1、降噪耳機(jī)簡(jiǎn)介

ANC耳機(jī)設(shè)計(jì)通常有前饋，反饋和混合式三種方案。耳機(jī)中麥克風(fēng)的數(shù)量和位置決定了ANC方案配置。如圖1所示為前饋方案。外部放置的麥克風(fēng)拾取環(huán)境噪聲，經(jīng)過芯片反相后的噪聲從揚(yáng)聲器中播放出來(lái)，與原先外部噪聲疊加消除，用戶最終聽到干凈的音樂或節(jié)目信號(hào)。無(wú)論采用哪種方案，在降噪耳機(jī)中實(shí)現(xiàn)ANC都面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)。第一是需要使用麥克風(fēng)可靠地捕獲外部環(huán)境噪聲（20Hz-20 kHz），這時(shí)如何正確選用麥克風(fēng)至關(guān)重要，這是本文的重點(diǎn)。第二個(gè)挑戰(zhàn)是自適應(yīng)降噪算法，這是由噪聲的頻率，幅度和相位特性隨時(shí)間變化的特征影響所致。本文重點(diǎn)介紹解決麥克風(fēng)規(guī)格確定與應(yīng)用問題。

圖1：前饋降噪耳機(jī)

2、選擇麥克風(fēng)的主要規(guī)格指標(biāo)：

SNR信噪比：麥克風(fēng)的固有本底噪聲需要低于周圍環(huán)境噪聲，以便可靠地捕獲噪聲信號(hào)。因此在安靜的環(huán)境中，需要具有高SNR的麥克風(fēng)。如果麥克風(fēng)的SNR較高，則噪聲消除算法的實(shí)現(xiàn)將變得更加容易。舉例一只50dB SNR的MIC，其本底噪聲級(jí)為44dBSPL，如果環(huán)境噪聲低于此數(shù)值，MIC噪聲就高于環(huán)境噪聲，算法降噪就很難實(shí)現(xiàn)。但如果MIC SNR為70dB，則其本底噪聲級(jí)為24dBSPL，這個(gè)數(shù)值低于日常生活中的絕大多數(shù)噪聲環(huán)境，已經(jīng)接近消聲室水平了，算法實(shí)現(xiàn)降噪會(huì)更容易。

截止頻率：麥克風(fēng)將需要具有較低的截止頻率規(guī)格（30Hz或更低），以便還可以可靠地捕獲低頻噪聲信號(hào)。如果截止頻率較高，則ANC系統(tǒng)將無(wú)法有效去除非常低頻的噪聲信號(hào)。如果多個(gè)麥克風(fēng)之間的截止頻率變化很大，則ANC算法的實(shí)現(xiàn)將變得富有挑戰(zhàn)性，并且耳機(jī)的低頻噪聲消除性能將不一致，所以對(duì)于截止頻率的公差必須非常嚴(yán)格。

如果麥克風(fēng)測(cè)量到的噪聲信號(hào)已經(jīng)失真，則無(wú)法進(jìn)行有效消除。所以只有截止頻率，相位響應(yīng)曲線的變差很小，ANC算法才可以有效地從系統(tǒng)中消除噪聲。

電流消耗：電流消耗是選擇麥克風(fēng)時(shí)要考慮的非常關(guān)鍵的規(guī)格，特別是對(duì)于始終開啟和電池供電的耳機(jī)應(yīng)用。需要睡眠/待機(jī)模式以節(jié)省一段時(shí)間的功耗，并且可以延長(zhǎng)系統(tǒng)的電池壽命。麥克風(fēng)的電流消耗是工作時(shí)鐘頻率的函數(shù)，某些數(shù)據(jù)表清楚地表明了當(dāng)麥克風(fēng)以較低的時(shí)鐘頻率工作以節(jié)省功耗，這需要與性能進(jìn)取舍。

3、現(xiàn)有設(shè)計(jì)的性能限制

ANC耳機(jī)的設(shè)計(jì)方式很難相同。不同的設(shè)計(jì)方案，如反饋，前饋或混合式，每一種都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

前饋ANC架構(gòu)如圖2所示。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)耳機(jī)僅使用一個(gè)麥克風(fēng)，并且將其放置在更靠近耳機(jī)殼外部的位置。此麥克風(fēng)用以拾取外部噪聲信號(hào)，以輸出給ANC算法作為參考。這種配置的主要好處是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以對(duì)外部環(huán)境噪聲進(jìn)行有效拾取，然后取決于算法的實(shí)現(xiàn)來(lái)消除此噪聲。由于系統(tǒng)中缺少反饋環(huán)路，因此該算法無(wú)法確保實(shí)時(shí)消除噪聲。這是前饋拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)。這種配置可確保中頻噪聲信號(hào)（1-2 kHz之間）得到很好的衰減。由于麥克風(fēng)位于外部，因此可能會(huì)因風(fēng)噪聲而影響性能。在這種情況下，具有較高AOP和較低截止頻率的麥克風(fēng)將很有用。這種結(jié)構(gòu)非常適合諸如藍(lán)牙耳機(jī)之類的應(yīng)用，這些應(yīng)用要求寬的ANC帶寬，但愿意承受適度的降噪性能。

反饋ANC架構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)還僅使用一個(gè)麥克風(fēng)，但放置在靠近用戶耳朵的位置。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是，麥克風(fēng)可以聽到與進(jìn)入用戶耳朵的信號(hào)完全相同的信號(hào)，并且有一個(gè)反饋環(huán)路可以迭代地消除系統(tǒng)中的噪聲。盡管此配置的低頻性能良好，但是1-2 kHz之間的頻率不會(huì)像前饋配置一樣有效地衰減。該配置很好地消除了初級(jí)噪聲信號(hào)的殘余可預(yù)測(cè)窄帶分量。盡管無(wú)法有效消除中高頻噪聲信號(hào)，但這是在耳機(jī)中實(shí)現(xiàn)ANC時(shí)最常用的結(jié)構(gòu)之一。此限制是由于在次級(jí)路徑（信號(hào)路徑從ANC模塊的輸出一直回到其輸入）中引入了相移引起的。這導(dǎo)致該拓?fù)錈o(wú)法有效地抵消高頻分量。選擇用于此配置的麥克風(fēng)將需要在整個(gè)頻率上具有平坦的群延遲，并且多個(gè)麥克風(fēng)之間的變化應(yīng)盡可能小。

混合ANC架構(gòu)如圖4所示。此配置是前文討論的前饋和反饋拓?fù)涞慕M合。其目的是將兩種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，但是隨之而來(lái)的是復(fù)雜性，成本和大小的增加。由于此架構(gòu)同時(shí)具有前饋和反饋信號(hào)路徑，因此需要使用兩個(gè)麥克風(fēng)。面向外的參考麥克風(fēng)感應(yīng)主信號(hào)，該信號(hào)用作前饋ANC濾波器的參考信號(hào)。糾錯(cuò)（內(nèi)部反饋）麥克風(fēng)會(huì)感應(yīng)進(jìn)入用戶耳朵的信號(hào)，該信號(hào)將作為反饋ANC濾波器的參考信號(hào)。糾錯(cuò)麥克風(fēng)輸出還有助于確定前饋和反饋ANC濾波器的系數(shù)。

4、較好地麥克風(fēng)解決方案示例

如前所述，截止頻率和相位響應(yīng)的變差在用于降噪耳機(jī)設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)選擇中起著重要作用。圖6，圖7，圖8和圖9顯示了麥克風(fēng)的幅度和相位響應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，還提供了它們的6sigma極限以供參考，所有參數(shù)測(cè)量溫度25℃。

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)麥克風(fēng)樣本測(cè)量了群延遲，圖10提供了在整個(gè)頻帶上觀察到的典型群延遲。從數(shù)據(jù)可以看出，1 kHz的群時(shí)延<10μs。如此小的群延遲將有助于更好的ANC算法實(shí)現(xiàn)。

另一個(gè)關(guān)鍵的麥克風(fēng)規(guī)格是AOP。圖11顯示了樣品麥克風(fēng)以及兩種不同產(chǎn)品的THD與SPL的關(guān)系圖。這款麥克風(fēng)的突出特點(diǎn)之一是，聲壓級(jí)直到?128dBSPL前，失真度可以很好地保持在小于1％THD，而其它兩個(gè)樣品THD均超過1％。這極大地有助于以最小的失真可靠地捕獲較大的噪聲信號(hào)，從而使ANC算法的實(shí)現(xiàn)更加有效。