在正式開(kāi)始制作一款主動(dòng)降噪耳機之前，我們需要特殊的音頻設備。首先是用于測量頻率響應和相位響應的音頻測量系統�？蛇x用的音頻設備有Audio Precision、BrüelKjaer、Soundcheck等。除了音頻測量系統，人耳模擬裝置也是重要的一部分，如來(lái)自Head AcousTIcs、BrüelKjaer或GRAS的IEC711（入耳式主動(dòng)降噪產(chǎn)品）或HeadTorso模擬器（頭戴式及耳罩式產(chǎn)品）。人耳模擬裝置可在量測耳機特性時(shí)用于模擬人耳響應。這些人工耳集成了高度精確的麥克風(fēng)，能夠測量到人戴耳機時(shí)真實(shí)聽(tīng)到的聲音。另外還需要一個(gè)揚聲器，用于測量耳機的被動(dòng)衰減特性，這是濾波器設計的一部分。此揚聲器應該是雙向式揚聲器，且最好是同軸雙向式揚聲器，以保證從揚聲器到耳機的高頻與低頻的傳輸距離相等。最后需要AS3415評估板，它包含了所有必要的連接器和前置放大器，使性能測試過(guò)程盡可能流暢地進(jìn)行。

為什么要對耳機進(jìn)行性能測試？

每個(gè)耳機的聲學(xué)表現都不盡相同。原因很簡(jiǎn)單，因為耳機采用不同的組件，如擁有不同阻抗和傳遞系數的揚聲器。且每一款耳機的彈性襯墊以及前后聲腔也都不一樣。

要制作主動(dòng)降噪耳機，了解耳機的特性很重要，這樣才能獲得良好的降噪性能。主動(dòng)降噪前饋耳機使用ECM麥克風(fēng)捕捉耳機外部的噪音。電子線(xiàn)路會(huì )產(chǎn)生一個(gè)抗噪反信號，然后通過(guò)揚聲器播放出來(lái)。理論上，ANC回路是一個(gè)簡(jiǎn)單的反相電路，但事實(shí)并非如此。由于耳機的不同組件會(huì )影響頻率響應和相位響應，簡(jiǎn)單的反相無(wú)法令ANC達到性能要求。為了解耳機在增益和相位方面的表現，ANC耳機的性能測試顯得尤為重要。

為了得到理想的ANC濾波曲線(xiàn)，我們必須采用第一段提到的設備進(jìn)行三項測量。第一項測量是被動(dòng)衰減測量，如圖1所示。

圖1：前饋性能測量一

我們用同軸揚聲器發(fā)出20Hz-22kHz的掃頻聲波，并測量到達人耳的聲波。到達人耳的聲波可使用人耳模擬器內部的麥克風(fēng)來(lái)測量。這樣，我們測到耳機自身引起的噪聲衰減，即被動(dòng)衰減。

如圖2所示，第二項是捕捉噪音的麥克風(fēng)的頻率響應測量。同樣，正弦掃頻信號通過(guò)同軸揚聲器播放出來(lái)，并由ANC麥克風(fēng)收集。

圖2：前饋性能測量二

第三項，也就是最后一項，（如圖3）是耳機內部揚聲器的頻率響應和相位響應測量。20Hz至22 kHz的掃頻信號由耳機內部的揚聲器發(fā)出，供測試使用的人工頭內的麥克風(fēng)收集到該信號。該項檢測測量了降噪信號通過(guò)揚聲器播出時(shí)的傳遞函數，以及信號是如何被人耳接收的。相位對這三項測量都十分重要，如果揚聲器播出的抗噪信號與從環(huán)境進(jìn)入人耳的噪音具有相同的相位，噪音非但不會(huì )減弱，還會(huì )被放大。

圖3：前饋性能測量三

計算主動(dòng)降噪濾波器的理想值

一旦完成這三項測量，我們就能夠用測量結果來(lái)計算ANC濾波器的理想值。所需的濾波器振幅計算如下：

所需濾波器的相位計算如下：

計算結果能夠很容易通過(guò)Excel表格得出，一個(gè)濾波器范例如圖6顯示。范例的頻率響應及相位響應表明，僅使用一個(gè)全頻寬的反相放大器是難以做出理想降噪信號的。

開(kāi)發(fā)濾波器

一個(gè)好的ANC耳機的關(guān)鍵在于濾波器的設計。如果濾波器的設計不合理，即使再好的ANC芯片也沒(méi)用。濾波器設計的目標是盡量匹配增益和相位響應。在特定頻率匹配得越好，ANC性能也就越好。因為是模擬信號處理，濾波器的仿真通常是通過(guò)spice仿真工具完成的。圖4是一個(gè)spice仿真線(xiàn)路，該線(xiàn)路體現了ANC麥克風(fēng)濾波器的信號路徑。

圖4：Spice濾波器仿真范例

ANC濾波器設計工程師的目的是將圖4濾波器仿真線(xiàn)路中的增益和相位響應與計算出的理想曲線(xiàn)匹配起來(lái)�，F在人們使用的典型濾波器有一階低通濾波器、陷波濾波器、高架及低架濾波器。設計師必須了解不同的拓撲結構以及截止頻率、通帶、阻帶的計算方法。這當然不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)，尤其是當他們不習慣使用spice仿真工具和模擬濾波器開(kāi)發(fā)工具時(shí)。

圖5：AS3415前饋濾波仿真工具

為了解決這一問(wèn)題，AS3415評估軟件整合了前饋濾波器仿真工具，如圖5所示。設計工程師能夠使用這一工具來(lái)設計理想的ANC濾波器。這一工具提供了一套預定義的濾波器架構，取代了修改零件值及濾波器結構的做法�；�于為許多不同客戶(hù)模擬的濾波器結構，這些預定義的濾波器結構能夠涵蓋90%的ANC聲學(xué)需求。圖6顯示了該工具的模擬結果。綠色曲線(xiàn)代表理想的ANC增益和相位響應，藍色曲線(xiàn)顯示了利用圖5的工具制作的ANC濾波器的模擬結果。設計濾波器時(shí)，有一點(diǎn)很重要，那就是我們要注重哪些頻段。ANC耳機的運作有特定的頻率范圍，這并非由于A(yíng)S3415本身的局限性，而是跟聲音的傳播速度及耳機的聲學(xué)特性相關(guān)。如果我們只關(guān)注理想濾波曲線(xiàn)中的增益響應，設計符合該曲線(xiàn)的濾波器則很容易。但問(wèn)題是在A(yíng)NC濾波器的設計中也得同時(shí)匹配相位。由于更高頻率下的相位幾乎旋轉了180度，設計出的濾波器很有可能與頻率響應匹配，而不與相位匹配。取決于不同的耳機及其相位響應，我們通�？梢宰龅�1.5kHz頻率以下的濾波器匹配。更高頻的部分需要盡可能的衰減。如果不衰減這些未匹配的高頻部分，可能會(huì )引入噪音。我們在低頻部分減弱噪音，但如果高頻的相位失配，就會(huì )導致噪音被放大。為了避免這一現象，我們會(huì )盡量在無(wú)法匹配的區域降低增益。圖6中的綠色透明區域代表我們通常能達到的增益和相位的最小失配。紅色區域是我們要盡量衰減的部分。高頻衰減和相位響應之間必須達到一個(gè)良好的平衡。如果在高頻下衰減得太多，會(huì )影響到低頻的相位響應，從而可能失去ANC的效果。

圖6：模擬結果

濾波器檢驗及ANC測試

得到令人滿(mǎn)意的濾波曲線(xiàn)以后，AS3415濾波器仿真工具同時(shí)提供材料清單輸出功能。由于該工具和AS3415的評估板相匹配，材料清單中列出的項目能夠被焊接在評估板上，以測試帶有該濾波器的ANC的性能。測試包含兩項內容：一是耳機戴在人工頭上時(shí)的被動(dòng)衰減測試，二是打開(kāi)AS3415芯片并配置好前饋降噪功能時(shí)的頻響測試。ANC性能計算如下：

這些計算可以通過(guò)一個(gè)Excel表格來(lái)完成，并生成一份音頻范圍內的ANC降噪性能曲線(xiàn)圖。這張ANC降噪性能曲線(xiàn)圖在降噪耳機的設計及生產(chǎn)過(guò)程中是十分重要及常見(jiàn)的。AS3415的開(kāi)發(fā)工具以及ANC降噪耳機開(kāi)發(fā)相關(guān)的應用注解和樣板現已上線(xiàn)。