Strategier för brusreducering i ljudenheter

Perfekt ljudkvalitet är ett grundläggande mål inom ljudteknik. Trots detta kan oönskade störningar i ljudet, som t.ex. väsande, surrande eller störningar, försämra den övergripande ljudkvaliteten avsevärt. Dessa störningar är särskilt viktiga i samband med hörlurar och mikrofoner eftersom användarna vill ha en exakt och oförändrad ljudåtergivning.

Artikeln beskriver olika metoder för att minska oönskade störningar i ljudenheter som hörlurar och mikrofoner. Audio Sample Kit från TDK används som exempel på en lösning som tillhandahåller alla de komponenter som krävs för brusreducering och motåtgärder för ESD i mikrofonledningar utan att försämra ljudkvaliteten.

Uppgången för Bluetooth och TWS

Bluetooth-teknik var ursprungligen avsedd för handsfree-kommunikation. Tillämpningarna med Bluetooth växte dock snabbt till att omfatta en mängd olika enheter som headset, högtalare, bilsystem med mera. Teknikens låga energiförbrukning och universella kompatibilitet har gjort den till en oumbärlig komponent i det ständigt ökande ekosystemet av uppkopplade enheter.

True Wireless Stereo (TWS) uppstod efter att Bluetooth blev de facto-standard för trådlös ljudöverföring. Hörlurar med TWS tar idén om trådlöst ljud ett steg längre och hanterar respektive hörlur individuellt. Detta var början på en ny era inom bärbar musik. De små, trådlösa hörlurarna representerade en trend mot enklare och mer portabel musikutrustning. Tekniken TWS gav konsumenterna större rörlighet och bekvämlighet.

Många av de senaste trenderna inom musik- och ljudkonsumtion är beroende av smartphonetjänster som strömning av trådlöst innehåll till högtalare och hörlurar med Bluetooth. Även om högtalare och hörlurar har blivit standard för ljudutmatning, finns det några hinder för att uppnå en felfri ljudkvalitet i ljudenheter som hörlurar, högtalare och mikrofoner för röstassistenter med Bluetooth.

Bekymmer som påverkar trådlösa ljudenheter

Ljudutrustning utan kabelanslutningar är bekvämt på många sätt. Eftersom enheterna förlitar sig på en trådlös signal är det dock mer sannolikt att de drabbas av problem än kabelanslutna hörlurar, mikrofoner och högtalare.

I trådlösa enheter påverkas överföring, mottagning, enhetens prestanda och batteritid av kvaliteten på RF-länken. När RF-kapacitet integreras i små trådlösa enheter placeras kretskortsspåren och kablarna för respektive ljudingång och ljudutgång vanligtvis nära antennen. På grund av denna närhet kan de radiofrekvenssignaler som antennen sänder ut skapa elektromagnetiska störningar och försämra ljudkvaliteten när ljud skickas till mikrofonen eller högtalaren. Detta problem, allmänt känt som överhörning, påverkar signalens integritet.

På samma sätt kan den switchning som sker i digitala förstärkare i batteridriven bärbar musikutrustning avge störningar och skapa flera övertoner. Dessa övertoner utgör ett hot mot antennens utgående och inkommande RF-signaler. Eftersom antennen och kabeln är så nära varandra uppstår koppling, vilket leder till minskad mottagningskänslighet. Alla dessa möjliga källor till elektromagnetiska störningar visas i figur 1.

Figur 1: En typisk konfiguration för trådlöst ljud med potentiella störningskällor. (Källa: TDK)

Minskning av radiofrekvensstörningar i högtalarledningar

Vid användning av Bluetooth Classic Audio, utbyter enheterna data med jämna mellanrum, till skillnad från ljud via BLE. När en radiofrekvent signal matas in i en ljudförstärkare uppstår en envelope-vågform på grund av icke-linjära effekter. Denna envelope-vågform kan upptäckas som bakgrundsbrus när den överförs till högtalarna tillsammans med den avsedda signalen. Denna typ av brus kallas ofta Time Division Duplexing-brus (TDD), Time Division Multiple Access-brus (TDMA)-brus eller helt enkelt "surrande" ljud.

Detta problem med de radiofrekventa envelope-vågformerna visar sig inte bara i Bluetooth-tillämpningar, utan även i mobilnät och WiFi-nätverk. Vid ett telefonsamtal genererar GSM-moduler en sändning av en radiofrekvent signalstorm var 4,615 ms. När den strålas vidare till en akustisk krets kan den radiofrekventa signalstormens vågform ge upphov till hörbart TDMA-brus vid en frekvens på 217 Hz tillsammans med relaterade övertoner (Figur 2).

Figur 2: Hur TDMA-brus genereras i GSM-kommunikation. (Källa: TDK)

En standardanslutning via kabel mellan en högtalare och en Bluetooth-systemkrets visas i figur 3. Här fångar kabelanslutningen upp RF-signalen och för den vidare till systemkretsen.

Figur 3: En radiofrekvenssignal som påverkar ljudet i kabelanslutna högtalares ledningar. (Källa: TDK)

Därför är det nödvändigt att filtrera bort det hörbara brus som alstras av den radiofrekventa envelope-vågformen och alla radiofrekvenssignaler som fångas upp av antennkretsen innan de matas in i högtalaren. Att minska styrkan på den RF-signal för Bluetooth (i 2,4 GHz-bandet) som genererar envelope-vågformen är den viktigaste strategin för att mildra effekterna. Det går att mildra effekterna genom en grundlig förståelse av små passiva filter och noggranna studier. Bruset kan reduceras med filter av den typ som finns i serien MAF från TDK.

Kretsferritpärlor används vanligtvis för att minska bakgrundsbruset i ljudkablar. De består av en spole som är laminerad på insidan av en ferritkärna. Impedansen hos en kretsferritpärla definieras med hjälp av spolens reaktans och växelströmsresistans. Reaktanskomponenten är främst ansvarig för avvisning av brus i lågfrekvensområdet, medan komponenten för växelströmsresistans främst är ansvarig för brusabsorption och värmeutveckling i högfrekvensområdet.

TDK har skapat ett nytt ferritmaterial som både har låg distorsion och är effektivt för att reducera brus. Serien MAF med kretskomponenter i flera lager utvecklades som svar på den framväxande marknaden för brusreducering i ljudledningar för bärbara elektroniska enheter som t.ex. smartphones. Bokstäverna M, A och F i MAF står för Multilayer (flera lager), Hi-Fi Audio (HiFi-ljud) respektive Noise Suppression Filter (brusreduceringsfilter).

Det krävs även skydd mot elektrostatiska urladdningar (ESD) för de kablar som ansluter mikrofonen och högtalaren, eftersom TWS-hörlurar är i fysisk kontakt med användarens händer när de används. TDK har tagit fram ett bandspärrfilter (serien AVRF) för att mildra detta potentiella problem genom att avskärma ljudsignalens ledningar från elektromagnetiska störningar (EMI) och elektrostatiska urladdningar (ESD). I figur 4 visas införingsförlusten i förhållande till frekvensprestanda för flera AVRF-bandspärrfilter.

Figur 4: Införingsförluster kontra frekvens för olika AVRF-bandspärrfilter från TDK. (Källa: TDK)

Genom att kombinera ett filter för brusreducering i serien MAF (med dess serieinduktor) och ett bandspärrfilter i serien AVRF (med dess seriekondensator) får man fram det lågpassfilter som visas i figur 5. Denna konfiguration ger hög dämpning i 2,4 GHz-bandet och förhindrar att relevant brus når ljudförstärkaren. Resultatet är att envelope-vågformen inte genererar något oönskat brus.

Figur 5: (a) Konfiguration med MAF- och AVRF-filter, (b) FFT för motsvarande filtrerad signal, (c) Hög dämpning centrerad kring 2,4 GHz-bandet. (Källa: TDK)

Minskning av RF-brus i mikrofonledningar

På samma sätt som med högtalarledningar resulterar överflyttning av en RF-signal för Bluetooth till mikrofonledningar i en envelope-vågform som skickas till ljudprocessorns ingång. Ljudprocessorn skickar sedan det oönskade hörbara bruset vidare till högtalarna. Figur 6 visar en möjlig väg för den trådlösa Bluetooth-signalen att omvandlas till en kabelanslutning i mikrofonens krets. Bruset kopplas till den ursprungliga ljudsignalen efter bearbetning.

Figur 6: En RF-signal påverkar ljudet i kabelanslutna mikrofoner. (Källa: TDK)

För att minimera bruset på ett effektivt sätt, är MAF-filter ett bättre val än vanliga kretsferritpärlor tack vare deras högre impedans och lägre brusdämpning vid frekvensen 2,4 GHz. Ett MAF-filter kan minska utgångens hörbara brus till omätbara nivåer genom att öka dämpningen vid lägre frekvenser.

Lösningen med MAF + AVRF förhindrar en ökning av THD+N, till skillnad från användning av vanliga ferritpärlor och keramiska kondensatorer med flera lager (MLCC). Det finns ingen harmonisk distorsion eftersom ingen av komponenterna för MAF eller AVRF skapar icke-linjära variationer i spänning eller ström inom sina respektive driftområden. När det gäller signaldistorsion är lösningen med MAF + AVRF praktiskt taget omöjlig att skilja från att inte använda något filter alls.

Resultatet på mottagningskänsligheten i TWS-hörlurarna med och utan begränsning visas i figur 7. En förbättrad mottagningskänslighet på cirka 6 dB kunde påvisas efter införande av motåtgärderna MAF, AVRF och MAF + AVRF, som alla har brusreducerande effekt i 2,4 GHz-bandet för Bluetooth.

Figur 7: Mottagningskänslighet i TWS-hörlurar med och utan filter. (Källa: TDK)

Audio Sample Kit från TDK

Smarta apparater och konsumentelektronik som t.ex. smarta högtalare är på frammarsch i takt med att samhället utvecklas mot Internet of Things (IoT) och uppkopplade produkter. De grundläggande komponenterna i smarta högtalare är mikrofoner, som även fungerar som ljudsensorer och gör en persons tal till ett gränssnitt för att ansluta dem till enheten. TDK:s teknik för mikrotillverkning av halvledare användes för att bygga ett stort utbud av MEMS-mikrofoner för användning i sådana sammanhang.

För att möta behovet av att reducera RF- och ESD-störningar i MEMS-mikrofoner tillhandahåller TDK ett Audio Sample Kit (figur 8). Denna produkt kombinerar MEMS-mikrofonerna TDK InvenSense med brusreduceringsfiltret MAF och bandspärrfiltret AVRF för elektrostatiska urladdningar. Filtren är utformade för att hantera typiska problem i ljudledningar, samtidigt som de ger ytterligare fördelar, t.ex. förbättrad mottagningskänslighet vid trådlös eller mobil kommunikation.

Bild 8: Audio Sample Kit från TDK. (Källa: TDK)

Audio Sample Kit innehåller följande komponenter för brusreducering och ESD-motåtgärder för högtalar- och mikrofonledningar:

• 20 MEMS-mikrofoner
• 80 brusreduceringsfilter i serien MAF
• 120 bandspärrfilter i serien AVRF

De viktigaste funktionerna i provpaketet för ljudlösningar är

• Förbättrad mottagningskänslighet vid kommunikation i mobilnät och WiFi-nätverk
• Hög ljudkvalitet tack vare egenskaper för THD+N som ger låg distorsion
• Reducering av TDMA-brus
• Liten signalförsämring tack vare låg resistans
• Motåtgärder både mot elektrostatiska urladdningar och brus

Sammanfattning

Den kombinerade användningen av brusreduceringsfilter och bandspärrfilter för ESD är en effektiv motåtgärd mot det brus som påverkar trådlösa headset och mikrofoner. Audio Sample Kit från TDK är en färdig lösning med alla komponenter som ingenjörer kan använda för att reducera RF-brus i sina trådlösa ljudkonstruktioner utan att kompromissa med ljudkvaliteten.