降噪耳机宽频设计应对听力损失

主动降噪耳机必须尽量减少延迟以应对不均匀的噪声。麦克风和扬声器之间的距离通常为0.7cm，相当于20μs的声音传播延迟。对于数字实现而言，模数转换、信号处理和数模转换也只有20μs间隔（图2）。

　　图2：在麦克风至扬声器的距离为0.7cm的情况下，信号链的传播延迟不会超过20μs.

　　满足时序要求的标准150MIPS、24位DSP、模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的典型功耗约为113mW.相比之下，具有类似（如果不是更好）性能的模拟应用（例如奥地利微电子（AMS）公司的AS3400）消耗的功率小于10mW.出于电池续航时间考虑，业界一般倾向于选用模拟方案。

　　另一方面，数字解决方案的开发变得更加精确和面向软件。而且，设计人员也能够更容易地实现均衡、低音增强和环绕立体声等特性--当然，这将以额外的计算和更多的电量消耗为代价。

　　虽然模拟方案更多地取决于经验并依赖于大量的已有电声工程专业知识，但是这将为那些能够应用专业技术的设计人员带来另一个超越电池续航时间、尺寸和成本的重要优势：立即做出反应。

　　降噪的水平

　　高于1或2kHz时，每个耳机都能表现出某种形式的被动降噪，因为绝缘材料阻挡了环境噪声进入耳朵。同样，20~30dB的噪声隔离通常高于数千赫兹。好的隔噪耳机具有无源噪声滤波功能，可以将噪声滤除到非常低的频率，达到5~30dB的噪声隔离。即使没有通电，耳机也能带来平和与安静。

　　然而，好的被动降噪也有不足之处：一种被称为遮挡的现象。最好的例子是将手指插在耳朵里然后说话。由于声音通过下巴和鼻子的骨结构进行传递，体验者将会听到自己的声音沉闷失真。

　　这种现象通常会使用户在谈话时提高声音（甚至是叫喊），这既不慎重也会令人不快。除了在谈话时摘下耳机或耳塞外，还可以采用侧音等技术--声音由一个独立的麦克风获取，并稍加减弱后回放。

　　主动降噪的一个意外优势在于，它能够取代较低频率（例如语音频段）下高无源滤波的需求。由于用户可以通过控制开关来开启或关闭主动降噪功能，当飞机上的邻座在服务车经过希望其能让空中乘务员停下时，这将带来很大的便利。

　　前馈方案具有一个最佳点：使降噪性能实现最大化的窄频带（图3a）。此外，前馈方案能在宽频谱中实现降噪，一般可高达4或5kHz.

　　反馈式主动降噪在其频带范围内往往更为均匀（图3b）。然而，考虑中的频带通常只限于约1kHz.这种限制取决于稳定性的需要，以确保不同人或不同的耳机压力不会使足够的传递函数改变成正反馈而引起振荡。高达20dB和1kHz带宽的降噪对反馈设计来说十分常见。

混合设计结合了两种拓扑结构的优点，同时尽量减少了它们的缺点（图3c）。

　　图3：从电池续航时间考虑，模拟设计是更好的选择，但功耗只是设计权衡的一个因素。

　　设计案例

　　在产品概念阶段，OEM工程师必须评判所有的权衡，并确定产品是否会选用前馈、反馈或混合式主动降噪方案，以及机械设计所需的材料。

　　下一步就是定义形状、大小以及耳机和适合度。主动降噪器件供应商可以就麦克风、通风孔的位置以及与耳机声学结构相关的其他特性提供建议。主动降噪芯片集成了所有的主要功能并提供了必要的性能。奥地利微电子的AS34x0具有前馈设计所需要的一切（图4）。

　　图4：前馈方案（a）通常具有一个降噪性能可以被最大化的窄频带。超过25dB的最佳点和高达4kHz的带宽十分常见。

　　反馈式主动降噪（b）更为平坦。混合式设计（c）兼具两种设计的优势。

　　下一步原型设计阶段，耳机开发者将3D模型转化为电声方案。这个阶段中，OEM工程师对耳机声音进行了合理修改，同时，芯片供应商可以使用仿真工具和开发套件，参与首款主动降噪滤波电路的开发。

　　这一阶段的输出为全功能的耳机，该首款原型呈现出了最佳的主动降噪性能，同时包含了独立的频响图。大多数供应商都提供全面的电路参考原理图和耳机机械设计的进一步改进建议，以提高主动降噪性能。该原型阶段通常在经过1~2次重复操作后就可以完成。

　　最后一步就是集成这些被认可的修改，并对印刷电路板（PCB）进行设计和布局。一旦生产确认样品完成，主动降噪传递函数就可以进行微调。