降低音频设备噪音的策略

来源：DigiKey
作者：Rolf Horn

在音频技术领域，完美的音质是一项基本目标。然而，嘶嘶声、嗡嗡声或干扰等不利的听觉干扰会严重影响整体音质。这些干扰对耳机和麦克风具有特殊的意义，因为用户追求的是准确无误的声音再现。

本文探讨了减少耳机和麦克风等音频设备中不利噪音的不同方法。以 TDK 音频采样套件为例，该解决方案可提供抑制麦克风线路噪音并消除 ESD 的所有元件，而且不会损坏音质。

蓝牙和双向无线通信系统 (TWS) 的兴起

蓝牙技术最初用于免提通信。尽管如此，蓝牙应用发展迅猛，涵盖了耳机、扬声器、车载系统等各种设备。这种技术的低能耗和通用兼容性使其成为不断扩大的联网设备生态系统中不可或缺的组成部分。

真无线立体声 (TWS) 是在蓝牙成为无线音频传输的实际标准之后出现的。TWS 耳机将无线音频的理念向前推进了一步，取消了每个听筒的连接。这便开启了便携式音乐的新时代。这种小巧的无连接线耳机代表了音乐设备更简单、更便携的趋势。TWS 技术使消费者摆脱了有线连接的束缚，使用更方便，活动更自由。

音乐和音频消费的许多最新趋势都依赖于智能手机服务，例如向蓝牙扬声器和耳塞提供无线内容流。虽然扬声器和耳塞已成为音频输出的标准，但要在蓝牙耳塞、扬声器和语音助手、语音辅助麦克风等音频设备中获得完美的音质还存在一些障碍。

影响无线音频设备的问题

取消了有线连接的音频设备在很多方面都很方便。不过，由于这些设备依赖无线信号，因此比有线耳机、麦克风或扬声器更容易出现问题。

在无线设备中，传输、接收、设备性能和电池寿命都会受到射频链路质量的影响。只要在小型无线设备中集成射频功能，用于每个音频输入和输出的 PCB 印制线和互连导线通常都靠近天线。由于距离太近，在向麦克风或扬声器发送音频信号时，天线发射的射频信号就会产生 EMI 噪音，降低音频质量。这个问题通常被称为串扰，会影响信号完整性。

同样，电池供电型便携音乐设备的数字放大器中发生的切换也会产生噪音，从而造成多重谐波。这些谐波对天线的输出和输入射频信号构成威胁。由于天线和导线靠得很近，会产生耦合，导致接收灵敏度降低。所有这些可能出现的 EMI 噪音源如图 1 所示。


图 1：具有潜在噪音源的典型无线音频配置。（图片来源： TDK）

降低扬声器线路中的射频噪音

与 BLE 音频不同，使用经典蓝牙音频时，设备会定期交换数据。当射频信号输入音频放大器时，由于非线性效应会产生包络波形。当这种包络波形与预期信号一起传送到扬声器时，可作为背景噪音检测出来。这类噪音通常被称为时分双工 (TDD) 噪音、时分多址 (TDMA) 噪音或简单的“嗡嗡”噪音。

射频无线电包络波形的这种问题不仅体现在蓝牙应用中，也出现在蜂窝网络和 Wi-Fi 中。在通话过程中，GSM 模块每 4.615 毫秒产生一次射频猝发传输。当辐射至声学电路时，射频脉冲串的包络波形会产生频率为 217 Hz 的 TDMA 可闻噪音以及相关谐波（图 2）。


图 2：GSM 通信中如何产生 TDMA 噪音。（图片来源： TDK）

扬声器与蓝牙 SoC 之间的标准有线连接如图 3 所示。如图所示，有线连接接收射频信号并将其传播到 SoC。


图 3：影响有线扬声器线路上的音频信号的射频信号。（图片来源： TDK）

因此，在将射频信号输入扬声器之前，必须滤除射频包络波形产生的可闻噪音以及天线电路拾取的任何射频信号。降低产生包络波形的蓝牙射频信号强度（2.4 GHz 频段）是关键的缓解策略。通过对小型无源滤波器的深入了解和仔细研究，可以实现缓解。TDK MAF 系列等滤波器可以降低噪音。

片状磁珠通常用于降低音频电缆中的背景噪音。这种磁珠由层叠在铁氧体磁芯内部的线圈制成。片状磁珠的阻抗是根据线圈的电抗和交流电阻来定义的。电抗分量主要控制低频范围内的噪音反射，而交流电阻分量则主要控制高频范围内的噪音吸收和发热。

TDK 创造了一种新型铁氧体材料，既能降低失真，又能有效消除噪音。MAF 系列多层片式元件是针对智能手机等便携式电子设备中音频线路的新兴降噪市场而开发的。MAF 中的字母 M、A 和 F 分别代表 Multilayer（多层滤波器）、High-Fi Audio（高保真音频）和 Noise Suppression Filter（噪音抑制滤波器）。

连接麦克风和扬声器的线路也需要静电放电 (ESD) 保护，因为 TWS 耳机在使用时会与用户的手之间存在物理接触。TDK 设计了一种陷波滤波器（AVRF 系列），通过对音频信号线进行屏蔽，使其免受电磁干扰 (EMI) 和静电放电 (ESD) 的影响，来减轻这一潜在问题。图 4 显示了几种 AVRF 陷波滤波器的插入损耗与频率性能之间的关系。


图 4：不同 TDK AVRF 陷波滤波器的插入损耗与频率之间的关系。（图片来源： TDK）

将 MAF 串联噪音抑制滤波器（带串联电感）和 AVRF 串联陷波滤波器（带串联电容）组合在一起，就构成了如图 5 所示的低通输出滤波器。这种设置可在 2.4 GHz 频段产生高衰减特性，并防止相关噪音进入音频放大器。因此，包络波形不会产生任何不必要的噪音。


图 5：(a) 带有 MAF 和 AVRF 滤波器的配置，(b) 相应滤波信号的 FFT，(c) 以 2.4 GHz 频带为中心的高衰减。（图片来源： TDK）

降低麦克风线路中的射频噪音

与扬声器线路相同，将蓝牙射频信号转置到麦克风线路上也会产生包络波形，并将其发送到音频处理器的输入端。然后，音频处理器会将不需要的可闻噪音发送到扬声器。图 6 显示了在麦克风电路中将无线蓝牙信号转换为有线连接的一种可能路径。经过处理后，噪音与原始音频信号耦合。


图 6：影响有线麦克风连接上的音频的射频信号。（图片来源： TDK）

由于 MAF 滤波器在 2.4 GHz 频率下阻抗较高且噪音衰减较低，因此比普通片状磁珠更适合有效地降低噪音。MAF 滤波器可以通过增加低频衰减，将可听到的输出噪音降低到检测不到的水平。

与使用普通铁氧体芯片磁珠和多层陶瓷电容器 (MLCC) 相比，MAF + AVRF 解决方案可防止 THD+N 的增加。由于 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，因此不会产生谐波失真。在信号失真方面，MAF + AVRF 解决方案与不使用滤波器的情况几乎没有区别。

图 7 显示了 TWS 耳塞的接收灵敏度在使用和不使用噪音缓解措施时的结果。在采用 MAF、AVRF 和 MAF + AVRF 等对策后，接收灵敏度提高了约 6 分贝，这些对策在蓝牙 2.4 GHz 频段都有降噪效果。


图 7：有滤波器和无滤波器 TWS 耳机的接收灵敏度。（图片来源： TDK）

TDK 音频采样包

随着我们的社会朝着物联网 (IoT) 和互联产品的方向发展，诸如智能扬声器等智能家电和消费电子产品正在不断兴起。智能扬声器的基本组件是麦克风，同时也是声音传感器，可使人的语音成为与设备连接的接口。TDK 的半导体微细加工技术用于制造这种情况下使用的各种 MEMS 麦克风。

为了满足抑制 MEMS 麦克风中射频和 ESD 噪音的需要，TDK 提供了音频采样套件（图 8）。该产品将 TDK InvenSense MEMS 麦克风与 MAF 噪音抑制滤波器、AVRF ESD 陷波滤波器相结合。这类滤波器专为解决音频线路中的典型问题而设计，同时还具有其他优点，如提高无线或蜂窝通信的接收灵敏度。


图 8：TDK 的音频采样套件。（图片来源： TDK）

音频采样套件为扬声器和麦克风线路提供了噪音抑制和静电放电对策，具体包括以下组件：

· 20 个 MEMS 麦克风
· 80 个 MAF 系列噪音抑制滤波器
· 120 个 AVRF 系列 ESD 陷波滤波器

音频解决方案采样套件的主要功能包括：

· 改善蜂窝和 Wi-Fi 通信的接收灵敏度
· 由于具有低 THD+N 特性，失真低，因此音质高
· 抑制 TDMA 噪音
· 由于电阻低，所以信号衰减小
· 实现 ESD 和噪音对策

结束语

噪音抑制滤波器和 ESD 陷波滤波器的结合使用，可有效抵御影响无线耳机和麦克风的噪音。TDK 的音频采样套件是一种即用型解决方案，包括了无线音频设计中用于降低射频噪音而不影响音质的所有元件。