基于模拟电路的降噪耳机研究

论文总字数：25158字

目 录

摘要 I

Abstract II

1 引言 1

1.1 模拟反馈ANC 1

　　1.2 模拟前馈ANC 2

　　1.3 自适应前馈ANC 2

　　　　1.3.1延迟对ANC的影响 4

1.3.2耳机密闭程度对ANC的影响 6

　　1.4 自适应反馈ANC 6

　　1.5 混合型ANC 7

2 次级通道识别 8

　　2.1 通过反馈应用中的自适应ANC滤波器来识别次级通道中的误差 8

　　　　2.1.1 自适应反馈回路的稳定性 11

3 ANC耳机的前馈式、反馈式以及混合式的比较 17

　　3.1 ANC耳机的评估系统 17

　　　　3.1.1 ANC耳机的自适应前馈、反馈式以及混合式的结构 17

　　3.2 结论 19

　　　　3.2.1 前馈式结构的噪声衰减 19

3.2.2 反馈式结构的噪声衰减 22

3.2.3 混合型结构的噪声衰减 24

4 结束语 26

参考文献 27

致谢 28

附录 29

主动降噪耳机系统设计研究

方向

，China

Abstract：Active noise reduction based on analog circuit is one of the successful applications of active noise control. Recently, the DSP Based Digital Noise Canceling Headphones have the hope of improving the performance and stability of noise reduction. Noise reduction methods for ANC headphones can be divided into feedforward and feedback, on the other hand can also be divided into digital circuits and analog circuits. In this paper, the advantages and disadvantages of different ANC methods, such as analog ANC, adaptive ANC, hybrid ANC, are reviewed,also the basic structures are included. In addition, the measurement methods of secondary path are introduced.The main work of this design is implementing an ANC controller on the 32 bit floating DSP platform, to compare the adaptive feedforward, feedback and hybrid ANC of noise reduction performance, and draw the relevant conclusions and curves.

Key words：active noise control；headphone；analogue circuit；feedforward；feedback

1 引言

便携式通信设备和音乐播放器使得用户可以随时随地沟通和享受音乐。然而在许多环境中，环境噪声可能会很大，以致掩盖了音乐或通信信号从而迫使用户增加播放的音量，而这一行为对人耳是有害的。配有耳罩的封闭式耳机已经显示出其对外部环境的高频噪声具有良好的的被动衰减作用，但几乎没有任何的低频噪音的衰减。配有主动降噪(ANC)系统的耳机填补了这个空白，通过反相信号来干扰外部低频噪声。

在这篇论文中对不同的ANC方法的优点和缺点进行了综述，还包括一些对耳机ANC领域的新贡献。用于ANC耳机的降噪方法一方面可以分为前馈式和反馈式,另一方面也可以分为为数字电路和模拟电路途径^[1]。

前馈是指环境噪音在耳机外部被探测,然后被前馈电路进行反相产生抵消的信号传送到耳机的扬声器；反馈是指噪音已经穿透到耳机内被内部麦克风探测后反相，经反馈电路传送至扬声器“吸声”。因此，反馈到扬声器。反馈和前馈结构两者都可以采用模拟或数字电路实现。模拟技术的优势是无延迟和价格低廉，而数字电路的优势是能够适应不同的声学场景。

1.1 模拟反馈ANC

大多数ANC耳机使用一个模拟反馈(也称为闭合回路)电路^[2,3]，从耳罩内的麦克风到扬声器^[4,5]如图1.1 ，耳罩内的麦克风拾取信号通过滤波器H并经过增益 k反相后反馈至扬声器。模块S代表示从扬声器到麦克风的传输路径(也称为次级通道)。耳罩等对噪声的被动降噪用模块Hc表示。

闭环方法的优点是，它不需要太多的硬件并且ANC不受声源方向的影响；缺点是，如果没有适当地设计反馈回路中的滤波器H的话，闭合回路将会运行不稳定。

图1.1 耳罩内模拟反馈ANC的结构图

图 1.1闭合回路的传输函数为，

（1.1）

目标是是减少Nres

　　可以通过增加分母来实现，即增益系数k。噪音减少是因为添加了反馈信号反相(- k)到输入噪声Nin。然而，如果反馈回路相位再翻转180°，信号在求和点重合叠加并且反馈闭合回路将进入共振灾难。滤波器H的引入是为了衰减其开路的相位已经转至180°范围的频率。

　因此，H的设计是对开路频率响应的考虑，是为了保持闭环回路的稳定性^[6,7]

1.2 模拟前馈ANC

模拟前馈(开环)只需要一个在耳罩外的麦克风^[8,9]。它有一个模拟滤波器，它仿真了耳罩内外的传递函数。然而这种传输函数随入射噪声方向的变化而改变。因此开环ANC耳机要么对特定方向的声音降噪明显，要么对各个可能方向的声音都能起一定作用。

图1.2 前馈ANC耳机只包含一个模拟从内到外的所有可能的传输函数的滤波器H

1.3 自适应前馈ANC

　　数字方法的ANC优势在于它可以适应不同的条件，如不同的耳机以及入射噪声的不同方向。然而，它会产生DA或AD转换器引起的延迟^[10]。因此，与普通音频转换器相比，ANC更受限于周期性信号。

　　一个自适应滤波器得有双输入。除了参考信号（如耳机外部的噪声），它也需要一个给出关于滤波器性能反馈的误差信号。在一个ANC耳机中，这个纠错信号被耳罩内的麦克风检测到，耳罩内的噪音应该被减少（参见图1.3）。自适应前馈ANC耳机得有两个麦克风，一个是参考噪声信号，另一个追踪耳机内部残存的的误差信号。

图 1.3 自适应前馈ANC耳机及其两个麦克风

　　该滤波器系数与参考输入和误差信号相适应，如图1.3所示。有多个关于系数校正的算法，而归一化最小均方误差（NLMS）算法是最主流的一种。这很容易实施，不需要太多的资源，并且比大多数其他自适应算法更稳定^[11]。系数校正方程为

　 　　（1.2）

其中W是滤波器系数的向量，n是时间指数，是噪声输入样本值向量，µ是区间为[ 0，2 ]的学习率。在等式中可以看出，误差信号e和输入信号x必须到达同一时间n。

图1.4表明，输入信号x被延迟一个AD转换。外部麦克风测量的噪音x，它沿直接传输路径P2。内部麦克风侦测通过P1进入耳机的信号x和由扬声器放出的抗噪信号（通过次级通道S）的叠加。输入信号x得延迟两倍的转换时间，并且在它到达LMS模块的参数校正之前估计次级通道Ŝ。

误差信号e被相同的AD转换器延迟，但还被次级通道通道S的DA转换器和另一个AD转换器延迟。所以，在LMS的系数校正算法中，同样的延迟必须被引入到输入信号x。因此，次级通道Ŝ必须被评估。这种改良的结构称为滤波的x LMS（fxLMS）。

图 1.4 带有滤波x LMS算法的ANC框图

1.3.1 延迟对ANC的影响

　　从耳机外部麦克风到耳罩内部误差麦克风的传输时间存在一个增益,用群迟延比值P1/P2表示。由于耳机外壳紧密，该群迟延与入射声音方向无关。如图1.5所示，正面的声音几乎与侧面的（最大群迟延被考虑）是相同的。然而，如果耳机佩戴不够密闭，这种时间增益会减少。图1.6显示，如果佩戴不够密闭，这意味着噪音将会先到达内部误差麦克风而后到达外部麦克风，降噪将会起消极作用。

图1.5 群迟延P1/P2与噪声入射方向关系 图1.6 群迟延P1/P2与佩戴密闭程度的关系

　　另一方面，存在由于AD和DA转换造成的信号x和信号e的延迟，以及次通道s的群迟延。在频率低于100Hz时，这些延迟达到0.5毫秒以上。参见图1.7，群迟延大多在0.2ms附近，在低于100Hz时增加迅速。因此，约0.4毫秒的时间增益将损失时间，通常损失更大。因此，自适应滤波器具有因果关系的问题。在这种情况下，将fxLMS算法作为预测器。ANC将会依赖这些关于噪声的预测。

图 1.7 在不同佩戴情况下的次通道的群迟延

　　图1.8比较了不同延迟下的ANC仿真。 左图为比较了飞机噪声在没有耳机（no HP）、用一个被动降噪耳机及用不同延迟的ANC耳机的的不同声压级（SPL)。右图显示了不同延迟下的，纯有源降噪的情况。这些仿真应用的飞机噪声的记录对S, P1 和 P2的实际测量数据。在仿真中，这个入射声音方向（P1/P2）从0到90°的方位角变化，总共持续一秒。仿真结果表明，ANC只在延迟低于250µs时起作用（参见 ^[12,13,14]）。延迟大概在60µs时，可以达到最好的ANC性能。

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