Strategie potlačení šumu v audio zařízeních

Hlavním cílem v audio technice je dosažení dokonalé kvality zvuku. Nicméně nežádoucí rušivé signály, jako jsou sykot, bzukot nebo interference, mohou značně zhoršit celkovou kvalitu zvuku. Tato rušení mají zvláštní význam v kontextu sluchátek a mikrofonů, protože uživatelé hledají přesnou a nezměněnou rekonstrukci zvuku.

Tento článek zkoumá různé přístupy ke snížení nežádoucího šumu ve zvukových zařízeních, jako jsou sluchátka a mikrofony. Vzorková audio sada od společnosti TDK slouží jako příklad řešení poskytující všechny komponenty potřebné pro potlačení šumu a rušení vlivem eletrostatických výbojů (ESD) pro mikrofonní vedení bez snížení kvality zvuku.

Vzestup technologií Bluetooth a TWS

Technologie Bluetooth byla původně určena pouze pro hands-free komunikaci. Znamená to, že aplikace Bluetooth rychle narůstaly a zahrnovaly řadu zařízení, jako jsou náhlavní soupravy, reproduktory, systémy automobilů a další. Nízká spotřeba energie a univerzální kompatibilita z této technologie činí nepostradatelnou součást neustále se rozšiřujícího ekosystému připojených zařízení.

Technologie True Wireless Stereo (TWS) se objevila poté, co se Bluetooth stalo de facto standardem pro bezdrátový přenos zvuku. Technologie TWS posunula myšlenku bezdrátového zvuku ještě o krok dále a zařídila, aby sluchátka v každém uchu byla nevázaná. Byl to začátek nového věku v přenosné hudbě. Malá, bezdrátová sluchátka představovala trend k jednoduššímu a přenosnějšímu hudebnímu vybavení. Technologie TWS osvobodila spotřebitele a dala jim větší mobilitu a pohodlí.

Mnoho nejnovějších trendů v oblasti spotřební hudby a zvuku závisí na službách chytrých telefonů, jako je bezdrátové streamování obsahu do reproduktorů Bluetooth a sluchátek. Ačkoli se reproduktory a sluchátka staly standardem reprodukce zvuku, dosažení bezchybné kvality zvuku v audio zařízeních, jako jsou sluchátka, reproduktory a mikrofony hlasových asistentů používající technologii Bluetooth, představuje několik překážek.

Problémy ovlivňující bezdrátová audio zařízení

Audio zařízení bez kabelového připojení je výhodné v mnoha ohledech. Vzhledem k tomu, že se tato zařízení spoléhají na bezdrátový signál, v porovnání s kabelovými sluchátky, mikrofony nebo reproduktory jsou náchylnější k problémům.

U bezdrátových zařízení jsou přenos, příjem, výkon zařízení a životnost baterie ovlivněny kvalitou RF spojení. Kdykoli je funkce RF integrována do malých bezdrátových zařízení, vodivé cesty na desce plošných spojů a kabelová propojení pro každý audio vstup a výstup jsou obvykle umístěny blízko antény. Díky této blízkosti mohou RF signály vysílané anténou při odesílání zvuku do mikrofonu nebo reproduktoru vytvářet rušení EMI a snižovat tak kvalitu zvuku. Tento problém, běžně známý jako přeslech, ovlivňuje integritu signálu.

Podobně platí, že přepínání prováděné v digitálních zesilovačích používaných v bateriově napájených přenosných hudebních přehrávačích, může generovat šum a vytvářet více harmonických složek. Tyto harmonické složky představují hrozbu pro výstupní a vstupní RF signály antény. Vzhledem k tomu, že anténa a vodič jsou velmi blízko u sebe, dochází ke spojení, což má za následek sníženou citlivost příjmu. Všechny tyto možné zdroje rušení EMI jsou znázorněny na obrázku 1.

Obrázek 1: typická konfigurace bezdrátového audio zařízení s potenciálními zdroji šumu. (Zdroj: TDK)

Potlačení RF šumu v reproduktorových přívodech

Při použití technologie Bluetooth Classic Audio, na rozdíl od BLE audio, si zařízení v pravidelných intervalech vyměňují data. Je-li RF signál přiváděn do audio zesilovače, vlivem nelineárních efektů vzniká obálkový vlnový průběh. Tento obálkový vlnový průběh je během přenosu do reproduktorů společně se žádoucím signálem idetifikovatelný jako šum na pozadí. Tento typ šumu se běžně označuje jako duplexní šum s časovým dělením (TDD), šum s vícenásobným přístupem a časovým dělením (TDMA) nebo jednoduše „bzučení“.

Tento problém s obálkovým průběhem radiového RF signálu se projevuje nejen v aplikacích Bluetooth, ale také v mobilních a Wi-Fi sítích. Během telefonního hovoru generují moduly GSM každých 4,615 ms přenos vysokofrekvenční vlny. Obálkový vlnový průběh RF dávky může při vyzařování do akustického obvodu produkovat slyšitelný šum TDMA na kmitočtu 217 Hz společně se souvisejícími harmonickými složkami (obrázek 2).

Obrázek 2: jak vzniká TDMA šum v GSM komunikaci. (Zdroj: TDK)

Standardní kabelové propojení mezi reproduktorem a systémem Bluetooth SoC je znázorněno na obrázku 3. Kabelová propojení zde zachycují RF signál a šíří jej do systému SoC.

Obrázek 3: RF signál narušující zvuk v kabelových reproduktorových vedeních. (Zdroj: TDK)

Slyšitelný šum produkovaný obálkovým průběhem RF signálu i veškeré RF signály zachycené anténním obvodem je proto nutné odfiltrovat před jejich vstupem do reproduktorů. Klíčovou strategií potlačení šumu je snížení intenzity Bluetooth RF signálu (pásmo 2,4 GHz) generujícího obálkový průběh. Potlačení je dosažitelné důkladným pochopením principu malých pasivních filtrů a pečlivým studiem problematiky. Šum lze potlačit například pomocí filtrů řady MAF od společnosti TDK.

Ke snížení šumu na pozadí audio kabelů se obvykle používají čipové korálky. Jsou vyrobeny z cívky nalaminované na vnitřní stranu feritového jádra. Impedance čipového korálku je definována pomocí reaktance a střídavého odporu cívky. Reaktantní složka je většinou odpovědná za odraz šumu v nízkofrekvenčním pásmu, zatímco složka činného střídavého odporu je primárně odpovědná za absorpci šumu a generování tepla ve vysokofrekvenčním pásmu.

Společnost TDK vyvinula nový feritový materiál, který vykazuje nízké zkreslení a zároveň účinně potlačuje šum. Vícevrstvé čipové komponenty řady MAF byly vyvinuty v reakci na vznikající poptávku po potlačení šumu v audio vedeních přenosných elektronických zařízení, jako jsou chytré telefony. Písmena M, A a F zkratky MAF znamenají Multilayer (více vrstev), High-Fi Audio (vysoce věrohodný zvuk) a Noise Suppression Filter (odrušovací filtr).

U kabeláže spojující mikrofon a reproduktor je též vyžadována ochrana proti elektrostatickým výbojům (ESD), neboť sluchátka s technologií TWS přicházejí během používání do fyzického kontaktu s rukama uživatele. Společnost TDK navrhla pásmovou zádrž (řada AVRF), která tento potenciální problém omezuje stíněním vedení zvukového signálu proti elektromagnetickému rušením (EMI) a elektrostatickým výbojům (ESD). Na obrázku 4 jsou znázorněny vložené ztráty v závislosti na kmitočtu pro několik pásmových zádrží AVRF.

Obrázek 4: závislost vložených ztrát na kmitočtu pro různé pásmové zádrže řady AVRF od společnosti TDK. (Zdroj: TDK)

Spojením odrušovacího filtru řady MAF (se sériovým induktorem) s pásmovou zádrží řady AVRF (se sériovým kondenzátorem) vznikne výstupní filtr se spodní propustí znázorněný na obrázku 5. Toto nastavení vytváří vysokou charakteristiku útlumu v pásmu 2,4 GHz a zabraňuje pronikání příslušného šumu do audio zesilovače. V důsledku toho obálkový průběh negeneruje žádný nežádoucí šum.

Obrázek 5: (a) konfigurace s filtry MAF a AVRF, (b) rychlá Fourierova transformace (FFT) odpovídajícího filtrovaného signálu, (c) vysoký útlum se středem kolem pásma 2,4 GHz. (Zdroj: TDK)

Potlačení RF šumu v mikrofonních vedeních

Stejně jako u reproduktorových vedení vyvolává také transpozice Bluetooth RF signálu do mikrofonního vedení obálkový průběh, který je odesílán na vstup audio procesoru. Audio procesor pak odešle nežádoucí slyšitelný šum do reproduktorů. Obrázek 6 ukazuje jednu možnou cestu, kterou dochází k přenosu bezdrátového Bluetooth signálu do kabelového vedení v mikrofonním okruhu. Šum je po zpracování svázán s původním audio signálem.

Obrázek 6: RF signál narušující zvuk v kabelových přívodech mikrofonu. (Zdroj: TDK)

Pro efektivní minimalizaci šumu jsou MAF filtry díky jejich vyšší impedanci a nižšímu útlumu šumu na frekvenci 2,4 GHz lepší volbou než běžné čipové korálky. MAF filtr je schopen snížit výstupní slyšitelný šum na nedetekovatelnou úroveň zvýšením útlumu na nižších kmitočtech.

Řešení s filtry MAF + AVRF na rozdíl od běžných feritových čipových korálků a vícevrstvých keramických kondenzátorů (MLCC) zabraňuje nárůstu zkreslení THD+N. Nedochází k žádnému harmonickému zkreslení, neboť filtry MAF ani AVRF v rámci svých příslušných pracovních rozsahů nevytvářejí nelineární změny napětí nebo proudu. Pokud jde o zkreslení signálu, řešení s filtry MAF + AVRF je prakticky k nerozeznání od případu nepoužití žádného filtru.

Výsledná citlivost příjmu sluchátek TWS s potlačením a bez potlačení šumu je znázorněna na obrázku 7. Po zavedení potlačení pomocí filtrů MAF, AVRF a MAF + AVRF, z nichž všechny mají účinky na snížení šumu v pásmu Bluetooth 2,4 GHz, bylo pozorováno zvýšení citlivosti příjmu přibližně o 6 dB.

Obrázek 7: citlivost příjmu ve sluchátkách TWS s filtry a bez filtrů. (Zdroj: TDK)

Vzorková audio sada od společnosti TDK

S posouváním společnosti směrem k internetu věcí (IoT) a připojeným produktům jsou na vzestupu inteligentní spotřebiče a spotřební elektronika, jako jsou chytré reproduktory. Základními komponentami chytrých reproduktorů jsou mikrofony, které plní též funkci zvukových senzorů, díky nimž se řeč člověka stává rozhraním pro jejich spojení se zařízením. K vytvoření široké škály MEMS mikrofonů pro použití v takových souvislostech byla použita technologie mikrovýroby polovodičů společnosti TDK.

Pro řešení potřeby potlačení RF a ESD šumu v MEMS mikrofonech poskytuje TDK vzorkovou audio sadu (obrázek 8). Tento produkt kombinuje mikrofony TDK InvenSense MEMS s MAF filtry na potlačení šumu a pásmovými zádržemi AVRF ESD. Tyto filtry jsou navrženy tak, aby odstraňovaly typické problémy v audio vedeních, a zároveň nabízely další výhody, jako je zlepšení citlivosti příjmu v bezdrátové nebo mobilní komunikaci.

Obrázek 8: vzorková audio sada od společnosti TDK. (Zdroj: TDK)

Vzorková audio sada, která poskytuje potlačení šumu a elektrostatických výbojů pro reproduktorová a mikrofonní vedení, obsahuje následující součásti:

• 20 MEMS mikrofonů
• 80 odrušovacích filtrů řady MAF
• 120 ESD pásmových zádrží řady AVRF

Hlavní vlastnosti řešení se vzorkovou audio sadou:

• Zlepšení citlivosti příjmu mobilní a Wi-Fi komunikace
• Vysoká kvalita zvuku díky nízkému zkreslení vlivem nízkým charakteristik THD+N
• Potlačení šumu TDMA
• Malá degradace signálu díky nízkému odporu
• Dosažení potlačení rušení vlivem elektrostatických výbojů (ESD) i šumu

Závěr

Kombinované použití odrušovacích filtrů a ESD pásmových zádrží poskytuje účinná opatření na potlačení šumu, který ovlivňuje bezdrátové náhlavní soupravy a mikrofony. Vzorková audio sada od společnosti TDK představuje řešení k okamžitému použití obsahující všechny komponenty, které mohou konstruktéři při návrhu bezdrátových audio zařízení využívat k potlačení RF šumu bez narušení kvality zvuku.