DIY無(wú)極限：自己設計一款反饋式主動(dòng)降噪耳機，其實(shí)很簡(jiǎn)單

　　主動(dòng)降噪濾波器(ANC Filter)計算

　　反饋電路的主動(dòng)降噪濾波器計算非常簡(jiǎn)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(guò)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(kāi)發(fā)

　　下一個(gè)，可能也是開(kāi)發(fā)環(huán)節中最重要的步驟，就是主動(dòng)降噪濾波器的開(kāi)發(fā)。通過(guò)濾波器計算來(lái)了解主動(dòng)降噪耳機的特性，意味著(zhù)這些信息可以用在主動(dòng)降噪濾波器的開(kāi)發(fā)上。降噪耳機的聲學(xué)特性以及濾波器計算，可用于A(yíng)NC濾波器的開(kāi)發(fā)。

　　市面上有許多反饋式主動(dòng)降噪耳機，但是大部分的設計都只是簡(jiǎn)單地反轉反饋信號，因而主動(dòng)降噪性能極低。所以，重要的是把握濾波器開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)，包括了解并懂得系統的限制。有經(jīng)驗的工程師可以使用Spice仿真工具來(lái)設計主動(dòng)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(dòng)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(dòng)降噪信號鏈，包含反向放大器和RC網(wǎng)絡(luò )，可以設計主動(dòng)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(kāi)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(hù)接口(GUI)，使濾波器的開(kāi)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(guò)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(gè)系統不像spice仿真器那么有彈性，讓用戶(hù)可以定義濾波器拓撲以及電阻和電容數值，但它是一個(gè)很好的起點(diǎn)，將協(xié)助設計工程師更加了解主動(dòng)降噪濾波器設計中可能會(huì )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(xiàn)為理想的反饋濾波器，它是量測到的開(kāi)環(huán)回路的翻轉。藍色曲線(xiàn)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。在反饋系統中，更高的增益帶來(lái)更佳的主動(dòng)降噪性能，然而在前饋式系統中，太高的增益不但不能消除噪聲，反而會(huì )放大噪聲。在反饋系統中，焦點(diǎn)通常是在較低的頻率范圍內：從20Hz至800Hz.基于耳機的聲學(xué)性能，焦點(diǎn)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(wú)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震蕩是很重要的。

　　圖5：濾波器仿真結果

　　如果增益過(guò)高，且仿真出來(lái)的濾波器與理論計算出來(lái)的理想濾波器之間的相位不匹配度太大(typ. 120°)，則耳機會(huì )發(fā)生震蕩。AS3435濾波器仿真軟件具備穩定性檢查功能，能夠自動(dòng)顯示理論計算出來(lái)的ANC濾波器與仿真出來(lái)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(shí)增益不匹配高于-12dB的區域，該工具以紅框標示出重點(diǎn)區域。在這個(gè)頻率區域中，震蕩的發(fā)生率是很高的。

　　圖6：穩定性檢查功能

　　在相位不匹配度高的區域中，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。