作者：Rolf Horn

　　在音頻技術中，無可挑剔的音質(zhì)是一個基本目標。然而，不受歡迎的聽覺干擾，例如嘶嘶聲、嗡嗡聲或干擾，可能會嚴重損害整體音質(zhì)。這些干擾在耳機和麥克風的環(huán)境中具有特殊的意義，因為用戶尋求準確且不改變的聲音復制。

　　本文探討了減少耳機和麥克風等音頻設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，提供了麥克風線路噪聲抑制和 ESD 對策所需的所有組件，且不會降低音質(zhì)。

　　藍牙和 TWS 的興起

　　藍牙技術最初旨在用于免提通信。也就是說，藍牙應用迅速發(fā)展到包括耳機、揚聲器、汽車系統(tǒng)等各種設備。該技術的低能耗和通用兼容性使其成為不斷擴展的互聯(lián)設備生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。

　　藍牙成為無線音頻傳輸事實上的標準后，真正的無線立體聲 (TWS) 出現(xiàn)了。 TWS 耳機將無線音頻的理念更進一步，解放了每個耳機的束縛。這是便攜式音樂新時代的開始。微型無線耳機代表了一種更簡單、更便攜的音樂設備的趨勢。 TWS技術解放了消費者，讓他們擁有更大的移動性和便利性。

　　音樂和音頻消費的許多最新趨勢都依賴于智能手機服務，例如無線內(nèi)容流傳輸?shù)剿{牙揚聲器和耳塞。盡管揚聲器和耳塞已成為音頻輸出的標準，但在藍牙耳塞、揚聲器和語音助手麥克風等音頻設備中獲得完美的音質(zhì)仍存在一些障礙。

　　影響無線音頻設備的問題

　　無需有線連接的音頻設備在很多方面都很方便。然而，由于這些設備依賴于無線信號，因此它們比有線耳機、麥克風或揚聲器更容易遇到問題。

　　在無線設備中，傳輸、接收、設備性能和電池壽命都受到射頻鏈路質(zhì)量的影響。每當射頻功能集成到小型無線設備中時，每個音頻輸入和輸出的 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，當音頻發(fā)送到麥克風或揚聲器時，天線發(fā)射的 RF 信號會產(chǎn)生 EMI 噪聲并降低音頻質(zhì)量。這個問題通常稱為串擾，會影響信號完整性。

　　同樣，電池供電的便攜式音樂設備中使用的數(shù)字放大器中發(fā)生的切換也會發(fā)出噪聲，產(chǎn)生多個諧波。這些諧波對天線的輸出和輸入射頻信號構成威脅。由于天線和導線距離太近，會發(fā)生耦合，導致接收靈敏度下降。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線音頻配置。 (來源：TDK)

　　減輕揚聲器線路中的射頻噪聲

　　與 BLE 音頻不同，使用藍牙經(jīng)典音頻時，設備會定期交換數(shù)據(jù)。當射頻信號饋入音頻放大器時，由于非線性效應，會產(chǎn)生包絡波形。當該包絡波形與預期信號一起傳輸?shù)綋P聲器時，可以將其作為背景噪聲進行檢測。這種類型的噪聲通常稱為時分雙工 (TDD) 噪聲、時分多址 (TDMA) 噪聲或簡稱為“嗡嗡”噪聲。

　　RF 無線電包絡波形的這種困難不僅體現(xiàn)在藍牙應用中，而且也體現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡和 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。當輻射到聲學電路時，RF 突發(fā)的包絡波形會產(chǎn)生頻率為 217 Hz 的可聽 TDMA 噪聲以及相關諧波(圖 2)。

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

　　圖 3 顯示了揚聲器和藍牙 SoC 之間的標準有線連接。此處，有線連接拾取 RF 信號并將其傳播到 SoC。

　　圖 3：影響有線揚聲器線路上音頻的射頻信號。 (來源：TDK)

　　因此，有必要在將射頻包絡波形和天線電路拾取的任何射頻信號饋送到揚聲器之前濾除它們產(chǎn)生的可聽噪聲。降低生成包絡波形的藍牙射頻信號(2.4 GHz 頻段)的強度是關鍵的緩解策略。通過對小型無源濾波器的透徹理解和仔細研究可以實現(xiàn)緩解?？梢酝ㄟ^ TDK 的 MAF 系列中的過濾器來降低噪音。

　　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定義的。電抗成分主要負責低頻范圍內(nèi)的噪聲反射，而交流電阻成分主要負責高頻范圍內(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對智能手機等便攜式電子設備音頻線路中噪聲消除的新興市場而開發(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 耳機在使用時會與用戶的手發(fā)生物理接觸，因此連接麥克風和揚聲器的接線也需要靜電放電 (ESD) 保護。 TDK 設計了陷波濾波器(AVRF 系列)，通過屏蔽音頻信號線免受電磁干擾 (EMI) 和靜電放電 (ESD) 影響來緩解這一潛在問題。圖 4 顯示了多個 AVRF 陷波濾波器的插入損耗與頻率性能的關系。

　　圖 4：不同 TDK AVRF 陷波濾波器的插入損耗與頻率的關系。 (來源：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)相結合，可形成圖 5 所示的低通輸出濾波器。該設置在 2.4 GHz 頻段產(chǎn)生高衰減特性，并且防止相關噪聲進入音頻放大器。因此，包絡波形不會產(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) 相應濾波信號的 FFT，(c) 以 2.4 GHz 頻段為中心的高衰減。 (來源：TDK)

　　減輕麥克風線路中的射頻噪聲

　　與揚聲器線路的處理方式相同，將藍牙 RF 信號轉換到麥克風線路上會產(chǎn)生發(fā)送到音頻處理器輸入的包絡波形。然后，音頻處理器會將不需要的可聽噪聲發(fā)送到揚聲器。圖 6 顯示了無線藍牙信號在麥克風電路內(nèi)轉換為有線連接的一種可能途徑。噪聲經(jīng)過處理后耦合到原始音頻信號。

　　圖 6：影響有線麥克風連接上音頻的 RF 信號。 (來源：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，因為它們在 2.4 GHz 頻率下具有更高的阻抗和更低的噪聲衰減。 MAF 濾波器可以通過增加較低頻率的衰減來將可聽輸出噪聲降低到不可檢測的水平。

　　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，因為 MAF 和 AVRF 組件都不會在各自的工作范圍內(nèi)產(chǎn)生電壓或電流的非線性變化。就信號失真而言，MAF + AVRF 解決方案與完全不使用濾波器幾乎沒有區(qū)別。

　　圖7顯示了TWS耳機在有降噪和無降噪的情況下的接收靈敏度結果。引入MAF、AVRF和MAF+AVRF對策后，接收靈敏度增強了大約6dB，這些對策都具有降噪效果。藍牙 2.4 GHz 頻段。

　　圖 7：帶和不帶濾波器的 TWS 耳塞的接收靈敏度。 (來源：TDK)

　　TDK 的音頻采樣套件

　　隨著社會轉向物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和互聯(lián)產(chǎn)品，智能家電和消費電子產(chǎn)品(例如智能揚聲器)正在興起。智能揚聲器的基本組件是麥克風，它也充當聲音傳感器，使人的語音成為將其與設備連接的接口。 TDK 的半導體微制造技術被用來制造各種用于此類環(huán)境的 MEMS 麥克風。

　　為了滿足抑制 MEMS 麥克風中的 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 麥克風與 MAF 噪聲抑制濾波器和 AVRF ESD 陷波濾波器結合在一起。這些濾波器旨在專門解決音頻線路中的典型問題，同時提供額外的好處，例如提高無線或蜂窩通信的接收靈敏度。

　　圖 8：TDK 的音頻示例套件。 (來源：TDK)

　　音頻采樣套件為揚聲器和麥克風線路提供噪聲抑制和 ESD 對策，包括以下組件：

　　20 個 MEMS 麥克風

　　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是：

　　提高蜂窩和 Wi-Fi 通信的接收靈敏度

　　低 THD+N 特性帶來低失真，帶來高音質(zhì)

　　TDMA 噪聲抑制

　　低電阻導致信號衰減小

　　實現(xiàn)ESD和噪聲對策

　　結論

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