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高性能數字ANC主動降噪方案

2020-03-11 16:36:55 來源:世健
隨著社會進步、城市化快速發展,我們的生活環境也在逐漸變得復雜,所接觸到的噪音污染也越來越大了。雖然我們使用的耳機產品越來越高檔,但在室外使用普通耳機耳塞只能通過提高音量來蓋過噪聲,這樣就不可避免地對我們的聽力造成一定的損傷。針對這個問題,使用降噪耳機是比較好的選擇,可以讓消費者在飛機、火車、地鐵等噪音比較大的環境中,較好地保護聽力,同時也能安靜地享受音樂帶來的樂趣。

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

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

ANC主動降噪耳機目前有模擬和數字兩種主流方案,但在大規模生產時,模擬降噪方案需要調整外圍的RC阻容器件作為濾波器反饋端的參數,而RC器件的精度導致最終耳機的降噪能力差異極大,且不良率很高。對于這個問題,技術型授權分銷商Excelpoint世健公司的技術支持部副經理Jack Yao向我們介紹了ADI 數字主動降噪方案。他表示,面對消費級ANC耳機面臨一致性、功耗、音質三重挑戰,該方案都可以一并解決。
 
 

如圖2所示ADAU1777框架結構圖, ADAU1777具有快速高精度(高達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ADC模擬輸入,可配置為麥克風或線路輸入;同時,兩路數字麥克風輸入可作為選通輸入。基于以上性能,ADAU1777已在國內外各大耳機ODM廠商都有成熟產品的應用和量產。
 
這款產品針對主動降噪耳機的應用又做了進一步的性能優化和提升。


 
 如圖3所示 ADAU1787框架圖,ADAU1787具有獨特的雙核設計,FastDSP 核做主動降噪濾波器處理,同時SigmaDSP核做EQ后處理,對降噪處理后損失的音樂中低頻部分做補償。

因為混合(hybrid)主動降噪解決方案需要四個主動降噪麥克風:其中兩個用于前饋回路,兩個用于反饋回路,再加上line in通道至少需要6個輸入通道,ADAU1787提供4路ADC輸入接口和4路數字麥克風輸入,且這些輸入口是并行輸入,所以ADAU1787可以實現單芯片應用于混合(hybrid)降噪耳機。同時,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,可以應用在功耗和芯片體積要求更嚴苛的TWS耳機。

主動降噪(ANC)耳機設計和調試

如何設計一款高性能主動降噪(ANC)耳機呢?首先需要進行的是Matlab仿真模型搭建,如圖4是ANC系統框架:
 
一共三層,用虛線分隔:最上面一層primary path是從Ref Mic到Error Mic的聲學通道,響應函數用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;最下面一層是數字通路,其中adaptive filter不斷調整濾波器權系數來削減殘差,直到收斂。最常用的方案是用FIR濾波器結合LMS算法來實現自適應濾波器。簡化圖4,可以得到圖5。
 
 
這里adaptive filter輸出后經過S(z)和desire output比較后,可能會引起instability。一種有效的方法是FXLMS(Filtered-X LMS),也就讓x(n)經過Sˆ(z)S^(z)再輸入給LMS 模塊, 使adaptive filter可以正常收斂。也就是說,自適應濾波器的權系數是由耳機的primary path和secondary path決定的。耳機的primary path和secondary path相對穩定,所以adaptive filter的權系數也相對穩定。用變步長LMS的adaptive filter,得仿真結果如圖6,在0到2KHz范圍內(圖6)。
 
接著第二步,就需要一些設備對耳機的聲學特性做檢測,可選用的音頻設備有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耳機特性時,用于模擬人耳響應。這些人工耳集成了高度精確的麥克風,能測量到人戴耳機時真實聽到的聲音。另外還需要一個揚聲器,用于測量耳機的被動衰減特性。耳機腔體聲學指標的測試是ANC濾波器仿真設計非常重要的環節。

最后,需要在ADI Sigmastudio 圖形化工具對Matlab仿真系數做相應濾波器參數的代入和調整(圖7),而這部分調試需要和耳機聲學曲線測試做反復驗證。
 
總的來說,ANC降噪耳機市場潛力很大,而采用數字芯片來實現ANC降噪處理的耳機是未來發展方向,但從研發到量產這條路上還有很多挑戰,包括了研發階段的ID設計、傳遞函數測量、ANC濾波器仿真和調試,量產階段的來料檢驗控制、成品產線自動增益調整系統等。目前,世健與有經驗的IDH配合支持客戶,可以縮短客戶產品的研發周期。

如圖8是IDH用ADAU1787在一款頭戴式ANC耳機測試曲線。
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.

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