降低音頻設(shè)備噪音的策略

作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 北美編輯

在音頻技術(shù)領(lǐng)域，完美的音質(zhì)是一項(xiàng)基本目標(biāo)。然而，嘶嘶聲、嗡嗡聲或干擾等不利的聽覺干擾會(huì)嚴(yán)重影響整體音質(zhì)。這些干擾對(duì)耳機(jī)和麥克風(fēng)具有特殊的意義，因?yàn)橛脩糇非蟮氖菧?zhǔn)確無(wú)誤的聲音再現(xiàn)。

本文探討了減少耳機(jī)和麥克風(fēng)等音頻設(shè)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(fēng)線路噪音并消除 ESD 的所有元件，而且不會(huì)損壞音質(zhì)。

藍(lán)牙和雙向無(wú)線通信系統(tǒng) (TWS) 的興起

藍(lán)牙技術(shù)最初用于免提通信。盡管如此，藍(lán)牙應(yīng)用發(fā)展迅猛，涵蓋了耳機(jī)、揚(yáng)聲器、車載系統(tǒng)等各種設(shè)備。這種技術(shù)的低能耗和通用兼容性使其成為不斷擴(kuò)大的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。

真無(wú)線立體聲 (TWS) 是在藍(lán)牙成為無(wú)線音頻傳輸?shù)膶?shí)際標(biāo)準(zhǔn)之后出現(xiàn)的。TWS 耳機(jī)將無(wú)線音頻的理念向前推進(jìn)了一步，取消了每個(gè)聽筒的連接。這便開啟了便攜式音樂的新時(shí)代。這種小巧的無(wú)連接線耳機(jī)代表了音樂設(shè)備更簡(jiǎn)單、更便攜的趨勢(shì)。TWS 技術(shù)使消費(fèi)者擺脫了有線連接的束縛，使用更方便，活動(dòng)更自由。

音樂和音頻消費(fèi)的許多最新趨勢(shì)都依賴于智能手機(jī)服務(wù)，例如向藍(lán)牙揚(yáng)聲器和耳塞提供無(wú)線內(nèi)容流。雖然揚(yáng)聲器和耳塞已成為音頻輸出的標(biāo)準(zhǔn)，但要在藍(lán)牙耳塞、揚(yáng)聲器和語(yǔ)音助手、語(yǔ)音輔助麥克風(fēng)等音頻設(shè)備中獲得完美的音質(zhì)還存在一些障礙。

影響無(wú)線音頻設(shè)備的問題

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

在無(wú)線設(shè)備中，傳輸、接收、設(shè)備性能和電池壽命都會(huì)受到射頻鏈路質(zhì)量的影響。只要在小型無(wú)線設(shè)備中集成射頻功能，用于每個(gè)音頻輸入和輸出的 PCB 印制線和互連導(dǎo)線通常都靠近天線。由于距離太近，在向麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器發(fā)送音頻信號(hào)時(shí)，天線發(fā)射的射頻信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生 EMI 噪音，降低音頻質(zhì)量。這個(gè)問題通常被稱為串?dāng)_，會(huì)影響信號(hào)完整性。

同樣，電池供電型便攜音樂設(shè)備的數(shù)字放大器中發(fā)生的切換也會(huì)產(chǎn)生噪音，從而造成多重諧波。這些諧波對(duì)天線的輸出和輸入射頻信號(hào)構(gòu)成威脅。由于天線和導(dǎo)線靠得很近，會(huì)產(chǎn)生耦合，導(dǎo)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(wú)線音頻配置。（圖片來源： TDK）

降低揚(yáng)聲器線路中的射頻噪音

與 BLE 音頻不同，使用經(jīng)典藍(lán)牙音頻時(shí)，設(shè)備會(huì)定期交換數(shù)據(jù)。當(dāng)射頻信號(hào)輸入音頻放大器時(shí)，由于非線性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生包絡(luò)波形。當(dāng)這種包絡(luò)波形與預(yù)期信號(hào)一起傳送到揚(yáng)聲器時(shí)，可作為背景噪音檢測(cè)出來。這類噪音通常被稱為時(shí)分雙工 (TDD) 噪音、時(shí)分多址 (TDMA) 噪音或簡(jiǎn)單的“嗡嗡”噪音。

射頻無(wú)線電包絡(luò)波形的這種問題不僅體現(xiàn)在藍(lán)牙應(yīng)用中，也出現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(dāng)輻射至聲學(xué)電路時(shí)，射頻脈沖串的包絡(luò)波形會(huì)產(chǎn)生頻率為 217 Hz 的 TDMA 可聞噪音以及相關(guān)諧波（圖 2）。

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

揚(yáng)聲器與藍(lán)牙 SoC 之間的標(biāo)準(zhǔn)有線連接如圖 3 所示。如圖所示，有線連接接收射頻信號(hào)并將其傳播到 SoC。

圖 3：影響有線揚(yáng)聲器線路上的音頻信號(hào)的射頻信號(hào)。（圖片來源： TDK）

因此，在將射頻信號(hào)輸入揚(yáng)聲器之前，必須濾除射頻包絡(luò)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(hào)。降低產(chǎn)生包絡(luò)波形的藍(lán)牙射頻信號(hào)強(qiáng)度（2.4 GHz 頻段）是關(guān)鍵的緩解策略。通過對(duì)小型無(wú)源濾波器的深入了解和仔細(xì)研究，可以實(shí)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(duì)智能手機(jī)等便攜式電子設(shè)備中音頻線路的新興降噪市場(chǎng)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(fēng)和揚(yáng)聲器的線路也需要靜電放電 (ESD) 保護(hù)，因?yàn)?TWS 耳機(jī)在使用時(shí)會(huì)與用戶的手之間存在物理接觸。TDK 設(shè)計(jì)了一種陷波濾波器（AVRF 系列），通過對(duì)音頻信號(hào)線進(jìn)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(guān)系。

圖 4：不同 TDK AVRF 陷波濾波器的插入損耗與頻率之間的關(guān)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(gòu)成了如圖 5 所示的低通輸出濾波器。這種設(shè)置可在 2.4 GHz 頻段產(chǎn)生高衰減特性，并防止相關(guān)噪音進(jìn)入音頻放大器。因此，包絡(luò)波形不會(huì)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(yīng)濾波信號(hào)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(fēng)線路中的射頻噪音

與揚(yáng)聲器線路相同，將藍(lán)牙射頻信號(hào)轉(zhuǎn)置到麥克風(fēng)線路上也會(huì)產(chǎn)生包絡(luò)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(huì)將不需要的可聞噪音發(fā)送到揚(yáng)聲器。圖 6 顯示了在麥克風(fēng)電路中將無(wú)線藍(lán)牙信號(hào)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(hào)耦合。

圖 6：影響有線麥克風(fēng)連接上的音頻的射頻信號(hào)。（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(cè)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(huì)產(chǎn)生電壓或電流的非線性變化，因此不會(huì)產(chǎn)生諧波失真。在信號(hào)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(shí)的結(jié)果。在采用 MAF、AVRF 和 MAF + AVRF 等對(duì)策后，接收靈敏度提高了約 6 分貝，這些對(duì)策在藍(lán)牙 2.4 GHz 頻段都有降噪效果。

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

TDK 音頻采樣包

隨著我們的社會(huì)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(yáng)聲器等智能家電和消費(fèi)電子產(chǎn)品正在不斷興起。智能揚(yáng)聲器的基本組件是麥克風(fēng)，同時(shí)也是聲音傳感器，可使人的語(yǔ)音成為與設(shè)備連接的接口。TDK 的半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)用于制造這種情況下使用的各種 MEMS 麥克風(fēng)。

為了滿足抑制 MEMS 麥克風(fēng)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(fēng)與 MAF 噪音抑制濾波器、AVRF ESD 陷波濾波器相結(jié)合。這類濾波器專為解決音頻線路中的典型問題而設(shè)計(jì)，同時(shí)還具有其他優(yōu)點(diǎn)，如提高無(wú)線或蜂窩通信的接收靈敏度。

音頻采樣套件為揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)線路提供了噪音抑制和靜電放電對(duì)策，具體包括以下組件：

• 20 個(gè) MEMS 麥克風(fēng)
• 80 個(gè) MAF 系列噪音抑制濾波器
• 120 個(gè) 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(hào)衰減小
• 實(shí)現(xiàn) ESD 和噪音對(duì)策

結(jié)束語(yǔ)

噪音抑制濾波器和 ESD 陷波濾波器的結(jié)合使用，可有效抵御影響無(wú)線耳機(jī)和麥克風(fēng)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(wú)線音頻設(shè)計(jì)中用于降低射頻噪音而不影響音質(zhì)的所有元件。