耳機主動降噪(Active Noise Cancellation) 的基本概念并不復雜,但如何實現高品質的降噪效果卻并不簡單，特別是濾波電路的設計及生產過程控制更加關鍵。本文針對ANC耳機設計者所遇到的困難，針對性地討論如何采用創新技術進行濾波器及量產時調節，設計及生產高性能的降噪耳機。
兩種結構的ANC系統的選擇
主動降噪，是指采集環境噪音，并產生與噪音反相的信號用耳機等裝置回放，用以抵消噪音的技術。通常，主動降噪技術與被動降噪技術(采用吸音或隔音材料來降低進入耳朵聲音的強度)相結合，以產生最佳的降噪效果。
典型的降噪系統由下列部份組成：
● 用以采集噪音的麥克風系統;
● 電子控制部份，用以處理聲音信號，并生成降噪信號;
● 喇叭系統，用以產生降噪聲音信號。
大部分ANC系統采用兩種主要結構中的一種：前饋式或反饋式。在前饋式系統(如圖1)中，采樣麥克風位于耳機外部，用以采集進入耳機的噪音，喇叭用以播放反相信號，用以抵消噪音。 前饋系統通常用于入耳式耳機設計。在反饋式系統(如圖2)中，麥克風位于耳機內部，采集所謂“誤差信號”，這就是說，麥克風采集了正常播放的音樂信號與殘留噪音混合的信號，把正常播放的音樂信號減去后，就得到殘留的噪音。通過恰當的反饋電路，可以使誤差信號與正常音樂的差別盡可能的小，也就是說，降低了噪音。
在前饋系統中，由喇叭產生的用以抵消噪音的聲音稱之為反相聲音(anti-phase sound)，因為要實現兩個聲音最好的抵消效果，必須幅度相同，相位相差180度(反相)。
如圖3所示，從麥克風到位置A，組成了降噪回路。這個降噪回路的傳遞函數必須被精確測量，因為在電聲系統中，各種衰減及延時必須被考慮到。換句話說，噪音從被麥克風捕獲并通過信號處理到喇叭回放再傳到耳道必須與噪音從耳機外部穿過耳機再傳入耳道保持一致。另外，因為耳機吸音材料所造成的被動降噪作用，麥克風在耳機外部捕獲的噪音與真正穿過耳機傳入耳道的的噪音并不完全一致。在此，電子處理電路G(W)必須這些在整個降噪回路中的衰減及延時進行補償。
反饋式工作原理有些不一樣。反饋式處理旨在衰減在A點(圖4)的殘留噪音。反饋式設計必須要非常小心，在相應的頻率范圍內，必須進行負反饋設計從而降低殘留噪音。同時，必須小心過濾其余頻率范圍信號，特別是高頻部份。這是因為由于延時引起的相們改變將會隨著頻率的升高而增大，一旦相位差大于60度，負反饋將會變成正反饋。這將引入嚴重的聲學問題—高頻噪音甚至是高頻震蕩引起嘯叫。與前饋系統相同的是，精確的聲學測量是非常重要的。測量結果將被計算并用于補償降噪回路中的各種衰減與延時。
前饋式耳機設計
前面討論了ANC系統在理想情況下如何工作。對設計人員來說，真正的目標是在現在世界里如何獲得盡可能好的性能。以下為一個實際的例子，用以描述如何進行設計ANC耳機。
以入耳式耳機為例，如圖5，通常設計工程師會遇到以下兩個挑戰。
● 不同的耳機有不同的聲學特性，這些特性會產生不同的衰減及延時。必須設計有效的濾波器用以補償這些衰減與延時。
● 不可避免的，在量產過程中每一個機械、電子及聲學零件的特性會有一些偏差。每一個耳機在出廠前必須經過校準用以補償由于各種元器件偏差造成的性能差異。
準確聲學測量
采用人工耳與標準聲源與音頻分析儀的準確聲學測量是非常重要的。通過測量，可以得到耳機準確的衰減與延時特性。相位與幅度測量必須同時進行以獲得所有必須的數據。測量由3部份組成，請參看圖6。
通過這些測量，可以設計濾波器，用電路補償由于耳機所引起的衰減與延時。 這使得系統得以產成反相噪音信號，用于抵消穿透耳機，人耳真正聽到的噪音。
理想濾波器計算
一旦測量完成，理想的濾波器頻率響應與相位響應曲線可以由下列公式得到：
典型的曲線如圖7所示：
剩下的問題是，如何用真實的濾波器電路產生與理想濾波器一致的頻率響應與相位響應。
通常，有很多種方式用以設計濾波器，但最直接可靠的方法是用已經在很多設計用已經采用的方法。由奧地利微電子(austriamicrosystems)提供的參考設計(圖8)采用專門為降噪耳機設計的芯片AS3501及相應的外部電路可以很好地完成降噪耳機的設計。而基于AS3501的降噪耳機方案已被多家重要客戶所采用并已在市場上銷售。
采用AS3501的設計中，濾波器由一個陷波器和一個低通濾波器組成。通過改變濾波器的參數配置，可以使實際濾波器的頻率響應與相位相應和理想濾波器非常接近。在一些設計中，如果耳機的聲學特性非常好，只采用一個低通濾波器便可產生非常好的性能。
對一個典型的一階主動低通濾波器，增益與截止頻率可由下列公式計算所得：
在這個例子中，由一個截止頻率為1KHz左右的低通濾波器和中心頻率在3.5KHz的陷波器組成的濾波器即可產生與圖7接近的頻率與相位響應曲線。
濾波器設計可以通過模擬并進行微調來進行優化。如圖8所示，陷波器與低通濾波器的電阻與電容值進行過調整，從而獲得與理想濾波器盡可能一致的性能。簡單的模擬結果如圖9所示。
實際的降噪效果可以由圖10所示的圖型表示。紅線表示了主動降噪沒有起作用時的噪音強度，并以此作為一個基準。綠線表示主動降噪工作以后噪音強度。紅線與綠線之間的差值就是主動降噪的性能。
這個性能曲線顯示，主動降噪在300Hz左右，可以獲得超過30dB的降噪效果。雖然人耳可以聽見的聲音范圍是20Hz-20KHz，這個例子中，主動降噪的有效頻率為50Hz-2KHz，主要原因為：
首先，對于超過2KHz的噪音，通過對耳機結構設計及材料選擇，被動降噪可以起到很好的作用。主動降噪只需專注于消除低頻噪音，而對低頻噪音，很難通過被動降噪進行消除;
第二個原因，因為聲學設計的關系，高頻部份相位開始快速翻轉，這使得無法采用電子部份對快速翻轉的信號進行補償;
第三個原因，主動降噪也很難對非常低頻部分的噪音進行消除因為耳機所采用的小型喇叭很難產生足夠的低頻能量，用以抵消環境噪聲。
提高量產效率
前面提到，由于耳機所采用的結構，聲學及電子元件特性不可避免會有一定偏差，因此，每一個耳機在量產的時候都要進行校準。這個校準過程通常是降噪耳機生產過程中最具挑戰性，并且最重要的部份。在傳統設計中，大多采用2個可調電位器放置在麥克風放大回路中，用以補償各種原因造成的信號偏差。在量產過程中，這兩個可調電位器必須進行非常仔細的調整，導致整個降噪耳機生產的低效，并且很難保證一致性與穩定性。
奧地利微電子在AS350X系列產品中采用了全新的技術，為量產提供了全自動校準方式。這種自動調整由一個校準盒，電腦應用程序及自動測量裝置組成，如圖11所示。在這個系統中，有一個喇叭，放置于小型消音盒內，用來模擬環境噪音。自動校準程序運行在PC上，分析由自動測量裝置采集的信號，決定最佳的芯片參數，并將最佳的參數通過耳機音頻輸入線傳輸給芯片，并將參數固化在芯片內部，如圖12所示。這樣的設計將大大減化生產的難度并提高了降噪耳機性能的一致性與穩定性。
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