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降低音讯装置杂讯的策略
 

【作者: Barley Li】2024年01月27日 星期六

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在音讯技术里,达到无可挑剔的音质是基本目标。然而,不想要的听觉干扰,如嘶嘶声、嗡嗡声或类似干扰,都会严重损害整体音质。这些干扰在耳机和麦克风领域中具有特殊重要性,因为使用者追求的是准确且不修饰的原音重现。


本文探讨如何在音讯装置(如耳机和麦克风)中减少不想要之噪音的多种作法,并以TDK Audio Sample Kit当作解决方案范例说明。其可提供杂讯抑制所需的所有元件,以及用於麦克风线路的ESD因应措施,而且无损音质。


蓝牙和TWS的崛起

蓝牙技术最初用於免手持通讯。也就是说,蓝牙应用迅速发展到涵盖各种装置,如耳机、扬声器、汽车系统等。此技术具有低能耗和通用相容性,因此在不断扩大的连网装置生态系统中成了不可或缺的一部分。


真无线立体声(TWS)是在蓝牙成为无线音讯传输的实质标准之後兴起。TWS耳机将无线音讯的理念向前推进一步,让左右听筒彻底分离。可携式音乐的新时代也就此展开。小巧且无线连结的耳机代表着一种向往更简单、更可携音乐设备的趋势。TWS技术让消费者解放,得以享受更大的行动力性和便利性。


音乐与音讯使用层面上有许多最新趋势都有赖於智慧型手机的服务,例如无线内容串流到蓝牙扬声器和耳塞式耳机。尽管扬声器和耳塞式耳机已成为音讯输出的标准,但要在蓝牙耳塞式耳机、扬声器和语音助理麦克风等音讯装置中达到完美的音质,仍有一些障碍要突破。


影响无线音讯装置的问题

不受电线连接束缚的音讯设备可在诸多层面上提供便利性。然而,由於这些装置仰赖无线讯号,因此比有线耳机、麦克风或扬声器更容易遇到问题。在无线装置中,传输、接收、装置效能和电池续航力都会受到RF链路品质的影响。只要在小型无线装置中整合RF能力,每个音讯输入和输出的PCB走线和布线互连通常都会位於靠近天线的位置。由於距离接近,当音讯发送到麦克风或扬声器时,天线发出的RF讯号会产生EMI杂讯并降低音讯品质。此问题通常称为串音,会影响讯号完整性。


同样地,在电池供电的可携式音乐设备中,其所用的数位放大器会有切换动作,就会发出杂讯,进而产生多重谐波。这些谐波会对天线的输出和输入RF讯号构成威胁。由於天线和电线相当靠近,因此会发生耦合,导致接收灵敏度降低。图一指出所有可能会出现EMI杂讯的来源。



图一 : 具有潜在杂讯源的典型无线音讯配置(source:TDK)
图一 : 具有潜在杂讯源的典型无线音讯配置(source:TDK)

降低扬声器线路中的RF杂讯

使用蓝牙传统音讯而非BLE音讯时,装置会定期交换数据。RF讯号??入音讯放大器时,会因为非线性效应而产生波封波形。此波封波形随着预期讯号传送到扬声器时,可被侦测成背景杂讯。这种类型的杂讯通常被称为分时双工(TDD)杂讯、分时复接(TDMA)杂讯或简称为「嗡嗡声」杂讯。


RF无线电波封波形造成的难题不仅出现在蓝牙应用中,蜂巢网路和Wi-Fi也会遇到。在电话通话期间,GSM模组每4.615 ms会产生一次RF突发传输。当辐射到声学电路时,RF突发的波封波形会产生频率为217 Hz的有声TDMA杂讯以及相关的谐波(图二)。



图二 : GSM通讯中的TDMA杂讯如何产生(source:TDK)
图二 : GSM通讯中的TDMA杂讯如何产生(source:TDK)

扬声器和蓝牙SoC之间的标准有线连接,如图三所示。在此,有线连接会拾取RF讯号并将其传播到SoC。



图三 : RF讯号会影响有线扬声器线路上的音讯(source:TDK)
图三 : RF讯号会影响有线扬声器线路上的音讯(source:TDK)

因此,有必要将RF波封波形所产生的有声杂讯,以及天线电路拾取的任何RF讯号滤除,以免其??入扬声器。针对会产生波封波形的蓝牙RF讯号(2.4 GHz频段),降低其强度是减轻影响的关键策略。要减轻影响,需对小型被动式滤波器有透彻了解和仔细研究。如TDK的MAF系列滤波器就可降低杂讯。


通常会使用片状磁珠来降低音讯线中的背景杂讯。这是由线圈层压在铁氧体磁芯内部而制成。片状磁珠的阻抗是依据线圈的电抗和AC电阻来决定。电抗部分主要负责低频范围内的杂讯反射,而AC电阻部分主要负责高频范围内的杂讯吸收和发热。


TDK创造了一种新型铁氧体材料,既可达到低失真,又能有效消除杂讯。MAF系列多层晶片元件是针对智慧型手机等可携式电子装置,要在音讯线路上进行降噪的新兴市场而开发。MAF中的字母M、A和F分别代表多层、高传真度音讯和杂讯抑制滤波器。


连接麦克风和扬声器的接线也需要静电放电(ESD)防护,因为TWS耳机在使用时会与使用者的手达到实体接触。TDK设计了一种陷波滤波器(AVRF系列),可将音讯讯号线屏蔽,不受电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)的影响,藉此缓解这个潜在问题。图四显示多款AVRF陷波滤波器在??入损耗与频率性能之间的关系。



图四 : 多款TDK AVRF陷波滤波器的??入损耗与频率关系(source:TDK)
图四 : 多款TDK AVRF陷波滤波器的??入损耗与频率关系(source:TDK)

将MAF系列杂讯滤波器(搭配系列电感)和AVRF系列陷波滤波器(搭配系列电容)组合在一起,就可组成低通输出滤波器,如图五所示。这个设置可在 2.4 GHz频段产生高衰减特性,并避免相关杂讯进入音讯放大器。因此,波封波形不会产生任何不想要的杂讯。



图五 : (a)搭配MAF和AVRF滤波器的配置、(b)对应滤波讯号的 FFT、(c)以2.4 GHz频段为中心的高衰减。(source:TDK)
图五 : (a)搭配MAF和AVRF滤波器的配置、(b)对应滤波讯号的 FFT、(c)以2.4 GHz频段为中心的高衰减。(source:TDK)

减少麦克风线路中的RF杂讯

与扬声器线路相同,将蓝牙RF讯号转置到麦克风线路上也会产生波封波形,并传送到音讯处理器的输入端。接着,音讯处理器会将不想要的有声杂讯传到扬声器。图六显示一个可能的作法,可让无线蓝牙讯号转换成麦克风电路中的有线连接。杂讯会在处理後耦合到原始音讯讯号。



图六 : RF讯号会影响有线麦克风连接上的音讯。(source:TDK)
图六 : RF讯号会影响有线麦克风连接上的音讯。(source:TDK)

为了有效降低杂讯,MAF滤波器是比一般片状磁珠更好的选择,因为其在2.4 GHz频率下具有更高的阻抗和更低的杂讯衰减。MAF滤波器可以提高较低频率的衰减,藉此将有声杂讯降低至无法侦测到的程度。


与使用普通铁氧体片状磁珠和绩层陶瓷电容(MLCC)相比,MAF + AVRF的解决方案可避免THD+N增加。由於MAF和AVRF元件在各自的工作范围内都不会产生电压或电流的非线性变化,因此不会发生谐波失真的情况。在讯号失真方面,MAF+AVRF解决方案与完全不使用滤波器相比,几??没有区别。


TWS耳塞式耳机在是否减缓杂讯的情况下,接收灵敏度的表现如图七所示。再采用MAF、AVRF和MAF+ AVRF对策後,接收灵敏度增强大约6 dB,这些措施都可在蓝牙2.4 GHz频段达到降噪效果。



图七 : TWS耳塞式耳机是否搭配滤波器下的接收灵敏度。(source:TDK)
图七 : TWS耳塞式耳机是否搭配滤波器下的接收灵敏度。(source:TDK)

TDK的Audio Sample Kit

在社会对物联网(IoT)和连网产品的需求推动下,智慧家电以及智慧扬声器等消费性电子产品正逐渐崛起。智慧扬声器的基本元件是麦克风,此麦克风也会当作声音感测器使用,让使用者的语音变成与装置连结的介面。TDK针对这些情境,运用半导体微加工技术打造一系列MEMS麦克风。


为了满足抑制MEMS麦克风中RF和ESD杂讯的需求,TDK提供Audio Sample Kit。此产品将TDK InvenSense的MEMS麦克风结合MAF系列杂讯抑制滤波器与 AVRF ESD陷波滤波器。这些滤波器专门用於因应音讯线路中的典型问题,同时提供额外的优点,例如在无线或蜂巢通讯中提高接收灵敏度。


结论

透过杂讯抑制滤波器和ESD陷波滤波器的组合,就可针对影响无线耳机和麦克风的杂讯提供有效的因应措施。TDK的Audio Sample Kit是即用型解决方案,含有工程师所需的所有元件,可在不影响音质的情况下针对无线音讯设计,降低其中的RF杂讯。


(本文作者Barley Li为DigiKey Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理)


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