作者：Rolf Horn

　　在音頻技術(shù)中，無(wú)可挑剔的音質(zhì)是一個(gè)基本目標(biāo)。然而，不受歡迎的聽(tīng)覺(jué)干擾，例如嘶嘶聲、嗡嗡聲或干擾，可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p害整體音質(zhì)。這些干擾在耳機(jī)和麥克風(fēng)的環(huán)境中具有特殊的意義，因?yàn)橛脩魧で鬁?zhǔn)確且不改變的聲音復(fù)制。

　　本文探討了減少耳機(jī)和麥克風(fēng)等音頻設(shè)備中不必要的噪音的不同方法。 TDK音頻采樣套件作為解決方案的 示例，提供了麥克風(fēng)線路噪聲抑制和 ESD 對(duì)策所需的所有組件，且不會(huì)降低音質(zhì)。

　　藍(lán)牙和 TWS 的興起

　　藍(lán)牙技術(shù)最初旨在用于免提通信。也就是說(shuō)，藍(lán)牙應(yīng)用迅速發(fā)展到包括耳機(jī)、揚(yáng)聲器、汽車系統(tǒng)等各種設(shè)備。該技術(shù)的低能耗和通用兼容性使其成為不斷擴(kuò)展的互聯(lián)設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。

　　藍(lán)牙成為無(wú)線音頻傳輸事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)后，真正的無(wú)線立體聲 (TWS) 出現(xiàn)了。 TWS 耳機(jī)將無(wú)線音頻的理念更進(jìn)一步，解放了每個(gè)耳機(jī)的束縛。這是便攜式音樂(lè)新時(shí)代的開(kāi)始。微型無(wú)線耳機(jī)代表了一種更簡(jiǎn)單、更便攜的音樂(lè)設(shè)備的趨勢(shì)。 TWS技術(shù)解放了消費(fèi)者，讓他們擁有更大的移動(dòng)性和便利性。

　　音樂(lè)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)，例如無(wú)線內(nèi)容流傳輸?shù)剿{(lán)牙揚(yáng)聲器和耳塞。盡管揚(yáng)聲器和耳塞已成為音頻輸出的標(biāo)準(zhǔn)，但在藍(lán)牙耳塞、揚(yáng)聲器和語(yǔ)音助手麥克風(fēng)等音頻設(shè)備中獲得完美的音質(zhì)仍存在一些障礙。

　　影響無(wú)線音頻設(shè)備的問(wèn)題

　　無(wú)需有線連接的音頻設(shè)備在很多方面都很方便。然而，由于這些設(shè)備依賴于無(wú)線信號(hào)，因此它們比有線耳機(jī)、麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器更容易遇到問(wèn)題。

　　在無(wú)線設(shè)備中，傳輸、接收、設(shè)備性能和電池壽命都受到射頻鏈路質(zhì)量的影響。每當(dāng)射頻功能集成到小型無(wú)線設(shè)備中時(shí)，每個(gè)音頻輸入和輸出的 PCB 走線和接線互連通常都放置在靠近天線的位置。由于這種接近性，當(dāng)音頻發(fā)送到麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器時(shí)，天線發(fā)射的 RF 信號(hào)會(huì)產(chǎn)生 EMI 噪聲并降低音頻質(zhì)量。這個(gè)問(wèn)題通常稱為串?dāng)_，會(huì)影響信號(hào)完整性。

　　同樣，電池供電的便攜式音樂(lè)設(shè)備中使用的數(shù)字放大器中發(fā)生的切換也會(huì)發(fā)出噪聲，產(chǎn)生多個(gè)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)線距離太近，會(huì)發(fā)生耦合，導(dǎo)致接收靈敏度下降。所有這些可能的 EMI 噪聲源如圖 1 所示。

　　圖 1：具有潛在噪聲源的典型無(wú)線音頻配置。 (來(lái)源：TDK)

　　減輕揚(yáng)聲器線路中的射頻噪聲

　　與 BLE 音頻不同，使用藍(lán)牙經(jīng)典音頻時(shí)，設(shè)備會(huì)定期交換數(shù)據(jù)。當(dāng)射頻信號(hào)饋入音頻放大器時(shí)，由于非線性效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生包絡(luò)波形。當(dāng)該包絡(luò)波形與預(yù)期信號(hào)一起傳輸?shù)綋P(yáng)聲器時(shí)，可以將其作為背景噪聲進(jìn)行檢測(cè)。這種類型的噪聲通常稱為時(shí)分雙工 (TDD) 噪聲、時(shí)分多址 (TDMA) 噪聲或簡(jiǎn)稱為“嗡嗡”噪聲。

　　RF 無(wú)線電包絡(luò)波形的這種困難不僅體現(xiàn)在藍(lán)牙應(yīng)用中，而且也體現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 Wi-Fi 中。在通話期間，GSM 模塊每 4.615 毫秒生成一次 RF 突發(fā)傳輸。當(dāng)輻射到聲學(xué)電路時(shí)，RF 突發(fā)的包絡(luò)波形會(huì)產(chǎn)生頻率為 217 Hz 的可聽(tīng) TDMA 噪聲以及相關(guān)諧波(圖 2)。

　　圖 2：GSM 通信中 TDMA 噪聲是如何產(chǎn)生的。 (來(lái)源：TDK)

　　圖 3 顯示了揚(yáng)聲器和藍(lán)牙 SoC 之間的標(biāo)準(zhǔn)有線連接。此處，有線連接拾取 RF 信號(hào)并將其傳播到 SoC。

　　圖 3：影響有線揚(yáng)聲器線路上音頻的射頻信號(hào)。 (來(lái)源：TDK)

　　因此，有必要在將射頻包絡(luò)波形和天線電路拾取的任何射頻信號(hào)饋送到揚(yáng)聲器之前濾除它們產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲。降低生成包絡(luò)波形的藍(lán)牙射頻信號(hào)(2.4 GHz 頻段)的強(qiáng)度是關(guān)鍵的緩解策略。通過(guò)對(duì)小型無(wú)源濾波器的透徹理解和仔細(xì)研究可以實(shí)現(xiàn)緩解。可以通過(guò) TDK 的 MAF 系列中的過(guò)濾器來(lái)降低噪音。

　　片式磁珠通常用于降低音頻電纜中的背景噪聲。它們由層壓在鐵氧體磁芯內(nèi)部的線圈制成。片式磁珠的阻抗是根據(jù)線圈的電抗和交流電阻來(lái)定義的。電抗成分主要負(fù)責(zé)低頻范圍內(nèi)的噪聲反射，而交流電阻成分主要負(fù)責(zé)高頻范圍內(nèi)的噪聲吸收和發(fā)熱。

　　TDK 創(chuàng)造了一種新型鐵氧體材料，該材料失真低且能有效消除噪聲。 MAF 系列多層片式元件是為了應(yīng)對(duì)智能手機(jī)等便攜式電子設(shè)備音頻線路中噪聲消除的新興市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)的。 MAF中的字母M、A和F分別代表多層、高保真音頻和噪聲抑制濾波器。

　　由于 TWS 耳機(jī)在使用時(shí)會(huì)與用戶的手發(fā)生物理接觸，因此連接麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的接線也需要靜電放電 (ESD) 保護(hù)。 TDK 設(shè)計(jì)了陷波濾波器(AVRF 系列)，通過(guò)屏蔽音頻信號(hào)線免受電磁干擾 (EMI) 和靜電放電 (ESD) 影響來(lái)緩解這一潛在問(wèn)題。圖 4 顯示了多個(gè) AVRF 陷波濾波器的插入損耗與頻率性能的關(guān)系。

　　圖 4：不同 TDK AVRF 陷波濾波器的插入損耗與頻率的關(guān)系。 (來(lái)源：TDK)

　　將 MAF 系列噪聲抑制濾波器(及其串聯(lián)電感器)和 AVRF 系列陷波濾波器(及其串聯(lián)電容器)相結(jié)合，可形成圖 5 所示的低通輸出濾波器。該設(shè)置在 2.4 GHz 頻段產(chǎn)生高衰減特性，并且防止相關(guān)噪聲進(jìn)入音頻放大器。因此，包絡(luò)波形不會(huì)產(chǎn)生任何不需要的噪聲。

　　圖 5：(a) 采用 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 頻段為中心的高衰減。 (來(lái)源：TDK)

　　減輕麥克風(fēng)線路中的射頻噪聲

　　與揚(yáng)聲器線路的處理方式相同，將藍(lán)牙 RF 信號(hào)轉(zhuǎn)換到麥克風(fēng)線路上會(huì)產(chǎn)生發(fā)送到音頻處理器輸入的包絡(luò)波形。然后，音頻處理器會(huì)將不需要的可聽(tīng)噪聲發(fā)送到揚(yáng)聲器。圖 6 顯示了無(wú)線藍(lán)牙信號(hào)在麥克風(fēng)電路內(nèi)轉(zhuǎn)換為有線連接的一種可能途徑。噪聲經(jīng)過(guò)處理后耦合到原始音頻信號(hào)。

　　圖 6：影響有線麥克風(fēng)連接上音頻的 RF 信號(hào)。 (來(lái)源：TDK)

　　為了有效降低噪聲，MAF 濾波器是比普通片式磁珠更好的選擇，因?yàn)樗鼈冊(cè)?2.4 GHz 頻率下具有更高的阻抗和更低的噪聲衰減。 MAF 濾波器可以通過(guò)增加較低頻率的衰減來(lái)將可聽(tīng)輸出噪聲降低到不可檢測(cè)的水平。

　　與使用普通鐵氧體片式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。不存在諧波失真，因?yàn)?MAF 和 AVRF 組件都不會(huì)在各自的工作范圍內(nèi)產(chǎn)生電壓或電流的非線性變化。就信號(hào)失真而言，MAF + AVRF 解決方案與完全不使用濾波器幾乎沒(méi)有區(qū)別。

　　圖7顯示了TWS耳機(jī)在有降噪和無(wú)降噪的情況下的接收靈敏度結(jié)果。引入MAF、AVRF和MAF+AVRF對(duì)策后，接收靈敏度增強(qiáng)了大約6dB，這些對(duì)策都具有降噪效果。藍(lán)牙 2.4 GHz 頻段。

　　圖 7：帶和不帶濾波器的 TWS 耳塞的接收靈敏度。 (來(lái)源：TDK)

　　TDK 的音頻采樣套件

　　隨著社會(huì)轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和互聯(lián)產(chǎn)品，智能家電和消費(fèi)電子產(chǎn)品(例如智能揚(yáng)聲器)正在興起。智能揚(yáng)聲器的基本組件是麥克風(fēng)，它也充當(dāng)聲音傳感器，使人的語(yǔ)音成為將其與設(shè)備連接的接口。 TDK 的半導(dǎo)體微制造技術(shù)被用來(lái)制造各種用于此類環(huán)境的 MEMS 麥克風(fēng)。

　　為了滿足抑制 MEMS 麥克風(fēng)中的 RF 和 ESD 噪聲的需求，TDK 提供了音頻采樣套件(圖 8)。該產(chǎn)品將 TDK InvenSense MEMS 麥克風(fēng)與 MAF 噪聲抑制濾波器和 AVRF ESD 陷波濾波器結(jié)合在一起。這些濾波器旨在專門解決音頻線路中的典型問(wèn)題，同時(shí)提供額外的好處，例如提高無(wú)線或蜂窩通信的接收靈敏度。

　　圖 8：TDK 的音頻示例套件。 (來(lái)源：TDK)

　　音頻采樣套件為揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)線路提供噪聲抑制和 ESD 對(duì)策，包括以下組件：

　　20 個(gè) MEMS 麥克風(fēng)

　　80 MAF系列靜噪濾波器

　　120 AVRF系列ESD陷波濾波器

　　音頻解決方案示例套件的主要特點(diǎn)是：

　　提高蜂窩和 Wi-Fi 通信的接收靈敏度

　　低 THD+N 特性帶來(lái)低失真，帶來(lái)高音質(zhì)

　　TDMA 噪聲抑制

　　低電阻導(dǎo)致信號(hào)衰減小

　　實(shí)現(xiàn)ESD和噪聲對(duì)策

　　結(jié)論

　　噪聲抑制濾波器和 ESD 陷波濾波器的組合使用可有效應(yīng)對(duì)影響無(wú)線耳機(jī)和麥克風(fēng)的噪聲。 TDK 的音頻采樣套件是一款即用型解決方案，包括工程師可用來(lái)減輕無(wú)線音頻設(shè)計(jì)中的射頻噪聲而不影響音質(zhì)的所有組件。