DIY無極限：自己設計一款反饋式主動降噪耳機，其實很簡單

　　主動降噪濾波器(ANC Filter)計算

　　反饋電路的主動降噪濾波器計算非常簡單，計算方式如下：

　　理想的相位響應計算方式如下：

　　如這些算式所示，所需的濾波器計算只是增益和相位響應的反向。通過Excel表格便能完成計算。AS3435評估套件提供此計算模板。

　　濾波器開發(fā)

　　下一個，可能也是開發(fā)環(huán)節(jié)中最重要的步驟，就是主動降噪濾波器的開發(fā)。通過濾波器計算來了解主動降噪耳機的特性，意味著這些信息可以用在主動降噪濾波器的開發(fā)上。降噪耳機的聲學特性以及濾波器計算，可用于ANC濾波器的開發(fā)。

　　市面上有許多反饋式主動降噪耳機，但是大部分的設計都只是簡單地反轉反饋信號，因而主動降噪性能極低。所以，重要的是把握濾波器開發(fā)過程中的重點，包括了解并懂得系統(tǒng)的限制。有經(jīng)驗的工程師可以使用Spice仿真工具來設計主動降噪濾波器。這需要很多經(jīng)驗，尤其是在濾波器拓撲和濾波器計算方面的經(jīng)驗。圖3為主動降噪濾波器范例。

　　圖3： Spice濾波器仿真范例

　　圖示為完整的主動降噪信號鏈，包含反向放大器和RC網(wǎng)絡，可以設計主動降噪濾波器的頻率和增益響應。為了讓工程師能夠更方便地設計濾波器，ams開發(fā)了濾波器仿真工具，作為AS3435評估軟件的一部分。此仿真工具的屏幕截圖如圖4所示。

　　圖4： AS3435濾波器仿真工具

　　該工具也使用spice仿真器，但配備了圖形用戶接口(GUI)，使濾波器的開發(fā)變得容易很多，特別是對于那些“未經(jīng)培訓”的設計工程師而言。它可以幫助設計工程師通過一組預定義的濾波器拓撲定義不同的增益和截止頻率。這個系統(tǒng)不像spice仿真器那么有彈性，讓用戶可以定義濾波器拓撲以及電阻和電容數(shù)值，但它是一個很好的起點，將協(xié)助設計工程師更加了解主動降噪濾波器設計中可能會遇到的困難。

　　圖5所示的仿真窗口，顯示了仿真窗口中設定濾波器仿真的結果。綠色曲線為理想的反饋濾波器，它是量測到的開環(huán)回路的翻轉。藍色曲線則代表了spice仿真的結果。反饋濾波器仿真前饋濾波器仿真的差異表明僅僅做到頻率和相位的匹配是不夠的。在反饋系統(tǒng)中，更高的增益帶來更佳的主動降噪性能，然而在前饋式系統(tǒng)中，太高的增益不但不能消除噪聲，反而會放大噪聲。在反饋系統(tǒng)中，焦點通常是在較低的頻率范圍內：從20Hz至800Hz.基于耳機的聲學性能，焦點的峰值則落在100Hz的范圍內。較高的頻率也較難消除，因為很難或根本無法匹配其相位響應。所以，減弱較高頻率以及盡可能避免系統(tǒng)震蕩是很重要的。

　　圖5：濾波器仿真結果

　　如果增益過高，且仿真出來的濾波器與理論計算出來的理想濾波器之間的相位不匹配度太大(typ. 120°)，則耳機會發(fā)生震蕩。AS3435濾波器仿真軟件具備穩(wěn)定性檢查功能，能夠自動顯示理論計算出來的ANC濾波器與仿真出來的ANC濾波器之間的增益和相位的不匹配。仿真結果如圖6所示。

　　在相位不匹配大于120°，同時增益不匹配高于-12dB的區(qū)域，該工具以紅框標示出重點區(qū)域。在這個頻率區(qū)域中，震蕩的發(fā)生率是很高的。

　　圖6：穩(wěn)定性檢查功能

　　在相位不匹配度高的區(qū)域中，濾波器設計工程師必須確保增益盡可能低。震蕩一般發(fā)生在高頻，然而在1Hz附近發(fā)生也是有可能的。