前饋式耳機一般來(lái)說(shuō)是比較容易開(kāi)發(fā)的，因為設計工程師通常不用處理穩定性方面的問(wèn)題。然而，這種拓撲的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是風(fēng)噪聲（Wind noise），因為它的降噪麥克風(fēng)是直接暴露在環(huán)境中的�？朔巳秉c(diǎn)的方法之一就是采用反饋式主動(dòng)降噪技術(shù)。此篇文章將說(shuō)明采用ams的 AS3435 設計反饋式主動(dòng)降噪耳機所需的步驟。
設備綜述
同設計前饋式耳機一樣，反饋式耳機也需要特定的設備，其中最重要的就是能夠測量頻率響應和相位響應的音頻測量系統。
適合用來(lái)進(jìn)行這些測量的音頻設備包括Audio Precision、Bruel&Kjaer及 Soundcheck等。搭配不同類(lèi)型人工耳的人耳仿真器可用來(lái)模擬人耳的聲學(xué)響應。推薦采用Head Acoustics、Bruel&Kjaer或是 GRAS的產(chǎn)品。
常用于前饋入耳式產(chǎn)品的IEC711耦合器在這項應用中是不需要的。在反饋入耳式系統中，麥克風(fēng)的擺放會(huì )受到空間限制。所以，99%的反饋式耳機一般都是罩耳式（on-ear）或者包耳式（over-ear）設計。當然，目前市場(chǎng)上還是有反饋入耳式設計的。除了仿真人耳和能夠測量增益和相位的音頻測量設備之外，其余的用于前饋式設計的設備已經(jīng)包含了所有開(kāi)發(fā)反饋式主動(dòng)降噪耳機的需求。為測定耳機的主動(dòng)降噪性能，還需要一個(gè)雙向式揚聲器系統（最好是雙向同軸揚聲器），以便將主動(dòng)降噪耳機暴露在噪音場(chǎng)中進(jìn)行測試。
設計反饋式主動(dòng)降噪耳機所需的最后一個(gè)要素是AS3435評估板（EVB），它包括了所有必要的連接器和前置放大器，滿(mǎn)足了耳機聲學(xué)特性量測時(shí)的需求。
如何量測反饋式耳機聲學(xué)特性?
除了襯墊（cushion）和揚聲器聲腔等機械組件之外，每部主動(dòng)降噪耳機還需要揚聲器和主動(dòng)降噪麥克風(fēng)等電聲組件。這些組件集合在一起，決定了耳機的頻率和相位響應。不同的耳機會(huì )有不同的頻率和相位響應，所以需要正確的特性量測來(lái)實(shí)現各個(gè)耳機主動(dòng)降噪性能的優(yōu)化，以達到最大的帶寬。
相較于前饋式系統，反饋式系統的主動(dòng)降噪特性測量是非常簡(jiǎn)單的，所需要的就只是量測耳機揚聲器和主動(dòng)降噪麥克風(fēng)之間的開(kāi)環(huán)回路。
圖 1:反饋式耳機特性測量
測量裝置包括圖1所示的Audio DAQ（數據擷�。┫到y、人工頭及主動(dòng)降噪耳機。數據獲�。―ata Acquisition）系統的輸出連接至AS3435評估板的輸入，主動(dòng)降噪耳機的揚聲器需連接至AS3435評估板的耳機放大器輸出，同時(shí)，主動(dòng)降噪麥克風(fēng)連接至評估板的麥克風(fēng)輸入。設計所需的麥克風(fēng)偏壓（bias voltage）由評估板提供，因此麥克風(fēng)連接無(wú)需額外的外部組件。
最后一個(gè)重要且必需的連接，是從評估板的QMICx引腳（麥克風(fēng)前置放大器輸出）連接至DAQ系統的模擬音頻輸入。在測量開(kāi)始前，AS3435評估板必須進(jìn)行正確配置。評估板軟件的屏幕截圖如圖2所示。很重要的一點(diǎn)是，要將麥克風(fēng)前置放大器增益設定為0dB，使其之后能匹配ams的濾波器計算模板。
圖2:反饋系統特性測量時(shí)的軟件配置
另外，將耳機多路輸入設定到"未連接"位置也是必需的，有助于避免麥克風(fēng)信號回饋至揚聲器。當然，這是主動(dòng)降噪運作期間所需的，而非針對開(kāi)環(huán)回路特性的測量。
當評估板得到正確配置后，DAQ系統就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)從20kHz至20Hz的正弦掃頻信號。然后DAQ系統便會(huì )測量麥克風(fēng)前置放大器輸出端的增益和相位響應。該測量包括所有反饋濾波器設計所需的相關(guān)信息。
主動(dòng)降噪濾波器(ANC Filter)計算
反饋電路的主動(dòng)降噪濾波器計算非常簡(jiǎn)單，計算方式如下：
理想的相位響應計算方式如下：
如這些算式所示，所需的濾波器計算只是增益和相位響應的反向。通過(guò)Excel表格便能完成計算。AS3435評估套件提供此計算模板。
濾波器開(kāi)發(fā)
下一個(gè)，可能也是開(kāi)發(fā)環(huán)節中最重要的步驟，就是主動(dòng)降噪濾波器的開(kāi)發(fā)。通過(guò)濾波器計算來(lái)了解主動(dòng)降噪耳機的特性，意味著(zhù)這些信息可以用在主動(dòng)降噪濾波器的開(kāi)發(fā)上。降噪耳機的聲學(xué)特性以及濾波器計算，可用于A(yíng)NC濾波器的開(kāi)發(fā)。
市面上有許多反饋式主動(dòng)降噪耳機，但是大部分的設計都只是簡(jiǎn)單地反轉反饋信號，因而主動(dòng)降噪性能極低。所以，重要的是把握濾波器開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)，包括了解并懂得系統的限制。有經(jīng)驗的工程師可以使用Spice仿真工具來(lái)設計主動(dòng)降噪濾波器。這需要很多經(jīng)驗，尤其是在濾波器拓撲和濾波器計算方面的經(jīng)驗。圖3為主動(dòng)降噪濾波器范例。
圖3： Spice濾波器仿真范例
圖示為完整的主動(dòng)降噪信號鏈，包含反向放大器和RC網(wǎng)絡(luò )，可以設計主動(dòng)降噪濾波器的頻率和增益響應。為了讓工程師能夠更方便地設計濾波器，ams開(kāi)發(fā)了濾波器仿真工具，作為AS3435評估軟件的一部分。此仿真工具的屏幕截圖如圖4所示。
圖4： AS3435濾波器仿真工具
該工具也使用spice仿真器，但配備了圖形用戶(hù)接口(GUI)，使濾波器的開(kāi)發(fā)變得容易很多，特別是對于那些"未經(jīng)培訓"的設計工程師而言。它可以幫助設計工程師通過(guò)一組預定義的濾波器拓撲定義不同的增益和截止頻率。這個(gè)系統不像spice仿真器那么有彈性，讓用戶(hù)可以定義濾波器拓撲以及電阻和電容數值，但它是一個(gè)很好的起點(diǎn)，將協(xié)助設計工程師更加了解主動(dòng)降噪濾波器設計中可能會(huì )遇到的困難。
圖5所示的仿真窗口，顯示了仿真窗口中設定濾波器仿真的結果。綠色曲線(xiàn)為理想的反饋濾波器，它是量測到的開(kāi)環(huán)回路的翻轉。藍色曲線(xiàn)則代表了spice仿真的結果。反饋濾波器仿真前饋濾波器仿真的差異表明僅僅做到頻率和相位的匹配是不夠的。在反饋系統中，更高的增益帶來(lái)更佳的主動(dòng)降噪性能，然而在前饋式系統中，太高的增益不但不能消除噪聲，反而會(huì )放大噪聲。在反饋系統中，焦點(diǎn)通常是在較低的頻率范圍內：從20Hz至800Hz.基于耳機的聲學(xué)性能，焦點(diǎn)的峰值則落在100Hz的范圍內。較高的頻率也較難消除，因為很難或根本無(wú)法匹配其相位響應。所以，減弱較高頻率以及盡可能避免系統震蕩是很重要的。
圖5：濾波器仿真結果
如果增益過(guò)高，且仿真出來(lái)的濾波器與理論計算出來(lái)的理想濾波器之間的相位不匹配度太大(typ. 120°)，則耳機會(huì )發(fā)生震蕩。AS3435濾波器仿真軟件具備穩定性檢查功能，能夠自動(dòng)顯示理論計算出來(lái)的ANC濾波器與仿真出來(lái)的ANC濾波器之間的增益和相位的不匹配。仿真結果如圖6所示。
在相位不匹配大于120°，同時(shí)增益不匹配高于-12dB的區域，該工具以紅框標示出重點(diǎn)區域。在這個(gè)頻率區域中，震蕩的發(fā)生率是很高的。
圖6：穩定性檢查功能
在相位不匹配度高的區域中，濾波器設計工程師必須確保增益盡可能低。震蕩一般發(fā)生在高頻，然而在1Hz附近發(fā)生也是有可能的。
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