Strategier til reduktion af støj i audioenheder

Inden for audioteknologi er uovertruffen audiokvalitet en grundlæggende målsætning. Ikke desto mindre kan uønskede auditive forstyrrelser, såsom susen, brummen eller interferens, forringe den samlede lydkvalitet betydeligt. Disse forstyrrelser har særlig betydning i forbindelse med hovedtelefoner og mikrofoner, da brugerne ønsker en nøjagtig og uændret lydgengivelse.

Denne artikel undersøger forskellige metoder til at reducere uønsket støj i audioenheder som hovedtelefoner og mikrofoner. TDK's Audio Sample Kit (audioprovesæt) nævnes som et eksempel på en løsning, der indeholder alle de komponenter, der kræves til støjdæmpning og foranstaltninger mod elektrostatisk afladning (electrostatic discharge/ESD) til mikrofonledninger uden at forringe lydkvaliteten.

Fremkomsten af Bluetooth og ægte trådløs-stereo (True Wireless Stereo/TWS)

Bluetooth-teknologien var oprindeligt beregnet til håndfri kommunikation. Når det er sagt, voksede Bluetooth-applikationer hurtigt til at omfatte en række forskellige enheder såsom headsets, højttalere, bilsystemer og meget mere. Teknologiens lave energiforbrug og universelle kompatibilitet har gjort den til en uundværlig komponent i det konstant voksende økosystem af tilsluttede enheder.

Ægte trådløs-stereo (TWS) opstod, efter at Bluetooth blev de facto-standarden for trådløs audiotransmission. TWS-høretelefonerne tager ideen om trådløs audio et skridt videre og frigør hver øresnegl. Dette var starten på en ny tidsalder inden for bærbar musik. De små, ledningsfrie øretelefoner repræsenterede en trend mod enklere, mere bærbart musikudstyr. TWS-teknologien frigjorde forbrugerne og gav dem større mobilitet og bekvemmelighed.

Mange af de nyeste tendenser inden for musik- og audioforbrug afhænger af smartphonetjenester som trådløs indholdsstreaming til Bluetooth-højttalere og ørepropper (earbuds). Selvom højttalere og ørepropper er blevet standarden for audio-udgang, er der et par forhindringer for at opnå fejlfri lydkvalitet i audioenheder som Bluetooth-ørepropper, højttalere og stemmeassistentmikrofoner.

Problemer, der påvirker trådløse audioenheder

Audioudstyr uden kabelforbindelser er praktisk på mange måder. Men fordi disse enheder er afhængige af et trådløst signal, er det mere sandsynligt, at de oplever problemer end kablede hovedtelefoner, mikrofoner eller højttalere.

I trådløse enheder påvirkes transmission, modtagelse, enhedens ydeevne og batterilevetid alle af kvaliteten af radiofrekvens (RF) -forbindelsen. Når RF-kapacitet er integreret i små trådløse enheder, er PCB-baner og ledningsforbindelserne til hver audioindgang og -udgang typisk placeret tæt på antennen. På grund af denne nærhed kan RF-signalerne, der udsendes af antennen, skabe EMI-støj og forringe audiokvaliteten, når der sendes audio til mikrofonen eller højttaleren. Dette problem, der almindeligvis kaldes krydstale, påvirker signalintegriteten.

På samme måde kan de skift, der sker i digitale forstærkere, som bruges i batteridrevet bærbart musikudstyr, udsende støj og skabe flere harmoniske oversvingninger. Disse oversvingninger udgør en trussel mod antennens udgangs- og indgangs-RF-signaler. Da antennen og ledningen er så tæt på hinanden, opstår der kobling, hvilket resulterer i nedsat modtagelsesfølsomhed. Alle disse mulige EMI-støjkilder vises i figur 1.

Figur 1: En typisk trådløs audiokonfiguration med potentielle støjkilder. (Kilde: TDK)

Dæmpning af RF-støj i højttalerledninger

Når du bruger ”Bluetooth Classic Audio”, i modsætning til Bluetooth-lav-energi (BLE) -audio, udveksler enheder data med jævne mellemrum. Når et RF-signal føres ind i en audioforstærker, opstår der en indhyllingsbølgeform (envelope waveform) på grund af ikke-lineære effekter. Denne indhyllingsbølgeform kan detekteres som baggrundsstøj, når den sendes til højttalerne sammen med det tilsigtede signal. Denne type støj kaldes almindeligvis tidsdelt-dupleks (Time Division Duplexing/TDD)-støj, tidsdelt-multiple-access (Time Division Multiple Access/TDMA)-støj eller bare brummen (støj).

Dette problem med RF-radiobølgeformen manifesterer sig ikke kun i Bluetooth-applikationer, men også i mobilnetværk og Wi-Fi. Under et telefonopkald genererer GSM-moduler en RF-bursttransmission hver 4,615 ms. Når den udstråles til et akustisk kredsløb, kan RF-burstens indhyllingsbølgeform producere hørbar TDMA-støj ved en frekvens på 217 Hz sammen med tilknyttede oversvingninger (figur 2).

Figur 2: Hvordan TDMA-støj genereres i GSM-kommunikation. (Kilde: TDK)

En standard kabelforbindelse mellem en højttaler og en Bluetooth system-on-chip (SoC) vises i figur 3. Her opfanger de kablede forbindelser RF-signalet og sender det videre til SoC'en.

Figur 3: Et RF-signal påvirker audioen på kablede højttalerledninger. (Kilde: TDK)

Derfor er det nødvendigt at filtrere den hørbare støj, der produceres af RF-indhyllingsbølgeformen, og eventuelle RF-signaler, der opfanges af antennekredsløbet, før de føres ind i højttaleren. Den vigtigste afhjælpningsstrategi er at reducere styrken af Bluetooth RF-signalet (2,4 GHz-båndet), der genererer indhyllingsbølgeformen. Det kan afhjælpes ved hjælp af en grundig forståelse af små passive filtre og omhyggelig studie. Støj kan reduceres med filtre som dem, der findes i TDK's MAF-serie.

Chip-perler bruges normalt til at reducere baggrundsstøj i audiokabler. De er lavet af en spole, der er lamineret på indersiden af en ferritkerne. Impedansen af en chip-perle er defineret ud fra spolens reaktans og AC-modstand. Reaktanskomponenten er mest ansvarlig for støjrefleksion i lavfrekvensområdet, mens AC-modstandskomponenten primært er ansvarlig for støjabsorption og varmeudvikling i højfrekvensområdet.

TDK har skabt et nyt ferritmateriale, der både har lav forvrængning og er effektivt til at fjerne støj. MAF-serien af flerlagschipkomponenter blev udviklet som svar på det voksende marked for støjreduktion i audioledningerne i bærbare elektroniske enheder som smartphones. Bogstaverne M, A og F i MAF står for henholdsvis Multilag, high-fi-Audio og støjdæmpningsFilter.

Beskyttelse af ledningerne, der forbinder mikrofonen og højttaleren, mod elektrostatisk udladning (ESD) er også påkrævet, da TWS-øretelefonerne kommer i fysisk kontakt med brugerens hænder, når de bruges. TDK har designet et indsnitsfilter (notch-filter) (AVRF-serien) til at afhjælpe dette potentielle problem ved at afskærme audiosignalledninger fra elektromagnetisk interferens (EMI) og statisk afladning (ESD). Indsætningstabet i forhold til frekvensen for flere AVRF-indsnitsfiltre vises i figur 4.

Figur 4: Indsætningstab vs. frekvens for forskellige TDK AVRF indsnitsfiltre. (Kilde: TDK)

Ved at kombinere et støjdæmpningsfilter (med serieinduktor) i MAF-serien og et indsnitsfilter (med seriekondensator) i AVRF-serien får man det lavpasudgangsfilter, der vises i figur 5. Denne opsætning giver høje dæmpningsegenskaber i 2,4 GHz-båndet og forhindrer relevant støj i at få adgang til audioforstærkeren. Det betyder, at indhyllingsbølgeformen ikke genererer uønsket støj.

Figur 5: (a) Konfiguration med MAF- og AVRF-filtre, (b) FFT af det tilsvarende filtrerede signal, (c) høj dæmpning centreret omkring 2,4 GHz-båndet. (Kilde: TDK)

Dæmpning af RF-støj i mikrofonledninger

På samme måde som med højttalerledninger resulterer transponering af et Bluetooth RF-signal på mikrofonlinjer i en indhyllingsbølgeform, der sendes til audioprocessorens indgang. Audioprocessoren sender derefter den uønskede hørbare støj til højttalerne. Figur 6 viser en mulig vej for det trådløse Bluetooth-signal til at blive konverteret til en kabelforbindelse i mikrofonens kredsløb. Støjen kobles til det originale audiosignal efter behandlingen.

Figur 6: Et RF-signal, der påvirker audioen på kablede mikrofonforbindelser. (Kilde: TDK)

For effektivt at minimere støj er MAF-filtre et bedre valg end almindelige chip-perler på grund af deres højere impedans og lavere støjdæmpning i 2,4 GHz-frekvensen. Et MAF-filter kan reducere hørbar udgangsstøj til niveauer, der ikke kan registreres, ved at øge dæmpningen ved lavere frekvenser.

MAF + AVRF-løsningen forhindrer en stigning i THD+N, i modsætning til brugen af almindelige ferritchip-perler og flerlags keramiske kondensatorer (MLCC'er). Der er ingen harmonisk forvrængning, da hverken MAF- eller AVRF-komponenterne skaber ikke-lineære spændings- eller strømvariationer inden for deres respektive driftsområder. Når det kommer til signalforvrængning, er MAF + AVRF-løsningen næsten umulig at skelne fra slet ikke at bruge noget filter.

Resultatet af TWS-øreproppernes modtagelsesfølsomhed med og uden dæmpning vises i figur 7. Der blev set en forbedring af modtagefølsomheden på ca. 6 dB efter indførelsen af MAF, AVRF og MAF + AVRF-modforanstaltninger, som alle har støjdæmpende virkning i Bluetooth 2,4 GHz-båndet.

Figur 7: Modtagefølsomhed i TWS-ørepropper med og uden filtre. (Kilde: TDK)

TDK's Audio Sample Kit (audioprøvesæt)

Smart-apparater og forbrugerelektronik som smart-højttalere er på vej frem, efterhånden som samfundet bevæger sig mod ’Internet of Things’ (IoT) (tingenes internet) og forbundne produkter. De grundlæggende komponenter i smarthøjttalere er mikrofoner, som også fungerer som audiosensorer, hvilket gør en persons tale til en grænseflade, der tilslutter dem med enheden. TDK's halvledermikrofabrikationsteknologi blev brugt til at bygge en bred vifte af MEMS-mikrofoner til brug i sådanne sammenhænge.

For at imødekomme behovet for at undertrykke RF- og ESD-støj i mikroelektromekaniske (MEMS)-mikrofoner tilbyder TDK et audioprøvesæt (Audio Sample Kit) (figur 8). Dette produkt kombinerer TDK InvenSense MEMS-mikrofoner med MAF-støjdæmpningsfiltre og AVRF ESD-indsnitsfiltre. Disse filtre er designet til specifikt at bekæmpe typiske problemer i audioledninger, samtidig med at de tilbyder yderligere fordele, såsom forbedring af modtagelsesfølsomheden i trådløs- eller mobilnetværkskommunikation.

Figur 8: TDK's audioprøvesæt (Audio Sample Kit). (Kilde: TDK)

Audioprøvesættet indeholder støjdæmpning og ESD-modforanstaltninger til højttaler- og mikrofonledninger og omfatter følgende komponenter:

• 20 MEMS-mikrofoner
• 80 støjdæmpningsfiltre i MAF-serien
• 120 ESD-indsnitsfiltre i AVRF-serien

De vigtigste funktioner i prøvesættet til audioløsninger er:

• Forbedring af modtagelsesfølsomheden for mobilnetværks- og Wi-Fi-kommunikation
• Høj lydkvalitet på grund af lav forvrængning takket være lave THD+N-egenskaber
• Dæmpning af TDMA-støj
• Forringelse af små signaler på grund af lav modstand
• Opnåelse af modforanstaltninger mod både ESD og støj

Konklusion

Den kombinerede brug af støjdæmpningsfiltre og ESD-indsnitsfiltre giver en effektiv modforanstaltning mod den støj, der påvirker trådløse headsets og mikrofoner. TDK's audioprøvesæt er en løsning, der er klar til brug, og som indeholder alle de komponenter, ingeniører kan bruge til at reducere RF-støj i deres trådløse audiodesign uden at gå på kompromis med lydkvaliteten.