Infineon（英飞凌）麦克风在降噪耳机中的应用发表时间：2021-08-27 18:07
范围和目的 本指导说明旨在向读者阐明降噪耳机设计中的难点问题，尤其是使用了硅麦的产品设计。 目标受众 此文档面向降噪耳机的设计人员，以及参与产品设计硅麦选型的人员。 1 降噪耳机的简介   图1 降噪耳机工作原理示意图 2 麦克风选择的关键规格参数  现代电子设备中，基于MEMS技术的硅麦克风已经取代了传统的驻极体电容式麦克风，因为硅麦性能更优秀，尺寸更小，规格公差更严格。硅麦克风有信噪比(SNR)、声过载点(AOP)、总谐波失真(THD)、截止频率、灵敏度、相位响应、群延迟和电流消耗等几项重要指标。在降噪耳机的设计中，影响麦克风选择的关键参数是信噪比(SNR)、声过载点(AOP)、截止频率、相位响应、群延迟和电流消耗。同时，截止频率和相位响应的公差也很重要。 信噪比SNR 为了准确地采集噪声信号，麦克风的底噪水平需要低于周围环境噪声的水平。因此，在更安静的环境中就需要高信噪比的麦克风。麦克风信噪比越高，降噪算法就越易运行。 声过载点AOP 麦克风的声过载点AOP足够高，在采集周围环境中所有的噪声信号时才不会出现削波或失真情况。如果噪声信号的水平超过了麦克风的AOP规格，那么采集到的信号通常会有超过10%的失真。这将导致耳机中的噪声很难完全消除。可以对比分析多个麦克风的THD与SPL(声压级)曲线，选择失真较小(<1%)的麦克风来测量较大的声压信号。 截止频率 麦克风需要有较低的截止频率的规格（30Hz或更低），才能更准确地采集低频噪声信号。如果截止频率较高，ANC系统就无法有效地衰减低频的噪声信号。截止频率的公差要严格控制。如果多个麦克风的截止频率有很大差异，ANC算法会运算困难，耳机的低频降噪性能会很不稳定。 相位响应&群延迟 相位响应是整个音频频带的相位变化。麦克风的相位响应曲线揭示了麦克风是如何处理输入信号的不同频率分量之间的相位关系的。 群延迟是麦克风的频率相关延迟，也是相位响应的导数。它描述的是不同频率的音调通过麦克风从声输入到电输出所产生的时间延迟。为了防止因相位失调而产生输出信号失真，群延迟需要保持在全频率最小且恒定。 如果通过麦克风测量得到的噪声信号失真，则无法进行有效的降噪处理。与截止频率类似，相位响应曲线的公差值也应该非常小，如此ANC算法才能有效的消除系统中的噪声。 电流消耗 电流消耗是选择麦克风的一项重要规格，对于始终开启的和电池供电的耳机尤其重要。睡眠/待机模式可以节省功耗，延长系统的电池寿命。麦克风的电流消耗是工作时钟频率的函数，当麦克风以较低的时钟频率工作以节省能源时，一些数据表清楚地表明了性能权衡。 3 现有设计的性能局限  ANC耳机的设计思路并非只有一种。之前也提到过，ANC耳机的设计有几种拓扑，如前馈，反馈和复合。每一种拓扑都有它的优点和局限性。 1 前馈式拓扑结构 前馈式ANC体系结构如图2所示。在这种拓扑结构中，每个耳罩只用一个麦克风，放置在耳罩更靠近外部的位置上。麦克风的测量结果作为ANC算法的噪声参考信号。这种配置的主要优点是，在噪声信号传入用户耳中之前，能对噪声进行准确的测量，然后通过算法消除噪声，让佩戴耳机的人完全感受不到噪声的存在。 然而，由于系统中缺少反馈回路，该算法无法保证实时控制过程中的控制效果，这是前馈拓扑的主要缺点。此配置对中频噪声（1k-2kHz之间）衰减的效果最好。由于麦克风被放置在外部，风噪可能对它的性能有一定影响。在此场景中，拥有更高AOP和更低截止频率的麦克风是理想选择。这种拓扑结构适用于ANC工作带宽较宽同时降噪性能要求中等的应用案例。
图2 前馈式ANC体系结构 2 反馈式拓扑结构 反馈式ANC体系结构示意图如图3所示。这种拓扑结构也是仅使用一个麦克风，但是它被放置于更靠近用户耳朵的位置。这种拓扑结构的主要优点是麦克风接收到的信号与传入用户耳中的信号完全相同，并且有一个反馈循环，可以反复迭代计算消除系统中的噪声。虽然这种结构的低频性能良好，但对1k-2kHz之间的频率衰减不如前馈结构有效。这种结构适用于去除主噪声信号中残留的可预测窄带分量。尽管不能有效地消除中高频的噪声，它依然是在耳机中使用ANC技术时最常用的拓扑结构之一。这种局限性是由于次级路径（从ANC模块的输出一直返回到其输入的信号路径）中引入的相移造成的——这导致该拓扑无法有效消除噪声的高频分量。在此配置中，使用的麦克风需要在频率上有一个平坦的群延迟，并且多个麦克风之间的差异应尽可能小。
图3 反馈式ANC体系结构 3 复合式拓扑
图4 复合式ANC体系结构 图5是复合式ANC拓扑结构的简化框图。这个图显示了两个信号通路是如何联合工作的。G(w)和M(w)是增益和相位补偿滤波器，Dff和Dfb是由于系统中扬声器和麦克风引入的延迟。
图5 复合ANC拓扑结构框图 复合式ANC耳机的设计是三种拓扑结构中有能力提供最好的ANC性能和最宽的降噪带宽的一种设计。然而，由于增加了成本和设计的复杂性，复合式设计并没有被广泛使用。这种类型的架构在高性能ANC耳机设计中是上佳之选，高端耳机并不会以低成本为首要考量。不过即使在这个结构中，高于2kHz部分的ANC性能也不十分令人满意。因此，耳机设计者们通常也会用被动降噪技术来提升高频的降噪性能。 耳机也可以根据其在人耳周围的位置进行分类，如入耳式、贴耳式和覆耳式耳机。对于覆耳式和贴耳式耳机，可以用被动和主动降噪技术相结合的方式，在整个音频带宽上ANC算法表现卓越。对于入耳式耳机，由于耳塞周围没有充足的物理空间，传统的被动降噪技术对高频噪声消除效果不佳。因此，这种入耳式ANC耳机中选用的麦克风要有利于高频噪声消除。 如果麦克风具有较低的群延迟和比较平坦的频率相位响应，高频性能就可以有所提升。相位响应的公差也很重要，此规格的严格管控有利于ANC算法高效运行，而且高频降噪性能更好更稳定。 4 Infineon(英飞凌)麦克风提供的解决方案  Infineon（英飞凌）科技的数字麦克风IM69D130，SNR高达69dB，AOP达到SPL 130dB，同时具备这两项优异的指标，此款麦克风是降噪耳机设计案例中优秀的选择，它的规格和公差符合本文档前几节讨论的所有标准。 1 幅值和相位响应 如前所述，在降噪耳机的设计中，截止频率和相位响应的公差对麦克风的选择起着重要作用。图6，图7，图8和图9是IM69D130麦克风幅值和相位响应的均值和标准差。还提供了其6σ门限以供参考。测试温度为25°C。
图6 幅度响应与公差
图7 标准差-幅度响应 图8 相位响应与公差
图9 标准差-相位响应 从这些图中，可以清楚地看到IM69D130的幅值和相位响应公差非常小。这确保了多个麦克风之间拐角频率和相位响应的差异很小，有助于确保ANC算法的实现更加准确。 2 群延迟 在实验室中对IM69D130样本进行了群延迟测量，图10提供了在整个频带上观察到的典型群延迟。从数据中可以看出，在1kHz处群延迟小于10µs。这样低的群延迟将有助于更好地实现ANC算法。
图10 群延迟vs频率 3 总谐波失真THD 麦克风的另一个关键规格是AOP。图11显示了IM69D130和两个竞品的THD与SPL图。IM69D130在SPL 130dB时THD达到了10%临界，这是该麦克风的AOP规格。该款麦克风的特点之一是在SPL小于128dB时，THD范围在1%以内。此特性有利于以极小的失真采集强噪声信号，ANC算法能更加高效的运行。在图11中展示的竞品麦克风在AOP规格上相较于IM69D130略优，但从图中可以很清楚地看到，IM69D130与其他两个麦克风相比，在SPL低于128dB时，THD值明显要比其他两个竞品麦克风低很多。
图11 THD vs. SPL 有关IM69D130麦克风的其他规格和详细信息，请参阅数据表。本节内容中显示的结果以及IM69D130的数据规格书有力地证明了IM69D130将有助于克服本文档第3节中提到的难题。  译文仅供学习交流 如有不妥 欢迎指正 原文地址：https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN538_Infineon_microphone_in_Noise_cancelling_headsets-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462602a9dc801607a0e96951aa6 或点击 阅读原文 获取 编译：丁铃 校对：309    |
