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如何设计一款前馈式主动降噪(ANC)耳机?

Horst Gether?? AMS?? 2014年11月20日 ?? 收藏5

开发滤波器

一个好的ANC耳机的关键在于滤波器的设计。如果滤波器的设计不合理,即使再好的ANC芯片也没用。滤波器设计的目标是尽量匹配增益和相位响应。在特定频率匹配得越好,ANC性能也就越好。因为是模拟信号处理,滤波器的仿真通常是通过spice仿真工具完成的。图4是一个spice仿真线路,该线路体现了ANC麦克风滤波器的信号路径。

图4:Spice滤波器仿真范例
图4:Spice滤波器仿真范例
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ANC滤波器设计工程师的目的是将图4滤波器仿真线路中的增益和相位响应与计算出的理想曲线匹配起来。现在人们使用的典型滤波器有一阶低通滤波器、陷波滤波器、高架及低架滤波器。设计师必须了解不同的拓扑结构以及截止频率、通带、阻带的计算方法。这当然不是一个简单的任务,尤其是当他们不习惯使用spice仿真工具和模拟滤波器开发工具时。

图5:AS3415前馈滤波仿真工具
图5:AS3415前馈滤波仿真工具
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为了解决这一问题,AS3415评估软件整合了前馈滤波器仿真工具,如图5所示。设计工程师能够使用这一工具来设计理想的ANC滤波器。这一工具提供了一套预定义的滤波器架构,取代了修改零件值及滤波器结构的做法。基于为许多不同客户模拟的滤波器结构,这些预定义的滤波器结构能够涵盖90%的ANC声学需求。图6显示了该工具的模拟结果。绿色曲线代表理想的ANC增益和相位响应,蓝色曲线显示了利用图5的工具制作的ANC滤波器的模拟结果。设计滤波器时,有一点很重要,那就是我们要注重哪些频段。ANC耳机的运作有特定的频率范围,这并非由于AS3415本身的局限性,而是跟声音的传播速度及耳机的声学特性相关。如果我们只关注理想滤波曲线中的增益响应,设计符合该曲线的滤波器则很容易。但问题是在ANC滤波器的设计中也得同时匹配相位。由于更高频率下的相位几乎旋转了180度,设计出的滤波器很有可能与频率响应匹配,而不与相位匹配。取决于不同的耳机及其相位响应,我们通常可以做到1.5kHz频率以下的滤波器匹配。更高频的部分需要尽可能的衰减。如果不衰减这些未匹配的高频部分,可能会引入噪音。我们在低频部分减弱噪音,但如果高频的相位失配,就会导致噪音被放大。为了避免这一现象,我们会尽量在无法匹配的区域降低增益。图6中的绿色透明区域代表我们通常能达到的增益和相位的最小失配。红色区域是我们要尽量衰减的部分。高频衰减和相位响应之间必须达到一个良好的平衡。如果在高频下衰减得太多,会影响到低频的相位响应,从而可能失去ANC的效果。

图6:模拟结果
图6:模拟结果
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滤波器检验及ANC测试

得到令人满意的滤波曲线以后,AS3415滤波器仿真工具同时提供材料清单输出功能。由于该工具和AS3415的评估板相匹配,材料清单中列出的项目能够被焊接在评估板上,以测试带有该滤波器的ANC的性能。测试包含两项内容:一是耳机戴在人工头上时的被动衰减测试,二是打开AS3415芯片并配置好前馈降噪功能时的频响测试。ANC性能计算如下:

如何利用AS3415设计一款主动降噪(ANC)耳机?

这些计算可以通过一个Excel表格来完成,并生成一份音频范围内的ANC降噪性能曲线图。这张ANC降噪性能曲线图在降噪耳机的设计及生产过程中是十分重要及常见的。AS3415的开发工具以及ANC降噪耳机开发相关的应用注解和样板现已上线。

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主动降噪耳机? AS3415? 主动降噪芯片?

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