AS3415單芯片主動降噪方案應用研究

鄧帥博 章月新 劉劍

摘要：AS3415作為一款單芯片主動降噪方案，在消費電子類主動降噪耳機市場上有著廣泛應用。基于AS3415模擬式前饋主動降噪芯片，設計了一款頭戴式主動降噪耳機，旨在探究該芯片在應用中需解決的實際問題。包括主動降噪芯片的硬件結構、降噪原理、原型機聲學性能測試步驟和反饋濾波器網絡的設計與仿真。以AS3415演示板和普通頭戴式耳機為實驗平臺進行降噪效果測試。實驗結果與分析表明，在一般室內環境中，上述降噪芯片對700 Hz以下噪聲有明顯降噪效果。

關鍵詞：AS3415；聲學測試；主動降噪

0 引言

噪聲污染作為世界范圍內四個主要環境問題之一，不但干擾人的聽覺、中斷通信，在嚴重情況下，例如飛機起降，坦克、火炮以及某些重型機械的操作，甚至會對人的聽力系統造成永久性破壞[1]。傳統降噪耳機主要從結構上做出改進，選用隔音效果好的材料制作耳機。這種耳機能夠隔離800 Hz以上的噪聲，但對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重噪音的主要成分[2-3]。

有源噪聲控制（active noise control，ANC）技術利用聲波干涉相消原理，通過揚聲器發出反噪聲與耳罩內噪聲抵消實現降噪目的，可以彌補物理隔絕式被動消噪耳機無法消除低頻噪音的局限[4-6]。之前主動降噪電路大多采用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技術的市場應用。奧地利微電子（編者注：已更名為“艾邁斯半導體”，英文為“ams”）公司高集成度主動降噪解決方案的出現，使功耗、成本和外圍元器件數大大下降，為低成本主動降噪耳機的批量問世掃清了主要障礙[7]。

由于AMS公司的ANC主動降噪芯片屬于模擬式主動降噪方案，故需要較為嚴格的聲學結構測試，這一環節本身極具復雜性，需要詳細的討論說明。雖然市場上多款主動降噪耳機采用AMS公司的主動降噪芯片，但并沒有相關論文系統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降噪方案AS3415，設計了一款具有低頻噪聲抑制效果的主動降噪耳機，旨在探究該芯片在實際開發應用中面臨的實際問題及解決方法。

1 芯片硬件結構

AS3415作為具有主動降噪功能的耳機揚聲器驅動芯片，主要硬件結構包括供電電路、IIC串行接口電路、音頻輸入電路、拾音麥克風電路、反饋濾波網絡、ANC處理模塊及揚聲器驅動電路等。其中，供電電路以單節1.5 V的AAA電池為電源，分為升壓電荷泵和負電壓電荷泵。升壓電荷泵部分輸出2.7 V電壓作為麥克風電源；負電壓電荷泵部分產生負電壓為系統中所有音頻相關模塊提供負電。IIC串行接口用于上位機軟件與芯片通信，配置各種功能寄存器。音頻輸入電路可作為EQ均衡器對輸入信號做濾波預處理，提高音效[8]。

相較于其它電路，與主動降噪功能直接相關的電路包括拾音麥克風電路、反饋濾波網絡、ANC處理模塊及揚聲器驅動電路。拾音麥克風電路將外界環境噪聲轉換為電信號，經反饋濾波網絡改變該電信號的幅值和相位，然后傳入ANC處理模塊進行反相處理，最后將處理后的電信號送入揚聲器驅動電路發出聲音與耳罩內噪聲干涉相消，從而起到降噪作用。降噪流程示意圖如圖1所示。

2 耳機聲學性能測試

由于AS3415為模擬式主動降噪芯片，故要發揮降噪性能必須測試原型機聲學性能。本文所用測試系統為杭州兆華公司的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24bit/192 kHz，測試精度±0.1 dB，本底噪聲-105dBV。測試方案基本原理如圖2所示。

Ai（i-1.2.3.4）表示幅值，φi（i=1.2.3.4）表示相位。以幅值4。2-1.2.3.4）為例，現要實現降噪，應滿足Ai= A2 *A3 *A4（線性）。轉換為分貝時，應滿足A1 =A2+A3+A4 （dB）。其中，4是環境噪聲經過被動降噪后經人工耳傳入電聲分析儀得到的聲壓，單位為dB SPL； A2是環境噪聲經過拾音麥克風傳入電聲分析儀得到的聲壓，單位為dBSPL； A3是揚聲器、人工耳整體構成的傳遞函數的幅頻特性，單位為dB； A4是待設計的ANC濾波網絡傳遞函數的幅頻特性，單位為dB。最終使A1=A2+A3 +A4 （dB），φi= φ2+ φ4（deg）實現降噪。

2.1 原型機被動衰減特性測試

使用CRY6181電聲分析系統以頻率對數掃頻方式發出20 Hz～22 kHz的正弦信號，經揚聲器傳遞給CRY318仿真耳，其中待測試耳機放置在測試架上。此時能夠得到人工耳采集的電聲信號A1，即獲得了經耳罩被動衰減后傳入人工耳的聲壓、相位與頻率的關系。聲壓單位為dB SPL。測試示意圖如圖3所示[9]。

2.2 麥克風頻率特性測試

與A1測試用聲音完全一致，用待測麥克風替換人工耳接入電聲分析儀，分析儀配置不變。得到待測麥克風采集到的電聲信號為A2，即環境噪聲經過拾音麥克風后得到的聲壓、相位與頻率的關系。測試示意圖[9]如圖4所示，聲壓單位為dB SPL。

2.3 耳機揚聲器頻率特性測試

無需功放，電聲分析儀以頻率對數掃頻方式發出20 Hz～22 kHz固定電壓掃頻信號，由耳機內部的揚聲器發出聲音。以100 mV掃頻信號為例，測出人工耳采集到的電聲信號為d3。以100 mV為dB參考，得到。A3是揚聲器、人工耳整體構成的傳遞函數的幅頻特性，單位為dB。該項測試得到了降噪信號通過揚聲器傳輸時的傳遞函數。測試示意圖[9]如圖10所示。

3 濾波器的設計與仿真

3.1 濾波器頻率特性的計算

由于聲音的傳播速度及耳機的聲學特性等因素的影響，使得ANC耳機的運作有特定的頻率范圍，ANC濾波器的設計需要實現幅值和相位的共同匹配。由于更高頻率下的相位幾乎旋轉了180度，設計出的濾波器很有可能與頻率幅值匹配，而不與相位匹配，通常可以做到1 kHz頻率以下的濾波器匹配，故更高頻的部分需要盡可能地衰減。根據上述第2節中獲得的三組數據，由A4=A1-A2-A3（dB），φ4=φ1-φ2-3φ（deg）可以計算出待設計濾波器的頻率特性如圖6、圖7所示。

將計算得到的濾波器幅頻特性和相頻特性用excel表格導出，以備導入上位機軟件進行電路仿真。需要注意的是，要想順利導入上位機軟件，excel文件必須以特定的格式保存，幅頻特性和相頻特性的存儲格式如圖8所示。

3.2 濾波器電路仿真

在計算出待設計濾波器的頻率特性后，需要設計出具體的電路拓撲去逼近測量得到的濾波器幅頻特性和相頻特性。使用AS34X5 Evaluation Software USBHID上位機可以方便地仿真設計電路拓撲。該軟件可以導入包含濾波器頻率特性的excel表格，同時可選擇多種拓撲結構，包括陷波濾波器、高通濾波器、低架（low shelf）濾波器、高架（high pass）濾波器、帶通濾波器和一階/二階低通濾波器。經過仿真整定，得到濾波器計算仿真波形與實際測量波形如圖9所示。

在圖9中的相位頻率特性曲線部分，存在偏置（offset）調整框。該調整框可以選擇將電路仿真計算（Calculated）得到的相頻特性曲線上移或下移的整數倍。這樣做的目的是為了方便仿真計算（Calculated）和實際測量（Measured）得到的相頻特性曲線更加吻合。如果偏置量是180°的偶數倍，則不需要特別處理：如果偏置量是180°的奇數信，則需要將揚聲器反接來補償180°相位。

圖9表明濾波器計算仿真波形與實際測量波形相比，幅值和相位在700 Hz以下吻合度較好。理論上最終的降噪效果也主要體現在700 Hz以下。

4 降噪性能測試與分析

待仿真波形與實際測量波形基本吻合后，可以導出濾波器物料清單，將對應的元件焊接到AS3415演示板上進行ANC降噪性能測試。演示板使用IIC接口與上位機通信，通過配置相關寄存器，操作麥克風前置放大器、運算放大器等模塊與ANC反饋濾波器網絡拓撲相互結合實現降噪目的。

值得注意的是AS3415內部運算放大器1（OPl）為反相輸入，故輸出信號相位應增加180°。這是基于AS3415的ANC降噪耳機能夠正常工作的關鍵一步，可以通過耳機揚聲器反接實現相位增加180°的效果。

將設計濾波器的元件清單導出，焊接到AS3415演示板上，連接待降噪耳機進行降噪性能測試。AS3415模擬降噪方案裝置實物圖和降噪曲線分別如圖10、圖11所示。

從圖11中可以觀察到在700 Hz以下頻率范圍，AS3415主動降噪芯片明顯起到了降噪作用，100 Hz附近降噪效果達到lOdB，這與圖9中的仿真整定結果一致。

5 結論

本文系統地介紹了AS3415主動降噪芯片的使用方法。分析了該芯片的硬件結構，詳細描述了耳機聲學性能測試方案，介紹了AS3415評估軟件在降噪濾波器電路設計上的應用，最后以AS3415演示板和普通頭戴式耳機為實驗平臺進行實際降噪性能測試。實驗結果驗證了本文所述AS3415應用方案的有效性。

由于實驗平臺沒有經過特殊的聲學結構設計且不具備消聲室等實驗條件進行準確的聲學指標測量，故實驗最終呈現的降噪效果有限。針對這一不足，下一步將對頭戴式耳機進行聲學結構優化，引入消聲室等專業測試設備，以提高耳機降噪效果。

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