高性能数字ANC主动降噪方案

随着社会的进步和快速的城市化，我们的生活环境逐渐变得更加复杂，我们所面临的噪音污染也在增加. 尽管我们使用的耳机产品越来越高端，但在户外使用普通的耳机耳塞只能通过增大音量来掩盖噪音，这势必会损害我们的听力. 针对此问题，使用降噪耳机是一个更好的选择，它可以使消费者在飞机，火车和地铁等嘈杂的环境中更好地保​​护自己的听力，还可以安静地享受音乐的乐趣.

ANC主动降噪的基本原理是通过Ref Mic（参考麦克风）收集环境噪声和噪声，并通过降噪系统电路生成与降噪MIC接收到的具有相等外部环境噪声的反相信号. 消除噪音（如图1所示）.

ANC主动降噪耳机的优点是低频噪声的控制效果显着，并且减少了噪声对人体健康的影响. 通常，ANC主动降噪的有效频率在50Hz-2KHz之间. 对于超过2KHz的噪声，降噪耳机也可以通过结合耳机的结构设计和材料选择，无源降噪方法，耳机的入耳式结构设计以及耳罩的隔音材料等来达到良好的降噪效果. 主动降噪只需要专注于消除低频噪声并补充被动降噪.

ANC有源降噪耳机目前具有模拟和数字两种主流解决方案，但是在生产中，模拟降噪解决方案需要调整RC电阻分量作为滤波器反馈端的参数，并且RC设备的精确度导致耳机的降噪能力差异很大，并且缺陷率很高. 针对此问题，技术授权分销商Excelpoint Shijian的技术支持部副经理Jack Yao向我们介绍了ADI的数字有源降噪解决方案. 他说，面对消费级ANC耳机，要面对一致性，功耗和音质三个挑战数字降噪技术，该解决方案可以一起解决.

如图2所示，ADAU1777的帧表明，ADAU1777具有快速，高精度（高达768 kHz）的采样处理路径，5μs的模数延迟，以确保DSP处理滤波器的速度和精度; 4个ADC模拟输入，可配置为麦克风或线路输入；同时，两个数字麦克风输入可以用作选通输入. 基于以上性能，ADAU1777已在主要的耳机ODM制造商中应用并批量生产.

Jack还向我们介绍了ADI公司已经发布了新一代DSP产品ADAU1787. 该产品已针对主动降噪耳机的应用进行了进一步优化和改进.

如图3的ADAU1787框架图所示，ADAU1787具有独特的双核设计，用于主动降噪滤波器处理的FastDSP内核和用于EQ后处理的SigmaDSP内核，以补偿音乐的低频部分. 经过降噪处理后丢失.

因为混合有源降噪解决方案需要四个有源降噪麦克风: 其中两个用于前馈环路，两个用于反馈环路，并且通道中的线路至少需要6个输入通道. ADAU1787提供四个ADC输入接口和四个数字麦克风输入，这些输入端口是并行输入，因此ADAU1787可以在单个芯片中实现以用于混合降噪耳机. 同时，ADAU1787还可以提供尺寸为2.3 * 2.8 mm的较小BGA封装. 1.8V时的功耗仅为6-7mW，可用于功耗和芯片尺寸要求更为严格的TWS耳机.

主动降噪（ANC）耳机的设计和调试

如何设计高性能主动降噪（ANC）耳机？ Jack进一步介绍了主动降噪（ANC）耳机的设计和调试步骤.

首先需要做的是Matlab仿真模型，如图4所示是ANC系统框架:

总共三层，由虚线分隔: 最上层的主路径是从Ref Mic到Error Mic的声学通道数字降噪技术，响应函数由P（Z）表示；中间层是模拟通道，辅助路径是自适应的. 从滤波器输出到返回残差的路径，包括DAC，重构滤波器，功率放大器，扬声器回放，重采集，前置放大器，抗混叠滤波器， ADC;最底层是数字路径，其中自适应滤波器不断调整滤波器的权重系数，以减少残差直至收敛. 最常用的方案是结合FIR滤波器和LMS算法来实现自适应滤波器. 简化图4并得到图5.

将自适应滤波器的输出与S（z）和期望的输出进行比较后，可能会导致不稳定. 一种有效的方法是FXLMS（Filtered-X LMS），该方法允许通过Sˆ（z）S ^（z）将x（n）输入到LMS模块，从而使自适应滤波器可以正常收敛. 换句话说，自适应滤波器的权重系数由头戴式耳机的主要路径和次要路径确定. 头戴式耳机的主路径和副路径相对稳定，因此自适应滤波器的权重系数也相对稳定. 使用可变步长LMS的自适应滤波器，仿真结果如图6所示，范围为0至2KHz（图6）.

第二步之后，需要一些设备来测试耳机的声学特性. 可用的音频设备包括Audio Precision和Soundcheck. 人耳仿真设备也是重要的组成部分，例如Head Acoustics和GRAS的IEC711.

人耳模拟设备可用于在测量耳机特性时模拟人耳的响应. 这些人造耳朵集成了高精度麦克风，可以测量人们戴着耳机时实际听到的声音. 还需要扬声器来测量耳机的无源衰减特性. 耳机腔的声学指标测试是ANC滤波器仿真设计的重要组成部分.

最后，需要用ADI Sigmastudio图形工具（图7）中的Matlab仿真系数替换和调整相应的滤波器参数，这部分调试工作需要通过耳机声学曲线测试进行反复验证.

总体而言，ANC降噪耳机的市场潜力很大，使用数字芯片实现ANC降噪是未来的发展方向，但是从研发到批量生产仍然存在许多挑战，包括ID设计，传递函数测量，RNC阶段的ANC滤波器仿真和调试，生产阶段的进货检查控制，成品线的自动增益调整系统等. 目前，World Health与经验丰富的IDH合作，为客户提供支持缩短客户产品的开发周期.

图8显示了IDA和ADAU1787在头戴式耳机ANC头戴式耳机上的测试曲线.

最深的降噪深度为-40DB，平均降噪深度为50-2khz，高于-30DB.

备注: Matlab仿真模型算法参考: Kuo S M，MorganD. 有源噪声控制系统: 算法和DSP实现[M]. 约翰·威利父子公司，1996年.

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/shumachanpin/article-255631-1.html