实际探讨：前馈和反馈两种降噪技术

今朝应用在耳机中的自动降噪(ANC)手艺有两种模式，分手称为前馈(Feed-Forward)降噪和反馈(Feedback)降噪，二者连系则构成混杂(Hybrid)降噪。分歧的自动降噪手艺在降噪深度和带宽上有各自的局限性，这主如果由耳机声学布局、讯号处置和体系讯号耽误配合抉择的。本文将接头若何连系实践使用体验，在前馈和反馈两种降噪手艺之间截长补短，从而最大水平地扩大降噪带宽，并完成40dB降噪深度。

前馈降噪

前馈降噪体系，由耳机输入与环境噪声频响沟通但相位相同的讯号来完成降噪。如图1，前馈话筒侦测噪声并透过滤波电路发生反相讯号，在耳鼓处反相讯号与噪声讯号对消，从而下降人耳听到的噪声级。这里的滤波电路首要用来赔偿耳鼓和话筒处侦测到的噪声之间差别，此外关于喇叭本身在降噪讯号的呼应才能方面也有赔偿感化。

前馈降噪带宽，在低频处被耳机驱动模块限定在50Hz摆布，在高频处被声学布局和讯号处置耽误限定于3kHz。耽误会致使难以在抗噪讯号和噪声讯号之间完成180度的相位反转，高频部分由于波长较短更难处置。图2表现了两种频次下20μs耽误对降噪结果的影响：频次为1500Hz时，残存噪声约剩1/5(14dB ANC)，但频次为4500Hz时，纵然耽误稳定，残存噪声也已增加到3/5(仅4dB ANC)。

实际上能够尽可能提早侦测环境噪声来赔偿该耽误，这有助于让处理器有更多时候处置并输入抗噪讯号，此外，将降噪话筒放置于阔别耳道的进口也有利于扩充降噪的角度(图3)。

如图3，假如将话筒搁置在耳机壳外(即阔别耳朵)，当话筒拾音孔与噪声的角度分别成0°和90°时，噪声进入话筒以及人耳的时间差分歧，这也意味着降噪结果会有方向性。操纵环境噪声进入耳朵的门路并在接近该门路搁置话筒则可解决此题目：如图4，一种无效的设想是在扬声器后方开泄漏孔，噪声主要从该泄漏孔，以及耳机驱动单位进入人耳，从而能够保障分歧角度的噪声进入麦克风和人耳的时间差基本是同等的，进而保障降噪结果的一致性。

噪声频次高于3kHz时，声音的波长显然短于耳道和耳机腔体尺寸，在声腔以及扬声器振膜之间大概发生共振进而难以举行滤波设想，并且该带宽中的降噪也受限于体系耽误，是以主要靠被动降噪。被动降噪普通跟着耳机气密性的进步而进步，比方弥补或许减少泄漏孔尺寸，但同时也会下降前馈降噪在高频处的功能。是以，需求掂量该频段范围内的被动降噪和自动降噪的弃取。

无味的是，消费者发明评价ANC结果更轻易一些，由于能够透过倏地开启或封闭ANC构成反差失掉效果，但评价被动降噪结果就困难了，由于用户戴上耳机后在很短时间内就会遗忘环境噪声级，从而难以构成比照。

图4还能够看出，耳机在设想中还需要保障耳垫和头部之间密封的稳定性，以便用户能够失掉稳固的声学特点和降噪功能。

另外，倡议耳机喇叭的频次响应和被动衰减曲线要腻滑(比方Q值不会过高或许过低)，以便简略的数字滤波器便可以对通报函数举行赔偿。

反馈降噪

反馈降噪耳机(图5)的事情道理主如果检测耳鼓地区的噪声，而后构成一个基础的反馈回路，以便最大限度地下降该地区的噪声级。

参考图5反馈降噪体系设想的公式。全部「回路」(loop)是由喇叭与话筒的呼应以及滤波器的构成。依据公式表现，跟着滤波器增益(及其回路增益)增添，噪声残留变小，从而降噪功能失掉晋升。但假如回路的相位靠近±180°，「回路」讯号会产生反转，分母上的‘ ’将变成‘-’。在这类情况下，回路增益巨细调理受限，由于当它从0.0增添至1.0时，结果是缩小，而当即是1.0时，效果则是「零除」，这意味着不稳定而且常常跟着频响幅度增添惹起的啸叫——务需要防止。

实际上，回路的相位在频次为10Hz时趋势180度，在频次为几kHz时趋势-180度。是以，在这些频次下的增益必需要尽大概大但要低于1.0。平日滤波器会将反馈降噪的带宽限定在10Hz到1kHz之间，降噪结果也能够从滤波器得出。

回路中高频部分的相位变迁是由处理器中的体系耽误、扬声器以及喇叭到话筒的间隔等要素抉择的。是以，缩小此中任何一个要素(应用轻分量高灵敏度的喇叭；将话筒接近喇叭振膜搁置；尽可能缩小处理器耽误时候)均能够进步降噪带宽下限。

因为反馈话筒接近喇叭地位，是以耳机播放的音乐也会被误认为噪声。其结果是来自喇叭的音乐讯号也被降噪处置，是以还需要透过电路来举行赔偿。

数字讯号处置

环境降噪数字体系的建构模块如图6所示。

在数字处理器中施行ANC滤波器有多种优点：

灵巧——针对分歧的环境可以或许切换滤波器举行主动调解，或许将四周环境的声音间接送入耳机(类似于助听器)，也能够与蓝牙通信设置装备摆设等举行数字接口通信。

开辟速率更快——ANC滤波器的设想平日跟着声学的调解而需求修正核心滤波器，数字计划则能够在芯片外部倏地调解滤波器并即时投入考证。

优化校准流程——由于声学组件的容差会影响滤波器外形。是以在生产中，声学通报函数大概存在差别，从而需要对耳机举行校准。校准进程需求工资手动实现而且占用少量时候，数字降噪手艺能够省掉这部分资本的付出。
尺寸更小——由于芯片核心组件较少。

数字ANC的瑕玷以下：

功耗更高；

数字体系的耽误更高。平日耽误越低越好，20μs在全部回路耽误所占比例很小，以是很难显然区分出可疏忽耽误的模仿体系与耽误小于20μs的数字体系之间差别。

跟着无线「耳戴式」装配愈来愈风行，功耗题目变得相当首要。是以，任何数字降噪解决计划都必须高效节能，尤其是此中的ADC和DAC模块部分。只运转需要的步伐(比方，应用布局简略的滤波器并优化任何别的历程)并尽量下降频次频次，即可将数字处理器功耗保持在最低程度。加速频次频次尽管能够显著缩小处理器耽误时候，但也增添功耗是以需求掂量两者瓜葛。

电子噪声

降噪耳机的电子噪声对降噪会带来反作用。电子噪声首要起源一般为话筒虽然MEMS比来愈来愈风行，但驻极体话筒(ECM)在讯噪比(SNR)方面依然优于MEMS普通业界当先的ECM话筒讯噪比为74dB(测试前提为94dBSPL@1KHz便是噪声层为20dBSPL虽然话筒的噪声层不高，但仍然倡议尽量选用高SNR话筒以避免宁静的环境中听到冀望的噪声假如应用数字降噪耳机倾听音乐封闭ANC话筒的噪声会被体系断绝在外那末全部数字体系必需拥有足够低的噪声能力确保用户欣赏到污浊的音乐。

数字体系中SNR计较要领普通因此最大不失真输入讯号减去可辨此外最小输入讯号体系中不允许听到任何噪声。人耳听到1KHz主频的阈值上限界说为0dBSPL大概发明本人不太大概处于比25dBSPL(差不多1公尺处呼吸声被人耳听到水平宁静的环境虽然近期规范(EN 50322和IEC 600065:2014划定可携式媒体播放器最大播放音量必需限定在100dBA，但在某些频次下，耳机输入的讯号峰值能够达到约125dBSPL是以，DAC的规格需求界说至多支撑100dB讯噪比(125dBSPL–25dBSPL)才是正当的，并确保数位域讯噪比足够优胜关于现阶段的数字处理器来讲不难实现以是普通应用定点算法不消功耗比较高的浮点算法此外还要保障位组长度，确保量化噪声程度低于ADC和DAC的噪声此外，还必须抉择较佳灵敏度且失真度低的扬声器。扬声器的失真会致使发生的抗噪讯号失真，从而下降降噪级。

弹性的数字降噪架构设想。

最大水平下降全部体系的声学耽误应用低于20耽误的芯片，以确保降噪带宽。

为噪声进入人耳搭建一个操纵门路信道，确保前馈降噪结果。

耳机布局设想餍足所有用户佩带拥有一致性抉择被动降噪差的大尺寸泄漏设想搭配较强自动降噪设想抉择被动降噪好的小尺寸泄漏设想搭配自动降噪设想调理声腔容量泄漏孔和通气孔阻尼直到取得腻滑的耳机和被动衰减呼应尽可能缩小电子噪声起源抉择高SNR话筒，确保人耳听不到数字和DAC部分的噪声。