主動(dòng)降噪(ANC)技術(shù)通常被用在價(jià)格昂貴的耳機上，一般用來(lái)減弱飛機引擎等的噪聲。這種消除擾人的環(huán)境噪聲的技術(shù)是一項非常老的技術(shù)，發(fā)明于上個(gè)世紀。此期間，耳機產(chǎn)業(yè)者注意到了帶來(lái)先進(jìn)聆聽(tīng)體驗的ANC技術(shù)能為耳機提供差異化優(yōu)勢。對于半導體行業(yè)來(lái)說(shuō)，ANC是一個(gè)不可忽視的商機。過(guò)去，ANC技術(shù)通常由獨立的耳機功放、運算放大器以及麥克風(fēng)前置放大器等幾部分組成，如圖1的簡(jiǎn)化模擬框圖所示。

 

圖1：模擬混合ANC系統簡(jiǎn)化框圖。

 

看著(zhù)相當復雜的模擬方案框圖，也許有人會(huì )問(wèn)，為什么不使用數字化解決方案來(lái)取代所有離散組件?因為摩爾定律支持ANC系統，并且數字信號處理器的計算能力越來(lái)越強，這無(wú)疑是一個(gè)有效論證。不過(guò)，模擬方案能夠在這樣一個(gè)越來(lái)越數字化的世界里生存，可能還有其它一些因素。

 

圖2：數字混合主動(dòng)降噪系統(ANC)簡(jiǎn)化框圖。

 

如圖2所示，在一個(gè)數字主動(dòng)降噪系統中，所有模擬解決方案中用到的簡(jiǎn)單放大器都被替換成模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)。在DAC和ADC之間運行ANC算法會(huì )涉及一些信號處理。所有這些模塊的共同點(diǎn)是它們運行時(shí)都需要一個(gè)時(shí)鐘，更重要的是，每個(gè)模塊都需要不同的時(shí)鐘周期將模擬信號轉換為數字信號，通過(guò)ANC算法計算，再由DAC將數字信號轉換回模擬信號。一個(gè)信號從模擬輸入到模擬輸出產(chǎn)生的完整傳播時(shí)延對ANC濾波器來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的因素，會(huì )直接影響ANC性能。

 

 

時(shí)延對ANC性能帶來(lái)的負面影響如圖3所示。綠線(xiàn)是一個(gè)模擬混合ANC耳機的典型ANC性能曲線(xiàn)簡(jiǎn)化圖。

 

將一個(gè)恒定的時(shí)延(因DAC、ADC以及ANC算法的數字信號處理而產(chǎn)生)加到ANC信號通路上，會(huì )引起額外的相移，從而降低ANC能夠達到的帶寬。原因非常簡(jiǎn)單，如果降噪信號在人耳聽(tīng)到噪聲之后才播放出來(lái)，那么這個(gè)180°的反相降噪信號就不可能有效抵消環(huán)境噪聲了。尤其對于反饋系統，由于相位裕度更低，增加了不穩定的風(fēng)險(聲學(xué)振蕩)。

 

圖3：系統時(shí)延與ANC帶寬。

 

沒(méi)有數據采樣(ADC和DAC)的模擬系統幾乎不會(huì )產(chǎn)生延遲，這也是為什么過(guò)去高品質(zhì)ANC系統通常是模擬系統的主要原因。由于DSP運算能力越來(lái)越強大，一個(gè)必然的趨勢是提高所有數字模塊的時(shí)鐘頻率，以進(jìn)一步降低系統時(shí)延，提升ANC帶寬。

 

提升時(shí)鐘頻率會(huì )增加總體功耗，這是提高采樣率的一個(gè)缺點(diǎn)。對于便攜式設備，電池壽命是最關(guān)鍵的參數之一，它將直接影響終端用戶(hù)耳機的運行時(shí)間。圖4顯示了模擬混合ANC系統的典型功耗，以及擁有不同采樣率的數字系統的功耗。

 

對一個(gè)模擬系統來(lái)說(shuō)，預期的功耗大約是30 mW。根據系統架構的不同，一個(gè)數字系統的功耗在50mW到120mW的范圍內。

 

圖4：模擬和數字混合ANC系統的典型功耗。

 

我們可以看到，相對于數字方案，模擬方案仍然有著(zhù)明顯的功耗優(yōu)勢，即使是低采樣率的通用DSP，其功耗也將近模擬方案的兩倍。然而，在設計時(shí)考慮將ANC作為主要應用，可以對DSP內的整個(gè)信號處理流程進(jìn)行定制優(yōu)化，進(jìn)一步減少模擬和數字系統之間的差距。一個(gè)好的數字解決方案應該能在優(yōu)越的ANC性能和功耗之間取得合理的平衡。當這樣的數字系統被開(kāi)發(fā)出來(lái)，數字方案就能完全發(fā)揮它所有的優(yōu)勢。

 

 

模擬系統的一個(gè)缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)過(guò)程相當復雜，這主要與ANC濾波器的設計有關(guān)。這一過(guò)程有時(shí)相當耗時(shí)，是每一個(gè)耳機開(kāi)發(fā)過(guò)程的一部分。需要說(shuō)明的是，聲學(xué)特性的量測永遠都是耳機開(kāi)發(fā)中必不可少的一個(gè)步驟，不會(huì )因為選擇模擬還是數字方案而有任何不同。然而，在濾波器的設計方面，兩種解決方案之間有著(zhù)巨大的差異。

 

對于一個(gè)模擬ANC系統，ANC濾波器基于離散的組件，如電阻和電容，設計出模擬濾波器需要模擬濾波器設計方面的經(jīng)驗。另外，硬件設計工程師在開(kāi)發(fā)耳機的電路板（PCB）時(shí)，都面臨著(zhù)一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題：ANC濾波器仍在設計中，所需的占位面積還沒(méi)有最終確定。在不知道元件確切尺寸的情況下，經(jīng)常會(huì )在PCB上預留一些元件空位，但最終產(chǎn)品很可能并不會(huì )用到這些元件。對于可以為硬件設計工程師提供標準化占位面積的數字系統，這是另一個(gè)重要的差異化因素。因為數字濾波器是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可隨時(shí)更新的固件的一部分，因此無(wú)需再考慮外部的濾波器元件。在數字系統中，ANC濾波器傳遞函數的實(shí)現非常簡(jiǎn)單直接，一個(gè)簡(jiǎn)單的用戶(hù)界面就可以完成ANC濾波器的設計。

 

在數字系統中，設計人員能夠實(shí)時(shí)觀(guān)察改變?yōu)V波器對ANC性能有何影響，增加一些額外的功能也像點(diǎn)擊鼠標那樣簡(jiǎn)單。此外，它還能通過(guò)升級固件為已經(jīng)上市的耳機增加或者增強一些功能，比如備選的ANC工作模式，或者不同的音樂(lè )均衡，這是終端客戶(hù)選擇數字ANC方案的重要因素。

 

數字系統的好處不僅體現在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，它還具有更大的靈活性，能在大規模生產(chǎn)中提高良率。對ANC濾波器及音樂(lè )播放，模擬系統都采用固定的元件，所以在量產(chǎn)過(guò)程中，除了ANC麥克風(fēng)的增益，其它部分都不能被修改調整。ANC系統對電氣及機電元件的公差相當敏感，數字系統可以使用算法對音樂(lè )播放路徑上頻率響應的公差進(jìn)行補償。相對于直接更換頻響不足的揚聲器，DSP可以彌補性能的缺失。同樣的步驟也可以用在A(yíng)NC信號通路上。數字系統允許實(shí)時(shí)調整濾波器來(lái)滿(mǎn)足對性能的要求，能進(jìn)一步提升產(chǎn)線(xiàn)良率，并降低成本。

 

 

對于耳機尤其是高端耳機而言，音質(zhì)絕對是一個(gè)非常重要的因素。由于A(yíng)DC底噪的限制，從模擬到數字的轉換通常并不能提升音質(zhì)。目前智能手機能做到高達120dB信噪比的卓越音質(zhì)，而在一些便攜式設備里ADC的信噪比通常都只有100dB左右。

 

整個(gè)音頻系統的信噪比與嘶嘶的底噪聲直接相關(guān)，音樂(lè )發(fā)燒友對此格外關(guān)注。在這種情況下，模擬系統(圖1)具備它的優(yōu)勢，因為整個(gè)AD/DA轉換過(guò)程不是必需的。

 

圖5：數字與模擬USP概述。

 

圖5顯示了模擬和數字ANC系統各自的賣(mài)點(diǎn)。顯然，模擬方案的低功耗和ANC帶寬的優(yōu)勢很難被數字解決方案擊敗，特別是對高端系統來(lái)說(shuō)。然而，對于普通用戶(hù)，額外的ANC帶寬或輕微的嘶嘶聲并不影響他們的購買(mǎi)。

 

在功耗方面，現在人們習慣于每天為手機充電，因此電池壽命對于終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)并不那么關(guān)鍵，只要電池能夠滿(mǎn)足在一次洲際航班上使用即可。在設計工程師和產(chǎn)品經(jīng)理看來(lái)，快速開(kāi)發(fā)時(shí)間和高靈活性無(wú)疑極具吸引力，可能比用戶(hù)體驗和長(cháng)電池壽命更重要。哪個(gè)系統是更好的選擇，直到今天似乎也沒(méi)有明確的答案。對于設計工程師來(lái)說(shuō)，答案絕對是數字解決方案，而對于終端消費者來(lái)說(shuō)，模擬系統明顯是更好的選擇。

 

作者：Horst Gether，Martin Denda，AMS公司

 

本文轉載自電子技術(shù)設計。