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使用AS3435設(shè)計反饋主動降噪耳機

來源： edn

2023-02-03

類別：設(shè)計應(yīng)用

拍明芯城

　　本系列的上一篇文章(使用 AS3415 設(shè)計主動降噪耳機) 提供了有關(guān)如何開發(fā)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(fā)，因為設(shè)計工程師通常不必處理穩(wěn)定性問題。然而，這種拓撲結(jié)構(gòu)的一個主要缺點是風(fēng)噪聲，因為主動降噪麥克風(fēng)直接暴露在環(huán)境中?？朔@一缺點的另一種方法是使用反饋主動降噪技術(shù)。本文介紹了基于艾邁斯半導(dǎo)體AS3435設(shè)計反饋主動降噪耳機所需的開發(fā)步驟。

　　設(shè)備概述

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

　　適用于這些測量的音頻設(shè)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(xué)行為方面模擬人耳，強烈建議使用不同類型的人造耳。

　　此應(yīng)用通常不需要用于入耳式產(chǎn)品(例如前饋耳機中的產(chǎn)品)的 IEC711 耦合，因為 99% 的反饋耳機通常是貼耳式和耳罩式設(shè)計。這是由于入耳式反饋系統(tǒng)中麥克風(fēng)放置的機械限制。但是，當(dāng)今市場上有入耳式反饋設(shè)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(shè)備外，這些入耳式設(shè)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(tǒng)(最好是兩分頻同軸揚聲器)，以便在執(zhí)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(fēng)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(yīng)。不同的耳機通常具有不同的頻率和相位響應(yīng)，因此需要適當(dāng)?shù)谋碚鳎詢?yōu)化每個耳機的ANC性能，以實現(xiàn)最大帶寬。

　　在反饋系統(tǒng)中，與前饋系統(tǒng)相比，主動降噪表征測量相當(dāng)簡單。所需要的只是耳機揚聲器和 ANC 麥克風(fēng)之間的開環(huán)測量。

　　包括音頻數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)、人造頭和ANC耳機的測量設(shè)置如圖1 .DAQ系統(tǒng)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(fēng)連接到評估板的麥克風(fēng)輸入。必要的麥克風(fēng)偏置電壓由 EVB 提供，因此麥克風(fēng)連接不需要外部附加組件。

　　圖1 測量設(shè)置包括音頻 DAQ 系統(tǒng)、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(fēng)前置放大器輸出)到DAQ系統(tǒng)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(fēng)前置放大器增益設(shè)置為0dB非常重要，以便以后匹配艾邁斯半導(dǎo)體濾波器計算模板。

　　還需要將耳機多路復(fù)用器輸入配置為“未連接”位置，這有助于避免麥克風(fēng)信號反饋給揚聲器。當(dāng)然，這在ANC操作期間是需要的，但對于開環(huán)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(tǒng) 可以生成 20kHz 至 20Hz 的正弦掃描信號。然后，在DAQ系統(tǒng)的輸入端測量麥克風(fēng)前置放大器輸出端的增益和相位響應(yīng)。該測量包括第一個反饋濾波器設(shè)計所需的所有相關(guān)信息。

　　主動降噪濾波器計算

　　反饋電路的ANC濾波器計算相當(dāng)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(yīng)

　　一個M (f) = 測得的開環(huán)頻率響應(yīng)

　　理想相位響應(yīng)計算如下：

　　φ濾波器 (f) = 理想的主動降噪濾波器相位響應(yīng)

　　φM (f) = 測量的開環(huán)相位響應(yīng)

　　如這些圖所示，所需的濾波器計算只是增益和相位響應(yīng)的反轉(zhuǎn)。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(fā)

　　開發(fā)鏈中的下一個，也許是最重要的一步是ANC濾波器的開發(fā)。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(fā) ANC 濾波器。

　　市場上有許多反饋ANC耳機，但大多數(shù)設(shè)計只是反轉(zhuǎn)反饋信號，導(dǎo)致ANC性能相當(dāng)?shù)汀Ｒ虼?，在過濾器開發(fā)過程中知道重點在哪里很重要。這涉及了解和理解系統(tǒng)的局限性。經(jīng)驗豐富的工程師可以使用香料仿真工具來設(shè)計ANC濾波器。此過程需要大量經(jīng)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(wǎng)絡(luò)定義了ANC濾波器的頻率和增益響應(yīng)。為了使濾波器設(shè)計對工程師來說更加方便，艾邁斯半導(dǎo)體開發(fā)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(fā)更加容易，特別是對于“未經(jīng)培訓(xùn)”的ANC濾波器設(shè)計工程師。它允許設(shè)計人員使用一組預(yù)定義的濾波器拓撲來定義各種增益和截止頻率。該系統(tǒng)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(shè)計帶來的設(shè)計障礙。

　　中的模擬窗口圖5 顯示在模擬窗口中設(shè)置過濾器模擬設(shè)置的結(jié)果。綠色曲線表示基于倒開環(huán)測量的理想反饋濾波器。藍色曲線標(biāo)識香料模擬的結(jié)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(yīng)是不夠的。在反饋系統(tǒng)中，較高的增益會導(dǎo)致更好的主動降噪性能，而在前饋系統(tǒng)中，過高的增益會導(dǎo)致噪聲放大而不是抵消噪聲。在反饋系統(tǒng)中，重點通常集中在 20 Hz 到 800 Hz 的較低頻率區(qū)域，峰值在 100 Hz 范圍內(nèi)，具體取決于耳機的聲學(xué)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(yīng)。因此，盡可能衰減更高的頻率以避免系統(tǒng)振蕩非常重要。

　　圖5 濾波器模擬設(shè)置設(shè)置的結(jié)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(wěn)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(jié)果顯示在圖6 .在相位失配大于120°且增益高于-12 dB的區(qū)域，該工具用紅色框指示關(guān)鍵區(qū)域。在這個頻率區(qū)域振蕩的概率相當(dāng)高。

　　圖6 穩(wěn)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(qū)域，濾波器設(shè)計工程師必須確保增益盡可能低。振蕩通常發(fā)生在較高的頻率下，但也有可能在1 Hz范圍內(nèi)振蕩。

　　濾波器驗證和主動降噪測試

　　一旦設(shè)計工程師找到在整個頻率范圍內(nèi)看起來穩(wěn)定的濾波器設(shè)計，就可以導(dǎo)出ANC濾波器。該工具具有基于標(biāo)準(zhǔn) E24 組件集成的物料清單 (BOM) 導(dǎo)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。