耳机主动降噪常见芯片处理过程

耳机主动降噪常见芯片处理过程

1、 AD-DA链路延时

      目前几乎所有用于耳机主动降噪的数字芯片AD-DA的链路总延时处于5us~20us之间。这个延时对降噪带宽有一定的影响，但基本上都可以满足要求。在这个延时区间，延时每增加一倍理论的前馈降噪深度会减小6dB。2kHz信号20us延时引起的相位偏差为14.4°，这个相位偏差下前馈最深的降噪深度为12dB。

      但实际的总延时不仅仅和数字过程总延时有关，还和噪声源的入射方向以及传声器和次级声源的相对位置有关。反过来说，如果想要拓宽耳机的降噪带宽，需要综合考量传声器和次级声源的位置。

2、 AD/DA满量程、精度、底噪

      耳机中常用麦克风的灵敏度约为-40dBV/Pa，信噪比约65dB，AOP区间约为120dB~130dB之间。如果想用高AOP的麦克风，意味着AD的满量程需要提高，而AD满量程的提高又伴随了功耗的增加。如果想用高信噪比的麦克风，AD的底噪首先要做提升，大多数AD的信噪比约为100dB。

      举个例子，某芯片AD的满量程为500mV（-6dBV），考虑麦克风灵敏度为-40dBV/Pa时转化为满量程声压为128dB。

      AD的精度一般是24bit。

     芯片输出的两个核心指标是最大功率和底噪。目前大多用于耳机降噪的芯片最大输出电压约为1V，底噪范围约2uV-10uV。

3、 滤波器架构

      耳机降噪芯片除了早期采用过FIR外，当前主流的耳机降噪芯片的滤波器大多采用IIR滤波器。目前市面的芯片主要存在两种架构。

（1）直接II型二阶IIR滤波器，级联

      市面上几乎所有的耳机降噪数字滤波器都是采用这个架构，区别仅仅是系数的精度稍有不同。一般系数采用的精度有S（32，26），S（32，27）。在这个精度下滤波器和模拟域几乎没有任何区别，传统的一些连续域的拟合滤波器的方法都可以有效的应用。

（2）直接II型七阶IIR滤波器，并联

     市面上还有另一种特殊的架构，他是以直接II型七阶IIR滤波器为基础的。数字处理的采样率为8MHz，混合采用一个一阶高通以及两个一阶低通滤波器构成带通滤波器，而降噪滤波器采用的七阶IIR滤波器，具体结构如图所示，该架构中系数精度为S(12,9)。这个精度下系数的最大值为∓4，这就限制了低频滤波器（零极点靠近∓1）的应用，这会导致100Hz以下的Lowshelf型或Peak型滤波器应用受限。而2^-9的系数精度也容易让定点化后的零极点偏离初始连续域中的零极点，在拟合这种滤波器系数时比较好的方法是采用遗传算法

     为了解决上面的问题，目前该芯片采用的方式是采用两个七阶IIR滤波器并联，这样可以把低频滤波器置在其中一个支路上。但相对来说其可以实现的数字滤波器依旧是受限的，不如上面六级或七级二阶滤波器来得灵活。在使用这颗芯片设计降噪耳机时对系统架构的要求会更高。

还有另一类数字滤波器的架构是IIR滤波器并联一个FIR滤波器，FIR滤波器相比于IIR滤波器可以采用常见的自适应更新算法，它可以对滤波器的中高频特性做些自适应调整。

4、 动态问题的处理

      在上面的架构中，我们把耳机的降噪问题看成是线性系统问题。但是如上的处理过程中可能会出现麦克风或喇叭这类元器件动态不足，或者出现线性滤波过程中出现溢出，或者计算结果溢出的问题。处理的原则是系统可以性能下降，但不可以出现更坏结果。比如啸叫发生、底噪增大、噪声放大、切换噗噗声等。这时能较好的将压限器、扩位运算、淡入淡出等方法集成到系统中的数字芯片硬件模块无疑是更有竞争力的。