AS3415單芯片主動降噪方案應用研究　

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

　　*基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金(編號：NS2016034);南京航空航天大學研究生創新基地(實驗室)開放基金(編號：kfjj20160304)

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

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。

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24 bit/192 kHz，測試精度±0.1 dB，本底噪聲-105 dBV。測試方案基本原理如圖2所示。

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

3 濾波器的設計與仿真

3.1 濾波器頻率特性的計算