AS3415單芯片主動(dòng)降噪方案應(yīng)用研究　

作者 / 鄧帥博 章月新 劉劍 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院(江蘇 南京 211106)

　　*基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(編號(hào)：NS2016034);南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開(kāi)放基金(編號(hào)：kfjj20160304)

　　鄧帥博(1993-)，男，碩士生，研究方向：自適應(yīng)信號(hào)處理與主動(dòng)噪聲控制。

摘要：AS3415作為一款單芯片主動(dòng)降噪方案，在消費(fèi)電子類主動(dòng)降噪耳機(jī)市場(chǎng)上有著廣泛應(yīng)用?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/AS3415">AS3415模擬式前饋主動(dòng)降噪芯片，設(shè)計(jì)了一款頭戴式主動(dòng)降噪耳機(jī)，旨在探究該芯片在應(yīng)用中需解決的實(shí)際問(wèn)題。包括主動(dòng)降噪芯片的硬件結(jié)構(gòu)、降噪原理、原型機(jī)聲學(xué)性能測(cè)試步驟和反饋濾波器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與仿真。以AS3415演示板和普通頭戴式耳機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行降噪效果測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析表明，在一般室內(nèi)環(huán)境中，上述降噪芯片對(duì)700 Hz以下噪聲有明顯降噪效果。

0 引言

　　噪聲污染作為世界范圍內(nèi)四個(gè)主要環(huán)境問(wèn)題之一，不但干擾人的聽(tīng)覺(jué)、中斷通信，在嚴(yán)重情況下，例如飛機(jī)起降，坦克、火炮以及某些重型機(jī)械的操作，甚至?xí)?duì)人的聽(tīng)力系統(tǒng)造成永久性破壞^[1]。傳統(tǒng)降噪耳機(jī)主要從結(jié)構(gòu)上做出改進(jìn)，選用隔音效果好的材料制作耳機(jī)。這種耳機(jī)能夠隔離800 Hz以上的噪聲，但對(duì)800 Hz以下的噪音，尤其是400 Hz以下的低頻噪音隔音效果不佳，而這部分噪音正是常見(jiàn)重噪音的主要成分^[2-3]。

　　有源噪聲控制(active noise control，ANC)技術(shù)利用聲波干涉相消原理，通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)出反噪聲與耳罩內(nèi)噪聲抵消實(shí)現(xiàn)降噪目的，可以彌補(bǔ)物理隔絕式被動(dòng)消噪耳機(jī)無(wú)法消除低頻噪音的局限^[4-6]。之前主動(dòng)降噪電路大多采用DSP或分立元件的解決方案，這些方案的成本、功耗均較高，且PCB占板面積較大，限制了ANC技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用。奧地利微電子(編者注：已更名為“艾邁斯半導(dǎo)體”，英文為“ams”)公司高集成度主動(dòng)降噪解決方案的出現(xiàn)，使功耗、成本和外圍元器件數(shù)大大下降，為低成本主動(dòng)降噪耳機(jī)的批量問(wèn)世掃清了主要障礙^[7]。

　　由于AMS公司的ANC主動(dòng)降噪芯片屬于模擬式主動(dòng)降噪方案，故需要較為嚴(yán)格的聲學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)試，這一環(huán)節(jié)本身極具復(fù)雜性，需要詳細(xì)的討論說(shuō)明。雖然市場(chǎng)上多款主動(dòng)降噪耳機(jī)采用AMS公司的主動(dòng)降噪芯片，但并沒(méi)有相關(guān)論文系統(tǒng)介紹該類型芯片的使用方法。本文基于AMS公司推出的前饋式單芯片主動(dòng)降噪方案AS3415，設(shè)計(jì)了一款具有低頻噪聲抑制效果的主動(dòng)降噪耳機(jī)，旨在探究該芯片在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中面臨的實(shí)際問(wèn)題及解決方法。

1 芯片硬件結(jié)構(gòu)

　　AS3415作為具有主動(dòng)降噪功能的耳機(jī)揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)芯片，主要硬件結(jié)構(gòu)包括供電電路、IIC串行接口電路、音頻輸入電路、拾音麥克風(fēng)電路、反饋濾波網(wǎng)絡(luò)、ANC處理模塊及揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路等。其中，供電電路以單節(jié)1.5 V的AAA電池為電源，分為升壓電荷泵和負(fù)電壓電荷泵。升壓電荷泵部分輸出2.7 V電壓作為麥克風(fēng)電源;負(fù)電壓電荷泵部分產(chǎn)生負(fù)電壓為系統(tǒng)中所有音頻相關(guān)模塊提供負(fù)電。IIC串行接口用于上位機(jī)軟件與芯片通信，配置各種功能寄存器。音頻輸入電路可作為EQ均衡器對(duì)輸入信號(hào)做濾波預(yù)處理，提高音效^[8]。

　　相較于其它電路，與主動(dòng)降噪功能直接相關(guān)的電路包括拾音麥克風(fēng)電路、反饋濾波網(wǎng)絡(luò)、ANC處理模塊及揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路。拾音麥克風(fēng)電路將外界環(huán)境噪聲轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)反饋濾波網(wǎng)絡(luò)改變?cè)撾娦盘?hào)的幅值和相位，然后傳入ANC處理模塊進(jìn)行反相處理，最后將處理后的電信號(hào)送入揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出聲音與耳罩內(nèi)噪聲干涉相消，從而起到降噪作用。降噪流程示意圖如圖1所示。

2 耳機(jī)聲學(xué)性能測(cè)試

　　由于AS3415為模擬式主動(dòng)降噪芯片，故要發(fā)揮降噪性能必須測(cè)試原型機(jī)聲學(xué)性能。本文所用測(cè)試系統(tǒng)為杭州兆華公司的CRY6181電聲分析儀和CRY318人工耳。該電聲分析儀含四路輸入/輸出通道，采樣率24 bit/192 kHz，測(cè)試精度±0.1 dB，本底噪聲-105 dBV。測(cè)試方案基本原理如圖2所示。

2.1 原型機(jī)被動(dòng)衰減特性測(cè)試

　　使用CRY6181電聲分析系統(tǒng)以頻率對(duì)數(shù)掃頻方式發(fā)出20 Hz~22 kHz的正弦信號(hào)，經(jīng)揚(yáng)聲器傳遞給CRY318仿真耳，其中待測(cè)試耳機(jī)放置在測(cè)試架上。此時(shí)能夠得到人工耳采集的電聲信號(hào)A1，即獲得了經(jīng)耳罩被動(dòng)衰減后傳入人工耳的聲壓、相位與頻率的關(guān)系。聲壓?jiǎn)挝粸閐B SPL。測(cè)試示意圖如圖3所示^[9]。

2.2 麥克風(fēng)頻率特性測(cè)試

　　與A1測(cè)試用聲音完全一致，用待測(cè)麥克風(fēng)替換人工耳接入電聲分析儀，分析儀配置不變。得到待測(cè)麥克風(fēng)采集到的電聲信號(hào)為A2，即環(huán)境噪聲經(jīng)過(guò)拾音麥克風(fēng)后得到的聲壓、相位與頻率的關(guān)系。測(cè)試示意圖^[9]如圖4所示，聲壓?jiǎn)挝粸閐B SPL。

2.3 耳機(jī)揚(yáng)聲器頻率特性測(cè)試

3 濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

3.1 濾波器頻率特性的計(jì)算