AS3415单芯片主动降噪方案应用研究　

　　由于声音的传播速度及耳机的声学特性等因素的影响，使得ANC耳机的运作有特定的频率范围，ANC滤波器的设计需要实现幅值和相位的共同匹配。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幅值匹配，而不与相位匹配，通常可以做到1 kHz频率以下的滤波器匹配，故更高频的部分需要尽可能地衰减。根据上述第2节中获得的三组数据，由，可以计算出待设计滤波器的频率特性如图6、图7所示。

　　将计算得到的滤波器幅频特性和相频特性用excel表格导出，以备导入上位机软件进行电路仿真。需要注意的是，要想顺利导入上位机软件，excel文件必须以特定的格式保存，幅频特性和相频特性的存储格式如图8所示。

3.2 滤波器电路仿真

　　在计算出待设计滤波器的频率特性后，需要设计出具体的电路拓扑去逼近测量得到的滤波器幅频特性和相频特性。使用AS34X5 Evaluation Software USBHID 上位机可以方便地仿真设计电路拓扑。该软件可以导入包含滤波器频率特性的excel表格，同时可选择多种拓扑结构，包括陷波滤波器、高通滤波器、低架(low shelf)滤波器、高架(high pass)滤波器、带通滤波器和一阶/二阶低通滤波器。经过仿真整定，得到滤波器计算仿真波形与实际测量波形如图9所示。

　　在图9中的相位频率特性曲线部分，存在偏置(offset)调整框。该调整框可以选择将电路仿真计算(Calculated)得到的相频特性曲线上移或下移 的整数倍。这样做的目的是为了方便仿真计算(Calculated)和实际测量(Measured)得到的相频特性曲线更加吻合。如果偏置量是180°的偶数倍，则不需要特别处理;如果偏置量是180°的奇数倍，则需要将扬声器反接来补偿180°相位。

　　图9表明滤波器计算仿真波形与实际测量波形相比，幅值和相位在700 Hz以下吻合度较好。理论上最终的降噪效果也主要体现在700 Hz以下。

4 降噪性能测试与分析

　　待仿真波形与实际测量波形基本吻合后，可以导出滤波器物料清单，将对应的元件焊接到AS3415演示板上进行ANC降噪性能测试。演示板使用IIC接口与上位机通信，通过配置相关寄存器，操作麦克风前置放大器、运算放大器等模块与ANC反馈滤波器网络拓扑相互结合实现降噪目的。

　　值得注意的是AS3415内部运算放大器1(OP1)为反相输入，故输出信号相位应增加180°。这是基于AS3415的ANC降噪耳机能够正常工作的关键一步，可以通过耳机扬声器反接实现相位增加180°的效果。

　　将设计滤波器的元件清单导出，焊接到AS3415演示板上，连接待降噪耳机进行降噪性能测试。AS3415模拟降噪方案装置实物图和降噪曲线分别如图10、图11所示。

　　从图11中可以观察到在700 Hz以下频率范围，AS3415主动降噪芯片明显起到了降噪作用，100 Hz附近降噪效果达到10dB,这与图9中的仿真整定结果一致。

5 结论

　　本文系统地介绍了AS3415主动降噪芯片的使用方法。分析了该芯片的硬件结构，详细描述了耳机声学性能测试方案，介绍了AS3415评估软件在降噪滤波器电路设计上的应用，最后以AS3415演示板和普通头戴式耳机为实验平台进行实际降噪性能测试。实验结果验证了本文所述AS3415应用方案的有效性。

　　由于实验平台没有经过特殊的声学结构设计且不具备消声室等实验条件进行准确的声学指标测量，故实验最终呈现的降噪效果有限。针对这一不足，下一步将对头戴式耳机进行声学结构优化，引入消声室等专业测试设备，以提高耳机降噪效果。

　　参考文献：

　　[1]S. M. Kuo, D. R. Morgan. Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations. New York:Wiley, 1996.

　　[2]E.J. Eriksson, M.C. Allie, C.D. Bremigan, etal.Active Noise Control and Specifications for Fan Noise Problems.Proc. Noise-Con, 1988:273-278.

　　[3]J. N. Denenberg. Anti-noise-quieting the Environment with Active Noise Cancelation Technology. IEEE Potentials. 1992, 11(2): 36-40.

　　[4]C. Carme.A New Filtering Method by Feedback for ANC at the Ear[C]//Proc. Inter-noise. 1991:513-516

　　[5]I. Veit. A Lightweight Headset with an Active Noise Compensation[C]//Proc. Inter-noise. 1998:1083-1086.

　　[6]P.D. Wheeler, D.Smeatham. On Spatial Variability in the Attenuation Performance of Active Hearing Protectors[J]. Appl. Acoust, 1992,36:159-162.

　　[7]路煜皓. 主动降噪耳机的新进展[J].电声技术, 2010,34(8):67.

　　[8]AS3415/AS3435 Integrated Active Noise Cancelling Solution with Bypass Feature[R]. ams Datasheet, 2014.

　　[9]Joel Gehlin. Design an ANC headset using the AS3415[R]. ams AG Technical Article, 2014.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第3期第37页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。