主動降噪(ANC)技術正處於轉型過程中。以往的主動降噪耳機價格都比較昂貴，如今隨著價格愈加平民化，主動降噪也已成為耳機的主要特性之一，因此也越來越多消費電子和專業設備製造商開始採用此技術。
和許多其他電子產品設計一樣，將新的主動降噪技術引入市場並不是一件簡單的事情。
諸如奧地利微電子(ams)之類的供應商已經提供了現成主動降噪揚聲器驅動器，為主動降噪技術的市場推廣奠定良好的開端。
圖1展示了當下主動降噪系統所採用的三種拓撲結構。在前饋式系統中，一個曝露於外界環境的麥克風用於監聽環境雜訊；在晶片內部，通過系統傳遞函數的處理，將消噪訊號從音頻訊號處加入揚聲器。
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| 圖1 實用於不同耳機類型的主動降噪拓撲結構 |
完美匹配耳機的聲學特性
回饋系統則在耳機內的揚聲器旁邊安裝了一個麥克風，主要用於監聽佩戴者聽到的實際雜訊，而非環境雜訊。事實上，前饋式系統和回饋系統各有利弊，而混合系統則能取得兩全其美的效果。
在前饋式拓撲結構中，由外部麥克風所監聽到的耳機外的雜訊訊號和佩戴者實際聽到的雜訊並不完全相同，因為耳塞和耳墊會減弱雜訊訊號。
因此，在反轉麥克風輸出之前，必須先經過濾波器處理，從而在人耳可聽見的頻率範圍內儘量模擬耳機的衰減效應。
耳機的衰減效應可通過相位曲線和增益曲線來表示，任何一家專業的音訊測試實驗室都可以提供這類的資料，有了這些曲線資料，設計團隊便可以開始著手設計濾波電路。
圖2所展示的是使用前饋式主動降噪IC的一個典型濾波電路。虛線圈表示的是左側音訊通道的濾波器示意圖。濾波器結構由T型陷波濾波器、帶通濾波器、低通濾波器、高通濾波器、低架濾波器，以及高架濾波器組成。
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| 圖2 典型的前饋式濾波器結構圖 |
濾波器的設計首先應從雙T型陷波濾波器開始，並且須不斷改變他們的數值，直至濾波器的輸出與耳機的相位曲線相互吻合。
在QMICL OP輸出端的雙T型陷波濾波器之後，另一個帶阻濾波器被用來匹配耳機增益曲線上的一些峰值，同時，它也會在給定頻段抬升相位，它的上半部分可視為是一個低通線路，而下半部分可視為是高通線路。
電阻R7可以用來改變系統增益。例如，如果R7的阻值較小，那麼曲線的整體增益則相對較高，反之亦然，而電阻R8可以使峰值陷波濾波器變得平滑一些。
之後，我們可以看到另一個在高頻的陷波濾波器和一種低架濾波器(C11和R12)中的工作。低架濾波器一般作用於音頻訊號的低頻部分(20Hz∼1kHz之間)；C11可用於調整低於設定頻率的低頻部分的增益曲線。
也就是說，當C11的容值較高時，它會提高增益曲線；當C11的容值較低時，它則降低增益曲線。
IC供應商如ams為其主動降噪IC用戶提供一個類比的軟體工具。圖3展示的是圖2中的濾波電路的相位曲線和增益曲線類比圖，經過第一次模擬後，我們可以對濾波器進一步微調，使其更加貼近耳機的衰減特性。
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| 圖3 前饋式濾波電路的比較結果 |
在100Hz∼1kHz頻率範圍內優化增益曲線和相位曲線的匹配是尤其重要的，因為在這個頻率範圍之內，前饋式拓撲結構能最大程度地衰減雜訊。
如圖3所示，在高頻時，無法獲得良好的相位匹配。此時，必須確保模擬計算得出的增益曲線低於測量到的增益曲線，否則，耳機可能會發生振盪問題。
調整改善濾波器設計之後，另一個重要的步驟是測試系統降低環境雜訊的能力。為此，設計師須使用一個音訊測量儀測量耳機的回應。
圖4展示的是使用主動降噪IC的前饋式耳機的降噪性能。深色線表示耳機本身的被動衰減，淺色線則表示ANC打開時的降噪效果，可以看到，使用主動降噪技術時，其降噪峰值高達35dB。
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| 圖4 使用主動降噪IC的前饋式耳機的降噪性能 |
用戶控制
對使用者來說，他們也要能隨時控制主動降噪功能的打開或關閉，以便選擇聽外部的聲音(比如正在播放公告時)。
如今，在設計耳機時，設計師通常都會在耳機或線控上放置一個滑動開關。但如果需要兼顧監聽功能時，線路設計就會顯得比較棘手。監聽功能其實是一個輔助的助聽模式，它可以在前饋式系統中實現，因為前饋式系統可以放大或消除麥克風所偵測到的環境雜訊。
圖5所展示的架構圖就是如何將滑動開關和按鈕良好結合，從而控制監聽模式。
我們只須輕觸監控開關便可控制反及閘(NAND Gate)的輸出狀態，將AS3410切換至助聽模式。實際上，這啟動了R3/R4電阻分壓器，使MODE_SCSL Pin的電壓僅為電池電壓的一半。
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| 圖5 採用滑動開關及按鈕的前饋式主動降噪設計 |
這種電路的一大好處是非常靈活，幾乎任何一個互補式金屬氧化物半導體(CMOS)反及閘都可以被使用，包括施密特觸發器、反及閘、反或閘、電晶體、場效應電晶體，以及金屬氧化物半導體場效應電晶體。
它的功能非常簡單，首次通電時，U2A輸入端的電容(C1)確保了U2A的輸出為低。之後，每當按鍵被按下時，U2A的輸出會被切換成高或低，PMOS開關則會被相應的控制為斷開或導通，從而關閉或啟動R3/R4電阻分壓器。使用者控制的另一個要求是顯示電池電量，LED指示燈也需要可以顯示主動降噪功能是否被開啟。
主動降噪IC內置指示燈LED輔助裝置，包含一個可用於驅動LED的電流阱。通過調整50kHz頻率的脈衝寬度調製訊號的工作週期為0%、25%、50%或100%，可控制此電流阱關閉或工作在三種不同的驅動電流下；此外，LED驅動功能還可以和電池電壓監測相互結合，為用戶提供電池電量指示。
如果新款IC檢測到電池電量不足，那麼當低於低電壓臨界值時，ILED便會切換至1Hz頻率、50%工作週期、50%電流設定的閃爍狀態。為了提前得到電池電量過低的警告，還可以就將低電量臨界值設定為比實際的電池低電量臨界值高100毫伏特(mV)。
圖6顯示的是發出電池低電量警告的電路圖。它使用了電壓感測器及兩個重定訊號(其中一個為反轉的重定訊號)和一個手控重定訊號(這裡並未使用MRN)。
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| 圖6 AS3410整合LED驅動電路架構圖 |
當電池電壓足量時，ILED會使綠色LED燈閃爍，頻率為50KHz。一旦主動降噪IC檢測到電池電壓為1.0伏特甚至更低時，ILED便轉而使紅色LED燈閃爍，頻率為1Hz。
值得注意的是，VBAT的電壓必須足夠支援紅色LED燈的正向壓降以及PMOS1的壓降。在電池電量正常時，為了降低功耗，可以通過選用較高的RISET電阻來降低綠光LED燈的亮度。
以上所講述的電路設計和濾波器設計方法為主動降噪耳機的設計提供操作指南。但是由於耳機的機械結構以及麥克風和揚聲器的選擇各不相同，每一個耳機的設計也都各有其特點。
這就意味著，為了達到最佳的聲學性能，設計者須反復嘗試前饋式濾波器設計；此時，類比軟體將會是一個非常有用的工具。此外，使用高品質麥克風和揚聲器也有助簡化濾波器的設計。
(本文作者任職於奧地利微電子)