干货周记:如何搭建一套耳机ANC系统(消费电子9) |
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咱的《干货周记》有个特点:不会枯竭。 因为咱的内容,主要选自Roy的日常笔记(持续更新)。从模拟到数字,从技术到市场,从消费类到汽车电子... 都与实战相关,素材源源不断。 Roy笔记这次,咱聊个音频话题:主动降噪(Active Noise Cancellation),简称ANC。 基本概念 下面我以光速,一句话阐述ANC的基本概念:它是用反相声波,来抵消环境环境噪声,让听者感到更安静的一种技术。理想的ANC系统,通常会包含前馈和反馈系统,可给人“一秒钟沉入海底”之感。 通俗理解:上面提到的“反相声波”,就是工程师造的一个“影分身”,用来抵消原始噪声,理想情况下,二者战斗之后,能同归于尽(一切归于宁静)。 说着容易,做着难。现实世界中,“本体”往往比“影分身”厉害,尤其是嘈杂环境下,工程师召唤出的“反相声波”,通常会在前馈系统中实现,但它一般只能抵消一部分噪声能量,要想尽量多的干掉噪声,往往还需要更多屏障:反馈系统。 和“前馈系统”召唤的“影分身”不同,“反馈系统”可没那么讲究,也不在乎自己长得像不像噪声,它更像个“大力士”,会用蛮力去对付被“影分身”抵消后的“残余噪声”。但它会受系统声学设计的制约,好的声学设计,可让它发挥出更大的力量。声学设计(次级路径)不佳,还要它使蛮力的话,会因相位裕度不足,而产生啸叫。 需注意:ANC的势力范围,会受降噪深度和宽度的约束。最终呈现出的效果,取决于:声学结构、电声器件(Mic+Spkr)、降噪芯片(Codec+DSP)、以及“降噪深/宽度”与“心理声学”的配合。 所以,你会见到很多宣称降噪40dB的耳机,实际降噪效果还不如宣称30dB的产品,你也会见到很多耳机,在OTA升级后,增强了稳定性,但降噪性能会变弱的情况... 实战,揭开ANC的神秘面纱 下面,咱以一个基础混合ANC系统为例,说说设计师们,到底是怎么召唤噪声“影分身”和“大力士”的。 根据第一性原理,咱可以把“如何搭建一个基础ANC系统”简化成:如何设计出FF Filter(“影分身”)和FB Filter(“大力士”)。 当然,想玩儿的更酷,还可以搭建多个前馈系统(多重影分身),甚至多反馈系统(多位勇士),以及更智能自适应降噪系统,先不在这儿赘述。 为方便描述,咱先统一如下术语: FF Filter:前馈滤波器,主要处理前馈麦克风信号。 FB Filter:反馈滤波器,主要处理反馈麦克风信号。 初级路径(A2DRP):外部噪声传到耳内的声学路径。 次级路径(D2DRP):耳机自身喇叭发生到耳内的声学路径。 A2FF:外部噪声到FF麦的频响。 A2FB:外部噪声到FB麦的频响。 造出“影分身”: 第零步,按类似图2中描述,搭建好设备,开启麦克风和喇叭路径; 第一步,基于PC+AP等设备,让消音室内的大喇叭发声,同时记录FF麦和FB麦,可得到: ① A2FF频响 ② A2FB频响(≈A2DRP) 耳机的初级路径(即P(z))特性即:②/① 第二步,让耳机自身喇叭发声,同时记录FB麦,可得到: ③ D2FB频响(≈D2DRP),此即其次级路径 S(z) 至此,我们终于可以造出噪声“影分身”了: FF Filter = (②/①)*③,(相位上也可视为:②-①+③) FF滤波器设计的优劣,会在很大程度上决定降噪宽度,以及下一关反馈滤波器的相位裕度,如果声学裕量不足,则降噪深度会受到掣肘。 召唤“大力士”: 大力士的作用是,对抗从“影分身”那里活下来的残余噪声,主要负责压制低频。这一步,说容易也容易,说难也难。 刚说了,FB Filter是个大力士,力大无穷,但如果在不当的情况下,使蛮力,反而会造成自激啸叫,不安全。 由于FB反馈路径的延迟很低,直接在低频做反相(说白了就是乘负一),上抬之,再叠加噪声即可。但要注意的是:上抬时别太嚣张,因为幅度在变化的同时,相位也在变,一不留神,次级路径/反馈系统可能就啸叫了。 这个话题,咱在之前的文章中说过,详见:干货周记:轻松搞懂“运放稳定性”和“零极点操纵术”(番外篇4) 良好的声学结构设计,在满足FF Filter设计很给力的情况下,还能留给FB Filter足够的裕量,做低频反相上抬。能考虑到这点,系统设计就已足够优秀了。 FB滤波器的设计,会决定降噪深度,以及整个系统的稳定性。很多时候的自激啸叫,就是因为FB调的比较激进(大力士使劲太大),使得极点离单位圆太近,用户使用时,稍微一改变声学路径(如戴耳机时摇头晃脑、挤压耳道),就可能造成极点逃逸到单位圆外,这不就自激了麽? 这一点咱在《干货周记:三分钟弄懂零极点图(下)(番外篇3)》中也有讲过。 小结 & Bug 光说不练假把式,下面是各个阶段频响常见的模样: 小结下,极简表达整个系统可近似为: H(z)=P(z)*FF/(1+S(z)*FB), 其中P(z)为初级路径,S(z)为次级路径。 不知你发现没有,其实上述分析过程,还有个Bug:就是我们前面测到的初级和次级路径,都是在用FB麦克风的效果,近似耳内实际听到的效果,这是不准确的(想一想为什么?),且千人千耳,不同人的DRP实际效果也是千差万别。 这本身也是ANC业内的一大难题,但顶级玩家们,还是找到了一些方法,直接把“影分身之术”,变成了“秽土转生”。 目前为止,只有少数玩家,尽妥善地解决这个问题,也正是因为如此,它们的产品,也一直能保持技术产品制高点。 一边是内卷的黑暗深渊,一边是技术红利的持续变现。 真刺激。 End Roy个人观点,仅供参考 |
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