AS3415单芯片主动降噪方案应用研究　

作者 / 邓帅博 章月新 刘剑 南京航空航天大学 自动化学院(江苏 南京 211106)

　　*基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(编号：NS2016034);南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金(编号：kfjj20160304)

　　邓帅博(1993-)，男，硕士生，研究方向：自适应信号处理与主动噪声控制。

摘要：AS3415作为一款单芯片主动降噪方案，在消费电子类主动降噪耳机市场上有着广泛应用。基于AS3415模拟式前馈主动降噪芯片，设计了一款头戴式主动降噪耳机，旨在探究该芯片在应用中需解决的实际问题。包括主动降噪芯片的硬件结构、降噪原理、原型机声学性能测试步骤和反馈滤波器网络的设计与仿真。以AS3415演示板和普通头戴式耳机为实验平台进行降噪效果测试。实验结果与分析表明，在一般室内环境中，上述降噪芯片对700 Hz以下噪声有明显降噪效果。

0 引言

　　噪声污染作为世界范围内四个主要环境问题之一，不但干扰人的听觉、中断通信，在严重情况下，例如飞机起降，坦克、火炮以及某些重型机械的操作，甚至会对人的听力系统造成永久性破坏^[1]。传统降噪耳机主要从结构上做出改进，选用隔音效果好的材料制作耳机。这种耳机能够隔离800 Hz以上的噪声，但对800 Hz以下的噪音，尤其是400 Hz以下的低频噪音隔音效果不佳，而这部分噪音正是常见重噪音的主要成分^[2-3]。

　　有源噪声控制(active noise control，ANC)技术利用声波干涉相消原理，通过扬声器发出反噪声与耳罩内噪声抵消实现降噪目的，可以弥补物理隔绝式被动消噪耳机无法消除低频噪音的局限^[4-6]。之前主动降噪电路大多采用DSP或分立元件的解决方案，这些方案的成本、功耗均较高，且PCB占板面积较大，限制了ANC技术的市场应用。奥地利微电子(编者注：已更名为“艾迈斯半导体”，英文为“ams”)公司高集成度主动降噪解决方案的出现，使功耗、成本和外围元器件数大大下降，为低成本主动降噪耳机的批量问世扫清了主要障碍^[7]。

　　由于AMS公司的ANC主动降噪芯片属于模拟式主动降噪方案，故需要较为严格的声学结构测试，这一环节本身极具复杂性，需要详细的讨论说明。虽然市场上多款主动降噪耳机采用AMS公司的主动降噪芯片，但并没有相关论文系统介绍该类型芯片的使用方法。本文基于AMS公司推出的前馈式单芯片主动降噪方案AS3415，设计了一款具有低频噪声抑制效果的主动降噪耳机，旨在探究该芯片在实际开发应用中面临的实际问题及解决方法。

1 芯片硬件结构

　　AS3415作为具有主动降噪功能的耳机扬声器驱动芯片，主要硬件结构包括供电电路、IIC串行接口电路、音频输入电路、拾音麦克风电路、反馈滤波网络、ANC处理模块及扬声器驱动电路等。其中，供电电路以单节1.5 V的AAA电池为电源，分为升压电荷泵和负电压电荷泵。升压电荷泵部分输出2.7 V电压作为麦克风电源;负电压电荷泵部分产生负电压为系统中所有音频相关模块提供负电。IIC串行接口用于上位机软件与芯片通信，配置各种功能寄存器。音频输入电路可作为EQ均衡器对输入信号做滤波预处理，提高音效^[8]。

　　相较于其它电路，与主动降噪功能直接相关的电路包括拾音麦克风电路、反馈滤波网络、ANC处理模块及扬声器驱动电路。拾音麦克风电路将外界环境噪声转换为电信号，经反馈滤波网络改变该电信号的幅值和相位，然后传入ANC处理模块进行反相处理，最后将处理后的电信号送入扬声器驱动电路发出声音与耳罩内噪声干涉相消，从而起到降噪作用。降噪流程示意图如图1所示。

2 耳机声学性能测试

　　由于AS3415为模拟式主动降噪芯片，故要发挥降噪性能必须测试原型机声学性能。本文所用测试系统为杭州兆华公司的CRY6181电声分析仪和CRY318人工耳。该电声分析仪含四路输入/输出通道，采样率24 bit/192 kHz，测试精度±0.1 dB，本底噪声-105 dBV。测试方案基本原理如图2所示。

2.1 原型机被动衰减特性测试

　　使用CRY6181电声分析系统以频率对数扫频方式发出20 Hz~22 kHz的正弦信号，经扬声器传递给CRY318仿真耳，其中待测试耳机放置在测试架上。此时能够得到人工耳采集的电声信号A1，即获得了经耳罩被动衰减后传入人工耳的声压、相位与频率的关系。声压单位为dB SPL。测试示意图如图3所示^[9]。

2.2 麦克风频率特性测试

　　与A1测试用声音完全一致，用待测麦克风替换人工耳接入电声分析仪，分析仪配置不变。得到待测麦克风采集到的电声信号为A2，即环境噪声经过拾音麦克风后得到的声压、相位与频率的关系。测试示意图^[9]如图4所示，声压单位为dB SPL。

2.3 耳机扬声器频率特性测试

3 滤波器的设计与仿真

3.1 滤波器频率特性的计算