secondary path相對(duì)穩(wěn)定，所以adaptive filter的權(quán)系數(shù)也相對(duì)穩(wěn)定。用變步長(zhǎng)LMS的adaptive filter，得仿真結(jié)果如圖6，在0到2KHz范圍內(nèi)(圖6)。

接著第二步，就需要一些設(shè)備對(duì)耳機(jī)的聲學(xué)特性做檢測(cè)，可選用的音頻設(shè)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。

人耳模擬裝置可在量測(cè)耳機(jī)特性時(shí)，用于模擬人耳響應(yīng)。這些人工耳集成了高度精確的麥克風(fēng)，能測(cè)量到人戴耳機(jī)時(shí)真實(shí)聽到的聲音。另外還需要一個(gè)揚(yáng)聲器，用于測(cè)量耳機(jī)的被動(dòng)衰減特性。耳機(jī)腔體聲學(xué)指標(biāo)的測(cè)試是ANC濾波器仿真設(shè)計(jì)非常重要的環(huán)節(jié)。

最后，需要在ADI Sigmastudio 圖形化工具對(duì)Matlab仿真系數(shù)做相應(yīng)濾波器參數(shù)的代入和調(diào)整(圖7)，而這部分調(diào)試需要和耳機(jī)聲學(xué)曲線測(cè)試做反復(fù)驗(yàn)證。

總的來說，ANC降噪耳機(jī)市場(chǎng)潛力很大，而采用數(shù)字芯片來實(shí)現(xiàn)ANC降噪處理的耳機(jī)是未來發(fā)展方向，但從研發(fā)到量產(chǎn)這條路上還有很多挑戰(zhàn),包括了研發(fā)階段的ID設(shè)計(jì)、傳遞函數(shù)測(cè)量、ANC濾波器仿真和調(diào)試，量產(chǎn)階段的來料檢驗(yàn)控制、成品產(chǎn)線自動(dòng)增益調(diào)整系統(tǒng)等。目前，世健與有經(jīng)驗(yàn)的IDH配合支持客戶，可以縮短客戶產(chǎn)品的研發(fā)周期。

如圖8是IDH用ADAU1787在一款頭戴式ANC耳機(jī)測(cè)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(guān)于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.