你是否经历过如下场景：
想要享受片刻宁静，
却身处嘈杂的环境中无处可逃。
面对噪声，
难道我们真的束手无策了吗？
本期英家大咖将由来自英飞凌电源与传感事业部的硅麦克风技术专家团队来科普——降噪耳机的工作原理，解决设计挑战和硅麦克风选型的关键。
本期大咖：
英飞凌电源与传感系统事业部
硅麦克风技术专家团队
本期大咖：
英飞凌电源与传感系统事业部
硅麦克风技术专家团队
传统对抗噪音的方法十分简单：除了用“魔法打败魔法”——调高音量盖过噪音之外，就只能尝试物理隔绝，即“被动降噪”。但被动式降噪耳机在理想情况下仅能降低部分周遭噪声，且无法阻挡低频噪音的侵袭，其效果只能说是差强人意。
主动噪声技术（Active Noise Cancellation，ANC）的出现改变了一切。现如今的音频市场上，使用主动噪声技术的降噪耳机日益增多。
那么，ANC是如何消除噪音的呢？
众所周知，声音是由物体振动产生的声波。理论上，如果两条振幅相等而振动方向相反的声波相糅合，就会被相互抵消，恼人的噪声也就“消失”了。这种行为被称为“破坏性干涉”。
主动噪声技术（ANC）技术即是如此选择“主动出击”，首先，它会测量并捕捉环境中不必要的噪音。其次，基于麦克风捕捉到的噪音，计算并释放出一个“反相噪声”信号，让噪声在到达人们的鼓膜前即可相互抵消。这样我们就能听见纯净无干扰的音频了。
主动噪声技术（ANC）技术即是如此选择“主动出击”，首先，它会测量并捕捉环境中不必要的噪音。其次，基于麦克风捕捉到的噪音，计算并释放出一个“反相噪声”信号，让噪声在到达人们的鼓膜前即可相互抵消。这样我们就能听见纯净无干扰的音频了。
上述实现ANC的设计思路中，
存在着两个明显的挑战：
第一个挑战是需要可靠准确地识别和捕捉外部环境噪声。为了做到这一点，我们使用了麦克风，它可以监听戴着耳机的人周围的噪声源，并在音频波段（20Hz-20kHz）捕获信号。对于噪声的准确识别和捕捉，麦克风的性能指标至关重要，我们会在下文介绍关键指标。
第二个挑战是输出稳定实时的反相噪声信号，对原始噪声进行叠加，从而在原始声音信号中消除捕获的噪声。为了克服这一挑战，需要有效地实现自适应算法，因为噪声源的频率、振幅和相位等特性可能是时变的。
在耳机设计方面，可以根据拓扑结构分为反馈、前馈和混合降噪三种模式。每种拓扑都有自己的优点和局限性。图1描绘了一种前馈拓扑结构，其中外置麦克风从环境中拾取噪声信号，经过芯片处理后生成反相噪声信号从扬声器播出，并在耳腔内抵消掉噪声信号，从而保证使用者只听到纯净的音乐。
此外，我们还可以根据佩戴方式，将耳机分为：入耳式和耳罩式。耳罩式耳机可以结合使用被动和主动噪声消除技术，在整个音频带宽上提供出色的ANC性能；而入耳式耳机由于没有足够的物理空间，采用典型的被动噪声消除技术颇具挑战性，因此入耳式ANC耳机还需要依靠优质的麦克风的帮助消除高频噪声信号。
接下来让我们来聊一下麦克风选型和应用的问题。
硅麦克风的关键性能指标
基于MEMS技术的硅麦克风，凭借其在更小的封装中提供了更好的性能和更严格的规格公差等一系列优点，成为了大多数降噪耳机的首选。几个重要指标会影响ANC耳机的降噪效果：指标1：信噪比（SNR）
信号与噪声的声压级之差就是信噪比。麦克风的固有本底噪声需要低于周围环境噪声，才能够可靠地捕获噪声信号。因此，在安静的环境中需要使用高信噪比的麦克风，信噪比越高，也越有利于噪声消除算法的实现
指标2：声过载点（AOP）
麦克风的AOP描述的是麦克风获取高响度声音信号的能力，只有AOP足够高才可以捕获周围环境中所有大噪声源的信号，而不会出现削波和/或失真。在实际设计中需要结合扬声器的THD和SPL（声压级）曲线，来选择合适的麦克风AOP 规格。
指标3：截止频率（Cut-off frequency）
麦克风的截止频率越低（30Hz或更低），越能捕捉低频噪声信号。如果截止频率较高，麦克风则无法有效获取低频噪声信号，这将会导致ANC系统在去除极低频噪声信号方面的无效。同时，出于ANC算法实现的考虑，批次麦克风的截止频率的公差必须非常严格。
指标4：相位响应和群延时（Phase response &Group delay）
相位响应是整个音频频带上的相位变化。通过麦克风的相位响应曲线，可以了解麦克风将如何处理输入信号不同频率分量之间的相位关系。与截止频率类似，相位响应曲线的公差也应非常小。
群延迟（相位相应的导数）是麦克风的频率相关延迟，它描述了不同频率的音调通过麦克风从声音输入到电输出时产生的时间延迟。为防止输出信号因相位失调而失真，需将群延迟保持在最小且恒定的频率范围内。
群延迟低和相位响应相对平坦的麦克风可以改善高频性能，有助于有效优化ANC算法，从而使高频噪声消除更彻底和稳定。
指标5：功耗（Current consumption）
电流消耗是麦克风非常关键的指标，尤其是对于常开和电池供电的耳机应用。睡眠/待机模式需要随着时间的推移节省功耗，并延长系统的电池寿命。当麦克风以较低的时钟频率工作以节省电源时，某些性能也会随之降低。
英飞凌麦克风方案IM69D130
英飞凌的数字麦克风IM69D130拥有同类最佳信噪比的罕见组合69dB和130dBSPL的极高AOP，是降噪耳机应用的理想选择。■幅度和相位响应
如前所述，截止频率和相位响应的公差在降噪耳机设计中选择麦克风时起着重要作用。图2和图3显示了IM69D130麦克风的幅度和相位响应的平均值和标准偏差。还提供了它们的6 sigma以供参考, 温度保持在25℃。
▲图2 (a)幅值响应公差▲
▲(b)标准偏差 幅度响应 ▲
▲图3 (a)相位响应公差▲
▲(b)标准偏差 相位响应▲
如图所示，显然IM69D130的幅度和相位响应公差非常严格，这确保了角频率和相位响应在不同样品之间变化保持最小，这有助于ANC算法的实现更加准确。
■群时延
群时延是在实验室的IM69D130样本上测量的，图4提供了在整个频带上观察到的典型群时延。从数据中可以观察到，1 kHz时的群延迟小于10µs，如此小的群延迟将有助于更好地实现ANC算法。
图4 群时延频率响应
■总谐波失真
另一个关键的麦克风规格是AOP。图5显示了IM69D130以及两种竞争产品的THD与SPL图。IM69D130在130dBSPL时达到10%THD限制，这是该麦克风的AOP规格，而且该麦克风的突出特点之一是最高可达128dBSPL下失真保持在1%THD以内。这大大有助于以最小失真可靠地捕获强噪声信号，从而使ANC算法的实现更加有效。图5中所示的竞争对手麦克风的AOP规格稍好一些，但从图中可以清楚地看出，与其他两款话筒相比在128dBSPL时 IM69D130的THD低得多。
▲图5 THD vs. SPL▲
原文链接：https://bit.ly/3tSTlfN
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