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降低音訊裝置雜訊的策略
 

【作者: Barley Li】   2024年01月27日 星期六

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在音訊技術裡,達到無可挑剔的音質是基本目標。然而,不想要的聽覺干擾,如嘶嘶聲、嗡嗡聲或類似干擾,都會嚴重損害整體音質。這些干擾在耳機和麥克風領域中具有特殊重要性,因為使用者追求的是準確且不修飾的原音重現。


本文探討如何在音訊裝置(如耳機和麥克風)中減少不想要之噪音的多種作法,並以TDK Audio Sample Kit當作解決方案範例說明。其可提供雜訊抑制所需的所有元件,以及用於麥克風線路的ESD因應措施,而且無損音質。


藍牙和TWS的崛起

藍牙技術最初用於免手持通訊。也就是說,藍牙應用迅速發展到涵蓋各種裝置,如耳機、揚聲器、汽車系統等。此技術具有低能耗和通用相容性,因此在不斷擴大的連網裝置生態系統中成了不可或缺的一部分。


真無線立體聲(TWS)是在藍牙成為無線音訊傳輸的實質標準之後興起。TWS耳機將無線音訊的理念向前推進一步,讓左右聽筒徹底分離。可攜式音樂的新時代也就此展開。小巧且無線連結的耳機代表著一種嚮往更簡單、更可攜音樂設備的趨勢。TWS技術讓消費者解放,得以享受更大的行動力性和便利性。


音樂與音訊使用層面上有許多最新趨勢都有賴於智慧型手機的服務,例如無線內容串流到藍牙揚聲器和耳塞式耳機。儘管揚聲器和耳塞式耳機已成為音訊輸出的標準,但要在藍牙耳塞式耳機、揚聲器和語音助理麥克風等音訊裝置中達到完美的音質,仍有一些障礙要突破。


影響無線音訊裝置的問題

不受電線連接束縛的音訊設備可在諸多層面上提供便利性。然而,由於這些裝置仰賴無線訊號,因此比有線耳機、麥克風或揚聲器更容易遇到問題。在無線裝置中,傳輸、接收、裝置效能和電池續航力都會受到RF鏈路品質的影響。只要在小型無線裝置中整合RF能力,每個音訊輸入和輸出的PCB走線和佈線互連通常都會位於靠近天線的位置。由於距離接近,當音訊發送到麥克風或揚聲器時,天線發出的RF訊號會產生EMI雜訊並降低音訊品質。此問題通常稱為串音,會影響訊號完整性。


同樣地,在電池供電的可攜式音樂設備中,其所用的數位放大器會有切換動作,就會發出雜訊,進而產生多重諧波。這些諧波會對天線的輸出和輸入RF訊號構成威脅。由於天線和電線相當靠近,因此會發生耦合,導致接收靈敏度降低。圖一指出所有可能會出現EMI雜訊的來源。



圖一 : 具有潛在雜訊源的典型無線音訊配置(source:TDK)
圖一 : 具有潛在雜訊源的典型無線音訊配置(source:TDK)

降低揚聲器線路中的RF雜訊

使用藍牙傳統音訊而非BLE音訊時,裝置會定期交換數據。RF訊號饋入音訊放大器時,會因為非線性效應而產生波封波形。此波封波形隨著預期訊號傳送到揚聲器時,可被偵測成背景雜訊。這種類型的雜訊通常被稱為分時雙工(TDD)雜訊、分時複接(TDMA)雜訊或簡稱為「嗡嗡聲」雜訊。


RF無線電波封波形造成的難題不僅出現在藍牙應用中,蜂巢網路和Wi-Fi也會遇到。在電話通話期間,GSM模組每4.615 ms會產生一次RF突發傳輸。當輻射到聲學電路時,RF突發的波封波形會產生頻率為217 Hz的有聲TDMA雜訊以及相關的諧波(圖二)。



圖二 : GSM通訊中的TDMA雜訊如何產生(source:TDK)
圖二 : GSM通訊中的TDMA雜訊如何產生(source:TDK)

揚聲器和藍牙SoC之間的標準有線連接,如圖三所示。在此,有線連接會拾取RF訊號並將其傳播到SoC。



圖三 : RF訊號會影響有線揚聲器線路上的音訊(source:TDK)
圖三 : RF訊號會影響有線揚聲器線路上的音訊(source:TDK)

因此,有必要將RF波封波形所產生的有聲雜訊,以及天線電路拾取的任何RF訊號濾除,以免其饋入揚聲器。針對會產生波封波形的藍牙RF訊號(2.4 GHz頻段),降低其強度是減輕影響的關鍵策略。要減輕影響,需對小型被動式濾波器有透徹瞭解和仔細研究。如TDK的MAF系列濾波器就可降低雜訊。


通常會使用片狀磁珠來降低音訊線中的背景雜訊。這是由線圈層壓在鐵氧體磁芯內部而製成。片狀磁珠的阻抗是依據線圈的電抗和AC電阻來決定。電抗部分主要負責低頻範圍內的雜訊反射,而AC電阻部分主要負責高頻範圍內的雜訊吸收和發熱。


TDK創造了一種新型鐵氧體材料,既可達到低失真,又能有效消除雜訊。MAF系列多層晶片元件是針對智慧型手機等可攜式電子裝置,要在音訊線路上進行降噪的新興市場而開發。MAF中的字母M、A和F分別代表多層、高傳真度音訊和雜訊抑制濾波器。


連接麥克風和揚聲器的接線也需要靜電放電(ESD)防護,因為TWS耳機在使用時會與使用者的手達到實體接觸。TDK設計了一種陷波濾波器(AVRF系列),可將音訊訊號線屏蔽,不受電磁干擾(EMI)和靜電放電(ESD)的影響,藉此緩解這個潛在問題。圖四顯示多款AVRF陷波濾波器在插入損耗與頻率性能之間的關係。



圖四 : 多款TDK AVRF陷波濾波器的插入損耗與頻率關係(source:TDK)
圖四 : 多款TDK AVRF陷波濾波器的插入損耗與頻率關係(source:TDK)

將MAF系列雜訊濾波器(搭配系列電感)和AVRF系列陷波濾波器(搭配系列電容)組合在一起,就可組成低通輸出濾波器,如圖五所示。這個設置可在 2.4 GHz頻段產生高衰減特性,並避免相關雜訊進入音訊放大器。因此,波封波形不會產生任何不想要的雜訊。



圖五 : (a)搭配MAF和AVRF濾波器的配置、(b)對應濾波訊號的 FFT、(c)以2.4 GHz頻段為中心的高衰減。(source:TDK)
圖五 : (a)搭配MAF和AVRF濾波器的配置、(b)對應濾波訊號的 FFT、(c)以2.4 GHz頻段為中心的高衰減。(source:TDK)

減少麥克風線路中的RF雜訊

與揚聲器線路相同,將藍牙RF訊號轉置到麥克風線路上也會產生波封波形,並傳送到音訊處理器的輸入端。接著,音訊處理器會將不想要的有聲雜訊傳到揚聲器。圖六顯示一個可能的作法,可讓無線藍牙訊號轉換成麥克風電路中的有線連接。雜訊會在處理後耦合到原始音訊訊號。



圖六 : RF訊號會影響有線麥克風連接上的音訊。(source:TDK)
圖六 : RF訊號會影響有線麥克風連接上的音訊。(source:TDK)

為了有效降低雜訊,MAF濾波器是比一般片狀磁珠更好的選擇,因為其在2.4 GHz頻率下具有更高的阻抗和更低的雜訊衰減。MAF濾波器可以提高較低頻率的衰減,藉此將有聲雜訊降低至無法偵測到的程度。


與使用普通鐵氧體片狀磁珠和績層陶瓷電容(MLCC)相比,MAF + AVRF的解決方案可避免THD+N增加。由於MAF和AVRF元件在各自的工作範圍內都不會產生電壓或電流的非線性變化,因此不會發生諧波失真的情況。在訊號失真方面,MAF+AVRF解決方案與完全不使用濾波器相比,幾乎沒有區別。


TWS耳塞式耳機在是否減緩雜訊的情況下,接收靈敏度的表現如圖七所示。再採用MAF、AVRF和MAF+ AVRF對策後,接收靈敏度增強大約6 dB,這些措施都可在藍牙2.4 GHz頻段達到降噪效果。



圖七 : TWS耳塞式耳機是否搭配濾波器下的接收靈敏度。(source:TDK)
圖七 : TWS耳塞式耳機是否搭配濾波器下的接收靈敏度。(source:TDK)

TDK的Audio Sample Kit

在社會對物聯網(IoT)和連網產品的需求推動下,智慧家電以及智慧揚聲器等消費性電子產品正逐漸崛起。智慧揚聲器的基本元件是麥克風,此麥克風也會當作聲音感測器使用,讓使用者的語音變成與裝置連結的介面。TDK針對這些情境,運用半導體微加工技術打造一系列MEMS麥克風。


為了滿足抑制MEMS麥克風中RF和ESD雜訊的需求,TDK提供Audio Sample Kit。此產品將TDK InvenSense的MEMS麥克風結合MAF系列雜訊抑制濾波器與 AVRF ESD陷波濾波器。這些濾波器專門用於因應音訊線路中的典型問題,同時提供額外的優點,例如在無線或蜂巢通訊中提高接收靈敏度。


結論

透過雜訊抑制濾波器和ESD陷波濾波器的組合,就可針對影響無線耳機和麥克風的雜訊提供有效的因應措施。TDK的Audio Sample Kit是即用型解決方案,含有工程師所需的所有元件,可在不影響音質的情況下針對無線音訊設計,降低其中的RF雜訊。


(本文作者Barley Li為DigiKey Electronics亞太區技術內容部門應用工程經理)


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