目前應用在耳機中的主動降噪(ANC)技術有兩種模式,分別稱為前饋(Feed-Forward)降噪和反饋(Feedback)降噪,兩者結合則組成混合(Hybrid)降噪。不同的主動降噪技術在降噪深度和頻寬上有各自的局限性,這主要是由耳機聲學結構、訊號處理和系統訊號延遲共同決定的。本文將討論如何結合實際應用體驗,在前饋和反饋兩種降噪技術之間截長補短,從而最大程度地擴展降噪頻寬,並實現40dB降噪深度。

前饋降噪

前饋降噪系統,由耳機輸出與環境雜訊頻響相同但相位相反的訊號來實現降噪。如圖1,前饋麥克風偵測雜訊並透過濾波電路產生反相訊號,在耳鼓處反相訊號與雜訊訊號抵消,從而降低人耳聽到的雜訊級。這裡的濾波電路主要用來補償耳鼓和麥克風處偵測到的雜訊之間差異,另外對於喇叭本身在降噪訊號的回應能力方面也有補償作用。

20180419_ams_TA31P1 圖1:前饋降噪耳機

20180419_ams_TA31P2 圖2:兩種不同頻率下系統延遲的影響

前饋降噪頻寬,在低頻處被耳機驅動模組限制在50Hz左右,在高頻處被聲學結構和訊號處理延遲限制於3kHz。延遲會導致難以在抗噪訊號和雜訊訊號之間實現180度的相位反轉,高頻部份因為波長較短更難處理。圖2顯示了兩種頻率下20μs延遲對降噪效果的影響:頻率為1500Hz時,殘餘雜訊約剩1/5(14dB ANC),但頻率為4500Hz時,即使延遲不變,殘餘雜訊也已增加到3/5(僅4dB ANC)。

實際上可以儘量提前偵測環境雜訊來補償該延遲,這有助於讓處理器有更多時間處理並輸出抗噪訊號,另外,將降噪麥克風放置於遠離耳道的入口也有利於擴大降噪的角度(圖3)。

20180419_ams_TA31P3 圖3:前饋降噪的方向性,(a) 0度時朝向的雜訊(b) 90度時朝向的雜訊

如圖3,如果將麥克風放置在耳機殼外(即遠離耳朵),當麥克風拾音孔與雜訊的角度分別成0°和90°時,雜訊進入麥克風以及人耳的時間差不同,這也意味著降噪效果會有方向性。控制環境雜訊進入耳朵的路徑並在靠近該路徑放置麥克風則可解決此問題:如圖4,一種有效的設計是在揚聲器後方開洩露孔,雜訊主要從該洩露孔,以及耳機驅動單元進入人耳,從而可以保證不同角度的雜訊進入麥克風和人耳的時間差基本是一致的,進而保證降噪效果的一致性。

20180419_ams_TA31P4 圖4:靠近雜訊進入耳朵的位置放置話筒(a) 0度朝向的雜訊(b) 90度朝向的雜訊

雜訊頻率高於3kHz時,聲音的波長明顯短於耳道和耳機腔體尺寸,在聲腔以及揚聲器振膜之間可能產生共振進而難以進行濾波設計,而且該頻寬中的降噪也受限於系統延遲,因此主要靠被動降噪。被動降噪一般隨著耳機氣密性的提高而提高,例如填補或者縮小洩露孔尺寸,但同時也會降低前饋降噪在高頻處的性能。因此,需要權衡該頻段範圍內的被動降噪和主動降噪的取捨。

有趣的是,消費者發現評估ANC效果更容易一些,因為可以透過快速開啟或關閉ANC形成反差得到結果,但評估被動降噪效果就困難了,因為用戶戴上耳機後在很短時間內就會忘記環境雜訊級,從而難以形成對比。

圖4還可以看出,耳機在設計中還需要保證耳墊和頭部之間密封的穩定性,以便用戶可以得到穩定的聲學特性和降噪性能。

此外,建議耳機喇叭的頻率回應和被動衰減曲線要平滑(例如Q值不會太高或者太低),以便簡單的數位濾波器就可以對傳遞函數進行補償。

反饋降噪

反饋降噪耳機(圖5)的工作原理主要是檢測耳鼓區域的雜訊,然後形成一個基本的反饋迴路,以便最大限度地降低該區域的雜訊級。

20180419_ams_TA31P5 圖5:反饋降噪耳機

參考圖5反饋降噪系統設計的公式。整個「迴路」(loop)是由喇叭與麥克風的回應以及濾波器的組成。根據公式顯示,隨著濾波器增益(及其迴路增益)增加,雜訊殘留變小,從而降噪性能得到提升。但如果迴路的相位接近±180°,「迴路」訊號會發生反轉,分母上的‘+’將變為‘-’。在這種情況下,迴路增益大小調節受限,因為當它從0.0增加至1.0時,結果是放大,而當等於1.0時,結果則是「除以零」,這意味著不穩定並且經常隨著頻響幅度增加引起的嘯叫——務必要避免。

實際上,迴路的相位在頻率為10Hz時趨向180度,在頻率為幾kHz時趨向-180度。因此,在這些頻率下的增益必須要盡可能大但要低於1.0。通常濾波器會將反饋降噪的頻寬限制在10Hz到1kHz之間,降噪效果也可以從濾波器得出。

迴路中高頻部份的相位變化是由處理器中的系統延遲、揚聲器以及喇叭到麥克風的距離等因素決定的。因此,減少其中任何一個因素(使用輕重量高靈敏度的喇叭;將麥克風靠近喇叭振膜放置;儘量減少處理器延遲時間)均可以提高降噪頻寬上限。

由於反饋麥克風靠近喇叭位置,因此耳機播放的音樂也會被誤認為雜訊。其結果是來自喇叭的音樂訊號也被降噪處理,因此還需要透過電路來進行補償。

數位訊號處理

環境降噪數位系統的建構模組如圖6所示。

20180419_ams_TA31P6 圖6:數位降噪IC的基本方塊圖

在數位處理器中執行ANC濾波器有多種好處:

  • 靈活——針對不同的環境能夠切換濾波器進行自動調整,或者將周圍環境的聲音直接送入耳機(類似於助聽器),也可以與藍牙通訊設備等進行數位介面通訊。
  • 開發速度更快——ANC濾波器的設計通常隨著聲學的調整而需要修改週邊濾波器,數位方案則可以在晶片內部快速調整濾波器並立即投入驗證。
  • 最佳化校準流程——因為聲學元件的容差會影響濾波器形狀。因此在生產中,聲學傳遞函數可能存在差異,從而需要對耳機進行校準。校準過程需要人為手動完成並且佔用大量時間,數位降噪技術可以省掉這部份資源的支出。
  • 尺寸更小——因為晶片週邊元件較少。

數位ANC的缺點如下:

  • 功耗更高;
  • 數位系統的延遲更高。通常延遲越低越好,20μs在整個迴路延遲所佔比例很小,所以很難明顯區分出可忽略延遲的類比系統與延遲小於20μs的數位系統之間差異。

隨著無線「耳戴式」裝置越來越流行,功耗問題變得至關重要。因此,任何數位降噪解決方案都必須高效節能,尤其是其中的ADC和DAC模組部份。只運行必要的程式(例如,使用結構簡單的濾波器並最佳化任何其它進程)並盡可能降低時脈頻率,即可將數位處理器功耗保持在最低水準。加快時脈頻率雖然可以顯著減少處理器延遲時間,但也會增加功耗,因此需要權衡二者的關係。

電子雜訊

降噪耳機的電子雜訊對降噪會帶來副作用。電子雜訊的主要來源通常是麥克風。儘管MEMS最近越來越流行,但駐極體麥克風(ECM)在訊噪比(SNR)方面仍然優於MEMS。一般業界領先的ECM麥克風訊噪比為74dB(測試條件為[email protected]),也就是雜訊層為20dBSPL。儘管麥克風的雜訊層不高,但仍然建議盡可能選用高SNR的麥克風,以免在安靜的環境中聽到不期望的雜訊。

如果使用數位降噪耳機聆聽音樂時關閉ANC,麥克風的雜訊會被系統隔離在外,那麼整個數位系統也必須具有足夠低的雜訊,才能確保使用者欣賞到純淨的音樂。

數位系統中SNR的計算方法一般是以最大不失真輸出訊號減去可辨別的最小輸出訊號,系統中不允許聽到任何雜訊。人耳聽到1KHz主頻的閾值下限被定義為0dBSPL,但您可能發現自己不太可能處於比25dBSPL(差不多1公尺處呼吸聲被人耳聽到的程度)更安靜的環境中。儘管近期的標準(EN 50322和IEC 600065:2014)規定可攜式媒體播放機最大播放音量必須限制在100dBA,但在某些頻率下,耳機輸出的訊號峰值可以達到約125dBSPL。

因此,DAC的規格需要定義在至少支援100dB訊噪比(125dBSPL–25dBSPL)才是合理的,並確保數位域訊噪比足夠優越。這對於現階段的數位處理器來說不難完成,所以一般使用定點演算法而不用功耗比較高的浮點演算法,另外還要保證位元組長度,確保量化雜訊的水準低於ADC和DAC的雜訊。

另外,還必須選擇較佳靈敏度且失真度低的揚聲器。揚聲器的失真會導致產生的抗噪訊號失真,從而降低降噪級。

設計要點概述

  • 彈性的數位降噪架構設計。
  • 最大程度降低整個系統的聲學延遲,使用低於20μs延遲的晶片,以確保降噪頻寬。
  • 為雜訊進入人耳搭建一個可控制的路徑通道,確保前饋降噪效果。
  • 耳機的結構設計能滿足所有使用者佩戴均具有一致性
  • 選擇被動降噪差的大尺寸洩露孔設計搭配較強的主動降噪設計,或選擇被動降噪好的小尺寸洩露孔設計搭配稍弱的主動降噪設計。
  • 調節聲腔容量、洩露孔和通氣孔阻尼直到獲得平滑的耳機和被動衰減回應。
  • 儘量減少電子雜訊的來源,選擇高SNR的麥克風,確保人耳聽不到數位和DAC部份的雜訊。