本系列的上一篇文章(使用 AS3415 設計主動降噪耳機) 提供了有關如何開發基于前饋拓撲的主動降噪 (ANC) 耳機的見解。

　　前饋耳機通常更容易開發，因為設計工程師通常不必處理穩定性問題。然而，這種拓撲結構的一個主要缺點是風噪聲，因為主動降噪麥克風直接暴露在環境中。克服這一缺點的另一種方法是使用反饋主動降噪技術。本文介紹了基于艾邁斯半導體AS3435設計反饋主動降噪耳機所需的開發步驟。

　　設備概述

　　與前饋耳機的設計一樣，反饋耳機也需要某些設備，其中最重要的是能夠進行頻率和相位響應測量的音頻測量系統。

　　適用于這些測量的音頻設備包括Audio Precision，Brüel & Kj?r和Soundcheck。人工耳模擬器，在Head Acoustics，Brüel & Kj?r或G.R.A.S.的聲學行為方面模擬人耳，強烈建議使用不同類型的人造耳。

　　此應用通常不需要用于入耳式產品(例如前饋耳機中的產品)的 IEC711 耦合，因為 99% 的反饋耳機通常是貼耳式和耳罩式設計。這是由于入耳式反饋系統中麥克風放置的機械限制。但是，當今市場上有入耳式反饋設計。除了人工頭/耳模擬器和能夠進行增益和相位測量的音頻測量設備外，這些入耳式設計還包含成功表征反饋主動降噪耳機所需的一切。為了確定頭戴式耳機的主動降噪性能，還需要使用兩分頻揚聲器系統(最好是兩分頻同軸揚聲器)，以便在執行測量時將主動降噪耳機暴露在噪聲中。

　　最后一個需要元件是AS3435評估板(EVB)，其中包括所有必要的連接器和前置放大器，以使表征過程盡可能順利。

　　如何表征反饋耳機

　　每個 ANC 耳機除了需要耳墊和揚聲器腔體等機械組件外，還需要揚聲器和 ANC 麥克風等電聲組件。這些組件共同定義了頭戴式耳機的頻率和相位響應。不同的耳機通常具有不同的頻率和相位響應，因此需要適當的表征，以優化每個耳機的ANC性能，以實現最大帶寬。

　　在反饋系統中，與前饋系統相比，主動降噪表征測量相當簡單。所需要的只是耳機揚聲器和 ANC 麥克風之間的開環測量。

　　包括音頻數據采集(DAQ)系統、人造頭和ANC耳機的測量設置如 圖1 .DAQ系統的信號輸出連接到AS3435評估板的線路輸入。ANC耳機的揚聲器必須連接到AS3435評估板的耳機放大器輸出。主動降噪麥克風連接到評估板的麥克風輸入。必要的麥克風偏置電壓由 EVB 提供，因此麥克風連接不需要外部附加組件。

　　圖1 測量 設置 包括 音頻 DAQ 系統、 人工 頭 和 ANC 耳機。

　　最后一個重要且必要的連接是從EVB的QMICx引腳(麥克風前置放大器輸出)到DAQ系統的模擬音頻輸入。在開始測量之前，必須正確配置AS3435 EVB。EVB 軟件的屏幕截圖顯示在 圖2 .對于測量來說，將麥克風前置放大器增益設置為0dB非常重要，以便以后匹配艾邁斯半導體濾波器計算模板。

　　還需要將耳機多路復用器輸入配置為“未連接”位置，這有助于避免麥克風信號反饋給揚聲器。當然，這在ANC操作期間是需要的，但對于開環表征測量則不是。

　　圖2 此屏幕截圖顯示了AS3435 EVB軟件。

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　　一旦 EVB 配置正確，音頻 DAQ 系統 可以 生成 20kHz 至 20Hz 的正弦掃描信號。然后，在DAQ系統的輸入端測量麥克風前置放大器輸出端的增益和相位響應。該測量包括第一個反饋濾波器設計所需的所有相關信息。

　　主動降噪濾波器計算

　　反饋電路的ANC濾波器計算相當簡單，可以按如下方式計算：

　　一個濾波器 (f) = 理想的主動降噪濾波器增益響應

　　一個M (f) = 測得的開環頻率響應

　　理想相位響應計算如下：

　　φ濾波器 (f) = 理想的主動降噪濾波器相位響應

　　φM (f) = 測量的開環相位響應

　　如這些圖所示，所需的濾波器計算只是增益和相位響應的反轉。計算可以在Microsoft Excel電子表格中方便地完成。AS3435評估套件中包含計算模板。

　　過濾器開發

　　開發鏈中的下一個，也許是最重要的一步是ANC濾波器的開發。通過濾波器計算了解 ANC 耳機的特性意味著此信息可用于開發 ANC 濾波器。

　　市場上有許多反饋ANC耳機，但大多數設計只是反轉反饋信號，導致ANC性能相當低。因此，在過濾器開發過程中知道重點在哪里很重要。這涉及了解和理解系統的局限性。經驗豐富的工程師可以使用香料仿真工具來設計ANC濾波器。此過程需要大量經驗，尤其是在濾波器拓撲和濾波器計算方面。此類 ANC 濾波器示例如 圖3 .

　　圖3 下面是香料過濾器模擬的示例。

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　　該示例顯示了完整的ANC信號鏈，其中反相放大器和RC網絡定義了ANC濾波器的頻率和增益響應。為了使濾波器設計對工程師來說更加方便，艾邁斯半導體開發了一款濾波器仿真工具，作為AS3435評估套件的一部分。模擬工具的屏幕截圖顯示在 圖4 .

　　圖4 這是AS3435濾波器仿真工具的屏幕截圖。

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　　該工具還使用香料模擬器，但帶有圖形用戶界面(GUI)，使濾波器開發更加容易，特別是對于“未經培訓”的ANC濾波器設計工程師。它允許設計人員使用一組預定義的濾波器拓撲來定義各種增益和截止頻率。該系統不像用戶定義濾波器拓撲以及電阻和電容值的香料模擬器那樣靈活，但這是一個很好的起點。它有望幫助工程師更好地了解ANC濾波器設計帶來的設計障礙。

　　中的模擬窗口 圖5 顯示在模擬窗口中設置過濾器模擬設置的結果。綠色曲線表示基于倒開環測量的理想反饋濾波器。藍色曲線標識香料模擬的結果。反饋濾波器仿真與前饋仿真的差異表明，僅匹配頻率和相位響應是不夠的。在反饋系統中，較高的增益會導致更好的主動降噪性能，而在前饋系統中，過高的增益會導致噪聲放大而不是抵消噪聲。在反饋系統中，重點通常集中在 20 Hz 到 800 Hz 的較低頻率區域，峰值在 100 Hz 范圍內，具體取決于耳機的聲學效果。 較高的頻率也很難抵消，因為很難/不可能匹配相位響應。因此，盡可能衰減更高的頻率以避免系統振蕩非常重要。

　　圖5 濾波器模擬設置設置的結果將顯示在此模擬窗口中。

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　　如果增益太高，并且仿真濾波器和理想濾波器之間的相位不匹配太大(典型值為120°)，耳機可能會陷入振蕩。AS3435濾波器仿真軟件提供穩定性檢查功能，可自動顯示計算出的ANC濾波器與仿真ANC濾波器之間的增益和相位失配。仿真結果顯示在 圖6 .在相位失配大于120°且增益高于-12 dB的區域，該工具用紅色框指示關鍵區域。在這個頻率區域振蕩的概率相當高。

　　圖6 穩定性檢查功能可自動顯示計算出的ANC濾波器與仿真的ANC濾波器之間的增益和相位失配。

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　　在相位失配較高的區域，濾波器設計工程師必須確保增益盡可能低。振蕩通常發生在較高的頻率下，但也有可能在1 Hz范圍內振蕩。

　　濾波器驗證和主動降噪測試

　　一旦設計工程師找到在整個頻率范圍內看起來穩定的濾波器設計，就可以導出ANC濾波器。該工具具有基于標準 E24 組件集成的物料清單 (BOM) 導出功能。此外，它還直接連接到AS3435的評估板。BOM中列出的元件可以直接焊接到EVB上，因為參考指示符與評估板的參考指示符相匹配。

　　圖7 圖中顯示了 ANC 性能測量設置。

　　ANC 性能測量由兩個測量組成，不再需要相位測量。第一個測量是安裝在人造頭上的耳機的被動衰減測量。第二個是相同的測量，但這次是AS3535開關打開，并針對反饋應用配置了模擬麥克風前置放大器增益。ANC性能可以通過以下兩個測量值計算得出：

　　一個非國大 (f) = 主動降噪級別

　　一個積極 (f) = 主動降噪開啟時的有源衰減

　　一個被動 (f) = 主動降噪關閉時的無源衰減

　　可以使用Excel電子表格進行計算，從而創建ANC性能頻率圖，這在行業中非常常見。

　　可根據要求提供使用AS3435進行ANC耳機開發的開發工具、應用筆記和模板。欲了解更多信息，請訪問 本頁.