【導(dǎo)讀】帶來(lái)先進(jìn)聆聽(tīng)體驗(yàn)的ANC技術(shù)能為耳機(jī)提供差異化優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)，ANC是一個(gè)不可忽視的商機(jī)。本設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)模擬混合ANC系統(tǒng)與數(shù)字混合ANC系統(tǒng)進(jìn)行了比較，列出了它們的典型功耗，并討論了各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。
主動(dòng)降噪(ANC)技術(shù)通常被用在價(jià)格昂貴的耳機(jī)上，一般用來(lái)減弱飛機(jī)引擎等的噪聲。這種消除擾人的環(huán)境噪聲的技術(shù)是一項(xiàng)非常老的技術(shù)，發(fā)明于上個(gè)世紀(jì)。此期間，耳機(jī)產(chǎn)業(yè)者注意到了帶來(lái)先進(jìn)聆聽(tīng)體驗(yàn)的ANC技術(shù)能為耳機(jī)提供差異化優(yōu)勢(shì)。對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)，ANC是一個(gè)不可忽視的商機(jī)。過(guò)去，ANC技術(shù)通常由獨(dú)立的耳機(jī)功放、運(yùn)算放大器以及麥克風(fēng)前置放大器等幾部分組成，如圖1的簡(jiǎn)化模擬框圖所示。
圖1：模擬混合ANC系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖。
看著相當(dāng)復(fù)雜的模擬方案框圖，也許有人會(huì)問(wèn)，為什么不使用數(shù)字化解決方案來(lái)取代所有離散組件?因?yàn)槟柖芍С諥NC系統(tǒng)，并且數(shù)字信號(hào)處理器的計(jì)算能力越來(lái)越強(qiáng)，這無(wú)疑是一個(gè)有效論證。不過(guò)，模擬方案能夠在這樣一個(gè)越來(lái)越數(shù)字化的世界里生存，可能還有其它一些因素。
圖2：數(shù)字混合主動(dòng)降噪系統(tǒng)(ANC)簡(jiǎn)化框圖。
如圖2所示，在一個(gè)數(shù)字主動(dòng)降噪系統(tǒng)中，所有模擬解決方案中用到的簡(jiǎn)單放大器都被替換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。在DAC和ADC之間運(yùn)行ANC算法會(huì)涉及一些信號(hào)處理。所有這些模塊的共同點(diǎn)是它們運(yùn)行時(shí)都需要一個(gè)時(shí)鐘，更重要的是，每個(gè)模塊都需要不同的時(shí)鐘周期將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)ANC算法計(jì)算，再由DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。一個(gè)信號(hào)從模擬輸入到模擬輸出產(chǎn)生的完整傳播時(shí)延對(duì)ANC濾波器來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的因素，會(huì)直接影響ANC性能。
時(shí)延對(duì)ANC系統(tǒng)的影響
時(shí)延對(duì)ANC性能帶來(lái)的負(fù)面影響如圖3所示。綠線是一個(gè)模擬混合ANC耳機(jī)的典型ANC性能曲線簡(jiǎn)化圖。
將一個(gè)恒定的時(shí)延(因DAC、ADC以及ANC算法的數(shù)字信號(hào)處理而產(chǎn)生)加到ANC信號(hào)通路上，會(huì)引起額外的相移，從而降低ANC能夠達(dá)到的帶寬。原因非常簡(jiǎn)單，如果降噪信號(hào)在人耳聽(tīng)到噪聲之后才播放出來(lái)，那么這個(gè)180°的反相降噪信號(hào)就不可能有效抵消環(huán)境噪聲了。尤其對(duì)于反饋系統(tǒng)，由于相位裕度更低，增加了不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)(聲學(xué)振蕩)。
圖3：系統(tǒng)時(shí)延與ANC帶寬。
沒(méi)有數(shù)據(jù)采樣(ADC和DAC)的模擬系統(tǒng)幾乎不會(huì)產(chǎn)生延遲，這也是為什么過(guò)去高品質(zhì)ANC系統(tǒng)通常是模擬系統(tǒng)的主要原因。由于DSP運(yùn)算能力越來(lái)越強(qiáng)大，一個(gè)必然的趨勢(shì)是提高所有數(shù)字模塊的時(shí)鐘頻率，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)時(shí)延，提升ANC帶寬。
提升時(shí)鐘頻率會(huì)增加總體功耗，這是提高采樣率的一個(gè)缺點(diǎn)。對(duì)于便攜式設(shè)備，電池壽命是最關(guān)鍵的參數(shù)之一，它將直接影響終端用戶耳機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。圖4顯示了模擬混合ANC系統(tǒng)的典型功耗，以及擁有不同采樣率的數(shù)字系統(tǒng)的功耗。
對(duì)一個(gè)模擬系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，預(yù)期的功耗大約是30 mW。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的不同，一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的功耗在50mW到120mW的范圍內(nèi)。
圖4：模擬和數(shù)字混合ANC系統(tǒng)的典型功耗。
我們可以看到，相對(duì)于數(shù)字方案，模擬方案仍然有著明顯的功耗優(yōu)勢(shì)，即使是低采樣率的通用DSP，其功耗也將近模擬方案的兩倍。然而，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮將ANC作為主要應(yīng)用，可以對(duì)DSP內(nèi)的整個(gè)信號(hào)處理流程進(jìn)行定制優(yōu)化，進(jìn)一步減少模擬和數(shù)字系統(tǒng)之間的差距。一個(gè)好的數(shù)字解決方案應(yīng)該能在優(yōu)越的ANC性能和功耗之間取得合理的平衡。當(dāng)這樣的數(shù)字系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，數(shù)字方案就能完全發(fā)揮它所有的優(yōu)勢(shì)。
模擬系統(tǒng)落后在哪里?
模擬系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，這主要與ANC濾波器的設(shè)計(jì)有關(guān)。這一過(guò)程有時(shí)相當(dāng)耗時(shí)，是每一個(gè)耳機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程的一部分。需要說(shuō)明的是，聲學(xué)特性的量測(cè)永遠(yuǎn)都是耳機(jī)開(kāi)發(fā)中必不可少的一個(gè)步驟，不會(huì)因?yàn)檫x擇模擬還是數(shù)字方案而有任何不同。然而，在濾波器的設(shè)計(jì)方面，兩種解決方案之間有著巨大的差異。
對(duì)于一個(gè)模擬ANC系統(tǒng)，ANC濾波器基于離散的組件，如電阻和電容，設(shè)計(jì)出模擬濾波器需要模擬濾波器設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)。另外，硬件設(shè)計(jì)工程師在開(kāi)發(fā)耳機(jī)的電路板（PCB）時(shí)，都面臨著一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題：ANC濾波器仍在設(shè)計(jì)中，所需的占位面積還沒(méi)有最終確定。在不知道元件確切尺寸的情況下，經(jīng)常會(huì)在PCB上預(yù)留一些元件空位，但最終產(chǎn)品很可能并不會(huì)用到這些元件。對(duì)于可以為硬件設(shè)計(jì)工程師提供標(biāo)準(zhǔn)化占位面積的數(shù)字系統(tǒng)，這是另一個(gè)重要的差異化因素。因?yàn)閿?shù)字濾波器是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可隨時(shí)更新的固件的一部分，因此無(wú)需再考慮外部的濾波器元件。在數(shù)字系統(tǒng)中，ANC濾波器傳遞函數(shù)的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單直接，一個(gè)簡(jiǎn)單的用戶界面就可以完成ANC濾波器的設(shè)計(jì)。
在數(shù)字系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崟r(shí)觀察改變?yōu)V波器對(duì)ANC性能有何影響，增加一些額外的功能也像點(diǎn)擊鼠標(biāo)那樣簡(jiǎn)單。此外，它還能通過(guò)升級(jí)固件為已經(jīng)上市的耳機(jī)增加或者增強(qiáng)一些功能，比如備選的ANC工作模式，或者不同的音樂(lè)均衡，這是終端客戶選擇數(shù)字ANC方案的重要因素。
數(shù)字系統(tǒng)的好處不僅體現(xiàn)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，它還具有更大的靈活性，能在大規(guī)模生產(chǎn)中提高良率。對(duì)ANC濾波器及音樂(lè)播放，模擬系統(tǒng)都采用固定的元件，所以在量產(chǎn)過(guò)程中，除了ANC麥克風(fēng)的增益，其它部分都不能被修改調(diào)整。ANC系統(tǒng)對(duì)電氣及機(jī)電元件的公差相當(dāng)敏感，數(shù)字系統(tǒng)可以使用算法對(duì)音樂(lè)播放路徑上頻率響應(yīng)的公差進(jìn)行補(bǔ)償。相對(duì)于直接更換頻響不足的揚(yáng)聲器，DSP可以彌補(bǔ)性能的缺失。同樣的步驟也可以用在ANC信號(hào)通路上。數(shù)字系統(tǒng)允許實(shí)時(shí)調(diào)整濾波器來(lái)滿足對(duì)性能的要求，能進(jìn)一步提升產(chǎn)線良率，并降低成本。
數(shù)字模擬誰(shuí)更好?
對(duì)于耳機(jī)尤其是高端耳機(jī)而言，音質(zhì)絕對(duì)是一個(gè)非常重要的因素。由于ADC底噪的限制，從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換通常并不能提升音質(zhì)。目前智能手機(jī)能做到高達(dá)120dB信噪比的卓越音質(zhì)，而在一些便攜式設(shè)備里ADC的信噪比通常都只有100dB左右。
整個(gè)音頻系統(tǒng)的信噪比與嘶嘶的底噪聲直接相關(guān)，音樂(lè)發(fā)燒友對(duì)此格外關(guān)注。在這種情況下，模擬系統(tǒng)(圖1)具備它的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檎麄€(gè)AD/DA轉(zhuǎn)換過(guò)程不是必需的。
圖5：數(shù)字與模擬USP概述。
圖5顯示了模擬和數(shù)字ANC系統(tǒng)各自的賣點(diǎn)。顯然，模擬方案的低功耗和ANC帶寬的優(yōu)勢(shì)很難被數(shù)字解決方案擊敗，特別是對(duì)高端系統(tǒng)來(lái)說(shuō)。然而，對(duì)于普通用戶，額外的ANC帶寬或輕微的嘶嘶聲并不影響他們的購(gòu)買。
在功耗方面，現(xiàn)在人們習(xí)慣于每天為手機(jī)充電，因此電池壽命對(duì)于終端用戶來(lái)說(shuō)并不那么關(guān)鍵，只要電池能夠滿足在一次洲際航班上使用即可。在設(shè)計(jì)工程師和產(chǎn)品經(jīng)理看來(lái)，快速開(kāi)發(fā)時(shí)間和高靈活性無(wú)疑極具吸引力，可能比用戶體驗(yàn)和長(zhǎng)電池壽命更重要。哪個(gè)系統(tǒng)是更好的選擇，直到今天似乎也沒(méi)有明確的答案。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，答案絕對(duì)是數(shù)字解決方案，而對(duì)于終端消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，模擬系統(tǒng)明顯是更好的選擇。
作者：Horst Gether，Martin Denda，AMS公司
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
推薦閱讀：
