兼具前饋/反饋拓撲優點　混合型主動降噪效果更佳

圖1　在前饋降噪耳機的設計中(a)，麥克風與揚聲器被隔開來；在反饋設計中(b)，麥克風置於靠近揚聲器的位置。而且，前饋和反饋兩種設計可以整合進同一個耳機內。

被動降噪的方法，是使用塑膠、泡沫橡膠、矽膠或其他材料製成的耳塞、耳罩將耳朵嗚住。不同的材質有不同的降噪效果，但大部分都只能過濾掉500赫茲(Hz)以上的噪音頻率。而主動降噪(Active Noise-cancelling)技術能過濾掉的噪音頻率範圍卻能低至20Hz，高至數千Hz，因此主動降噪解決方案能夠彌補一般被動降噪方法無法做到的部分。

主動降噪使用揚聲器產生的音波來抵銷從外界傳至耳朵的聲音。而檢測外界噪音的方式有兩種：將收音的麥克風暴露在噪音中，並與揚聲器隔開；或將麥克風置於最靠近揚聲器的地方(圖1)。

如果揚聲器和前饋麥克風之間的聲學隔離夠好，那麼採用前饋方式就不會影響播放路徑。當降噪功能被關閉，或電力太低所以耳機被設定成被動省電模式時，這種前饋方式就是一個很大的優勢，因為音樂播放的效果還是可以維持很好的品質。而且，前饋拓撲結構還能輕鬆開啟「助聽模式」，使外界的即時聲音被放大，毋須拿掉耳機也能清楚聽到別人說話。

前饋拓撲效果受音源影響

採用前饋拓撲結構時，設計工程師可以從頻率、相位和振幅角度對耳機進行聲學分析，以確定在這種結構下噪音在傳到耳朵時會受到什麼樣的干擾。設計工程師可以為這個轉換函數G(w)建立電子模型，然後放在麥克風和揚聲器之間。

由於前饋設計會受到音源方向的影響，因此需要一個全方位收音的麥克風，況且，聲音雜訊通道也無法機械化的集中在一起。另外，因為麥克風必須在噪音傳到耳朵前就先把噪音攔截掉，所以平行的聲波路徑必須最小化。

反饋設計受限系統回應速度

反饋拓撲結構能處理耳邊的實際噪音，比前饋結構的模擬效果更能準確地掌握噪音。但是，系統的回應速度卻限制了效能表現。定義轉換函數時設計工程師須要特別避免正反饋等的不穩定性。

反饋設計會從麥克風扣除音訊播放，剩下的訊號就是耳朵周圍的噪音。藉由轉換函數產生相位相反的訊號，就能抵銷掉不必要的噪音。

最理想的反饋式主動降噪耳機必須做到揚聲器和麥可風之間零延遲的同步，但從物理學的角度來看，這是不可能實現的，因為這表示揚聲器和麥克風必須共用一個聲學中心。實際上可以做到的是盡量將麥克風放在離揚聲器薄膜最近的地方，以降低音訊的傳輸延遲。

在反饋式耳機中的麥克風無法區分出噪音雜訊與要播放的音訊，所以使用反饋式設計的耳機都會有一定程度的訊號失真。為克服此問題，工程師常會在播放路徑中增加一個均衡電路，所以無論是否應用主動降噪解決方案，音質都能維持一致。

當然，也可以將前饋和反饋兩種設計方式整合進同一個耳機內(圖1c)，發揮兩種方法各自的優點，但這會增加設計的複雜性和額外的成本，這部分就必須讓設計業者來評估及權衡。

權衡設計取決於實際考量

前饋方案最大挑戰是如何維持耳機的使用者耳朵周邊環境的一致性。由於每個使用者的耳朵形狀和大小都不同，所以耳機的適合程度也都不同。如果耳機設計人員要達成最好的降噪效果，就需要不同的轉換函數來配合這些不同的物理特性。

這表示在設計前饋式耳機時，必須讓耳機能適合每個人，或至少人與人之間的差異性對轉換函數的影響必須降至最低。前饋耳機中一個受控制的漏電路徑，就可以解決這個問題。

在設計反饋式耳機時，主要的考量點是該把麥克風放在何處，以及如何掌握整個頻率範圍內的音訊。這是個非常值得鑽研的技術領域，許多專利都是針對麥克風位置和前後腔的尺寸/比例的研究所提出。

在權衡設計方案時，通常會優先考慮音頻響應(Audio Response)，當然也會盡量發揮主動降噪的效能。在這樣的設計環境下，主動降噪會受限於頻率區段(Frequency Band)，但仍能達到足夠，甚至顯著的降噪水準。這種方法即使在電量耗盡時還是能維持耳機的音質。

另外一種作則是以主動降噪的效能為優先考量，此時音頻響應就必須配合調整才能維持好的音效。若採用這種作法，耳機就必須一直保持在供電狀態，或須使用一些被動內嵌的音效等化器來產生悅耳的聲音。

類比/數位方案各有利弊

圖2　在麥克風至揚聲器的距離為0.7公分的情況下，訊號鏈的傳輸延遲不能超過20微秒。

工程師可選擇數位或類比訊號處理方法。傳統數位方案主要依靠預測，只能針對「穩定狀態」的噪音來降噪，例如馬達運轉的噪音或其他固定頻率的噪音。

主動降噪耳機必須盡量減少延遲才能降低不定時、無固定頻率的噪音。通常麥克風和揚聲器之間的距離為0.7公分(cm)，這個距離等同於20微秒(μs)的音訊傳輸延遲。也就是說在數位應用中，類比數位轉換、訊號處理以及數位類比轉換都必須在20微秒的間隔中完成(圖2)。

滿足時序要求的標準150-MIPS、24位元數位訊號處理器(DSP)、類比數位轉換器(ADC)以及數位類比轉換器(DAC)的額定功耗約113毫瓦(mW)。但是，也可以選擇效能相仿或甚至更好的類比應用，例如奧地利微電子的AS3400，功耗就小於10毫瓦。從電池壽命的考量上，當然會更傾向於選用類比方案。

另一方面，數位應用解決方案的發展精確度越來越高，且越來越多功能可透過軟體操作。此外，設計工程師也更容易地加入調音混音、重低音、環繞聲等功能，當然這些都需要額外的運算，也會更耗電。

雖然類比方案大多取決於經驗，而且非常依賴過往的電聲工程專業知識和經驗，但傑出的類比設計不但能掌握電池壽命、尺寸及成本優勢，而且設計成果瞬間就反應出來，往往讓設計工程師很有成就感。

混合降噪設計具優勢

圖3　若從電池壽命來考慮，類比設計是更好的選擇，但是電源消耗只是設計考量的因素之一。

噪音頻率高於1kHz或2kHz時，每個耳機都能達到某種形式的被動降噪，因為絕緣材料阻擋了環境噪音進入耳朵。好的隔音耳機擁有被動噪音過濾功能，使噪音下降到非常低的頻率，達到5～30dB的噪音隔離。即使沒有通電，使用者戴上耳機也能享受瞬間的平靜。

但是好的被動降噪也有一個缺點：就是會產生「閉塞現象」。這就像把手指塞在耳朵裡同時說話。當聲音通過下巴和鼻子傳出來時，將會聽到自己的聲音變得很悶而且失真。

這種現象常會使人們在談話中不自覺地提高音量，甚至大聲嚷嚷。除了在談話時摘下耳機或耳塞，還有一種變通的方法就是使用一種叫做Side-Tone的技術，聲音被一個獨立的麥克風收音，將它稍微減弱後再播放出來。

主動降噪最讓人意想不到的優勢，在於它能在低頻率(例如語音頻段)時取代高被動過濾的需求。使用者可以透過開關控制來啟動主動降噪的功能，這就能帶來莫大的便利。例如在飛行旅途中鄰座的人麻煩你請空服員在推過餐車時停下來等類似狀況。

前饋方案擁有窄頻率區段的優點，能大幅實現降噪效果(圖3a)。此外，前饋方案能在寬頻譜中實現降噪，一般可高達4kHz或5kHz。

反饋式主動降噪方案往往在頻率區段內更為均衡(圖3b)。然而，因為需要一致的穩定性，所以把頻率區段限於1kHz，以確保不同人或不同耳機壓力不會使轉換函數改變為最初的正反饋而造成振盪。高達20dB的降噪和1kHz的頻寬對反饋設計來說是十分普遍的。

至於兩種拓撲結構的混合設計，則結合了兩者的優點，也減少了缺點(圖3c)。

實際設計流程演示

圖4　前饋方案(a)通常所具有的窄頻率區段可以將降噪性能大幅提升。超過25dB的特性和高達4kHz的頻寬是十分普遍的。反饋式主動降噪(b)則更為扁平化。混合式設計(c)即能夠兼具兩種設計的優勢。

在產品概念階段，原始設備製造商(OEM)工程師必須評估所有的優缺點、機械設計所需的材料，也要決定選用前饋、反饋或混合式的降噪方案。

下一步就是定義形狀、大小以及耳機的適合度。主動降噪元件供應商可以依麥克風、通氣、洩漏孔的位置以及耳機其他與聲學結構相關的特性提供建議。有此可見，主動降噪晶片整合了所有的主要功能並提供必要的效能(圖4)。

接著，再下一步的原型設計階段，耳機開發業者將三維(3D)模型轉化為電聲方案。在這個階段中，原始設備製造商工程師對耳機的聲音進行必要的修改，同時晶片供應商也可以參與決定開發第一款類比工具和開發套件的主動降噪過濾方案。

這一階段的輸出是全功能的耳機，這個雛型能呈現出最佳的主動降噪效果，同時包含獨立的頻率響應圖像。大部分供應商都會提供很多的電路參考原圖，以及耳機機械設計進一步改進的建議，以增加主動降噪的性能。這個雛型階段通常經過一至兩次反覆修正後就可以完成。

最後一步，就是整合這些修改方案，並且為印刷電路板(PCB)設計和布局。一旦樣品生產出來，主動降噪轉換函數就能同步完成協調。

(本文作者為奧地利微電子行銷傳播執行副總裁)