Strategie redukcji zakłóceń w urządzeniach audio

W technologii audio chodzi przede wszystkim o nieskazitelną jakość dźwięku. Niemniej jednak niepożądane zakłócenia akustyczne, takie jak syczenie, brzęczenie lub inne zakłócenia, mogą znacznie pogorszyć ogólną jakość dźwięku. Zakłócenia te mają szczególne znaczenie w kontekście słuchawek i mikrofonów, ponieważ użytkownicy oczekują dokładnej i niezmienionej reprodukcji dźwięku.

W tym artykule przeanalizowano różne podejścia do redukcji niepożądanych szumów w urządzeniach audio, takich jak słuchawki i mikrofony. Wspomniano w nim o udostępnionym przez firmę TDK zestawie testowym audio jako przykładzie rozwiązania, które zawiera wszystkie komponenty wymagane do tłumienia szumów i przeciwdziałania wyładowaniom elektrostatycznym (ESD) w liniach mikrofonowych bez pogarszania jakości dźwięku.

Rozwój technologii Bluetooth i TWS

Technologia Bluetooth była pierwotnie przeznaczona do komunikacji w trybie głośnomówiącym. Zastosowania Bluetooth szybko się rozwinęły, obejmując różnorodne urządzenia, takie jak zestawy słuchawkowe, głośniki, systemy samochodowe i inne. Niskie zużycie energii i uniwersalna kompatybilność tej technologii sprawiły, że technologia ta stała się nieodzownym komponentem stale rozwijającego się ekosystemu urządzeń połączonych.

Technologia TWS (True Wireless Stereo) pojawiła się po tym, jak Bluetooth stał się de facto standardem bezprzewodowej transmisji audio. Idąc o krok dalej z ideą bezprzewodowego audio, słuchawki TWS nie mają fizycznych połączeń między sobą. Był to początek nowej ery przenośnej muzyki. Małe, bezprzewodowe słuchawki reprezentowały trend w kierunku prostszych, bardziej przenośnych urządzeń do odtwarzania muzyki. Technologia TWS wyzwoliła konsumentów, oferując większą mobilność i wygodę.

Wiele z najnowszych trendów w konsumpcji muzyki i audio zależy od usług dostępnych w smartfonach, takich jak bezprzewodowe strumieniowanie treści do głośników Bluetooth i słuchawek dousznych. Chociaż głośniki i słuchawki douszne stały się standardowymi urządzeniami wyjściowymi audio, uzyskanie nieskazitelnej jakości dźwięku w takich urządzeniach, jak słuchawki douszne Bluetooth, głośniki i mikrofony asystentów głosowych, wiąże się z kilkoma przeszkodami.

Problemy związane z bezprzewodowymi urządzeniami audio

Sprzęt audio pozbawiony połączeń przewodowych jest wygodny pod wieloma względami. Jednak urządzenia te wykorzystują sygnał bezprzewodowy, dlatego są bardziej narażone na problemy niż przewodowe słuchawki, mikrofony lub głośniki.

W urządzeniach bezprzewodowych transmisja, odbiór, parametry działania urządzenia i czas pracy baterii zależą od jakości łącza o częstotliwości radiowej (RF). Za każdym razem, gdy funkcje częstotliwości radiowych (RF) są zintegrowane z niewielkimi urządzeniami bezprzewodowymi, ścieżki płytki drukowanej i połączenia oprzewodowania poszczególnych wejść i wyjść audio są zwykle umieszczane blisko anteny. Ze względu na tę bliskość, gdy dźwięk jest przesyłany do mikrofonu lub głośnika, sygnały radiowe (RF) emitowane przez antenę mogą powodować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i obniżać jakość audio. Ten problem, powszechnie znany jako przesłuch, wpływa na integralność sygnału.

Podobnie przełączanie występujące we wzmacniaczach cyfrowych stosowanych w przenośnych urządzeniach muzycznych z zasilaniem bateryjnym, może emitować szumy, tworząc wiele składowych harmonicznych. Te składowe harmoniczne są szkodliwe dla wyjściowych i wejściowych sygnałów radiowych (RF) anteny. Ponieważ antena i przewód znajdują się tak blisko siebie, występuje sprzężenie, co powoduje zmniejszenie czułości odbioru. Wszystkie wspomniane możliwe źródła zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) przedstawiono na ilustracji 1.

Ilustracja 1: typowa bezprzewodowa konfiguracja audio z potencjalnymi źródłami zakłóceń. (Źródło: TDK)

Ograniczanie zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RF) w liniach głośnikowych

Podczas korzystania z klasycznego audio Bluetooth, w przeciwieństwie do audio BLE, urządzenia wymieniają dane w regularnych odstępach czasu. Gdy sygnał o częstotliwości radiowej (RF) jest podawany do wzmacniacza audio, powstaje przebieg obwiedniowy spowodowany efektami nieliniowymi. Ten przebieg obwiedniowy jest wykrywalny jako szum tła, gdy wraz z zamierzonym sygnałem jest przesyłany do głośników. Ten rodzaj zakłóceń jest powszechnie określany jako zakłócenia trybu dupleksowego z podziałem czasowym (TDD), zakłócenia wielodostępu z podziałem czasowym (TDMA) lub po prostu „brzęczenie”.

Wspomniane problemy z przebiegiem obwiedniowym na częstotliwościach radiowych (RF) pojawiają się nie tylko w zastosowaniach Bluetooth, ale także w sieciach komórkowych i Wi-Fi. Podczas połączenia telefonicznego moduły GSM generują transmisję impulsową na częstotliwości radiowej co 4,615ms. Po wypromieniowaniu do obwodu akustycznego, przebieg obwiedniowy impulsu o częstotliwości radiowej może wytworzyć słyszalne zakłócenia TDMA o częstotliwości 217Hz wraz z powiązanymi zakłóceniami harmonicznymi (ilustracja 2).

Ilustracja 2: powstawanie zakłóceń TDMA w łączności GSM. (Źródło: TDK)

Standardowe oprzewodowanie między głośnikiem a układem SoC Bluetooth pokazano na ilustracji 3. Połączenie przewodowe odbiera sygnał radiowy (RF) i przekazuje go do układu SoC.

Ilustracja 3: sygnał o częstotliwości radiowej (RF) wpływający na sygnał audio w przewodowych liniach głośnikowych. (Źródło: TDK)

Dlatego konieczne jest filtrowanie słyszalnych zakłóceń wytwarzanych przez przebieg obwiedniowy RF i wszelkich sygnałów o częstotliwościach radiowych (RF), odbieranych przez obwód antenowy, zanim zostaną doprowadzone do głośnika. Główną strategią ograniczającą jest zmniejszenie mocy sygnału radiowego Bluetooth, który generuje przebieg obwiedniowy (w pasmie 2,4GHz). Ograniczanie zakłóceń jest możliwe dzięki dogłębnemu zrozumieniu działania małych filtrów pasywnych i dokładnej analizie. Zakłócenia można zredukować za pomocą takich urządzeń, jak filtry z serii MAF firmy TDK.

Do redukcji szumów tła w kablach audio zwykle używane są mikrokoraliki. Mają one postać cewki laminowanej na wewnętrznej stronie rdzenia ferrytowego. Impedancja mikrokoralika jest definiowana w kategoriach reaktancji i rezystancji prądu zmiennego cewki. Składowa reaktancyjna odpowiada głównie za odbicia zakłóceń w zakresie niskich częstotliwości, podczas gdy składowa rezystancyjna prądu zmiennego odpowiada głównie za pochłanianie zakłóceń i generowanie ciepła w przedziale wysokich częstotliwości.

Firma TDK opracowała nowy materiał ferrytowy, który charakteryzuje się niskim poziomem zniekształceń i skutecznie redukuje zakłócenia. W odpowiedzi na rozwijający się rynek redukcji hałasu w liniach audio przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony, opracowano serię wielowarstwowych komponentów mikroelektronicznych MAF. Litery M, A i F w MAF oznaczają odpowiadają angielskim terminom Multilayer (wielowarstwowe), High-Fi Audio (dźwięk hi-fi) oraz Noise Suppression Filter (filtr tłumienia zakłóceń).

Wymagane jest również zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) dla przewodów łączących mikrofon i głośnik, ponieważ podczas użytkowania słuchawki TWS wchodzą w fizyczny kontakt z dłońmi użytkownika. Firma TDK zaprojektowała filtr środkowozaporowy (seria AVRF), aby złagodzić ten potencjalny problem poprzez zabezpieczenie linii sygnałowych audio przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) i wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Tłumienność wtrąceniową w funkcji częstotliwościowych parametrów działania kilku filtrów środkowozaporowych AVRF przedstawiono na ilustracji 4.

Ilustracja 4: tłumienność wtrąceniowa w zależności od częstotliwości dla różnych filtrów środkowozaporowych AVRF firmy TDK. (Źródło: TDK)

Połączenie filtra przeciwzakłóceniowego MAF (z szeregową cewką indukcyjną) i filtra przeciwzakłóceniowego z serii AVRF (z kondensatorem szeregowym) daje wyjściowy filtr dolnoprzepustowy ukazany na ilustracji 5. Taka konfiguracja zapewnia charakterystykę o wysokim tłumieniu w paśmie 2,4GHz i zapobiega przedostawaniu się zakłóceń do wzmacniacza audio. W rezultacie przebieg obwiedniowy nie generuje żadnych niepożądanych zakłóceń.

Ilustracja 5: (a) konfiguracja z filtrami MAF i AVRF, (b) szybka transformacja Fouriera (FFT) filtrowanego sygnału, (c) wysokie tłumienie wyśrodkowane na paśmie 2,4GHz. (Źródło: TDK)

Ograniczanie zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RF) w liniach mikrofonowych

W taki sam sposób, jak w przypadku linii głośnikowych, transpozycja sygnału Bluetooth na linie mikrofonowe skutkuje powstaniem przebiegu obwiedniowego, który jest wysyłany do wejścia procesora audio. Procesor audio przesyła następnie niepożądane zakłócenia do głośników. Ilustracja 6 pokazuje jedną z możliwych metod przekształcenia bezprzewodowego sygnału Bluetooth w połączenie przewodowe w obwodzie mikrofonu. Po przetworzeniu, zakłócenia zostają sprzężone z pierwotnym sygnałem audio.

Ilustracja 6: sygnał o częstotliwości radiowej (RF) wpływający na sygnał audio w przewodowych połączeniach mikrofonów. (Źródło: TDK)

Aby skutecznie zminimalizować zakłócenia, filtry MAF są lepszym wyborem niż zwykłe mikrokoraliki, ze względu na wyższą impedancję i niższe tłumienie zakłóceń na częstotliwości 2,4GHz. Filtr MAF może zredukować słyszalne zakłócenia wyjściowe do niewykrywalnego poziomu poprzez zwiększenie tłumienia na niższych częstotliwościach.

W przeciwieństwie do stosowania zwykłych mikrokoralików ferrytowych i wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC), rozwiązanie łączące filtry MAF i AVRF zapobiega wzrostowi sumy zniekształceń harmonicznych i szumu (THD+N). Zniekształcenia harmoniczne nie występują, ponieważ komponenty MAF oraz AVRF nie powodują nieliniowych zmian ani napięcia ani prądu w odpowiednich zakresach roboczych. Jeśli chodzi o zniekształcenia sygnału, rozwiązanie filtrów MAF + AVRF jest praktycznie nie do odróżnienia od układu, w którym filtr nie występuje.

Wynik pomiaru czułości odbioru słuchawek dousznych TWS (True Wireless Stereo), ze środkami przeciwdziałania zakłóceniom i bez nich pokazano na ilustracji 7. Zaobserwowano wzrost czułości odbiornika o około 6dB po wprowadzeniu środków zaradczych MAF, AVRF i MAF + AVRF. Wszystkie one wpływają na redukcję zakłóceń w paśmie Bluetooth 2,4GHz.

Ilustracja 7: czułość odbiornika w słuchawkach dousznych TWS (True Wireless Stereo) z filtrami i bez. (Źródło: TDK)

Zestaw testowy audio firmy TDK

Inteligentne urządzenia i elektronika użytkowa, na przykład inteligentne głośniki, zyskują na popularności, w miarę jak społeczeństwo zmierza w kierunku Internetu rzeczy (IoT) i produktów połączonych. Podstawowymi komponentami inteligentnych głośników są mikrofony, które działają również jako czujniki dźwięku, tworząc obsługiwany mową interfejs łączący z urządzeniem. Do budowy szerokiej gamy mikrofonów mikroelektromechanicznych (MEMS) do użytku w takich kontekstach wykorzystano technologię mikroprodukcji półprzewodników firmy TDK.

Aby odpowiedzieć na potrzebę tłumienia zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RF) i wyładowań elektrostatycznych (ESD) w mikrofonach MEMS, firma TDK oferuje zestaw testowy audio (ilustracja 8). Produkt ten łączy w sobie mikrofony MEMS InvenSense firmy TDK z filtrami przeciwzakłóceniowymi MAF i filtrami środkowozaporowymi AVRF chroniącymi przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Filtry te zostały zaprojektowane specjalnie do eliminacji typowych problemów w liniach audio, oferując jednocześnie dodatkowe korzyści, takie jak poprawa czułości odbioru w komunikacji bezprzewodowej lub komórkowej.

Ilustracja 8: zestaw testowy audio firmy TDK. (Źródło: TDK)

Zapewniający tłumienie zakłóceń i przeciwdziałanie wyładowaniom elektrostatycznym (ESD) dla linii głośników i mikrofonów, zestaw testowy audio zawiera następujące komponenty:

• 20 mikrofonów MEMS
• 80 filtrów przeciwzakłóceniowych z serii MAF
• 120 filtrów środkowozaporowych z serii AVRF chroniących przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD)

Główne cechy zestawu testowego audio to:

• Poprawa czułości odbioru w łączności komórkowej i Wi-Fi
• Wysoka jakość dźwięku dzięki niskiemu poziomowi zniekształceń (niskiej sumie zniekształceń harmonicznych i szumów (THD+N))
• Tłumienie zakłóceń w trybie wielodostępu z podziałem czasowym (TDMA)
• Niewielkie pogorszenie sygnału dzięki niskiej rezystancji
• Zapobieganie wyładowaniom elektrostatycznym (ESD) i zakłóceniom

Podsumowanie

Łączne użycie filtrów tłumiących zakłócenia i filtrów środkowozaporowych chroniących przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) zapewnia skuteczne przeciwdziałanie zakłóceniom wpływającym na bezprzewodowe zestawy słuchawkowe i mikrofony. Zestaw testowy audio firmy TDK to gotowe do użycia rozwiązanie, obejmujące wszystkie komponenty, które mogą być wykorzystane przez inżynierów do przeciwdziałania zakłóceniom o częstotliwościach radiowych (RF) w projektach bezprzewodowych rozwiązań audio, bez uszczerbku dla jakości dźwięku.