随着社会的进步和城市化的快速发展，我们的生活环境越来越复杂，我们接触到的噪声污染也越来越大。虽然我们使用的耳机产品越来越高档，但是在户外使用普通耳机，只能通过提高音量来掩盖噪音，必然会对我们的听力造成一定的损害。要解决这个问题，使用降噪耳机是一个不错的选择，可以让消费者在飞机、火车、地铁等嘈杂的环境中更好地保护听力，同时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)采集环境噪声，通过降噪系统电路产生与降噪Mic接收到的外界环境噪声相等的逆信号来抵消噪声(如图1)。 　　

　　

　　 　　

　　

　　ANC主动降噪耳机的优势在于对低频噪音的控制效果显著，降低噪音对人体健康的影响。一般来说，ANC主动降噪的有效频率在50 Hz到2 kHz之间。对于超过2KHz的噪音，降噪耳机通过耳机的结构设计和材料选择，结合被动降噪，耳机的入耳式结构设计，耳罩使用隔音材料，可以有很好的降噪效果。主动降噪只需要重点消除低频噪声，与被动降噪是互补的。 　　

　　

　　目前ANC主动降噪耳机有模拟和数字两种主流方案。但在量产中，模拟降噪方案需要调整外围RC电阻和电容作为滤波器反馈端的参数。但是RC器件的精度导致最终耳机的降噪能力差异很大，次品率很高。为解决这一问题，技术授权经销商Excelpoint石坚公司技术支持部副经理姚淳耀向我们介绍了ADI公司的数字主动降噪方案。他表示，面对消费级ANC耳机一致性、功耗、音质的三重挑战，解决方案可以一起解决。 　　

　　

　　 　　

　　

　　如图2中ADAU1777的帧结构图所示，ADAU1777具有快速、高精度(最高768 kHz)采样处理路径和5s模数延迟，保证了DSP处理滤波器的速度和精度。4路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门控输入。基于以上性能，ADAU1777已被国内外各大耳机ODM厂商应用并量产。 　　

　　

　　Jack还告诉我们，ADI公司发布了新一代DSP产品ADAU1787。该产品针对主动降噪耳机的应用进行了进一步的优化和改进。 　　

　　

　　 　　

　　

　　如图3中ADAU1787的框图所示，ADAU1787具有独特的双核设计。FastDSP内核执行主动降噪滤波处理，SigmaDSP内核执行EQ后处理，补偿降噪处理后丢失的音乐中低频部分。 　　

　　

　　由于混合有源降噪解决方案需要四个有源降噪麦克风：两个用于前馈环路，两个用于反馈环路，加上线路输入通道至少需要六个输入通道，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可以实现混合降噪耳机中的单芯片应用。同时ADAU1787可以提供更小的2.3*2.8 mm的BGA封装，1.8V时的功耗只有6-7mW左右，可以应用于对功耗和芯片尺寸要求更严格的TWS耳机。 　　

　　

　　主动降噪耳机的设计与调试 　　

　　

　　如何设计一款高性能的主动降噪(ANC)耳机？Jack进一步介绍了ANC耳机的设计和调试步骤。 　　

　　

　　首先需要搭建Matlab仿真模型，如图4，ANC系统框架： 　　

　　

　　 　　

　　

　　一共三层，用虚线隔开：顶层主路径是Ref Mic到Error Mic的声道，响应函数用P(Z)表示；中间层是模拟通道，其中次级路径是自适应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、扬声器放音、重采集、前置放大器、抗混叠滤波器和ADC；底层是数字路径，自适应滤波器不断调整滤波器权系数，以减少残差，直到收敛。最常见的方案是用FIR滤波器结合LMS算法实现自适应滤波器。简化图4得到图5。 　　

img.php?k=anc降噪增益是什么意思,anc降噪耳机保护套5.jpg">

　　

　　

这里adaptive filter输出后经过S(z)和desire output比较后，可能会引起instability。一种有效的方法是FXLMS（Filtered-X LMS），也就让x(n)经过S(z)S^(z)再输入给LMS 模块, 使adaptive filter可以正常收敛。也就是说，自适应滤波器的权系数是由耳机的primary path和secondary path决定的。耳机的primary path和secondary path相对稳定，所以adaptive filter的权系数也相对稳定。用变步长LMS的adaptive filter，得仿真结果如图6，在0到2KHz范围内（图6）。

　　

　　

　　

　　

接着第二步，就需要一些设备对耳机的声学特性做检测，可选用的音频设备有Audio Precision、Soundcheck等。人耳模拟装置也是重要的一部分，如来自Head Acoustics、GRAS的IEC711。

　　

　　

人耳模拟装置可在量测耳机特性时，用于模拟人耳响应。这些人工耳集成了高度精确的麦克风，能测量到人戴耳机时真实听到的声音。另外还需要一个扬声器，用于测量耳机的被动衰减特性。耳机腔体声学指标的测试是ANC滤波器仿真设计非常重要的环节。

　　

　　

　　

　　

最后，需要在ADI Sigmastudio 图形化工具对Matlab仿真系数做相应滤波器参数的代入和调整（图7），而这部分调试需要和耳机声学曲线测试做反复验证。

　　

　　

　　

　　

总的来说，ANC降噪耳机市场潜力很大，而采用数字芯片来实现ANC降噪处理的耳机是未来发展方向，但从研发到量产这条路上还有很多挑战,包括了研发阶段的ID设计、传递函数测量、ANC滤波器仿真和调试，量产阶段的来料检验控制、成品产线自动增益调整系统等。目前，世健与有经验的IDH配合支持客户，可以缩短客户产品的研发周期。

　　

　　

如图8是IDH用ADAU1787在一款头戴式ANC耳机测试曲线。

　　

　　

最深降噪-40DB,在50-2khz平均-30DB以上降噪深度。

　　

　　

　　

　　

备注：文中关于Matlab仿真模型算法参考： Kuo S M, Morgan D. Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations. John Wiley & Sons, Inc. 1996.