反馈式主动降噪耳机的设计实现

　　前馈式耳机一般来说是比较容易开发的，因为设计工程师通常不用处理稳定性方面的问题。然而，这种拓扑的一个主要缺点就是风噪声（Wind noise），因为它的降噪麦克风是直接暴露在环境中的。克服此缺点的方法之一就是采用反馈式主动降噪技术。此篇文章将说明采用ams的 AS3435 设计反馈式主动降噪耳机所需的步骤。

　　设备综述

　　同设计前馈式耳机一样，反馈式耳机也需要特定的设备，其中最重要的就是能够测量频率响应和相位响应的音频测量系统。

　　适合用来进行这些测量的音频设备包括Audio Precision、Bruel&Kjaer及 Soundcheck等。搭配不同类型人工耳的人耳仿真器可用来模拟人耳的声学响应。推荐采用Head Acoustics、Bruel&Kjaer或是 GRAS的产品。

　　常用于前馈入耳式产品的IEC711耦合器在这项应用中是不需要的。在反馈入耳式系统中，麦克风的摆放会受到空间限制。所以，99%的反馈式耳机一般都是罩耳式（on-ear）或者包耳式（over-ear）设计。当然，目前市场上还是有反馈入耳式设计的。除了仿真人耳和能够测量增益和相位的音频测量设备之外，其余的用于前馈式设计的设备已经包含了所有开发反馈式主动降噪耳机的需求。为测定耳机的主动降噪性能，还需要一个双向式扬声器系统（最好是双向同轴扬声器），以便将主动降噪耳机暴露在噪音场中进行测试。

　　设计反馈式主动降噪耳机所需的最后一个要素是AS3435评估板（EVB），它包括了所有必要的连接器和前置放大器，满足了耳机声学特性量测时的需求。

　　如何量测反馈式耳机声学特性？

　　除了衬垫（cushion）和扬声器声腔等机械组件之外，每部主动降噪耳机还需要扬声器和主动降噪麦克风等电声组件。这些组件集合在一起，决定了耳机的频率和相位响应。不同的耳机会有不同的频率和相位响应，所以需要正确的特性量测来实现各个耳机主动降噪性能的优化，以达到最大的带宽。

　　相较于前馈式系统，反馈式系统的主动降噪特性测量是非常简单的，所需要的就只是量测耳机扬声器和主动降噪麦克风之间的开环回路。

　　图 1：反馈式耳机特性测量

　　测量装置包括图1所示的Audio DAQ（数据撷取）系统、人工头及主动降噪耳机。数据获取（Data Acquisition）系统的输出连接至AS3435评估板的输入，主动降噪耳机的扬声器需连接至AS3435评估板的耳机放大器输出，同时，主动降噪麦克风连接至评估板的麦克风输入。设计所需的麦克风偏压（bias voltage）由评估板提供，因此麦克风连接无需额外的外部组件。

　　最后一个重要且必需的连接，是从评估板的QMICx引脚（麦克风前置放大器输出）连接至DAQ系统的模拟音频输入。在测量开始前，AS3435评估板必须进行正确配置。评估板软件的屏幕截图如图2所示。很重要的一点是，要将麦克风前置放大器增益设定为0dB，使其之后能匹配ams的滤波器计算模板。

　　图2：反馈系统特性测量时的软件配置

　　另外，将耳机多路输入设定到"未连接"位置也是必需的，有助于避免麦克风信号回馈至扬声器。当然，这是主动降噪运作期间所需的，而非针对开环回路特性的测量。

　　当评估板得到正确配置后，DAQ系统就会产生一个从20kHz至20Hz的正弦扫频信号。然后DAQ系统便会测量麦克风前置放大器输出端的增益和相位响应。该测量包括所有反馈滤波器设计所需的相关信息。

　　主动降噪滤波器（ANC Filter）计算

　　反馈电路的主动降噪滤波器计算非常简单，计算方式如下：

　　理想的相位响应计算方式如下：

　　如这些算式所示，所需的滤波器计算只是增益和相位响应的反向。通过Excel表格便能完成计算。AS3435评估套件提供此计算模板。

　　滤波器开发

　　下一个，可能也是开发环节中最重要的步骤，就是主动降噪滤波器的开发。通过滤波器计算来了解主动降噪耳机的特性，意味着这些信息可以用在主动降噪滤波器的开发上。降噪耳机的声学特性以及滤波器计算，可用于ANC滤波器的开发。

　　市面上有许多反馈式主动降噪耳机，但是大部分的设计都只是简单地反转反馈信号，因而主动降噪性能极低。所以，重要的是把握滤波器开发过程中的重点，包括了解并懂得系统的限制。有经验的工程师可以使用Spice仿真工具来设计主动降噪滤波器。这需要很多经验，尤其是在滤波器拓扑和滤波器计算方面的经验。图3 为主动降噪滤波器范例。

　　图 3： Spice 滤波器仿真范例

图示为完整的主动降噪信号链，包含反向放大器和RC网络，可以设计主动降噪滤波器的频率和增益响应。为了让工程师能够更方便地设计滤波器，ams开发了滤波器仿真工具，作为AS3435评