DSP智能主動降噪耳機設計

隨著現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，在生活中，人們會遇到的各種各樣的噪音，噪音會引起人煩躁、而且音量過強的話還會危害人體健康，其中最直接的危害是損傷聽力。因此，對于這些無可避免的噪音，如何有效主動降噪就顯得尤為重要。因DSP處理速度快、且并行性、靈活性、可編程性高，是近幾十年來基帶信號處理最廣泛采用的方案。

DSP的高速接口用于連接板內(nèi)和板外的器件，主要用于高速數(shù)據(jù)的通信,具有價格低、耗能少、降噪效果好、失真低等優(yōu)點，主動降噪技術從消除噪音本身出發(fā)，主動消除干擾?，F(xiàn)擬設計一款基于DSP的主動降噪耳機，在佩戴的舒適性及便攜性上，相對老一代降噪耳機大大的封閉式耳罩有了很大的改觀，保留了原耳機的音質(zhì)水準，在不使用降噪功能時，同樣擁有較高水準的音質(zhì)。根據(jù)DSP技術，把噪音轉化成電信號，通過運算電路把噪音信號反向獲得反向信號（相位反向180°），以中和噪音。這個過程中首先采集噪聲信號，在同一時間完成不同頻率信號的解析和生成同步反相信號，保證其“實時”。另外，現(xiàn)在的很多降噪耳機是在原有的成品音樂耳機基礎之上改進而來，一定程度上不能保留原耳機的音質(zhì)水準，在不使用降噪功能時，音質(zhì)就顯得一般。而基于DSP的主動降噪耳機在實現(xiàn)智能主動降噪基礎上依然保證音質(zhì)，當有新噪音突然出現(xiàn)時，該主動降噪耳機可將噪音降低到耳朵感覺不到的程度，使降噪電路的負面影響降到最小。智能主動降噪耳機主要針對噪音環(huán)境，飛機、火車、地鐵、公交等具有持續(xù)性噪音的場合。

一、智能主動降噪耳機的模塊設計

智能主動降噪耳機核心電路由音樂信號輸入模塊,麥克風信號輸入模塊，麥克風聲音選擇模塊，麥克風信號提供模塊組成，如圖1。

根據(jù)DSP技術，把噪音轉化成電信號，通過運算電路把噪音信號反向獲得反向信號（相位反向180°），采集噪聲信號后，同一時間完成不同頻率信號的解析和生成同步反相信號這個步驟，從而達到把噪音中和的目的，實現(xiàn)降低噪音，保證其“實時”。該方案中，每個增益的調(diào)整都非常精準，因其采用的為一款性能精良的麥克風放大器,且其內(nèi)部采用低功耗的運算放大器，當配合外部濾波器使用時，可以精準地還原和補償外界環(huán)境造成的一些失真。

如圖2為某航空發(fā)動機噪聲頻譜，其噪聲的主要成分是它的低頻噪聲，但在航空業(yè)都是通過物理隔音且依靠一定厚度的隔音耳罩進行物理隔音以降低發(fā)動機噪音的危害，但通常效果有限，對800Hz以上的發(fā)動機噪音，隔音耳罩可顯示出較好的抑制效果，但對于800Hz以下尤其是400Hz以下的低頻噪聲，隔聲效果卻較差。對比于上述數(shù)據(jù)及結果，對低頻信號進行降噪時，采用主動降噪技術消除發(fā)動機低頻噪聲才是最好的方法。當有新的噪音突然出現(xiàn)時，隔音耳罩內(nèi)部的揚聲器處放置的麥克風便發(fā)揮了作用。

如圖3所示為反饋式主動降噪的原理圖，該麥克風可采樣人耳聽到的噪聲。經(jīng)過反向、放大后驅動揚聲器產(chǎn)生一個“反噪聲”，以抵消外界通過耳罩傳入的噪聲。同時，系統(tǒng)還須有很高的信噪比以避免自激震蕩和軟件計算所必須的延時。它具有功耗低、聲音品質(zhì)高和集成度高等優(yōu)點。只要合理選擇放大器的增益，就可獲得良好的噪聲抵消效果。

如圖4所示，為降噪耳機開始運作到人耳聽到聲音的過程，可分為以下幾個步驟：首先，經(jīng)過內(nèi)部電路的計算，由安置于耳機內(nèi)的微型麥克風采集耳朵能聽到的環(huán)境中的中/低頻噪聲(比如100Hz～1000Hz)；接下來，將噪聲信號傳至降噪電路，降噪電路進行實時運算；降噪電路處理完成后，通過Hi-Fi喇叭產(chǎn)生的信號發(fā)射與噪音相位相反、振幅相同的聲波，從而將噪音抵消，讓耳朵能聽到原汁原味的音樂。掌握主動降噪的基本原理后，用CAD軟件畫出內(nèi)部結構電路，設計PCB板，完成電路板的焊接，實現(xiàn)主動降噪耳的組裝。

二、耳機降噪測試結果與分析

通過對比經(jīng)過物理隔音處理的語音信號和主動降噪技術處理之后的語音信號和和性能分析，以及數(shù)據(jù)分析后，畫出相應的曲線圖，輸出分析結果。圖5是將大量數(shù)據(jù)進行分組，一個周期內(nèi)的信噪比作為此采樣點的值。一組200個數(shù)據(jù)，分別對每組數(shù)據(jù)求信噪比，采到的50個點，這樣得到的數(shù)據(jù)可以使圖中的信噪比曲線穩(wěn)定些。

在圖5中，經(jīng)過主動降噪技術處理過的信號總體的信噪比是15.5dB而經(jīng)過物理隔音處理過的信號的總體信噪比是9.5dB。由此可知總體信噪比經(jīng)過主動降噪技術處理后提高了6dB。由圖5中還可以看出信號的信噪比最大提高值為15dB。經(jīng)過對信噪比性能指標的分析，表明其能在環(huán)境變化時平滑過渡，提高輸出信號的質(zhì)量。

結論

經(jīng)過主動降噪技術處理過的信號總體的信噪比顯然較經(jīng)過物理隔音處理過的信號的總體信噪比有了較大提高，且信號的信噪比最大值提高明顯，證明主動降噪技術能在環(huán)境變化時平滑過渡，使輸出信號的質(zhì)量得以提高，進而說明其消噪性能是有效的。

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