主動降噪(ANC)技術通常被用在價格昂貴的耳機上,一般用來減弱例如飛機引擎的雜訊。這種消除擾人環境雜訊的技術是一項非常老的技術,發明於上個世紀,在此期間,耳機產業者注意到了帶來先進聆聽體驗的ANC技術能為耳機提供差異化優勢,對於半導體產業來說,ANC是一個不可忽視的商機。過去,ANC技術通常由獨立的耳機功放、運算放大器及麥克風前置放大器等幾部分組成,如圖1的簡化類比框圖所示。

圖1 類比混合ANC系統簡化方框圖。

看著相當複雜的類比方案框圖,也許有人會問,為什麼不使用數位化解決方案來取代所有離散元件?因為摩爾定律(Moore’s Law)支援ANC系統,並且數位訊號處理器(DSP)的計算能力越來越強,這無疑是一個有效論證。不過,類比方案能夠在這樣一個越來越數位化的世界裡生存,可能還有其他一些因素。

如圖2所示,在一個數位ANC系統中,所有類比解決方案中用到的簡單放大器都被替換成類比數位轉換器(ADC)和數位類比轉換器(DAC)。在DAC和ADC之間運行ANC演算法會涉及一些訊號處理。所有這些模組的共同點是它們運行時都需要一個時脈,更重要的是,每個模組都需要不同的時脈週期將類比訊號轉換為數位訊號,透過ANC演算法計算,再由DAC將數位訊號轉換回類比訊號。一個訊號從類比輸入到類比輸出產生的完整傳播延遲對ANC濾波器來說是一個至關重要的因素,會直接影響ANC性能。

圖2 數位混合ANC系統簡化框圖。

延遲對ANC系統的影響

延遲對ANC性能帶來的負面影響如圖3所示。綠線是一個類比混合ANC耳機的典型ANC性能曲線簡化圖。

圖3 系統延遲與ANC頻寬。

將一個恆定的延遲(因DAC、ADC及ANC演算法的數位訊號處理而產生)加到ANC訊號通路上,會引起額外的相移,從而降低ANC能夠達到的頻寬。原因非常簡單,如果降噪訊號在人耳聽到雜訊之後才播放出來,那麼這個180的反相降噪訊號就不可能有效抵消環境雜訊了,尤其對於回饋系統,由於相位裕度更低,增加了不穩定的風險(聲學振盪)。

沒有資料採樣(ADC和DAC)的類比系統幾乎不會產生延遲,這也是為什麼過去高品質ANC系統通常是類比系統的主要原因。由於DSP運算能力越來越強大,一個必然的趨勢是提高所有數位模組的時脈頻率,以進一步降低系統延遲,提升ANC頻寬。

提升時脈頻率會增加總體功耗,這是提高取樣速率的一個缺點。對於可攜式裝置,電池壽命是最關鍵的參數之一,它將直接影響終端使用者耳機的執行時間。圖4顯示類比混合ANC系統的典型功耗,以及擁有不同取樣速率的數位系統的功耗。

圖4 類比和數位混合ANC系統的典型功耗。

對一個類比系統來說,預期的功耗大約是30mW。根據系統架構的不同,一個數位系統的功耗在50mW~120mW的範圍內。

可以看到,相對於數位方案,類比方案仍然有著明顯的功耗優勢,即使是低取樣速率的通用DSP,其功耗也將近類比方案的兩倍。然而,在設計時考慮將ANC作為主要應用,可以對DSP內的整個訊號處理流程進行定制最佳化,進一步減少類比和數位系統之間的差距。一個好的數位解決方案應該能在優越的ANC性能和功耗之間取得合理的平衡,當這樣的數位系統被開發出來,數位方案就能完全發揮其所有的優勢。

類比系統落後之處?

類比系統的一個缺點是開發過程相當複雜,這主要與ANC濾波器的設計有關。這一過程有時相當耗時,是每一個耳機開發過程的一部分。需要說明的是,聲學特性的量測永遠都是耳機開發中必不可少的一個步驟,不會因為選擇類比還是數位方案而有任何不同,然而,在濾波器的設計方面,兩種解決方案之間有著巨大的差異。

對於一個類比ANC系統,ANC濾波器基於離散元件,如電阻和電容,設計出類比濾波器需要類比濾波器設計方面的經驗。另外,硬體設計工程師在開發耳機的印刷電路板(PCB)時,都面臨著一個常見的問題:ANC濾波器仍在設計中,所需的佔位面積還沒有最終確定,在不知道元件確切尺寸的情況下,經常會在PCB上預留一些元件空間,但最終產品很可能並不會用到這些元件。對於可以為硬體設計工程師提供標準化佔位面積的數位系統,這是另一個重要的差異化因素,因為數位濾波器是在開發過程中可隨時更新的韌體的一部分,因此無需再考慮外部的濾波器元件。在數位系統中,ANC濾波器傳遞函數的實現非常簡單直接,一個簡單的使用者介面就可以完成ANC濾波器的設計。

在數位系統中,設計人員能夠即時觀察改變濾波器對ANC性能有何影響,增加一些額外的功能也像點擊滑鼠那樣簡單。此外,它還能透過升級韌體為已經上市的耳機增加或者增強一些功能,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位ANC方案的重要因素。

數位系統的好處不僅體現在開發過程中,它還具有更大的靈活性,能在大規模生產中提高良率。對ANC濾波器及音樂播放,類比系統都採用固定的元件,所以在量產過程中,除了ANC麥克風的增益,其他部分都不能被修改調整。ANC系統對電氣及機電元件的公差相當敏感,數位系統可以使用演算法對音樂播放路徑上頻率回應的公差進行補償。相對於直接更換頻響不足的揚聲器,DSP可以彌補性能的缺失。同樣的步驟也可以用在ANC訊號通路上,數位系統允許即時調整濾波器來滿足對性能的要求,能進一步提升產線良率,並降低成本。

數位類比何者更好?

對於耳機尤其是高階耳機而言,音質絕對是一個非常重要的因素。由於ADC底雜訊的限制,從類比到數位的轉換通常並不能提升音質。目前智慧型手機能做到高達120dB訊噪比的卓越音質,而在一些可攜式設備裡ADC的訊噪比通常都只有100dB左右。

整個音訊系統的訊噪比與嘶嘶的底雜訊直接相關,音樂發燒友對此格外關注。在這種情況下,類比系統(圖1)具備其優勢,因為整個AD/DA轉換過程不是必需的。

圖5顯示了類比和數位ANC系統各自的賣點。顯然,類比方案的低功耗和ANC頻寬的優勢很難被數位解決方案擊敗,特別是對高階系統來說。然而,對於普通用戶,額外的ANC頻寬或輕微的嘶嘶聲並不影響他們的購買意願。

圖5 數位與類比USP概述。

在功耗方面,現在人們習慣每天為手機充電,因此電池壽命對於終端使用者來說並不那麼關鍵,只要電池能夠滿足在一次洲際航班上使用即可。在設計工程師和產品經理看來,快速開發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。哪個系統是更好的選擇,直到今天似乎也沒有明確的答案,對於設計工程師來說,答案絕對是數位解決方案;而對於終端消費者來說,類比系統明顯是更好的選擇。