低時延世界的數(shù)字化主動降噪解決方案
發(fā)布時間:2017-09-04 來源:Horst Gether,Martin Denda 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】帶來先進(jìn)聆聽體驗的ANC技術(shù)能為耳機(jī)提供差異化優(yōu)勢,因此對于半導(dǎo)體行業(yè)來說,ANC是一個不可忽視的商機(jī)。本設(shè)計實例對模擬混合ANC系統(tǒng)與數(shù)字混合ANC系統(tǒng)進(jìn)行了比較,列出了它們的典型功耗,并討論了各自的優(yōu)勢與劣勢。
主動降噪(ANC)技術(shù)通常被用在價格昂貴的耳機(jī)上,一般用來減弱飛機(jī)引擎等的噪聲。這種消除擾人的環(huán)境噪聲的技術(shù)是一項非常老的技術(shù),發(fā)明于上個世紀(jì)。此期間,耳機(jī)產(chǎn)業(yè)者注意到了帶來先進(jìn)聆聽體驗的ANC技術(shù)能為耳機(jī)提供差異化優(yōu)勢。對于半導(dǎo)體行業(yè)來說,ANC是一個不可忽視的商機(jī)。過去,ANC技術(shù)通常由獨立的耳機(jī)功放、運算放大器以及麥克風(fēng)前置放大器等幾部分組成,如圖1的簡化模擬框圖所示。
圖1:模擬混合ANC系統(tǒng)簡化框圖。
看著相當(dāng)復(fù)雜的模擬方案框圖,也許有人會問,為什么不使用數(shù)字化解決方案來取代所有離散組件?因為摩爾定律支持ANC系統(tǒng),并且數(shù)字信號處理器的計算能力越來越強(qiáng),這無疑是一個有效論證。不過,模擬方案能夠在這樣一個越來越數(shù)字化的世界里生存,可能還有其它一些因素。
圖2:數(shù)字混合主動降噪系統(tǒng)(ANC)簡化框圖。
如圖2所示,在一個數(shù)字主動降噪系統(tǒng)中,所有模擬解決方案中用到的簡單放大器都被替換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。在DAC和ADC之間運行ANC算法會涉及一些信號處理。所有這些模塊的共同點是它們運行時都需要一個時鐘,更重要的是,每個模塊都需要不同的時鐘周期將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,通過ANC算法計算,再由DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬信號。一個信號從模擬輸入到模擬輸出產(chǎn)生的完整傳播時延對ANC濾波器來說是一個至關(guān)重要的因素,會直接影響ANC性能。
時延對ANC系統(tǒng)的影響
時延對ANC性能帶來的負(fù)面影響如圖3所示。綠線是一個模擬混合ANC耳機(jī)的典型ANC性能曲線簡化圖。
將一個恒定的時延(因DAC、ADC以及ANC算法的數(shù)字信號處理而產(chǎn)生)加到ANC信號通路上,會引起額外的相移,從而降低ANC能夠達(dá)到的帶寬。原因非常簡單,如果降噪信號在人耳聽到噪聲之后才播放出來,那么這個180°的反相降噪信號就不可能有效抵消環(huán)境噪聲了。尤其對于反饋系統(tǒng),由于相位裕度更低,增加了不穩(wěn)定的風(fēng)險(聲學(xué)振蕩)。
圖3:系統(tǒng)時延與ANC帶寬。
沒有數(shù)據(jù)采樣(ADC和DAC)的模擬系統(tǒng)幾乎不會產(chǎn)生延遲,這也是為什么過去高品質(zhì)ANC系統(tǒng)通常是模擬系統(tǒng)的主要原因。由于DSP運算能力越來越強(qiáng)大,一個必然的趨勢是提高所有數(shù)字模塊的時鐘頻率,以進(jìn)一步降低系統(tǒng)時延,提升ANC帶寬。
提升時鐘頻率會增加總體功耗,這是提高采樣率的一個缺點。對于便攜式設(shè)備,電池壽命是最關(guān)鍵的參數(shù)之一,它將直接影響終端用戶耳機(jī)的運行時間。圖4顯示了模擬混合ANC系統(tǒng)的典型功耗,以及擁有不同采樣率的數(shù)字系統(tǒng)的功耗。
對一個模擬系統(tǒng)來說,預(yù)期的功耗大約是30 mW。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的不同,一個數(shù)字系統(tǒng)的功耗在50mW到120mW的范圍內(nèi)。
圖4:模擬和數(shù)字混合ANC系統(tǒng)的典型功耗。
我們可以看到,相對于數(shù)字方案,模擬方案仍然有著明顯的功耗優(yōu)勢,即使是低采樣率的通用DSP,其功耗也將近模擬方案的兩倍。然而,在設(shè)計時考慮將ANC作為主要應(yīng)用,可以對DSP內(nèi)的整個信號處理流程進(jìn)行定制優(yōu)化,進(jìn)一步減少模擬和數(shù)字系統(tǒng)之間的差距。一個好的數(shù)字解決方案應(yīng)該能在優(yōu)越的ANC性能和功耗之間取得合理的平衡。當(dāng)這樣的數(shù)字系統(tǒng)被開發(fā)出來,數(shù)字方案就能完全發(fā)揮它所有的優(yōu)勢。
模擬系統(tǒng)落后在哪里?
模擬系統(tǒng)的一個缺點是開發(fā)過程相當(dāng)復(fù)雜,這主要與ANC濾波器的設(shè)計有關(guān)。這一過程有時相當(dāng)耗時,是每一個耳機(jī)開發(fā)過程的一部分。需要說明的是,聲學(xué)特性的量測永遠(yuǎn)都是耳機(jī)開發(fā)中必不可少的一個步驟,不會因為選擇模擬還是數(shù)字方案而有任何不同。然而,在濾波器的設(shè)計方面,兩種解決方案之間有著巨大的差異。
對于一個模擬ANC系統(tǒng),ANC濾波器基于離散的組件,如電阻和電容,設(shè)計出模擬濾波器需要模擬濾波器設(shè)計方面的經(jīng)驗。另外,硬件設(shè)計工程師在開發(fā)耳機(jī)的電路板(PCB)時,都面臨著一個常見的問題:ANC濾波器仍在設(shè)計中,所需的占位面積還沒有最終確定。在不知道元件確切尺寸的情況下,經(jīng)常會在PCB上預(yù)留一些元件空位,但最終產(chǎn)品很可能并不會用到這些元件。對于可以為硬件設(shè)計工程師提供標(biāo)準(zhǔn)化占位面積的數(shù)字系統(tǒng),這是另一個重要的差異化因素。因為數(shù)字濾波器是在開發(fā)過程中可隨時更新的固件的一部分,因此無需再考慮外部的濾波器元件。在數(shù)字系統(tǒng)中,ANC濾波器傳遞函數(shù)的實現(xiàn)非常簡單直接,一個簡單的用戶界面就可以完成ANC濾波器的設(shè)計。
在數(shù)字系統(tǒng)中,設(shè)計人員能夠?qū)崟r觀察改變?yōu)V波器對ANC性能有何影響,增加一些額外的功能也像點擊鼠標(biāo)那樣簡單。此外,它還能通過升級固件為已經(jīng)上市的耳機(jī)增加或者增強(qiáng)一些功能,比如備選的ANC工作模式,或者不同的音樂均衡,這是終端客戶選擇數(shù)字ANC方案的重要因素。
數(shù)字系統(tǒng)的好處不僅體現(xiàn)在開發(fā)過程中,它還具有更大的靈活性,能在大規(guī)模生產(chǎn)中提高良率。對ANC濾波器及音樂播放,模擬系統(tǒng)都采用固定的元件,所以在量產(chǎn)過程中,除了ANC麥克風(fēng)的增益,其它部分都不能被修改調(diào)整。ANC系統(tǒng)對電氣及機(jī)電元件的公差相當(dāng)敏感,數(shù)字系統(tǒng)可以使用算法對音樂播放路徑上頻率響應(yīng)的公差進(jìn)行補(bǔ)償。相對于直接更換頻響不足的揚聲器,DSP可以彌補(bǔ)性能的缺失。同樣的步驟也可以用在ANC信號通路上。數(shù)字系統(tǒng)允許實時調(diào)整濾波器來滿足對性能的要求,能進(jìn)一步提升產(chǎn)線良率,并降低成本。
數(shù)字模擬誰更好?
對于耳機(jī)尤其是高端耳機(jī)而言,音質(zhì)絕對是一個非常重要的因素。由于ADC底噪的限制,從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換通常并不能提升音質(zhì)。目前智能手機(jī)能做到高達(dá)120dB信噪比的卓越音質(zhì),而在一些便攜式設(shè)備里ADC的信噪比通常都只有100dB左右。
整個音頻系統(tǒng)的信噪比與嘶嘶的底噪聲直接相關(guān),音樂發(fā)燒友對此格外關(guān)注。在這種情況下,模擬系統(tǒng)(圖1)具備它的優(yōu)勢,因為整個AD/DA轉(zhuǎn)換過程不是必需的。
圖5:數(shù)字與模擬USP概述。
圖5顯示了模擬和數(shù)字ANC系統(tǒng)各自的賣點。顯然,模擬方案的低功耗和ANC帶寬的優(yōu)勢很難被數(shù)字解決方案擊敗,特別是對高端系統(tǒng)來說。然而,對于普通用戶,額外的ANC帶寬或輕微的嘶嘶聲并不影響他們的購買。
在功耗方面,現(xiàn)在人們習(xí)慣于每天為手機(jī)充電,因此電池壽命對于終端用戶來說并不那么關(guān)鍵,只要電池能夠滿足在一次洲際航班上使用即可。在設(shè)計工程師和產(chǎn)品經(jīng)理看來,快速開發(fā)時間和高靈活性無疑極具吸引力,可能比用戶體驗和長電池壽命更重要。哪個系統(tǒng)是更好的選擇,直到今天似乎也沒有明確的答案。對于設(shè)計工程師來說,答案絕對是數(shù)字解決方案,而對于終端消費者來說,模擬系統(tǒng)明顯是更好的選擇。
作者:Horst Gether,Martin Denda,AMS公司
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。
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