目前應用在耳機中的主動降噪(anc)技術有兩種模式，分別稱為前饋降噪和反饋降噪，兩者結合則組成混合降噪。不同的主動降噪技術在降噪深度和頻寬上有各自的侷限性，這主要是由耳機聲學結構、訊號處理和系統訊號延遲所共同決定的。本文將討論如何結合實際應用體驗，將前饋和反饋兩種降噪技術取長補短，從而最大程度擴充套件降噪頻寬，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信號，在耳鼓處反相信號與雜訊訊號抵消，從而降低人耳聽到的雜訊水平。這裡的濾波電路主要用來補償耳鼓和麥克風處檢測到的雜訊之間的差異，另外對喇叭本身對消噪訊號的響應能力也有補償作用。
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3khz。延遲會導致難以在消噪訊號和雜訊訊號之間實現180度的相位反轉，高頻部分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)。
實際可以盡量提前檢測環境雜訊來補償該延遲，這便於處理器有更多時間處理並輸出消噪訊號，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)。
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。
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，比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效能。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，因為可以通過快速開啟或關閉anc形成反差得到結果，但評估被動降噪效果就困難了，因為使用者戴上耳機後在很短時間內就會忘記環境雜訊的水平從而難以形成對比。
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，以便使用者可以得到穩定的聲學特性和降噪效能。
此外，建議耳機喇叭的頻率響應和被動衰減曲線要平滑(例如q值不會太高或者太低)，以便簡單的數字濾波器就可以對傳遞函式進行補償。
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，然後形成乙個基本的反饋迴路來最大限度降低該區域的雜訊水平。
圖5：反饋降噪耳機
圖5是反饋降噪系統設計的公式。整個「環路」是由喇叭以及麥克風的響應，以及濾波器的組成。公式表明，隨著濾波器增益(及其環路增益)增大，雜訊殘留變小，從而降噪效能得到提公升。但如果環路的相位接近±180°，「環路」訊號會發生反轉，分母上的「+」將變為「-」。在這種情況下，環路增益大小調節受限，因為當它從0.0增至1.0時，結果是放大，當等於1.0時，結果是「除以零」，這意味著不穩定並且經常隨著頻響幅度增加引起嘯叫——務必要避免。
實際上，環路的相位在頻率為10 hz時趨向於180度，在頻率為幾khz時趨向於 -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。
環路中高頻部分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，減少其中任何乙個因素(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。
數字訊號處理
環境降噪數字系統的構建模組簡單如圖6。
圖6：數字降噪ic的基本框圖
將anc濾波器執行在數字處理器中有多種好處：
隨著無線「耳穿戴」裝置越來越流行，功耗問題變得至關重要。因此，任何數字降噪解決方案都必須高效節能，尤其是其中的adc和dac模組部分。只執行必要的程式(例如，使用結構簡單的濾波器並優化任何其它程序)並盡可能降低時鐘頻率，即可將數字處理器功耗保持在最低水平。加快時鐘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***。電子雜訊的主要**通常是麥克風。儘管矽麥(mems)最近越來越流行，但駐極體麥克風(ecm)在訊雜比方面仍然優於mems。一般業界領先的ecm麥克風訊雜比為74 db(測試條件為94dbspl@1khz)，也就是底噪為20dbspl。儘管麥克風的底噪不高，但仍然建議盡可能選用高snr的麥克風，從而避免在安靜的環境中聽到不期望的雜訊。
如果使用數字降噪耳機聆聽**時關閉anc，麥克風的雜訊會被系統遮蔽在外，那麼整個數字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**。
因此，dac的規格需要定義在至少支援100db訊雜比(125dbspl–25dbspl)才是合理的 ，並確保數字域訊雜比足夠優秀。這對於現階段的數字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，確保量化雜訊的水平低於adc和dac的雜訊。
另外，還需要選擇靈敏度好、失真度低的揚聲器。揚聲器的失真會導致生成的消噪訊號失真從而降低降噪水平。
設計要點概述
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ end‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧
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