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如何设计一款反馈式主动降噪耳机?

Horst Gether?? ams主动降噪产品经理?? 2015年07月31日 ?? 收藏8

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:

主动降噪滤波器(ANC Filter)计算

理想的相位响应计算方式如下:

主动降噪滤波器(ANC Filter)计算

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 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评估软件的一部分。此仿真工具的屏幕截图如图4所示。

图 4: AS3435滤波器仿真工具
图 4: AS3435滤波器仿真工具

该工具也使用spice仿真器,但配备了图形用户接口(GUI),使滤波器的开发变得容易很多,特别是对于那些“未经培训”的设计工程师而言。它可以帮助设计工程师通过一组预定义的滤波器拓扑定义不同的增益和截止频率。这个系统不像spice仿真器那么有弹性,让用户可以定义滤波器拓扑以及电阻和电容数值,但它是一个很好的起点,将协助设计工程师更加了解主动降噪滤波器设计中可能会遇到的困难。

图5所示的仿真窗口,显示了仿真窗口中设定滤波器仿真的结果。绿色曲线为理想的反馈滤波器,它是量测到的开环回路的翻转。蓝色曲线则代表了spice仿真的结果。反馈滤波器仿真前馈滤波器仿真的差异表明仅仅做到频率和相位的匹配是不够的。在反馈系统中,更高的增益带来更佳的主动降噪性能,然而在前馈式系统中,太高的增益不但不能消除噪声,反而会放大噪声。在反馈系统中,焦点通常是在较低的频率范围内:从20Hz至800Hz。基于耳机的声学性能,焦点的峰值则落在100Hz的范围内。较高的频率也较难消除,因为很难或根本无法匹配其相位响应。所以,减弱较高频率以及尽可能避免系统震荡是很重要的。

图5: 滤波器仿真结果
图5: 滤波器仿真结果

如果增益过高,且仿真出来的滤波器与理论计算出来的理想滤波器之间的相位不匹配度太大(typ. 120°),则耳机会发生震荡。AS3435滤波器仿真软件具备稳定性检查功能,能够自动显示理论计算出来的ANC滤波器与仿真出来的ANC滤波器之间的增益和相位的不匹配。仿真结果如图6所示。

在相位不匹配大于120°,同时增益不匹配高于-12dB的区域,该工具以红框标示出重点区域。在这个频率区域中,震荡的发生率是很高的。

图6: 稳定性检查功能
图6: 稳定性检查功能

在相位不匹配度高的区域中,滤波器设计工程师必须确保增益尽可能低。震荡一般发生在高频,然而在1Hz附近发生也是有可能的。

下一页:滤波器验证和主动降噪测试

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主动降噪? 耳机?

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