高性能数字ANC主动降噪方案

2020-03-11 16:36:55 来源：世健

随着社会进步、城市化快速发展，我们的生活环境也在逐渐变得复杂，所接触到的噪音污染也越来越大了。虽然我们使用的耳机产品越来越高档，但在室外使用普通耳机耳塞只能通过提高音量来盖过噪声，这样就不可避免地对我们的听力造成一定的损伤。针对这个问题，使用降噪耳机是比较好的选择，可以让消费者在飞机、火车、地铁等噪音比较大的环境中，较好地保护听力，同时也能安静地享受音乐带来的乐趣。

ANC主动降噪基本原理是通过Ref Mic（reference microphone）采集环境噪音噪声，通过降噪系统电路产生降噪MIC接收的外界环境噪音相等的反相信号，将噪声抵消（如图1所示）。

ANC主动降噪耳机的好处在于低频噪声的控制效果显著，减轻噪音对人体健康的影响。一般情况下，ANC主动降噪的有效频率在50Hz—2KHz之间。对于超过2KHz的噪音，降噪耳机可以通过耳机的结构设计与材料的选择，融合被动降噪的方法、耳机入耳式结构设计与耳帽采用隔音材料等，也可以起到很好的降噪效果。主动降噪只需专注于消除低频噪音，与被动降噪相辅相成。

ANC主动降噪耳机目前有模拟和数字两种主流方案，但在大规模生产时，模拟降噪方案需要调整外围的RC阻容器件作为滤波器反馈端的参数，而RC器件的精度导致最终耳机的降噪能力差异极大，且不良率很高。对于这个问题，技术型授权分销商Excelpoint世健公司的技术支持部副经理Jack Yao向我们介绍了ADI 数字主动降噪方案。他表示，面对消费级ANC耳机面临一致性、功耗、音质三重挑战，该方案都可以一并解决。

如图2所示ADAU1777框架结构图， ADAU1777具有快速高精度（高达768 kHz）采样处理路径，5μs analog-to-analog延迟，保证了DSP处理滤波器速度和精度；4个ADC模拟输入，可配置为麦克风或线路输入；同时，两路数字麦克风输入可作为选通输入。基于以上性能，ADAU1777已在国内外各大耳机ODM厂商都有成熟产品的应用和量产。

这款产品针对主动降噪耳机的应用又做了进一步的性能优化和提升。

如图3所示 ADAU1787框架图，ADAU1787具有独特的双核设计，FastDSP 核做主动降噪滤波器处理，同时SigmaDSP核做EQ后处理，对降噪处理后损失的音乐中低频部分做补偿。

因为混合（hybrid）主动降噪解决方案需要四个主动降噪麦克风：其中两个用于前馈回路，两个用于反馈回路，再加上line in通道至少需要6个输入通道，ADAU1787提供4路ADC输入接口和4路数字麦克风输入，且这些输入口是并行输入，所以ADAU1787可以实现单芯片应用于混合（hybrid）降噪耳机。同时，ADAU1787还能提供2.3*2.8 mm的更小BGA封装，在1.8V供电功耗仅约为6-7mW，可以应用在功耗和芯片体积要求更严苛的TWS耳机。

主动降噪（ANC）耳机设计和调试

如何设计一款高性能主动降噪（ANC）耳机呢？首先需要进行的是Matlab仿真模型搭建，如图4是ANC系统框架：

一共三层，用虚线分隔：最上面一层primary path是从Ref Mic到Error Mic的声学通道，响应函数用P(Z)来表示；中间一层是模拟通道，其中secondary path是adaptive filter输出到返回残差的通路，包括DAC、reconstruction filter、power amplifier、speaker播放、再采集、pre-amplifier、anti-aliasing filter、ADC；最下面一层是数字通路，其中adaptive filter不断调整滤波器权系数来削减残差，直到收敛。最常用的方案是用FIR滤波器结合LMS算法来实现自适应滤波器。简化图4，可以得到图5。

这里adaptive filter输出后经过S(z)和desire output比较后，可能会引起instability。一种有效的方法是FXLMS（Filtered-X LMS），也就让x(n)经过Sˆ(z)S^(z)再输入给LMS 模块, 使adaptive filter可以正常收敛。也就是说，自适应滤波器的权系数是由耳机的primary path和secondary path决定的。耳机的primary path和secondary path相对稳定，所以adaptive filter的权系数也相对稳定。用变步长LMS的adaptive filter，得仿真结果如图6，在0到2KHz范围内（图6）。

接着第二步，就需要一些设备对耳机的声学特性做检测，可选用的音频设备有Audio Precision、Soundcheck等。人耳模拟装置也是重要的一部分，如来自Head Acoustics、GRAS的IEC711。

人耳模拟装置可在量测耳机特性时，用于模拟人耳响应。这些人工耳集成了高度精确的麦克风，能测量到人戴耳机时真实听到的声音。另外还需要一个扬声器，用于测量耳机的被动衰减特性。耳机腔体声学指标的测试是ANC滤波器仿真设计非常重要的环节。

最后，需要在ADI Sigmastudio 图形化工具对Matlab仿真系数做相应滤波器参数的代入和调整（图7），而这部分调试需要和耳机声学曲线测试做反复验证。

总的来说，ANC降噪耳机市场潜力很大，而采用数字芯片来实现ANC降噪处理的耳机是未来发展方向，但从研发到量产这条路上还有很多挑战,包括了研发阶段的ID设计、传递函数测量、ANC滤波器仿真和调试，量产阶段的来料检验控制、成品产线自动增益调整系统等。目前，世健与有经验的IDH配合支持客户，可以缩短客户产品的研发周期。

如图8是IDH用ADAU1787在一款头戴式ANC耳机测试曲线。
最深降噪-40DB,在50-2khz平均-30DB以上降噪深度。

备注：文中关于Matlab仿真模型算法参考： Kuo S M, Morgan D. Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations[M]. John Wiley & Sons, Inc. 1996.

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