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如何设计一款主动降噪（ANC）耳机？
[导读] 在我最新的文章(主动降噪发展趋势、概念及技术难题)中，阐述了现有的各种主动降噪拓扑结构，并对原始设计商和合约制造商在生产过程中遇到的困难进行了分析。开发过程的另一个难题是主动降噪回路本身。本文将叙述以AS3415主动降噪芯片为基础设计一款主动降噪前馈耳机的必要步骤。
在我最新的文章(主动降噪发展趋势、概念及技术难题)中，阐述了现有的各种主动降噪拓扑结构，并对原始设计商和合约制造商在生产过程中遇到的困难进行了分析。开发过程的另一个难题是主动降噪回路本身。本文将叙述以AS3415主动降噪芯片为基础设计一款主动降噪前馈的必要步骤。
在正式开始制作一款主动降噪之前，我们需要特殊的音频设备。首先是用于测量频率响应和相位响应的音频测量系统。可选用的音频设备有Audio
Precision、Br&el&Kjaer、Soundcheck等。除了音频测量系统，人耳模拟装置也是重要的一部分，如来自Head
Acoustics、Br&el&Kjaer或GRAS的IEC711(入耳式主动降噪产品)或Head&Torso(头戴式及耳罩式产品)。人耳模拟装置可在量测特性时用于模拟人耳响应。这些人工耳集成了高度精确的麦克风，能够测量到人戴时真实听到的声音。另外还需要一个，用于测量的被动衰减特性，这是设计的一部分。此应该是双向式，且最好是同轴双向式，以保证从到的高频与低频的传输距离相等。最后需要AS3415评估板，它包含了所有必要的和前置，使性能测试过程尽可能流畅地进行。
为什么要对进行性能测试?
每个的声学表现都不尽相同。原因很简单，因为采用不同的组件，如拥有不同阻抗和传递系数的。且每一款的弹性衬垫以及前后声腔也都不一样。
要制作主动降噪，了解的特性很重要，这样才能获得良好的降噪性能。主动降噪前馈使用ECM麦克风捕捉外部的噪音。电子线路会产生一个抗噪反信号，然后通过播放出来。理论上，ANC回路是一个简单的反相电路，但事实并非如此。由于的不同组件会影响频率响应和相位响应，简单的反相无法令ANC达到性能要求。为了解在增益和相位方面的表现，ANC的性能测试显得尤为重要。
为了得到理想的ANC滤波曲线，我们必须采用第一段提到的设备进行三项测量。第一项测量是被动衰减测量，如图1所示。
图1：前馈性能测量一
我们用同轴发出20Hz-22kHz的扫频声波，并测量到达人耳的声波。到达人耳的声波可使用人耳模拟器内部的麦克风来测量。这样，我们测到自身引起的噪声衰减，即被动衰减。
如图2所示，第二项是捕捉噪音的麦克风的频率响应测量。同样，正弦扫频信号通过同轴播放出来，并由ANC麦克风收集。
图2：前馈性能测量二
第三项，也就是最后一项，(如图3)是内部的频率响应和相位响应测量。20Hz至22
kHz的扫频信号由内部的发出，供测试使用的人工头内的麦克风收集到该信号。该项检测测量了降噪信号通过播出时的传递函数，以及信号是如何被人耳接收的。相位对这三项测量都十分重要，如果播出的抗噪信号与从环境进入人耳的噪音具有相同的相位，噪音非但不会减弱，还会被放大。
图3：前馈性能测量三
计算主动降噪滤波器的理想值
一旦完成这三项测量，我们就能够用测量结果来计算ANC滤波器的理想值。所需的滤波器振幅计算如下：
所需滤波器的相位计算如下：
计算结果能够很容易通过Excel表格得出，一个滤波器范例如图6显示。范例的频率响应及相位响应表明，仅使用一个全频宽的反相放大器是难以做出理想降噪信号的。
开发滤波器
一个好的ANC的关键在于滤波器的设计。如果滤波器的设计不合理，即使再好的ANC芯片也没用。滤波器设计的目标是尽量匹配增益和相位响应。在特定频率匹配得越好，ANC性能也就越好。因为是模拟信号处理，滤波器的仿真通常是通过spice
仿真工具完成的。图4是一个spice仿真线路，该线路体现了ANC麦克风滤波器的信号路径。
图4：Spice滤波器仿真范例
滤波器设计工程师的目的是将图4滤波器仿真线路中的增益和相位响应与计算出的理想曲线匹配起来。现在人们使用的典型滤波器有一阶低通滤波器、陷波滤波器、高架及低架滤波器。设计师必须了解不同的拓扑结构以及截止频率、通带、阻带的计算方法。这当然不是一个简单的任务，尤其是当他们不习惯使用spice仿真工具和模拟滤波器开发工具时。
图5：AS3415前馈滤波仿真工具
为了解决这一问题，AS3415评估软件整合了前馈滤波器仿真工具，如图5所示。设计工程师能够使用这一工具来设计理想的ANC滤波器。这一工具提供了一套预定义的滤波器架构，取代了修改零件值及滤波器结构的做法。基于为许多不同客户模拟的滤波器结构，这些预定义的滤波器结构能够涵盖90%的ANC声学需求。图6显示了该工具的模拟结果。绿色曲线代表理想的ANC增益和相位响应，蓝色曲线显示了利用图5的工具制作的ANC滤波器的模拟结果。设计滤波器时，有一点很重要，那就是我们要注重哪些频段。ANC的运作有特定的频率范围，这并非由于AS3415本身的局限性，而是跟声音的传播速度及的声学特性相关。如果我们只关注理想滤波曲线中的增益响应，设计符合该曲线的滤波器则很容易。但问题是在ANC滤波器的设计中也得同时匹配相位。由于更高频率下的相位几乎旋转了180度，设计出的滤波器很有可能与频率响应匹配，而不与相位匹配。取决于不同的及其相位响应，我们通常可以做到1.5kHz频率以下的滤波器匹配。更高频的部分需要尽可能的衰减。如果不衰减这些未匹配的高频部分，可能会引入噪音。我们在低频部分减弱噪音，但如果高频的相位失配，就会导致噪音被放大。为了避免这一现象，我们会尽量在无法匹配的区域降低增益。图6中的绿色透明区域代表我们通常能达到的增益和相位的最小失配。红色区域是我们要尽量衰减的部分。高频衰减和相位响应之间必须达到一个良好的平衡。如果在高频下衰减得太多，会影响到低频的相位响应，从而可能失去ANC的效果。
图6：模拟结果
滤波器检验及ANC测试
得到令人满意的滤波曲线以后，AS3415滤波器仿真工具同时提供材料清单输出功能。由于该工具和AS3415的评估板相匹配，材料清单中列出的项目能够被焊接在评估板上，以测试带有该滤波器的ANC的性能。测试包含两项内容：一是戴在人工头上时的被动衰减测试，二是打开AS3415芯片并配置好前馈降噪功能时的频响测试。ANC性能计算如下：
这些计算可以通过一个Excel表格来完成，并生成一份音频范围内的ANC降噪性能曲线图。这张ANC降噪性能曲线图在降噪的设计及生产过程中是十分重要及常见的。AS3415的开发工具以及ANC降噪开发相关的应用注解和样板现已上线。
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想要更纯净的音乐体验，你只需一个降噪耳机
Orfeo SoundWorks 公司创立于 2015 年，致力于为用户打造更好的听觉体验，而其创始人 Tommy Kim 同时也成立了音频设备检测与声音分析网站 Golden Ears。今天要介绍的这款 sign 降噪耳机，曾获 2016 年国际消费类电子产品展览会（CES）最佳创新奖，在近日德国柏林国际消费类电子展览会（IFA）再次亮相。
这款耳机最大的特点便是降噪，不同于家庭、办公室，户外环境相对嘈杂，而 sign 则能有效的阻挡噪音，譬如建筑工地、飞机场、音乐厅、体育场等地。这项技术也可为那些在嘈杂环境中工作的人服务。
当你在进行 VR 游戏或是听音乐时，它能够提供高保真的声音体验，带你身临其境。在与其配套使用的 Control 应用程序中，提供了是否降噪的选项。
「我们在如何有效降噪这一问题上研究多年，我们创造了它并且十分确信，它不仅能够改变 B2B 市场，而且能为使用者打造全新的听觉体验。」Tommy Kim 说道。
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展会合作 设计癖招聘季华为主降噪耳机：设计用心 降噪效果尚可
[摘要]华为推出了旗下首款主动降噪耳机，降噪效果不错，但还有提升空间。
腾讯数码讯（杜杰） 作为长期驰骋个人消费领域的推出一款降噪耳机其实一点也不奇怪，毕竟用个性化的配件产品黏住用户是很多主打年轻族群的手机厂商都会做的事情，不过当我拿到这款699元耳机的时候，还是多少觉得有一点吃惊的，当然心里更多的是疑问，毕竟耳机是个经验学科和工程，不可能像手机那样迅速上马，华为在此之前积累不多，表现如何还是要体验一下才知道。通常来说我不是“外貌协会”的，耳机这事也没有什么外观可多说的，不过采用凯夫拉材质的耳机线，还是能够让人一拆包装就有种不一样的感觉，虽然用在耳机线上的凯夫拉和防弹根本不挨边，但确实大大减少缠线的几率，尽管很多耳机线材采用了面条式的宽扁结构，依然不能很好解决这个问题，不过在我使用华为AM180一周时间里，就把它随意放在背包里，我同时用的一副耳机都快绕成死扣了，但华为这幅耳机还是可以拿出来很快就戴在耳朵上，多少说明外观比较滑的凯夫拉材质在这方面还是起到作用了，不过我还是建议厂家能够配一个旅行携带包，避免耳机和线缆损坏。另外一个比较特别的设计是采用了顶部耳撑的做法，通过耳机线可以调节耳机上部塑料套管的弯曲程度，理论上来说佩戴后可以增强稳固性，不过我觉得这个设计有点麻烦，戴好后还要调整耳撑，对于舒适度也没有太多提升，不如更换合适的耳套更加一劳永逸，但这个设计也有个优点，就是能够减少耳机线被拽断的风险，耳撑很大程度上可以起到缓冲区的作用。在携带性上华为这幅耳机应该是瞄准了降噪耳塞翘楚Bose QC20i来竞争的，Bose QC20i采用电池与线控分离的设计，而且电池容量较大，因此佩戴时稍微有点负重的感觉；华为把这两方面二合一，轻便性肯定是更好了，几乎缩小到只有Bose QC20i线控那么大小，不过取消了音量调至的功能，配带上几乎感觉不到有线控的存在，何况还能别在胸前。废话不多说了，再用心的耳机，也还是要拿音质来说话，更何况是降噪耳机。音质方面我试听了很多曲风各异的曲子，包括古典音乐和交响乐，发现这个耳机很像是索尼XB系列的风格，比较适合听流行歌曲或者Rock，低音部分下潜得比较深，而且很有弹性，音染也很重，因此节奏比较强的曲子会越听越带劲，但这其实是个双刃剑，很多人不喜欢音染，而华为这个耳机对于低音的渲染也的确是有过度的嫌疑，因此就看你喜欢听什么样的曲子了，这是个见仁见智的问题。另外在中频和高频方面，这个耳机表现得比较规矩，人声非常清晰，解析度较高，略有不足的是在带动大场面的曲子，例如宏大的交响乐时还是有点力不从心的，不过我想这耳机可能本就不是为这种场景设计的。在降噪方面，其实效果是立竿见影的，我试验了办公室、地铁、闹市以及开窗时驾车，除了人声以外降噪效果都非常明显，华为这款主动降噪的原理和大多数同类产品一样，通过多个麦克风收录环境噪音，再通过内部算法生成反向频率波动，以抵消噪音，官方规格宣称其降噪区间在50-500Hz低频部分，这也是绝大多数固定波动幅度的噪音存在的区间，例如飞机引擎声，我的试听感觉也的确如此，开启降噪功能后就好像进入了“时间与精神之屋”，立刻觉得与世隔绝一般的空灵，空调、地铁、发动机等环境噪音被滤掉得非常彻底，当然属于中频的人声的过滤与对手相比尚有差距。我仔细测试了一下这个环节，我请两名同事在茶水间正常交谈，而我则靠近3米外敞开的窗户（我们是临街的），在不播放任何音乐的情况下，华为AM180能够清楚听清二人交谈的内容，几乎就像没戴耳机一样；而Bose QC20i则将男声完全滤掉了，女声也显得非常悠远且隐约不清，也就是说Bose QC20i在降噪难度较大的中频人声这方面完全压倒了华为AM180的表现，这个结果我也请一位Bose QC20i的用户予以对比试听，同样得到了她的确认。当然在这个环节我也要说一句“废话”：华为AM180的表现也是合格的，对得起它699元的价位；而Bose QC20i的表现是业界公认的翘楚，不易撼动。很多有过降噪耳机使用经验的人也知道，这玩意需要充电比较难伺候，因为一般人都没有给耳机充电的习惯，为此华为利用专利技术，使得华为mate 7能够支持耳机孔充电，可惜目前也只有这一款手机支持，通常情况下我上下班路上加上办公室一天至少听10小时左右歌曲，这个强度使用下来支撑3天不成问题，而线控上的指示灯也能很好地告知我电量情况，比较贴心。只是在mate 7以外的机型上使用，你还要随时携带耳机孔转USB的充电线，外出旅行时真是麻烦。总体来说华为AM180是一款用心设计与选材的耳机，面向的人群也非常清晰，降噪效果对得起这个价格，音质方面就是见仁见智的问题了。价格方面不好评说，这个价位虽然相比Bose QC20i这样的产品极有优势，但实际上音质并不能和同档次的产品划等号，只能说是以功能和设计搏出位。
[责任编辑：bennywu]
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如何设计一款主动降噪（ANC）耳机？
　　计算结果能够很容易通过Excel表格得出，一个滤波器范例如图6显示。范例的频率响应及相位响应表明，仅使用一个全频宽的反相放大器是难以做出理想降噪信号的。
　　开发滤波器
　　一个好的ANC耳机的关键在于滤波器的设计。如果滤波器的设计不合理，即使再好的ANC芯片也没用。滤波器设计的目标是尽量匹配增益和相位响应。在特定频率匹配得越好，ANC性能也就越好。因为是模拟信号处理，滤波器的仿真通常是通过spice仿真工具完成的。图4是一个spice仿真线路，该线路体现了ANC麦克风滤波器的信号路径。
　　图4:Spice滤波器仿真范例
　　ANC滤波器设计工程师的目的是将图4滤波器仿真线路中的增益和相位响应与计算出的理想曲线匹配起来。现在人们使用的典型滤波器有一阶低通滤波器、陷波滤波器、高架及低架滤波器。设计师必须了解不同的拓扑结构以及截止频率、通带、阻带的计算方法。这当然不是一个简单的任务，尤其是当他们不习惯使用spice仿真工具和模拟滤波器开发工具时。
　　图5:AS3415前馈滤波仿真工具
　　为了解决这一问题，AS3415评估软件整合了前馈滤波器仿真工具，如图5所示。设计工程师能够使用这一工具来设计理想的ANC滤波器。这一工具提供了一套预定义的滤波器架构，取代了修改零件值及滤波器结构的做法。基于为许多不同客户模拟的滤波器结构，这些预定义的滤波器结构能够涵盖90%的ANC声学需求。图6显示了该工具的模拟结果。绿色曲线代表理想的ANC增益和相位响应，蓝色曲线显示了利用图5的工具制作的ANC滤波器的模拟结果。设计滤波器时，有一点很重要，那就是我们要注重哪些频段。ANC耳机的运作有特定的频率范围，这并非由于AS3415本身的局限性，而是跟声音的传播速度及耳机的声学特性相关。如果我们只关注理想滤波曲线中的增益响应，设计符合该曲线的滤波器则很容易。但问题是在ANC滤波器的设计中也得同时匹配相位。由于更高频率下的相位几乎旋转了180度，设计出的滤波器很有可能与频率响应匹配，而不与相位匹配。取决于不同的耳机及其相位响应，我们通常可以做到1.5kHz频率以下的滤波器匹配。更高频的部分需要尽可能的衰减。如果不衰减这些未匹配的高频部分，可能会引入噪音。我们在低频部分减弱噪音，但如果高频的相位失配，就会导致噪音被放大。为了避免这一现象，我们会尽量在无法匹配的区域降低增益。图6中的绿色透明区域代表我们通常能达到的增益和相位的最小失配。红色区域是我们要尽量衰减的部分。高频衰减和相位响应之间必须达到一个良好的平衡。如果在高频下衰减得太多，会影响到低频的相位响应，从而可能失去ANC的效果。
　　图6:模拟结果
　　滤波器检验及ANC测试
　　得到令人满意的滤波曲线以后，AS3415滤波器仿真工具同时提供材料清单输出功能。由于该工具和AS3415的评估板相匹配，材料清单中列出的项目能够被焊接在评估板上，以测试带有该滤波器的ANC的性能。测试包含两项内容：一是耳机戴在人工头上时的被动衰减测试，二是打开AS3415芯片并配置好前馈降噪功能时的频响测试。ANC性能计算如下：
　　这些计算可以通过一个Excel表格来完成，并生成一份音频范围内的ANC降噪性能曲线图。这张ANC降噪性能曲线图在降噪耳机的设计及生产过程中是十分重要及常见的。AS3415的开发工具以及ANC降噪耳机开发相关的应用注解和样板现已上线。
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