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來(lái)源：DigiKey 作者：Rolf Horn 在音頻技術(shù)領(lǐng)域，完美的音質(zhì)是一項基本目標。然而，嘶嘶聲、嗡嗡聲或干擾等不利的聽(tīng)覺(jué)干擾會(huì )嚴重影響整體音質(zhì)。這些干擾對耳機和麥克風(fēng)具有特殊的意義，因為用戶(hù)追求的是準確無(wú)誤的聲音再現。 本文探討了減少耳機和麥克風(fēng)等音頻設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(xiàn)路噪音并消除 ESD 的所有元件，而且不會(huì )損壞音質(zhì)。 藍牙和雙向無(wú)線(xiàn)通信系統 (TWS) 的興起 藍牙技術(shù)最初用于免提通信。盡管如此，藍牙應用發(fā)展迅猛，涵蓋了耳機、揚聲器、車(chē)載系統等各種設備。這種技術(shù)的低能耗和通用兼容性使其成為不斷擴大的聯(lián)網(wǎng)設備生態(tài)系統中不可或缺的組成部分。 真無(wú)線(xiàn)立體聲 (TWS) 是在藍牙成為無(wú)線(xiàn)音頻傳輸的實(shí)際標準之后出現的。TWS 耳機將無(wú)線(xiàn)音頻的理念向前推進(jìn)了一步，取消了每個(gè)聽(tīng)筒的連接。這便開(kāi)啟了便攜式音樂(lè )的新時(shí)代。這種小巧的無(wú)連接線(xiàn)耳機代表了音樂(lè )設備更簡(jiǎn)單、更便攜的趨勢。TWS 技術(shù)使消費者擺脫了有線(xiàn)連接的束縛，使用更方便，活動(dòng)更自由。 音樂(lè )和音頻消費的許多最新趨勢都依賴(lài)于智能手機服務(wù)，例如向藍牙揚聲器和耳塞提供無(wú)線(xiàn)內容流。雖然揚聲器和耳塞已成為音頻輸出的標準，但要在藍牙耳塞、揚聲器和語(yǔ)音助手、語(yǔ)音輔助麥克風(fēng)等音頻設備中獲得完美的音質(zhì)還存在一些障礙。 影響無(wú)線(xiàn)音頻設備的問(wèn)題 取消了有線(xiàn)連接的音頻設備在很多方面都很方便。不過(guò)，由于這些設備依賴(lài)無(wú)線(xiàn)信號，因此比有線(xiàn)耳機、麥克風(fēng)或揚聲器更容易出現問(wèn)題。 在無(wú)線(xiàn)設備中，傳輸、接收、設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(xiàn)設備中集成射頻功能，用于每個(gè)音頻輸入和輸出的 PCB 印制線(xiàn)和互連導線(xiàn)通常都靠近天線(xiàn)。由于距離太近，在向麥克風(fēng)或揚聲器發(fā)送音頻信號時(shí)，天線(xiàn)發(fā)射的射頻信號就會(huì )產(chǎn)生 EMI 噪音，降低音頻質(zhì)量。這個(gè)問(wèn)題通常被稱(chēng)為串擾，會(huì )影響信號完整性。 同樣，電池供電型便攜音樂(lè )設備的數字放大器中發(fā)生的切換也會(huì )產(chǎn)生噪音，從而造成多重諧波。這些諧波對天線(xiàn)的輸出和輸入射頻信號構成威脅。由于天線(xiàn)和導線(xiàn)靠得很近，會(huì )產(chǎn)生耦合，導致接收靈敏度降低。所有這些可能出現的 EMI 噪音源如圖 1 所示。 
圖 1：具有潛在噪音源的典型無(wú)線(xiàn)音頻配置。（圖片來(lái)源： TDK） 降低揚聲器線(xiàn)路中的射頻噪音 與 BLE 音頻不同，使用經(jīng)典藍牙音頻時(shí)，設備會(huì )定期交換數據。當射頻信號輸入音頻放大器時(shí)，由于非線(xiàn)性效應會(huì )產(chǎn)生包絡(luò )波形。當這種包絡(luò )波形與預期信號一起傳送到揚聲器時(shí)，可作為背景噪音檢測出來(lái)。這類(lèi)噪音通常被稱(chēng)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(xiàn)電包絡(luò )波形的這種問(wèn)題不僅體現在藍牙應用中，也出現在蜂窩網(wǎng)絡(luò )和 Wi-Fi 中。在通話(huà)過(guò)程中，GSM 模塊每 4.615 毫秒產(chǎn)生一次射頻猝發(fā)傳輸。當輻射至聲學(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(lái)源： TDK） 揚聲器與藍牙 SoC 之間的標準有線(xiàn)連接如圖 3 所示。如圖所示，有線(xiàn)連接接收射頻信號并將其傳播到 SoC。
圖 3：影響有線(xiàn)揚聲器線(xiàn)路上的音頻信號的射頻信號。（圖片來(lái)源： TDK） 因此，在將射頻信號輸入揚聲器之前，必須濾除射頻包絡(luò )波形產(chǎn)生的可聞噪音以及天線(xiàn)電路拾取的任何射頻信號。降低產(chǎn)生包絡(luò )波形的藍牙射頻信號強度（2.4 GHz 頻段）是關(guān)鍵的緩解策略。通過(guò)對小型無(wú)源濾波器的深入了解和仔細研究，可以實(shí)現緩解。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部的線(xiàn)圈制成。片狀磁珠的阻抗是根據線(xiàn)圈的電抗和交流電阻來(lái)定義的。電抗分量主要控制低頻范圍內的噪音反射，而交流電阻分量則主要控制高頻范圍內的噪音吸收和發(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智能手機等便攜式電子設備中音頻線(xiàn)路的新興降噪市場(chǎng)而開(kāi)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)和揚聲器的線(xiàn)路也需要靜電放電 (ESD) 保護，因為 TWS 耳機在使用時(shí)會(huì )與用戶(hù)的手之間存在物理接觸。TDK 設計了一種陷波濾波器（AVRF 系列），通過(guò)對音頻信號線(xiàn)進(jìn)行屏蔽，使其免受電磁干擾 (EMI) 和靜電放電 (ESD) 的影響，來(lái)減輕這一潛在問(wèn)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(lái)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，就構成了如圖 5 所示的低通輸出濾波器。這種設置可在 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) 相應濾波信號的 FFT，(c) 以 2.4 GHz 頻帶為中心的高衰減。（圖片來(lái)源： TDK） 降低麥克風(fēng)線(xiàn)路中的射頻噪音 與揚聲器線(xiàn)路相同，將藍牙射頻信號轉置到麥克風(fēng)線(xiàn)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)送到揚聲器。圖 6 顯示了在麥克風(fēng)電路中將無(wú)線(xiàn)藍牙信號轉換為有線(xiàn)連接的一種可能路徑。經(jīng)過(guò)處理后，噪音與原始音頻信號耦合。
圖 6：影響有線(xiàn)麥克風(fēng)連接上的音頻的射頻信號。（圖片來(lái)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(guò)增加低頻衰減，將可聽(tīng)到的輸出噪音降低到檢測不到的水平。 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都不會(huì )產(chǎn)生電壓或電流的非線(xiàn)性變化，因此不會(huì )產(chǎn)生諧波失真。在信號失真方面，MAF + AVRF 解決方案與不使用濾波器的情況幾乎沒(méi)有區別。 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)的結果。在采用 MAF、AVRF 和 MAF + AVRF 等對策后，接收靈敏度提高了約 6 分貝，這些對策在藍牙 2.4 GHz 頻段都有降噪效果。
圖 7：有濾波器和無(wú)濾波器 TWS 耳機的接收靈敏度。（圖片來(lái)源： TDK） TDK 音頻采樣包 隨著(zhù)我們的社會(huì )朝著(zhù)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和互聯(lián)產(chǎn)品的方向發(fā)展，諸如智能揚聲器等智能家電和消費電子產(chǎn)品正在不斷興起。智能揚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)音成為與設備連接的接口。TDK 的半導體微細加工技術(shù)用于制造這種情況下使用的各種 MEMS 麥克風(fēng)。 為了滿(mǎn)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（圖 8）。該產(chǎn)品將 TDK InvenSense MEMS 麥克風(fēng)與 MAF 噪音抑制濾波器、AVRF ESD 陷波濾波器相結合。這類(lèi)濾波器專(zhuān)為解決音頻線(xiàn)路中的典型問(wèn)題而設計，同時(shí)還具有其他優(yōu)點(diǎn)，如提高無(wú)線(xiàn)或蜂窩通信的接收靈敏度。
圖 8：TDK 的音頻采樣套件。（圖片來(lái)源： TDK） 音頻采樣套件為揚聲器和麥克風(fēng)線(xiàn)路提供了噪音抑制和靜電放電對策，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，所以信號衰減小 · 實(shí)現 ESD 和噪音對策 結束語(yǔ) 噪音抑制濾波器和 ESD 陷波濾波器的結合使用，可有效抵御影響無(wú)線(xiàn)耳機和麥克風(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(xiàn)音頻設計中用于降低射頻噪音而不影響音質(zhì)的所有元件。 |
