主動降噪(ANC)技術通常被用在價格昂貴的耳機上，一般用來減弱飛機引擎等的噪聲。這種消除擾人的環境噪聲的技術是一項非常老的技術，發明于上個世紀。此期間，耳機產業者注意到了帶來先進聆聽體驗的ANC技術能為耳機提供差異化優勢。對于半導體行業來說，ANC是一個不可忽視的商機。過去，ANC技術通常由獨立的耳機功放、運算放大器以及麥克風前置放大器等幾部分組成，如圖1的簡化模擬框圖所示。

 

圖1：模擬混合ANC系統簡化框圖。

 

看著相當復雜的模擬方案框圖，也許有人會問，為什么不使用數字化解決方案來取代所有離散組件?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越強，這無疑是一個有效論證。不過，模擬方案能夠在這樣一個越來越數字化的世界里生存，可能還有其它一些因素。

 

圖2：數字混合主動降噪系統(ANC)簡化框圖。

 

如圖2所示，在一個數字主動降噪系統中，所有模擬解決方案中用到的簡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算法會涉及一些信號處理。所有這些模塊的共同點是它們運行時都需要一個時鐘，更重要的是，每個模塊都需要不同的時鐘周期將模擬信號轉換為數字信號，通過ANC算法計算，再由DAC將數字信號轉換回模擬信號。一個信號從模擬輸入到模擬輸出產生的完整傳播時延對ANC濾波器來說是一個至關重要的因素，會直接影響ANC性能。

 

 

時延對ANC性能帶來的負面影響如圖3所示。綠線是一個模擬混合ANC耳機的典型ANC性能曲線簡化圖。

 

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

 

圖3：系統時延與ANC帶寬。

 

沒有數據采樣(ADC和DAC)的模擬系統幾乎不會產生延遲，這也是為什么過去高品質ANC系統通常是模擬系統的主要原因。由于DSP運算能力越來越強大，一個必然的趨勢是提高所有數字模塊的時鐘頻率，以進一步降低系統時延，提升ANC帶寬。

 

提升時鐘頻率會增加總體功耗，這是提高采樣率的一個缺點。對于便攜式設備，電池壽命是最關鍵的參數之一，它將直接影響終端用戶耳機的運行時間。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。

 

對一個模擬系統來說，預期的功耗大約是30 mW。根據系統架構的不同，一個數字系統的功耗在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，模擬方案仍然有著明顯的功耗優勢，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，在設計時考慮將ANC作為主要應用，可以對DSP內的整個信號處理流程進行定制優化，進一步減少模擬和數字系統之間的差距。一個好的數字解決方案應該能在優越的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發出來，數字方案就能完全發揮它所有的優勢。

 

 

模擬系統的一個缺點是開發過程相當復雜，這主要與ANC濾波器的設計有關。這一過程有時相當耗時，是每一個耳機開發過程的一部分。需要說明的是，聲學特性的量測永遠都是耳機開發中必不可少的一個步驟，不會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巨大的差異。

 

對于一個模擬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驗。另外，硬件設計工程師在開發耳機的電路板（PCB）時，都面臨著一個常見的問題：ANC濾波器仍在設計中，所需的占位面積還沒有最終確定。在不知道元件確切尺寸的情況下，經常會在PCB上預留一些元件空位，但最終產品很可能并不會用到這些元件。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，這是另一個重要的差異化因素。因為數字濾波器是在開發過程中可隨時更新的固件的一部分，因此無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現非常簡單直接，一個簡單的用戶界面就可以完成ANC濾波器的設計。

 

在數字系統中，設計人員能夠實時觀察改變濾波器對ANC性能有何影響，增加一些額外的功能也像點擊鼠標那樣簡單。此外，它還能通過升級固件為已經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，或者不同的音樂均衡，這是終端客戶選擇數字ANC方案的重要因素。

 

數字系統的好處不僅體現在開發過程中，它還具有更大的靈活性，能在大規模生產中提高良率。對ANC濾波器及音樂播放，模擬系統都采用固定的元件，所以在量產過程中，除了ANC麥克風的增益，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播放路徑上頻率響應的公差進行補償。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ANC信號通路上。數字系統允許實時調整濾波器來滿足對性能的要求，能進一步提升產線良率，并降低成本。

 

 

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

 

整個音頻系統的信噪比與嘶嘶的底噪聲直接相關，音樂發燒友對此格外關注。在這種情況下，模擬系統(圖1)具備它的優勢，因為整個AD/DA轉換過程不是必需的。

 

圖5：數字與模擬USP概述。

 

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

 

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來說并不那么關鍵，只要電池能夠滿足在一次洲際航班上使用即可。在設計工程師和產品經理看來，快速開發時間和高靈活性無疑極具吸引力，可能比用戶體驗和長電池壽命更重要。哪個系統是更好的選擇，直到今天似乎也沒有明確的答案。對于設計工程師來說，答案絕對是數字解決方案，而對于終端消費者來說，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設計。