随着社会进步、城市化快速发展，我们的生活环境也在逐渐变得复杂，所接触到的噪音污染也越来越大了。虽然我们使用的耳机产品越来越高档，但户外使用普通耳机耳塞只能通过增加音量来覆盖噪音，这将不可避免地损害我们的听力。为了解决这个问题，使用降噪耳机是一个更好的选择，它可以让消费者在飞机、火车、地铁等噪音环境中更好地保护听力，也可以安静地享受音乐的乐趣。

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ANC主动降噪的基本原理是Ref Mic（reference microphone）通过降噪系统电路收集环境噪声噪声MIC相等于外部环境噪声的反相信号抵消噪声()。

图1主动降噪原理示意图

ANC主动降噪耳机的优点是低频噪声控制效果显著，降低噪声对人体健康的影响。一般情况下，ANC主动降噪的有效频率为50Hz~2kHz之间。对于超过2kHz通过结构设计和材料选择，将被动降噪方法、耳机入耳结构设计和耳帽采用隔音材料相结合，降噪耳机很好的降噪效果。主动降噪只需专注于消除低频噪声，辅以被动降噪。

ANC目前，主动降噪耳机有两种主流方案：模拟和数字，但在大规模生产中，模拟降噪方案需要调整外围RC阻容器作为滤波器反馈端的参数，RC器件的精度导致最终耳机的降噪能力差异极大，且不良率很高。对于这个问题，技术授权经销商Excelpoint世健技术支持部副经理Jack Yao介绍给我们AD 数字主动降噪方案。他说，面对消费水平ANC耳机面临三个挑战：一致性、功耗和音质。

图2 ADAU777框架结构图

ADAU框架结构图1777， ADAU1777具有快速高精度(高达768 kHz）采样路径，5μs analog-to-analog延迟，保证DSP处理滤波器的速度和精度ADC可配置为麦克风或线路输入的模拟输入；同时，两个数字麦克风输入可作为选通输入。基于上述性能，ADAU1777国内外各大耳机ODM制造商有成熟产品的应用和量产。

Jack介绍给我们AD发布新一代DSP产品 ADAU1787.该产品进一步优化和提高了主动降噪耳机的应用性能。

图3 ADAU1787框架图

ADAU1787框架图，ADAU1787具有独特的双核设计，FastDSP 核做主动降噪滤波器处理，同时SigmaDSP核做EQ后处理，补偿降噪后音乐中低频部分的损失。

因为混合（hybrid）主动降噪解决方案需要四个主动降噪麦克风：两个用于前馈电路，两个用于反馈电路line in至少需要6个输入通道，ADAU1787提供4路ADC输入接口和4路数字麦克风并行输入，所以ADAU1787可实现单芯片混合（hybrid）降噪耳机。同时，ADAU1787还能提供2.3*2.8 mm的更小BGA封装，在1.8V供电功耗仅约为6-7mW，可应用于功耗和芯片体积要求更严格TWS耳机。

主动降噪（ANC）耳机设计与调试

如何设计高性能主动降噪（ANC）耳机呢？Jack进一步介绍了主动降噪（ANC）耳机的设计和调试步骤。

首先要做的是Matlab模拟模型构建，如图4所示ANC系统框架：

图4

共三层，用虚线分隔:顶层primary path是从Ref Mic到Error Mic声学通道、响应函数P(Z)表示；中间层是模拟通道，其中secondary path是adaptive filter输出到返回残差的通道，包括DAC、reconstruction filter、power amplifier、speaker播放、再收集、pre-amplifier、anti、aliasing filter、ADC；下层是数字通路，其中adaptive filter在收敛之前，不断调整滤波器权系数以减少残差。最常用的方案是使用FIR滤波器结合LMS实现自适的算法AD中国代理应滤波器。简化图4，可获得图5。

图5

这里adaptive filter输出后经过S(z)和desire output比较后，可能会引起instability。有效的方法是FXLMS（Filtered-X LMS），也就让x(n)经过S?(z)S^(z)再输入给LMS 模块, 使adaptive filter可以正常收敛。也就是说，自适应滤波器的权力系数是由耳机制成的primary path和secondary path决定的。耳机的primary path和secondary path所以相对稳定adaptive filter权系数也比较稳定。用变步长LMS的adaptive filter，模拟结果如图6所示，0~2kHz范围内(图6)。

图6

第二步，需要一些设备来检测耳机的声学特性Audio Precision、Soundcheck等等。人耳模拟装置也是重要组成部分，如来自Head Acoustics、GRAS的IEC711。

人耳模拟装置可用于测量耳机特性时模拟人耳响应。这些人工耳集成了高度精确的麦克风，可以测量人们戴耳机时听到的真实声音。此外，还需要一个扬声器来测量耳机的被动衰减特性。耳机腔声学指标的测试是ANC滤波器模拟设计是一个非常重要的环节。

音频分析仪

人工耳测试设备

最后，需要在AD Sigmastudio 图形工具对Matlab相应滤波器参数的代入和调整模拟系数(图7)，这部分调试需要反复验证耳机声学曲线测试。

图7

总的来说，ANC降噪耳机市场潜力巨大，采用数字芯片实现ANC降噪耳机是未来的发展方向，但从研发到大规模生产仍存在许多挑战，包括研发阶段ID测量传输函数，设计，ANC滤波器模拟调试、量产阶段进料检验控制、成品生产线自动增益调整系统等。目前，世健有经验IDH支持客户可以缩短客户产品的研发周期。

如图8是IDH用ADAU1787头戴式ANC耳机测试曲线。

最深降噪-40DB，在50Hz~2kHz，平均-30DB上述降噪深度。

图8

备注：文中关于Matlab模拟算法参考：Kuo S M, Morgan D. Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations[M]. John Wiley & Sons, Inc. 1996.