Strategier for å dempe støy i lydenheter

I lydteknologi er upåklagelig lydkvalitet et grunnleggende mål. Ikke desto mindre kan uønskede lydsforstyrrelser, for eksempel brusing, summing eller interferens, forringe den generelle lydkvaliteten betydelig. Disse forstyrrelsene har spesiell betydning i forbindelse med hodetelefoner og mikrofoner, siden brukerne søker nøyaktig og uendret lydreplikering.

Denne artikkelen undersøker ulike tilnærminger for å redusere uønsket støy i lydenheter som hodetelefoner og mikrofoner. Samplingssett for lyd (Audio Sample Kit) fra TDK er referert til som et eksempel på en løsning som gir alle komponentene som kreves for støydemping og ESD-mottiltak for mikrofonlinjer uten å forringe lydkvaliteten.

Fremveksten av Bluetooth og TWS

Bluetooth-teknologien var opprinnelig beregnet på håndfri kommunikasjon. Når det er sagt, vokste Bluetooth-applikasjoner raskt til å inkludere en rekke enheter som hodetelefoner, høyttalere, bilsystemer og mer. Teknikkens lave energiforbruk og universelle kompatibilitet har gjort den til en uunnværlig komponent i det stadig voksende økosystemet av tilkoblede enheter.

True Wireless Stereo (TWS) oppsto etter at Bluetooth ble de facto-standarden for trådløs lydoverføring. TWS-hodetelefonene tok ideen om trådløs lyd et skritt videre, og løsnet hvert ørestykke. Dette var starten på en ny tidsalder innen bærbar musikk. De bittesmå, ledningsfrie hodetelefonene representerte en trend mot enklere, mer bærbart musikkutstyr. TWS-teknologien frigjorde forbrukerne, noe som ga dem større mobilitet og bekvemmelighet.

Mange av de nyeste trendene innen musikk- og lydforbruk avhenger av smarttelefontjenester som trådløs strømming av innhold til Bluetooth-høyttalere og ørepropper. Selv om høyttalere og ørepropper har blitt standard for lydutgang, gir det noen hindringer å oppnå feilfri lydkvalitet i lydenheter som Bluetooth-ørepropper, høyttalere og stemmeassistentmikrofoner.

Problemer som påvirker trådløse lydenheter

Lydutstyr uten kablede tilkoblinger er praktisk på mange måter. Men fordi disse enhetene er avhengige av et trådløst signal, er de mer sannsynlig å oppleve problemer enn kablede hodetelefoner, mikrofoner eller høyttalere.

I trådløse enheter påvirkes overføring, mottak, enhetsytelse og batterilevetid av kvaliteten på RF-koblingen. Når RF-funksjonen er integrert i små trådløse enheter, plasseres PCB-sporene og ledningsforbindelsene for hver lydinngang og -utgang vanligvis nær antennen. På grunn av denne nærheten, når lyd sendes til mikrofonen eller høyttaleren, kan RF-signalene som sendes ut av antennen, skape EMI-støy og redusere lydkvaliteten. Dette problemet, vanligvis kjent som krysstale, påvirker signalintegriteten.

På samme måte kan vekslingen som skjer i digitale forsterkere som brukes i batteridrevet bærbart musikkutstyr avgi støy, noe som skaper flere harmonier. Disse harmoniske utgjør en trussel mot antennens utgangs- og inngangs RF-signaler. Siden antennen og ledningen er så tett sammen, oppstår kobling, noe som resulterer i redusert mottakssensitivitet. Alle disse mulige EMI-støykildene er vist i figur 1.

Figur 1: En typisk trådløs lydkonfigurasjon med potensielle støykilder. (Kilde: TDK)

Redusere RF-støy i høyttalerlinjer

Når du bruker Bluetooth Classic Audio, i motsetning til BLE-lyd, utveksler enheter data med jevne mellomrom. Når et RF-signal mates inn i en lydforsterker, produseres en konvoluttbølgeform på grunn av ikke-lineære effekter. Denne konvoluttbølgeformen kan detekteres som bakgrunnsstøy når den overføres til høyttalerne sammen med det tiltenkte signalet. Denne typen støy blir ofte referert til som TDD-støy (Time Division Duplexing), TDMA-støy (Time Division Multiple Access), eller bare «summing».

Denne vanskeligheten med RF-radiokonvoluttbølgeformen manifesterer seg ikke bare i Bluetooth-utrustninger, men også i mobilnettverk og Wi-Fi. Under en telefonsamtale genererer GSM-moduler en RF-serieoverføring hver 4,615 ms. Når den utstråles til en akustisk krets, kan innhyllingsbølgeformen til RF-utbruddet produsere hørbar TDMA-støy med en frekvens på 217 Hz sammen med relaterte harmoniske (figur 2).

Figur 2: Hvordan TDMA-støy genereres i GSM-kommunikasjon. (Kilde: TDK)

En standard kablet tilkobling mellom en høyttaler og en Bluetooth SoC er vist i figur 3. Her plukker de kablede tilkoblingene opp RF-signalet og forplanter det til SoC.

Figur 3: Et RF-signal som påvirker lyden på kablede høyttalerlinjer. (Kilde: TDK)

Derfor er det nødvendig å filtrere ut den hørbare støyen som produseres av RF-omhyllingsbølgeformen og eventuelle RF-signaler som plukkes opp av antennekretsen før de mates inn i høyttaleren. Den viktigste reduksjonsstrategien er å redusere styrken til Bluetooth RF-signalet (2,4 GHz-båndet) som genererer konvoluttbølgeformen. Reduksjon er oppnåelig gjennom en grundig forståelse av små passive filtre og nøye undersøkelse. Støy kan reduseres med filtre som de som finnes i TDKs MAF-serie.

Ferrittblokker (ferrittstøyfilter) brukes vanligvis til å redusere bakgrunnsstøyen i lydkabler. De er laget av en spole laminert på innsiden av en ferrittkjerne. Impedansen til en ferrittblokker (ferrittstøyfilter) er definert i form av reaktansen og AC-motstanden til spolen. Reaktanskomponenten er hovedsakelig ansvarlig for støyrefleksjon i lavfrekvensområdet, mens AC-motstandskomponenten er primært ansvarlig for støyabsorpsjon og varmegenerering i høyfrekvensområdet.

TDK har laget et nytt ferrittmateriale som både har lav forvrengning og er effektivt til å kansellere ut støy. MAF-serien med flerlags brikkekomponenter ble utviklet som svar på det fremvoksende markedet for støyreduksjon i lydlinjene til bærbare elektroniske enheter som smarttelefoner. Bokstavene M, A og F i MAF står for henholdsvis flerlags, lyd med høy gjengivelsestroskap (Hi-Fi) og støydempingsfilter.

Elektrostatisk utladning (ESD) beskyttelse for ledningene som kobler mikrofonen og høyttaleren er også nødvendig, siden TWS-hodetelefoner kommer i fysisk kontakt med brukerens hender når de brukes. TDK har utformet et båndsperrefilter (båndstoppfilter) (AVRF-serien) for å redusere dette potensielle problemet ved å skjerme audiosignallinjer fra elektromagnetisk interferens (EMI) og statisk utladning (ESD). Innskuddsdempning (innsettingstap) i forhold til frekvensytelsen til flere AVRF-båndsperrefilter er vist i figur 4.

Figur 4: Innsettingstap vs. frekvens for forskjellige TDK AVRF-båndsperrefiltre. (Kilde: TDK)

Ved å kombinere et MAF-serie støydempingsfilter (med sin serieinduktor) og et båndsperrefilter (med sin seriekondensator) i AVRF-serie frembringer lavpassutgangsfilteret vist i figur 5. Dette oppsettet gir høye dempningsegenskaper i 2,4 GHz-båndet og forhindrer at relevant støy får tilgang til lydforsterkeren. Som et resultat genererer ikke konvoluttbølgeformen noen uønsket støy.

Figur 5: (a) Konfigurasjon med MAF- og AVRF-filtre, (b) FFT av det tilsvarende filtrerte signalet, (c) Høy demping sentrert rundt 2,4 GHz-båndet. (Kilde: TDK)

Demper RF-støy i mikrofonlinjer

På samme måte som det gjør med høyttalerlinjer, vil transponering av et Bluetooth RF-signal på mikrofonlinjer resultere i en konvoluttbølgeform som sendes til lydprosessorens inngang. Lydprosessoren vil da sende den uønskede hørbare støyen til høyttalerne. Figur 6 viser en mulig rute for det trådløse Bluetooth-signalet som skal konverteres til en kablet forbindelse i mikrofonens krets. Støyen kobles til det opprinnelige lydsignalet etter behandling.

Figur 6: Et RF-signal som påvirker lyden på kablede høyttalerlinjer. (Kilde: TDK)

For effektivt å minimere støy, er MAF-filtre et bedre valg enn vanlige sponkuler på grunn av deres høyere impedans og lavere støydemping i 2,4 GHz-frekvensen. Et MAF-filter kan redusere hørbar utgangsstøy til ikke-detekterbare nivåer ved å øke dempningen ved lavere frekvenser.

MAF + AVRF-løsningen forhindrer en økning i THD+N, i motsetning til bruk av vanlige ferrittflisperler og flerlags keramiske kondensatorer (multilayer ceramic capacitors – MLCC). Det er ingen harmonisk forvrengning siden verken MAF- eller AVRF-komponentene skaper ikke-lineære variasjoner i spenning eller strøm innenfor deres respektive driftsområder. Når det kommer til signalforvrengning, er MAF + AVRF-løsningen praktisk talt umulig å skille fra å ikke bruke noe filter i det hele tatt.

Resultatet av TWS-ørepluggenes mottaksfølsomhet med og uten demping er vist i figur 7. Omtrent 6 dB av mottak av sensitivitetsforbedring ble sett etter innføringen av MAF-, AVRF- og MAF + AVRF-mottiltak, som alle har støyreduksjonseffekter i Bluetooth 2,4 GHz-båndet.

Figur 7: Mottak av følsomhet i TWS-øreplugger med og uten filtre. (Kilde: TDK)

Samplingssett for lyd fra TDK

Smarte apparater og forbrukerelektronikk som smarte høyttalere øker etter hvert som samfunnet beveger seg mot tingenes internett (IoT) og tilkoblede produkter. De grunnleggende komponentene i smarte høyttalere er mikrofoner, som også fungerer som lydsensorer, noe som gjør en persons tale til et grensesnitt for å koble dem til enheten. TDKs mikrofabrikasjonsteknologi for halvledere ble brukt til å bygge et bredt spekter av MEMS-mikrofoner for bruk i slike sammenhenger.

For å dekke behovet for å dempe RF- og ESD-støy i MEMS-mikrofoner, tilbyr TDK et samplingssett for lyd (figur 8). Dette produktet kombinerer TDK InvenSense MEMS-mikrofoner med MAF-støydempingsfiltre og AVRF ESD-båndsperrefilter. Disse filtrene er spesielt utviklet for å bekjempe vanlige problemer i lydlinjer, samtidig som de gir flere fordeler, for eksempel bedre mottakssensitivitet i trådløs eller mobil kommunikasjon.

Figur 8: Samplingssett for lyd fra TDK. (Kilde: TDK)

Samplingssettet for lyd inneholder følgende komponenter som gir støydemping og ESD-mottak for høyttaler- og mikrofonlinjer:

• MEMS-mikrofoner
• 80 MAF-serien støydempende filtre
• 120 AVRF-serien ESD-båndsperrefiltre (båndstoppfiltre – notch filters)

Hovedfunksjonene i lydløsningens prøvesett er:

• Forbedret mottakssensitivitet for mobil- og Wi-Fi-kommunikasjon
• Høy lydkvalitet på grunn av lav forvrengning på grunn av lave THD+ N-egenskaper
• Demping av TDMA-støy
• Liten signalforringelse på grunn av lav motstand
• Oppnåelse av både ESD og støy-mottiltak

Konklusjon

Den kombinerte bruken av støydempingsfiltre og ESD-båndsperrefilter gir et effektivt mottiltak mot støy som påvirker trådløse hodetelefoner og mikrofoner. TDKs samplingssettet for lyd er en bruksklar løsning som inkluderer alle komponentene ingeniører kan bruke for å dempe RF-støy i deres trådløse lyddesign, uten at det går på bekostning av lydkvaliteten.