本系列的上一篇文章(使用 AS3415 设计主动降噪耳机) 提供了有关如何开发基于前馈拓扑的主动降噪 (ANC) 耳机的见解。

　　前馈耳机通常更容易开发，因为设计工程师通常不必处理稳定性问题。然而，这种拓扑结构的一个主要缺点是风噪声，因为主动降噪麦克风直接暴露在环境中。克服这一缺点的另一种方法是使用反馈主动降噪技术。本文介绍了基于艾迈斯半导体AS3435设计反馈主动降噪耳机所需的开发步骤。

　　设备概述

　　与前馈耳机的设计一样，反馈耳机也需要某些设备，其中最重要的是能够进行频率和相位响应测量的音频测量系统。

　　适用于这些测量的音频设备包括Audio Precision，Brüel & Kjær和Soundcheck。人工耳模拟器，在Head Acoustics，Brüel & Kjær或G.R.A.S.的声学行为方面模拟人耳，强烈建议使用不同类型的人造耳。

　　此应用通常不需要用于入耳式产品(例如前馈耳机中的产品)的 IEC711 耦合，因为 99% 的反馈耳机通常是贴耳式和耳罩式设计。这是由于入耳式反馈系统中麦克风放置的机械限制。但是，当今市场上有入耳式反馈设计。除了人工头/耳模拟器和能够进行增益和相位测量的音频测量设备外，这些入耳式设计还包含成功表征反馈主动降噪耳机所需的一切。为了确定头戴式耳机的主动降噪性能，还需要使用两分频扬声器系统(最好是两分频同轴扬声器)，以便在执行测量时将主动降噪耳机暴露在噪声中。

　　最后一个需要元件是AS3435评估板(EVB)，其中包括所有必要的连接器和前置放大器，以使表征过程尽可能顺利。

　　如何表征反馈耳机

　　每个 ANC 耳机除了需要耳垫和扬声器腔体等机械组件外，还需要扬声器和 ANC 麦克风等电声组件。这些组件共同定义了头戴式耳机的频率和相位响应。不同的耳机通常具有不同的频率和相位响应，因此需要适当的表征，以优化每个耳机的ANC性能，以实现最大带宽。

　　在反馈系统中，与前馈系统相比，主动降噪表征测量相当简单。所需要的只是耳机扬声器和 ANC 麦克风之间的开环测量。

　　包括音频数据采集(DAQ)系统、人造头和ANC耳机的测量设置如 图1 .DAQ系统的信号输出连接到AS3435评估板的线路输入。ANC耳机的扬声器必须连接到AS3435评估板的耳机放大器输出。主动降噪麦克风连接到评估板的麦克风输入。必要的麦克风偏置电压由 EVB 提供，因此麦克风连接不需要外部附加组件。

　　图1 测量 设置 包括 音频 DAQ 系统、 人工 头 和 ANC 耳机。

　　最后一个重要且必要的连接是从EVB的QMICx引脚(麦克风前置放大器输出)到DAQ系统的模拟音频输入。在开始测量之前，必须正确配置AS3435 EVB。EVB 软件的屏幕截图显示在 图2 .对于测量来说，将麦克风前置放大器增益设置为0dB非常重要，以便以后匹配艾迈斯半导体滤波器计算模板。

　　还需要将耳机多路复用器输入配置为“未连接”位置，这有助于避免麦克风信号反馈给扬声器。当然，这在ANC操作期间是需要的，但对于开环表征测量则不是。

　　图2 此屏幕截图显示了AS3435 EVB软件。

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　　一旦 EVB 配置正确，音频 DAQ 系统 可以 生成 20kHz 至 20Hz 的正弦扫描信号。然后，在DAQ系统的输入端测量麦克风前置放大器输出端的增益和相位响应。该测量包括第一个反馈滤波器设计所需的所有相关信息。

　　主动降噪滤波器计算

　　反馈电路的ANC滤波器计算相当简单，可以按如下方式计算：

　　一个滤波器 (f) = 理想的主动降噪滤波器增益响应

　　一个M (f) = 测得的开环频率响应

　　理想相位响应计算如下：

　　φ滤波器 (f) = 理想的主动降噪滤波器相位响应

　　φM (f) = 测量的开环相位响应

　　如这些图所示，所需的滤波器计算只是增益和相位响应的反转。计算可以在Microsoft Excel电子表格中方便地完成。AS3435评估套件中包含计算模板。

　　过滤器开发

　　开发链中的下一个，也许是最重要的一步是ANC滤波器的开发。通过滤波器计算了解 ANC 耳机的特性意味着此信息可用于开发 ANC 滤波器。

　　市场上有许多反馈ANC耳机，但大多数设计只是反转反馈信号，导致ANC性能相当低。因此，在过滤器开发过程中知道重点在哪里很重要。这涉及了解和理解系统的局限性。经验丰富的工程师可以使用香料仿真工具来设计ANC滤波器。此过程需要大量经验，尤其是在滤波器拓扑和滤波器计算方面。此类 ANC 滤波器示例如 图3 .

　　图3 下面是香料过滤器模拟的示例。

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　　该示例显示了完整的ANC信号链，其中反相放大器和RC网络定义了ANC滤波器的频率和增益响应。为了使滤波器设计对工程师来说更加方便，艾迈斯半导体开发了一款滤波器仿真工具，作为AS3435评估套件的一部分。模拟工具的屏幕截图显示在 图4 .

　　图4 这是AS3435滤波器仿真工具的屏幕截图。

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　　该工具还使用香料模拟器，但带有图形用户界面(GUI)，使滤波器开发更加容易，特别是对于“未经培训”的ANC滤波器设计工程师。它允许设计人员使用一组预定义的滤波器拓扑来定义各种增益和截止频率。该系统不像用户定义滤波器拓扑以及电阻和电容值的香料模拟器那样灵活，但这是一个很好的起点。它有望帮助工程师更好地了解ANC滤波器设计带来的设计障碍。

　　中的模拟窗口 图5 显示在模拟窗口中设置过滤器模拟设置的结果。绿色曲线表示基于倒开环测量的理想反馈滤波器。蓝色曲线标识香料模拟的结果。反馈滤波器仿真与前馈仿真的差异表明，仅匹配频率和相位响应是不够的。在反馈系统中，较高的增益会导致更好的主动降噪性能，而在前馈系统中，过高的增益会导致噪声放大而不是抵消噪声。在反馈系统中，重点通常集中在 20 Hz 到 800 Hz 的较低频率区域，峰值在 100 Hz 范围内，具体取决于耳机的声学效果。 较高的频率也很难抵消，因为很难/不可能匹配相位响应。因此，尽可能衰减更高的频率以避免系统振荡非常重要。

　　图5 滤波器模拟设置设置的结果将显示在此模拟窗口中。

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　　如果增益太高，并且仿真滤波器和理想滤波器之间的相位不匹配太大(典型值为120°)，耳机可能会陷入振荡。AS3435滤波器仿真软件提供稳定性检查功能，可自动显示计算出的ANC滤波器与仿真ANC滤波器之间的增益和相位失配。仿真结果显示在 图6 .在相位失配大于120°且增益高于-12 dB的区域，该工具用红色框指示关键区域。在这个频率区域振荡的概率相当高。

　　图6 稳定性检查功能可自动显示计算出的ANC滤波器与仿真的ANC滤波器之间的增益和相位失配。

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　　在相位失配较高的区域，滤波器设计工程师必须确保增益尽可能低。振荡通常发生在较高的频率下，但也有可能在1 Hz范围内振荡。

　　滤波器验证和主动降噪测试

　　一旦设计工程师找到在整个频率范围内看起来稳定的滤波器设计，就可以导出ANC滤波器。该工具具有基于标准 E24 组件集成的物料清单 (BOM) 导出功能。此外，它还直接连接到AS3435的评估板。BOM中列出的元件可以直接焊接到EVB上，因为参考指示符与评估板的参考指示符相匹配。

　　图7 图中显示了 ANC 性能测量设置。

　　ANC 性能测量由两个测量组成，不再需要相位测量。第一个测量是安装在人造头上的耳机的被动衰减测量。第二个是相同的测量，但这次是AS3535开关打开，并针对反馈应用配置了模拟麦克风前置放大器增益。ANC性能可以通过以下两个测量值计算得出：

　　一个非国大 (f) = 主动降噪级别

　　一个积极 (f) = 主动降噪开启时的有源衰减

　　一个被动 (f) = 主动降噪关闭时的无源衰减

　　可以使用Excel电子表格进行计算，从而创建ANC性能频率图，这在行业中非常常见。

　　可根据要求提供使用AS3435进行ANC耳机开发的开发工具、应用笔记和模板。欲了解更多信息，请访问 本页.