前饋式耳機一般來說是比較容易開發的，因為設計工程師通常不用處理有關穩定性的問題。然而，此種拓墣的一個主要缺點就是風噪聲(Wind Noise)，這是因為降噪耳機是直接暴露在環境中。克服此缺點的方法之一就是採用回饋式降噪技術。目前市場上已有業者推出相關技術，此篇文章將以奧地利微電子(ams)的AS3435為例，說明採用該產品設計回饋式降噪耳機所需的步驟。
回饋式耳機注重頻率/相位量測
就如同設計前饋式耳機一般，回饋式耳機也需要特定設備，其中最重要的就是能夠測量頻率(Frequency)及相位(Phase)響應的音訊測量系統。
適合用來進行這些測量的音訊設備包括Audio Precision、Brüel&Kjaer及Soundcheck等。該公司高度建議針對各種不同人工耳採用可模擬Head Acoustics、Brüel&Kjaer或是GRAS人工耳聲學行為的人工耳模擬器。
用於前饋式耳內產品的IEC711 coupler，對於此應用而言是不需要的，因為99%的回饋式耳機一般都是耳上(On-ear)或覆耳(Over Ear)式設計。那是因為耳內回饋式系統中的麥克風位置有其機械性限制。然而目前市場上還是有耳內回饋式設計。除了人工耳機/耳模擬器，以及能夠測量增益和相位的音訊測量設備之外，這些耳內設計包含了成功個性化回饋式降噪耳機所需的所有事物。為了要測定耳機的降噪效能，雙向式揚聲器系統，最好是雙向同軸揚聲器也是需要的，用來在執行測量時將這些降噪耳機暴露在噪音中。
最後一個所需的要素是AS3435評估板(EVB)，這包括了所有必要的連接器和前置放大器，能讓特色化的過程盡可能流暢無礙。
機械/電聲元件特色化回饋式耳機
除了機械元件，像是襯墊(Cushion)和揚聲器聲腔之外，每一部降噪耳機也需要電聲元件，例如揚聲器、降噪麥克風。這些元件加起來定義了耳機的頻率和相位響應。一般來說，不同的耳機會有不同的頻率和相位響應，所以需要適當的特色化，讓每一部耳機的降噪效能最佳化，以達到最大頻寬。
相較於前饋式系統，回饋式系統的降噪特性量測是非常簡單的，所需要的就只是耳機揚聲器和降噪麥克風之間的開放式迴路。
測量設定包括圖1所示的Audio資料擷取(DAQ)系統、人工頭部及降噪耳機。資料擷取系統的輸出連接至AS3435評估板的線性輸入。降噪耳機的揚聲器須連接至AS3435評估板的耳機放大器輸出。降噪麥克風連接至評估板的麥克風輸入。所需的麥克風偏壓(Bias Voltage)由評估板提供，因此麥克風連接毋需額外的外部元件。
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| 圖1 回饋式耳機的特色化 |
最後一個重要且必要的連接，是從評估板的QMICx接腳(麥克風前置放大器輸出)連接至DAQ系統的類比音訊輸入。在開始測量前，AS3435評估板必須被正確配置。評估板軟體的螢幕截圖如圖2所示。要將麥克風前置放大器增益設定為0dB，使其在之後能匹配過濾器計算模板，這對於測量是很重要的。
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| 圖2 軟體配置回饋的特色化 |
將耳機多路輸入設定為「未連接」位置，有助於避免麥克風信號回饋至揚聲器。當然，這是降噪運作期間所需的，並非是針對開放式迴路特色化測量。一旦評估板被正確配置，DAQ系統就會產生一個從20kHz至20Hz的正弦掃頻信號。然後DAQ系統會測量麥克風前置放大器的增益和相位響應。此測量包括所有初次回饋過濾設計所需的相關資訊。
降噪濾波器計算
回饋電路的降噪濾波器(ANC Filter)計算非常簡單，計算方法如下：
理想的相位響應計算方式如下：
如這些計算所顯示的，所需的濾波器計算就只是增益和相位響應的反向。只要使用Microsoft Excel就能計算完成。AS3435評估套件提供此計算模板。
濾波器開發
降噪濾波器開發可能也是開發環節中最重要的步驟。經由濾波器計算來了解降噪耳機的特性，意味這些資訊能被用在降噪濾波器的開發上。市面上有許多回饋式耳機，但是大部分的設計都只是簡單地反轉回饋信號，所以降噪效能極低。因此，重要的是必須了解濾波器開發期間的重點為何。這包括需要知道並了系統的限制。有經驗的工程師可以使用Spice模擬工具來設計降噪濾波器。這個程序需要很多經驗，特別是在濾波器拓墣和濾波器計算方面。圖3為降噪濾波器範例。
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| 圖3 Spice濾波器模擬範例 |
圖3是完整的降噪信號鏈，具有反向放大器和電容(RC)網路，可以定義降噪濾波器的頻率和增益響應。為了讓工程師能夠更方便地設計濾波器，廠商已經開發了濾波器模擬工具，做為AS3435評估板的一部分。此模擬工具的螢幕截圖如圖4所示。
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| 圖4 AS3435濾波器模擬工具 |
此工具也是使用Spice模擬器，但是還配備了圖形使用者介面(GUI)，這讓濾波器開發變得容易許多，特別是對於那些「未經訓練」的設計工程師而言。這讓設計工程師能使用一組預定義的過濾器拓撲來定義不同的增益和截止頻率。這個系統不像Spice模擬器那麼有彈性，讓使用者可以用來定義濾波器拓撲和電阻及電容數值，但它是一個很好的起點，將能協助設計工程師更了解降噪濾波器設計可能遇到的阻礙。
圖5所示的模擬視窗，是在模擬視窗中設定濾波器模擬的結果。灰色A曲線代表基於反向開放式回濾量測的理想回饋式濾波器。黑色B曲線標示Spice模擬的結果。相較於前饋式模擬，此種回饋式濾波器模擬的差異在於，它不只是匹配頻率和相位響應。在回饋式系統中，更高的增益帶來更佳的降噪效能，然而在前饋式系統中，太高的增益會導致雜訊被放大，而非被消除。在回饋式系統中，焦點通常是放在較低的頻率範圍，從20Hz至800Hz，峰值落在100Hz的範圍內，根據耳機的聲學而定。較高的頻率也較難以消除，這是因為會難以/或是根本無法匹配相位響應。因此衰減較高的頻率，以及盡可能避免系統振盪是很重要的。
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| 圖5 濾波器模擬結果 |
如果增益太高，以及模擬濾波器和理想濾波器之間的相位不匹配太大(Typ. 120o)，則耳機會發生振盪。AS3435濾波器模擬軟體提供穩定性檢查功能，能夠自動顯示計算出的降噪濾波器和模擬降噪濾波器之間的相位不匹配。模擬結果顯示於圖6。
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| 圖6 穩定性檢查功能 |
在相位不匹配大於120o的區域中，增益高於-12dB，此工具以粗黑框標示出重點區域。在這個頻率區域中的振盪可能性是很高的。
在相位不匹配高的區域中，濾波器設計工程師必須確定增益已盡可能的低。振盪一般是發生在較高的頻率，然而在1Hz範圍內發生也是有可能的。
濾波器驗證/降噪測試
一旦設計工程師發現某個濾波器設計在完整的頻率範圍內都表現穩定，則這個降噪濾波器就能輸出了(圖7)。這個工具提供一個材料清單(BOM)輸出功能，這個功能整合了標準E24元件。再者，它直接連結至AS3435的評估板。列在BOM表的元件能直接被儲存至評估板，因為這些參考代號是和評估板匹配的。
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| 圖7 降噪效能測量設定 |
降噪效能測量包含兩種測量，且不再需要相位量測。第一個量測針對安裝在人工頭部的耳機進行被動式衰減量測。第二個量測是相同的量測，但是這次打開AS3535開關，並且利用模擬麥克風預置放大器增益針對回饋應用進行配置。兩種測量的降噪效能計算如下：
使用Ecxel工作表就可以完成這個計算，建立一個降噪效能和頻率的關係曲線，這在產業中是非常普遍的。
(本文作者為奧地利微電子產品經理)