这样选用麦克风,耳机降噪效果会更好
1、降噪耳机简介
ANC耳机设计通常有前馈,反馈和混合式三种方案。耳机中麦克风的数量和位置决定了ANC方案配置。如图1所示为前馈方案。外部放置的麦克风拾取环境噪声,经过芯片反相后的噪声从扬声器中播放出来,与原先外部噪声叠加消除,用户最终听到干净的音乐或节目信号。无论采用哪种方案,在降噪耳机中实现ANC都面临两个挑战。第一是需要使用麦克风可靠地捕获外部环境噪声(20Hz-20 kHz),这时如何正确选用麦克风至关重要,这是本文的重点。第二个挑战是自适应降噪算法,这是由噪声的频率,幅度和相位特性随时间变化的特征影响所致。本文重点介绍解决麦克风规格确定与应用问题。
图1:前馈降噪耳机
2、选择麦克风的主要规格指标:
SNR信噪比:麦克风的固有本底噪声需要低于周围环境噪声,以便可靠地捕获噪声信号。因此在安静的环境中,需要具有高SNR的麦克风。如果麦克风的SNR较高,则噪声消除算法的实现将变得更加容易。举例一只50dB SNR的MIC,其本底噪声级为44dBSPL,如果环境噪声低于此数值,MIC噪声就高于环境噪声,算法降噪就很难实现。但如果MIC SNR为70dB,则其本底噪声级为24dBSPL,这个数值低于日常生活中的绝大多数噪声环境,已经接近消声室水平了,算法实现降噪会更容易。
截止频率:麦克风将需要具有较低的截止频率规格(30Hz或更低),以便还可以可靠地捕获低频噪声信号。如果截止频率较高,则ANC系统将无法有效去除非常低频的噪声信号。如果多个麦克风之间的截止频率变化很大,则ANC算法的实现将变得富有挑战性,并且耳机的低频噪声消除性能将不一致,所以对于截止频率的公差必须非常严格。
如果麦克风测量到的噪声信号已经失真,则无法进行有效消除。所以只有截止频率,相位响应曲线的变差很小,ANC算法才可以有效地从系统中消除噪声。
电流消耗:电流消耗是选择麦克风时要考虑的非常关键的规格,特别是对于始终开启和电池供电的耳机应用。需要睡眠/待机模式以节省一段时间的功耗,并且可以延长系统的电池寿命。麦克风的电流消耗是工作时钟频率的函数,某些数据表清楚地表明了当麦克风以较低的时钟频率工作以节省功耗,这需要与性能进取舍。
3、现有设计的性能限制
ANC耳机的设计方式很难相同。不同的设计方案,如反馈,前馈或混合式,每一种都有其自身的优点和局限性。
前馈ANC架构如图2所示。在这种结构中,每个耳机仅使用一个麦克风,并且将其放置在更靠近耳机壳外部的位置。此麦克风用以拾取外部噪声信号,以输出给ANC算法作为参考。这种配置的主要好处是,结构简单,可以对外部环境噪声进行有效拾取,然后取决于算法的实现来消除此噪声。由于系统中缺少反馈环路,因此该算法无法确保实时消除噪声。这是前馈拓扑的主要缺点。这种配置可确保中频噪声信号(1-2 kHz之间)得到很好的衰减。由于麦克风位于外部,因此可能会因风噪声而影响性能。在这种情况下,具有较高AOP和较低截止频率的麦克风将很有用。这种结构非常适合诸如蓝牙耳机之类的应用,这些应用要求宽的ANC带宽,但愿意承受适度的降噪性能。
反馈ANC架构如图3所示。该结构还仅使用一个麦克风,但放置在靠近用户耳朵的位置。这种结构的主要优点是,麦克风可以听到与进入用户耳朵的信号完全相同的信号,并且有一个反馈环路可以迭代地消除系统中的噪声。尽管此配置的低频性能良好,但是1-2 kHz之间的频率不会像前馈配置一样有效地衰减。该配置很好地消除了初级噪声信号的残余可预测窄带分量。尽管无法有效消除中高频噪声信号,但这是在耳机中实现ANC时最常用的结构之一。此限制是由于在次级路径(信号路径从ANC模块的输出一直回到其输入)中引入了相移引起的。这导致该拓扑无法有效地抵消高频分量。选择用于此配置的麦克风将需要在整个频率上具有平坦的群延迟,并且多个麦克风之间的变化应尽可能小。
混合ANC架构如图4所示。此配置是前文讨论的前馈和反馈拓扑的组合。其目的是将两种架构的优点结合起来,但是随之而来的是复杂性,成本和大小的增加。由于此架构同时具有前馈和反馈信号路径,因此需要使用两个麦克风。面向外的参考麦克风感应主信号,该信号用作前馈ANC滤波器的参考信号。纠错(内部反馈)麦克风会感应进入用户耳朵的信号,该信号将作为反馈ANC滤波器的参考信号。纠错麦克风输出还有助于确定前馈和反馈ANC滤波器的系数。
4、较好地麦克风解决方案示例
如前所述,截止频率和相位响应的变差在用于降噪耳机设计的麦克风选择中起着重要作用。图6,图7,图8和图9显示了麦克风的幅度和相位响应的平均值和标准偏差,还提供了它们的6sigma极限以供参考,所有参数测量温度25℃。
在实验室中对麦克风样本测量了群延迟,图10提供了在整个频带上观察到的典型群延迟。从数据可以看出,1 kHz的群时延<10μs。如此小的群延迟将有助于更好的ANC算法实现。
另一个关键的麦克风规格是AOP。图11显示了样品麦克风以及两种不同产品的THD与SPL的关系图。这款麦克风的突出特点之一是,声压级直到〜128dBSPL前,失真度可以很好地保持在小于1%THD,而其它两个样品THD均超过1%。这极大地有助于以最小的失真可靠地捕获较大的噪声信号,从而使ANC算法的实现更加有效。