在当代主动降噪耳机设计中，单馈ANC架构配合三模拟麦克风系统，代表了一种在性能、复杂性与成本之间取得精妙平衡的工程方案。从声学与蓝牙系统工程的双重角度审视，这一方案的实施蕴含着对物理声场、电子控制与无线音频流的深入理解与巧妙整合。
一、 单馈ANC的基本原理与系统拓扑
单馈主动降噪，通常指在耳机系统中仅使用单一误差传感器（即反馈麦克风）来拾取残余噪声，并以此生成反相声波进行抵消。其核心控制模型基于FXLMS算法或其变种。与双馈（前馈+反馈混合）系统相比，单馈架构在硬件复杂性和算法开销上有所简化，但其降噪性能，尤其是在中低频段的深度与带宽上，高度依赖于误差传感器的位置精度、声学保护结构的设计以及控制环路的延迟优化。
本系统引入的三个模拟麦克风，并非全部用于核心ANC环路。其典型分工如下：
反馈麦克风：位于耳罩腔内，贴近人耳。这是单馈ANC系统的“耳朵”，其核心任务是精准拾取到达鼓膜附近的残余噪声（即初级噪声与次级声源发射的反相噪声叠加后的结果）。其拾取信号直接作为FXLMS算法的误差信号e(n)。该麦克风的声学位置至关重要，需通过精密声学仿真与实测，确保其拾取信号与用户实际听到的声压高度相关，同时需通过声学网罩、阻尼材料等进行物理保护，防止风声与摩擦噪声干扰。
前馈麦克风：位于耳罩外部，通常设计有抗风噪结构。在纯单馈ANC定义中，此麦克风不参与核心降噪环路。但在本三麦系统中，其角色可进行多功能拓展：
环境音通透模式：拾取外界环境声，经算法处理后混入音频流，实现自然的环境感知或增强对话。
辅助降噪参考：在特定自适应算法中，外部噪声信号可作为参考输入，辅助系统识别噪声类型（如稳态噪声、瞬态冲击、风噪），从而动态调整核心反馈ANC环路的参数（如步长、滤波系数），提升系统对不同场景的鲁棒性。这并非标准的双馈ANC，而是增强了单馈系统的智能适应性。
专有风噪检测与抑制：通过分析前馈与反馈麦克风信号的特定相关性，可检测风噪事件，并触发算法切换或滤波，防止风噪被放大。
通话麦克风：通常位于耳机下方靠近嘴部的位置，或集成在耳罩上通过波束成形技术指向嘴部。其主要职责是在语音通话时清晰拾取用户人声。其信号通路独立于ANC环路，但需要与ANC系统协同工作：当ANC开启时，需确保通话麦克风拾取到的耳罩内扬声器泄漏音被有效抑制（通过自适应回声消除AEC），同时维持对用户语音的高信噪比拾取。模拟麦克风在此处的优势在于路径延迟极低，有利于AEC的收敛。
二、 三模拟麦克风系统的工程优势与挑战
从工程实现角度看，采用全模拟麦克风配置具有其内在逻辑：
优势：
链路延迟最小化：模拟麦克风的信号输出无需经过模数转换即可直接送入ANC芯片的模拟输入端进行处理。这对于反馈ANC环路至关重要，因为从误差信号拾取到反相声波生成的总环路延迟（包括ADC、处理、DAC、扬声器响应）必须远小于目标降噪频率的波长（例如，对于1kHz噪声，波长34cm，对应时间周期1ms，延迟需控制在100微秒量级才能有效工作）。模拟路径减少了数字转换引入的固定延迟。
系统功耗优化：相较于数字MEMS麦克风，模拟麦克风本身功耗通常更低，且无需为每个麦克风配备独立的ADC电源域。对于依赖电池供电的蓝牙头戴设备，每一毫瓦的节省都意义重大。
成本与供应链：在满足性能要求的前提下，成熟的模拟麦克风方案可能具有成本优势，且供应链更为多元稳定。
抗干扰性：在精心设计的PCB布局和屏蔽下，模拟信号路径对射频干扰（尤其是来自蓝牙和Wi-Fi的2.4GHz信号）的抵抗能力可以得到有效管理。
挑战与深度分析：
声学设计复杂性：
反馈麦克风声学位置：必须置于耳罩内最优的声学点，以准确表征耳内声压。这需要与耳垫的声学密封性、腔体共振特性、扬声器背部声泄露等一起进行复杂的联合仿真与迭代测试。
前馈麦克风的风噪与结构噪声：外部麦克风必须配备有效的机械抗风噪结构（如网状格栅、声学迷宫），同时其安装位置需避免与头戴结构产生振动耦合，否则步行或摩擦产生的结构噪声会被拾取并放大。
通话麦克风的语音拾取质量：在远离嘴部的位置清晰拾音是一大挑战。通常需要结合多个模拟麦克风形成模拟或数字波束，并利用声学管道进行引导。这涉及到精准的声学仿真与指向性调校。
模拟信号完整性：
三个模拟通道必须具有高度一致的增益、相位响应（在目标频段内），特别是反馈麦克风通道，其相位失真将直接恶化ANC稳定性边际。需要精密的元件选型与生产校准。
必须严格防止来自蓝牙天线、电源线、数字信号线的电磁干扰串入高灵敏度的模拟麦克风线路。这要求多层PCB设计、严格的接地分割、屏蔽罩的使用以及滤波电路（如RF choke，RC滤波）的精心布置。
算法集成与算力分配：
单馈ANC算法（FXLMS）运行在专用的低延迟、高定点或浮点运算能力的ANC协处理器或DSP内核上。
前馈麦克风信号用于环境音和风噪检测时，其处理可能运行在另一个低功耗DSP或主蓝牙SoC的音频子系统上，涉及模式切换、混音和可能的降噪预处理。
通话麦克风信号则需要调用蓝牙SoC内的AEC、降噪和波束成形算法。
因此，整个系统是多个处理单元、多个算法模块协同工作的结果，需要精巧的固件架构来管理数据流、模式切换和跨处理器的通信。
蓝牙音频流的协同：
在播放蓝牙音频时，ANC系统需要与音频解码（如AAC, aptX）同步，确保ANC处理与音乐播放的延迟匹配，避免听觉上的分离感。
在语音通话时，ANC、通透模式、AEC和上行语音编码需要无缝衔接。通常通话时ANC会切换至一种优化模式（可能降低深度以保持语音清晰度），同时AEC需要快速收敛以消除耳罩泄漏的回声。
三、 总结
采用单馈ANC搭配三模拟麦克风的头戴耳机方案，是一个体现了深刻工程权衡的设计。它通过一个核心的反馈降噪环路追求关键频段的降噪深度与稳定性，同时利用额外的模拟麦克风扩展了环境感知、智能适应和高质量通话功能。其成功实现，绝非简单的元件堆砌，而是声学腔体设计、模拟电路布局、嵌入式固件架构、降噪算法调校以及无线音频协议协同的深度融合。
工程师们必须在最小的物理延迟、有限的功耗预算、严格的成本控制以及复杂的电磁环境下，寻找最优解。每一个细节——从麦克风网罩的孔径到PCB上一段走线的长度，从滤波器的系数更新率到模式切换的淡入淡出曲线——都直接影响着最终用户听到的是一片宁静的音乐海洋，还是充满人工痕迹的嘈杂声响。这一方案将继续是主流高端头戴耳机市场中，一个兼具性能与实用价值的经典技术路线。
深圳市图扬科技有限公司
专注于蓝牙音箱、蓝牙耳机、车载应用、智能家居、IoT物联等市场领域方案开发
拥有强大的技术团队围绕MCU微控制器、音频解码SoC、蓝牙音频数传BLE及各类微电子传感器的技术做相应的产品方案设计及研发
电话：+0755-21003695/21003965
网址：www.tome-sz.com
邮箱：tome@tome-sz.com/hr@tome-sz.com（简历投寄）