降低音頻設備噪音的策略

作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 北美編輯

在音頻技術領域，完美的音質(zhì)是一項基本目標。然而，嘶嘶聲、嗡嗡聲或干擾等不利的聽覺干擾會嚴重影響整體音質(zhì)。這些干擾對耳機和麥克風具有特殊的意義，因為用戶追求的是準確無誤的聲音再現(xiàn)。

本文探討了減少耳機和麥克風等音頻設備中不利噪音的不同方法。以 [TDK] [音頻采樣套件]為例，該解決方案可提供抑制麥克風線路噪音并消除 ESD 的所有元件，而且不會損壞音質(zhì)。

藍牙和雙向無線通信系統(tǒng) (TWS) 的興起

藍牙技術最初用于免提通信。盡管如此，藍牙應用發(fā)展迅猛，涵蓋了耳機、揚聲器、車載系統(tǒng)等各種設備。這種技術的低能耗和通用兼容性使其成為不斷擴大的聯(lián)網(wǎng)設備生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。

真無線立體聲 (TWS) 是在藍牙成為無線音頻傳輸?shù)膶嶋H標準之后出現(xiàn)的。TWS 耳機將無線音頻的理念向前推進了一步，取消了每個聽筒的連接。這便開啟了便攜式音樂的新時代。這種小巧的無連接線耳機代表了音樂設備更簡單、更便攜的趨勢。TWS 技術使消費者擺脫了有線連接的束縛，使用更方便，活動更自由。

音樂和音頻消費的許多最新趨勢都依賴于智能手機服務，例如向藍牙揚聲器和耳塞提供無線內(nèi)容流。雖然揚聲器和耳塞已成為音頻輸出的標準，但要在藍牙耳塞、揚聲器和語音助手、語音輔助麥克風等音頻設備中獲得完美的音質(zhì)還存在一些障礙。

影響無線音頻設備的問題

取消了有線連接的音頻設備在很多方面都很方便。不過，由于這些設備依賴無線信號，因此比有線耳機、麥克風或揚聲器更容易出現(xiàn)問題。

在無線設備中，傳輸、接收、設備性能和電池壽命都會受到射頻鏈路質(zhì)量的影響。只要在小型無線設備中集成射頻功能，用于每個音頻輸入和輸出的 PCB 印制線和互連導線通常都靠近天線。由于距離太近，在向麥克風或揚聲器發(fā)送音頻信號時，天線發(fā)射的射頻信號就會產(chǎn)生 EMI 噪音，降低音頻質(zhì)量。這個問題通常被稱為串擾，會影響信號完整性。

同樣，電池供電型便攜音樂設備的數(shù)字放大器中發(fā)生的切換也會產(chǎn)生噪音，從而造成多重諧波。這些諧波對天線的輸出和輸入射頻信號構成威脅。由于天線和導線靠得很近，會產(chǎn)生耦合，導致接收靈敏度降低。所有這些可能出現(xiàn)的 EMI 噪音源如圖 1 所示。

圖 1：具有潛在噪音源的典型無線音頻配置。（圖片來源： TDK）

降低揚聲器線路中的射頻噪音

與 BLE 音頻不同，使用經(jīng)典藍牙音頻時，設備會定期交換數(shù)據(jù)。當射頻信號輸入音頻放大器時，由于非線性效應會產(chǎn)生包絡波形。當這種包絡波形與預期信號一起傳送到揚聲器時，可作為背景噪音檢測出來。這類噪音通常被稱為時分雙工 (TDD) 噪音、時分多址 (TDMA) 噪音或簡單的“嗡嗡”噪音。

射頻無線電包絡波形的這種問題不僅體現(xiàn)在藍牙應用中，也出現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡和 Wi-Fi 中。在通話過程中，GSM 模塊每 4.615 毫秒產(chǎn)生一次射頻猝發(fā)傳輸。當輻射至聲學電路時，射頻脈沖串的包絡波形會產(chǎn)生頻率為 217 Hz 的 TDMA 可聞噪音以及相關諧波（圖 2）。

[]圖 2：GSM 通信中如何產(chǎn)生 TDMA 噪音。（圖片來源： TDK）

揚聲器與藍牙 SoC 之間的標準有線連接如圖 3 所示。如圖所示，有線連接接收射頻信號并將其傳播到 SoC。

圖 3：影響有線揚聲器線路上的音頻信號的射頻信號。（圖片來源： TDK）

因此，在將射頻信號輸入揚聲器之前，必須濾除射頻包絡波形產(chǎn)生的可聞噪音以及天線電路拾取的任何射頻信號。降低產(chǎn)生包絡波形的藍牙射頻信號強度（2.4 GHz 頻段）是關鍵的緩解策略。通過對小型無源濾波器的深入了解和仔細研究，可以實現(xiàn)緩解。TDK MAF 系列等濾波器可以降低噪音。

片狀磁珠通常用于降低音頻電纜中的背景噪音。這種磁珠由層疊在鐵氧體磁芯內(nèi)部的線圈制成。片狀磁珠的阻抗是根據(jù)線圈的電抗和交流電阻來定義的。電抗分量主要控制低頻范圍內(nèi)的噪音反射，而交流電阻分量則主要控制高頻范圍內(nèi)的噪音吸收和發(fā)熱。

TDK 創(chuàng)造了一種新型鐵氧體材料，既能降低失真，又能有效消除噪音。MAF 系列多層片式元件是針對智能手機等便攜式電子設備中音頻線路的新興降噪市場而開發(fā)的。MAF 中的字母 M、A 和 F 分別代表 Multilayer（多層濾波器）、High-Fi Audio（高保真音頻）和 Noise Suppression Filter（噪音抑制濾波器）。

連接麥克風和揚聲器的線路也需要靜電放電 (ESD) 保護，因為 TWS 耳機在使用時會與用戶的手之間存在物理接觸。TDK 設計了一種陷波濾波器（AVRF 系列），通過對音頻信號線進行屏蔽，使其免受電磁干擾 (EMI) 和靜電放電 (ESD) 的影響，來減輕這一潛在問題。圖 4 顯示了幾種 AVRF 陷波濾波器的插入損耗與頻率性能之間的關系。

圖 4：不同 TDK AVRF 陷波濾波器的插入損耗與頻率之間的關系。（圖片來源： TDK）

將 MAF 串聯(lián)噪音抑制濾波器（帶串聯(lián)電感）和 AVRF 串聯(lián)陷波濾波器（帶串聯(lián)電容）組合在一起，就構成了如圖 5 所示的低通輸出濾波器。這種設置可在 2.4 GHz 頻段產(chǎn)生高衰減特性，并防止相關噪音進入音頻放大器。因此，包絡波形不會產(chǎn)生任何不必要的噪音。

[]圖 5：(a) 帶有 MAF 和 AVRF 濾波器的配置，(b) 相應濾波信號的 FFT，(c) 以 2.4 GHz 頻帶為中心的高衰減。（圖片來源： TDK）

降低麥克風線路中的射頻噪音

與揚聲器線路相同，將藍牙射頻信號轉(zhuǎn)置到麥克風線路上也會產(chǎn)生包絡波形，并將其發(fā)送到音頻處理器的輸入端。然后，音頻處理器會將不需要的可聞噪音發(fā)送到揚聲器。圖 6 顯示了在麥克風電路中將無線藍牙信號轉(zhuǎn)換為有線連接的一種可能路徑。經(jīng)過處理后，噪音與原始音頻信號耦合。

圖 6：影響有線麥克風連接上的音頻的射頻信號。（圖片來源： TDK）

由于 MAF 濾波器在 2.4 GHz 頻率下阻抗較高且噪音衰減較低，因此比普通片狀磁珠更適合有效地降低噪音。MAF 濾波器可以通過增加低頻衰減，將可聽到的輸出噪音降低到檢測不到的水平。

與使用普通鐵氧體芯片磁珠和多層陶瓷電容器 (MLCC) 相比，MAF + AVRF 解決方案可防止 THD+N 的增加。由于 MAF 和 AVRF 元件在各自的工作范圍內(nèi)都不會產(chǎn)生電壓或電流的非線性變化，因此不會產(chǎn)生諧波失真。在信號失真方面，MAF + AVRF 解決方案與不使用濾波器的情況幾乎沒有區(qū)別。

圖 7 顯示了 TWS 耳塞的接收靈敏度在使用和不使用噪音緩解措施時的結果。在采用 MAF、AVRF 和 MAF + AVRF 等對策后，接收靈敏度提高了約 6 分貝，這些對策在藍牙 2.4 GHz 頻段都有降噪效果。

圖 7：有濾波器和無濾波器 TWS 耳機的接收靈敏度。（圖片來源： TDK）

TDK 音頻采樣包

隨著我們的社會朝著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和互聯(lián)產(chǎn)品的方向發(fā)展，諸如智能揚聲器等智能家電和消費電子產(chǎn)品正在不斷興起。智能揚聲器的基本組件是麥克風，同時也是聲音傳感器，可使人的語音成為與設備連接的接口。TDK 的半導體微細加工技術用于制造這種情況下使用的各種 MEMS 麥克風。

為了滿足抑制 MEMS 麥克風中射頻和 ESD 噪音的需要，TDK 提供了音頻采樣套件。該產(chǎn)品將 TDK InvenSense MEMS 麥克風與 MAF 噪音抑制濾波器、AVRF ESD 陷波濾波器相結合。這類濾波器專為解決音頻線路中的典型問題而設計，同時還具有其他優(yōu)點，如提高無線或蜂窩通信的接收靈敏度。

音頻采樣套件為揚聲器和麥克風線路提供了噪音抑制和靜電放電對策，具體包括以下組件：

• 20 個 MEMS 麥克風
• 80 個 MAF 系列噪音抑制濾波器
• 120 個 AVRF 系列 ESD 陷波濾波器

音頻解決方案采樣套件的主要功能包括：

• 改善蜂窩和 Wi-Fi 通信的接收靈敏度
• 由于具有低 THD+N 特性，失真低，因此音質(zhì)高
• 抑制 TDMA 噪音
• 由于電阻低，所以信號衰減小
• 實現(xiàn) ESD 和噪音對策

結束語

噪音抑制濾波器和 ESD 陷波濾波器的結合使用，可有效抵御影響無線耳機和麥克風的噪音。TDK 的音頻采樣套件是一種即用型解決方案，包括了無線音頻設計中用于降低射頻噪音而不影響音質(zhì)的所有元件。