DSP智能主動降噪耳機(jī)設(shè)計

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(qiáng)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(shù)從消除噪音本身出發(fā)，主動消除干擾?，F(xiàn)擬設(shè)計一款基于DSP的主動降噪耳機(jī)，在佩戴的舒適性及便攜性上，相對老一代降噪耳機(jī)大大的封閉式耳罩有了很大的改觀，保留了原耳機(jī)的音質(zhì)水準(zhǔn)，在不使用降噪功能時，同樣擁有較高水準(zhǔn)的音質(zhì)。根據(jù)DSP技術(shù)，把噪音轉(zhuǎn)化成電信號，通過運(yùn)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(jī)是在原有的成品音樂耳機(jī)基礎(chǔ)之上改進(jìn)而來，一定程度上不能保留原耳機(jī)的音質(zhì)水準(zhǔn)，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(jī)在實現(xiàn)智能主動降噪基礎(chǔ)上依然保證音質(zhì)，當(dāng)有新噪音突然出現(xiàn)時，該主動降噪耳機(jī)可將噪音降低到耳朵感覺不到的程度，使降噪電路的負(fù)面影響降到最小。智能主動降噪耳機(jī)主要針對噪音環(huán)境，飛機(jī)、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(jī)的模塊設(shè)計

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

根據(jù)DSP技術(shù)，把噪音轉(zhuǎn)化成電信號，通過運(yùn)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(dá)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(zhǔn)，因其采用的為一款性能精良的麥克風(fēng)放大器,且其內(nèi)部采用低功耗的運(yùn)算放大器，當(dāng)配合外部濾波器使用時，可以精準(zhǔn)地還原和補(bǔ)償外界環(huán)境造成的一些失真。

如圖2為某航空發(fā)動機(jī)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(jìn)行物理隔音以降低發(fā)動機(jī)噪音的危害，但通常效果有限，對800Hz以上的發(fā)動機(jī)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(jié)果，對低頻信號進(jìn)行降噪時，采用主動降噪技術(shù)消除發(fā)動機(jī)低頻噪聲才是最好的方法。當(dāng)有新的噪音突然出現(xiàn)時，隔音耳罩內(nèi)部的揚(yáng)聲器處放置的麥克風(fēng)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(fēng)可采樣人耳聽到的噪聲。經(jīng)過反向、放大后驅(qū)動揚(yáng)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(jī)開始運(yùn)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(jī)內(nèi)的微型麥克風(fēng)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(jìn)行實時運(yùn)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(jié)構(gòu)電路，設(shè)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(jī)降噪測試結(jié)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(shù)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(yīng)的曲線圖，輸出分析結(jié)果。圖5是將大量數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)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(shù)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(biāo)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(jié)論

經(jīng)過主動降噪技術(shù)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(shù)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(jìn)而說明其消噪性能是有效的。

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