AS3415单芯片主动降噪方案应用研究

邓帅博 章月新 刘剑

摘要：AS3415作为一款单芯片主动降噪方案，在消费电子类主动降噪耳机市场上有着广泛应用。基于AS3415模拟式前馈主动降噪芯片，设计了一款头戴式主动降噪耳机，旨在探究该芯片在应用中需解决的实际问题。包括主动降噪芯片的硬件结构、降噪原理、原型机声学性能测试步骤和反馈滤波器网络的设计与仿真。以AS3415演示板和普通头戴式耳机为实验平台进行降噪效果测试。实验结果与分析表明，在一般室内环境中，上述降噪芯片对700 Hz以下噪声有明显降噪效果。

关键词：AS3415；声学测试；主动降噪

0 引言

噪声污染作为世界范围内四个主要环境问题之一，不但干扰人的听觉、中断通信，在严重情况下，例如飞机起降，坦克、火炮以及某些重型机械的操作，甚至会对人的听力系统造成永久性破坏[1]。传统降噪耳机主要从结构上做出改进，选用隔音效果好的材料制作耳机。这种耳机能够隔离800 Hz以上的噪声，但对800 Hz以下的噪音，尤其是400 Hz以下的低频噪音隔音效果不佳，而这部分噪音正是常见重噪音的主要成分[2-3]。

有源噪声控制（active noise control，ANC）技术利用声波干涉相消原理，通过扬声器发出反噪声与耳罩内噪声抵消实现降噪目的，可以弥补物理隔绝式被动消噪耳机无法消除低频噪音的局限[4-6]。之前主动降噪电路大多采用DSP或分立元件的解决方案，这些方案的成本、功耗均较高，且PCB占板面积较大，限制了ANC技术的市场应用。奥地利微电子（编者注：已更名为“艾迈斯半导体”，英文为“ams”）公司高集成度主动降噪解决方案的出现，使功耗、成本和外围元器件数大大下降，为低成本主动降噪耳机的批量问世扫清了主要障碍[7]。

由于AMS公司的ANC主动降噪芯片属于模拟式主动降噪方案，故需要较为严格的声学结构测试，这一环节本身极具复杂性，需要详细的讨论说明。虽然市场上多款主动降噪耳机采用AMS公司的主动降噪芯片，但并没有相关论文系统介绍该类型芯片的使用方法。本文基于AMS公司推出的前馈式单芯片主动降噪方案AS3415，设计了一款具有低频噪声抑制效果的主动降噪耳机，旨在探究该芯片在实际开发应用中面临的实际问题及解决方法。

1 芯片硬件结构

AS3415作为具有主动降噪功能的耳机扬声器驱动芯片，主要硬件结构包括供电电路、IIC串行接口电路、音频输入电路、拾音麦克风电路、反馈滤波网络、ANC处理模块及扬声器驱动电路等。其中，供电电路以单节1.5 V的AAA电池为电源，分为升压电荷泵和负电压电荷泵。升压电荷泵部分输出2.7 V电压作为麦克风电源；负电压电荷泵部分产生负电压为系统中所有音频相关模块提供负电。IIC串行接口用于上位机软件与芯片通信，配置各种功能寄存器。音频输入电路可作为EQ均衡器对输入信号做滤波预处理，提高音效[8]。

相较于其它电路，与主动降噪功能直接相关的电路包括拾音麦克风电路、反馈滤波网络、ANC处理模块及扬声器驱动电路。拾音麦克风电路将外界环境噪声转换为电信号，经反馈滤波网络改变该电信号的幅值和相位，然后传入ANC处理模块进行反相处理，最后将处理后的电信号送入扬声器驱动电路发出声音与耳罩内噪声干涉相消，从而起到降噪作用。降噪流程示意图如图1所示。

2 耳机声学性能测试

由于AS3415为模拟式主动降噪芯片，故要发挥降噪性能必须测试原型机声学性能。本文所用测试系统为杭州兆华公司的CRY6181电声分析仪和CRY318人工耳。该电声分析仪含四路输入/输出通道，采样率24bit/192 kHz，测试精度±0.1 dB，本底噪声-105dBV。测试方案基本原理如图2所示。

Ai（i-1.2.3.4）表示幅值，φi（i=1.2.3.4）表示相位。以幅值4。2-1.2.3.4）为例，现要实现降噪，应满足Ai= A2 *A3 *A4（线性）。转换为分贝时，应满足A1 =A2+A3+A4 （dB）。其中，4是环境噪声经过被动降噪后经人工耳传入电声分析仪得到的声压，单位为dB SPL； A2是环境噪声经过拾音麦克风传入电声分析仪得到的声压，单位为dBSPL； A3是扬声器、人工耳整体构成的传递函数的幅频特性，单位为dB； A4是待设计的ANC滤波网络传递函数的幅频特性，单位为dB。最终使A1=A2+A3 +A4 （dB），φi= φ2+ φ4（deg）实现降噪。

2.1 原型机被动衰减特性测试

使用CRY6181电声分析系统以频率对数扫频方式发出20 Hz～22 kHz的正弦信号，经扬声器传递给CRY318仿真耳，其中待测试耳机放置在测试架上。此时能够得到人工耳采集的电声信号A1，即获得了经耳罩被动衰减后传入人工耳的声压、相位与频率的关系。声压单位为dB SPL。测试示意图如图3所示[9]。

2.2 麦克风频率特性测试

与A1测试用声音完全一致，用待测麦克风替换人工耳接入电声分析仪，分析仪配置不变。得到待测麦克风采集到的电声信号为A2，即环境噪声经过拾音麦克风后得到的声压、相位与频率的关系。测试示意图[9]如图4所示，声压单位为dB SPL。

2.3 耳机扬声器频率特性测试

无需功放，电声分析仪以频率对数扫频方式发出20 Hz～22 kHz固定电压扫频信号，由耳机内部的扬声器发出声音。以100 mV扫频信号为例，测出人工耳采集到的电声信号为d3。以100 mV为dB参考，得到。A3是扬声器、人工耳整体构成的传递函数的幅频特性，单位为dB。该项测试得到了降噪信号通过扬声器传输时的传递函数。测试示意图[9]如图10所示。

3 滤波器的设计与仿真

3.1 滤波器频率特性的计算

由于聲音的传播速度及耳机的声学特性等因素的影响，使得ANC耳机的运作有特定的频率范围，ANC滤波器的设计需要实现幅值和相位的共同匹配。由于更高频率下的相位几乎旋转了180度，设计出的滤波器很有可能与频率幅值匹配，而不与相位匹配，通常可以做到1 kHz频率以下的滤波器匹配，故更高频的部分需要尽可能地衰减。根据上述第2节中获得的三组数据，由A4=A1-A2-A3（dB），φ4=φ1-φ2-3φ（deg）可以计算出待设计滤波器的频率特性如图6、图7所示。

将计算得到的滤波器幅频特性和相频特性用excel表格导出，以备导入上位机软件进行电路仿真。需要注意的是，要想顺利导入上位机软件，excel文件必须以特定的格式保存，幅频特性和相频特性的存储格式如图8所示。

3.2 滤波器电路仿真

在计算出待设计滤波器的频率特性后，需要设计出具体的电路拓扑去逼近测量得到的滤波器幅频特性和相频特性。使用AS34X5 Evaluation Software USBHID上位機可以方便地仿真设计电路拓扑。该软件可以导入包含滤波器频率特性的excel表格，同时可选择多种拓扑结构，包括陷波滤波器、高通滤波器、低架（low shelf）滤波器、高架（high pass）滤波器、带通滤波器和一阶/二阶低通滤波器。经过仿真整定，得到滤波器计算仿真波形与实际测量波形如图9所示。

在图9中的相位频率特性曲线部分，存在偏置（offset）调整框。该调整框可以选择将电路仿真计算（Calculated）得到的相频特性曲线上移或下移的整数倍。这样做的目的是为了方便仿真计算（Calculated）和实际测量（Measured）得到的相频特性曲线更加吻合。如果偏置量是180°的偶数倍，则不需要特别处理：如果偏置量是180°的奇数信，则需要将扬声器反接来补偿180°相位。

图9表明滤波器计算仿真波形与实际测量波形相比，幅值和相位在700 Hz以下吻合度较好。理论上最终的降噪效果也主要体现在700 Hz以下。

4 降噪性能测试与分析

待仿真波形与实际测量波形基本吻合后，可以导出滤波器物料清单，将对应的元件焊接到AS3415演示板上进行ANC降噪性能测试。演示板使用IIC接口与上位机通信，通过配置相关寄存器，操作麦克风前置放大器、运算放大器等模块与ANC反馈滤波器网络拓扑相互结合实现降噪目的。

值得注意的是AS3415内部运算放大器1（OPl）为反相输入，故输出信号相位应增加180°。这是基于AS3415的ANC降噪耳机能够正常工作的关键一步，可以通过耳机扬声器反接实现相位增加180°的效果。

将设计滤波器的元件清单导出，焊接到AS3415演示板上，连接待降噪耳机进行降噪性能测试。AS3415模拟降噪方案装置实物图和降噪曲线分别如图10、图11所示。

从图11中可以观察到在700 Hz以下频率范围，AS3415主动降噪芯片明显起到了降噪作用，100 Hz附近降噪效果达到lOdB，这与图9中的仿真整定结果一致。

5 结论

本文系统地介绍了AS3415主动降噪芯片的使用方法。分析了该芯片的硬件结构，详细描述了耳机声学性能测试方案，介绍了AS3415评估软件在降噪滤波器电路设计上的应用，最后以AS3415演示板和普通头戴式耳机为实验平台进行实际降噪性能测试。实验结果验证了本文所述AS3415应用方案的有效性。

由于实验平台没有经过特殊的声学结构设计且不具备消声室等实验条件进行准确的声学指标测量，故实验最终呈现的降噪效果有限。针对这一不足，下一步将对头戴式耳机进行声学结构优化，引入消声室等专业测试设备，以提高耳机降噪效果。

参考文献：

[1]S. M. Kuo， D. R. Morgan. Active Noise Control Systems： Algorithms and DSP lrnplernentations. New York：Wiley， 1996.

[2]E.J. Eriksson. M.C Allie. C.D. Bremiaan. etaI.Active Noise Controland Specifications for Fan Noise Problems.Proc. Noise-Con， 1988：273-278.

[3]J. N. Derlenberg. Anti-noise-quieting the Environment with Active Noise Cancelation Technology. IEEE Potentials. 1992， 11（2）： 36-40.

[4]C. Carme.A New Filtering Method by Feedback for ANC at the Ear[C]//Proc. Inter-noise.1991：513-516

[5]l. Veit. A Lightweight Headset with an Active Noise Compensation[C]//Proc Inter-noise.1998：1083-1086.

[6]P.D. Wheeler， D.Smeatham. On Spatial Variability in the Attenuation Performance of Active Hearing Protectors[J]. Appl. Acoust， 1992，36：159-162.

[7]路煜皓.主动耳机的新进展[j].电声技术，2010，34（8）：67.

[8]AS3415/AS3435 Integrated Active Noise Cancelling Solution with Bypass Feature[Rl. amsDatasheet， 2014.

[9]Joel Gehlin. Design an ANC headset using the AS3415[R]. ams AG Technical Article， 2014.