Strategii de atenuare a zgomotului în dispozitivele audio

În tehnologia audio, calitatea impecabilă a sunetului este un obiectiv fundamental. Cu toate acestea, perturbațiile auditive nedorite, cum ar fi șuieratul, bâzâitul sau interferențele, pot afecta considerabil calitatea generală a sunetului. Aceste perturbații au o importanță deosebită în contextul căștilor și al microfoanelor, deoarece utilizatorii caută o reproducere exactă și nealterată a sunetului.

Acest articol examinează diferite abordări pentru reducerea zgomotului nedorit în dispozitivele audio, cum ar fi căștile și microfoanele. Kitul de eșantionare audio de la TDK este menționat ca exemplu de soluție ce oferă toate componentele necesare pentru suprimarea zgomotului și contramăsurile ESD pentru liniile de microfon fără a degrada calitatea sunetului.

Ascensiunea Bluetooth și TWS

Tehnologia Bluetooth a fost inițial destinată comunicării hands-free. Acestea fiind spuse, aplicațiile Bluetooth s-au dezvoltat rapid, iar acum includ o varietate de dispozitive, cum ar fi căști, difuzoare, sisteme auto și multe altele. Consumul redus de energie și compatibilitatea universală au făcut din această tehnologie o componentă indispensabilă a ecosistemului în continuă expansiune al dispozitivelor conectate.

True Wireless Stereo (TWS) a apărut după ce Bluetooth a devenit standardul de facto pentru transmisia audio fără fir. Căștile TWS au dus cu un pas mai departe ideea sunetului fără fir, dezlegând fiecare cască. Acesta a fost începutul unei noi ere în muzica portabilă. Căștile mici, fără fir, au reprezentat o tendință către echipamente muzicale mai simple și mai portabile. Tehnologia TWS i-a eliberat pe consumatori, oferindu-le o mai mare mobilitate și confort sporit.

Multe dintre cele mai recente tendințe în materie de consum de muzică și audio depind de serviciile oferite de smartphone-uri, cum ar fi streamingul wireless de conținut către difuzoare și căști Bluetooth. Deși difuzoarele și căștile au devenit standardul pentru ieșirea audio, obținerea unei calități sonore impecabile în dispozitive audio precum căștile Bluetooth, difuzoarele și microfoanele pentru asistenți vocali prezintă câteva obstacole.

Probleme care afectează dispozitivele audio fără fir

Echipamentele audio fără conexiuni prin cablu sunt convenabile din mai multe puncte de vedere. Totuși, deoarece aceste dispozitive se bazează pe un semnal fără fir, este mai probabil să întâmpine probleme decât căștile, microfoanele sau difuzoarele cu fir.

În cazul dispozitivelor fără fir, transmisia, recepția, performanța dispozitivului și durata de viață a bateriei sunt afectate de calitatea legăturii RF. Ori de câte ori capacitatea RF este integrată în dispozitive wireless de mici dimensiuni, traseele PCB și interconexiunile de cablare pentru fiecare intrare și ieșire audio sunt plasate de obicei în apropierea antenei. Din cauza acestei proximități, atunci când semnalul audio este trimis către microfon sau difuzor, semnalele RF emise de antenă pot crea zgomot EMI și pot scădea calitatea audio. Această problemă, cunoscută sub numele de diafonie, afectează integritatea semnalului.

În mod similar, comutarea care are loc în amplificatoarele digitale utilizate în echipamentele muzicale portabile alimentate cu baterii poate emite zgomot, creând armonici multiple. Aceste armonici reprezintă o amenințare pentru semnalele RF de ieșire și de intrare ale antenei. Deoarece antena și firul sunt atât de apropiate, se produce o cuplare, ceea ce duce la scăderea sensibilității de recepție. Toate aceste posibile surse de zgomot EMI sunt prezentate în Figura 1.

Figura 1: O configurație audio wireless tipică cu surse potențiale de zgomot. (Sursa: TDK)

Atenuarea zgomotului RF în liniile difuzoarelor

Atunci când se utilizează sunetul Bluetooth clasic, spre deosebire de sunetul BLE, dispozitivele fac schimb de date la intervale regulate. Când un semnal RF intră într-un amplificator audio, se produce o formă de undă de tip anvelopă, ca urmare a efectelor neliniare. Această formă de undă tip anvelopă este detectabilă ca zgomot de fond atunci când este transmisă către difuzoare împreună cu semnalul dorit. Acest tip de zgomot este denumit în mod obișnuit zgomot Time Division Duplexing (TDD), zgomot Time Division Multiple Access (TDMA) sau, pur și simplu, „bâzâit”.

Această dificultate legată de forma de undă de tip anvelopă radio RF se manifestă nu numai în aplicațiile Bluetooth, ci și în rețelele celulare și Wi-Fi. În timpul unei convorbiri telefonice, modulele GSM generează o transmisie RF în rafală la fiecare 4,615 ms. Atunci când este radiată către un circuit acustic, forma de undă în anvelopă a rafalei RF poate produce un zgomot TDMA audibil la o frecvență de 217 Hz, împreună cu armonicele aferente (Figura 2).

Figura 2: Cum este generat zgomotul TDMA în comunicațiile GSM. (Sursa: TDK)

În Figura 3 se prezintă o conexiune standard cu fir între un difuzor și un SoC Bluetooth. În acest caz, conexiunile cablate captează semnalul RF și îl propagă către SoC.

Figura 3: Un semnal de radiofrecvență care afectează sunetul pe liniile difuzoarelor cu fir. (Sursa: TDK)

Prin urmare, este necesară filtrarea zgomotului audibil produs de forma de undă tip anvelopă RF și a oricărui semnal RF preluat de circuitul antenei înainte ca acestea să ajungă la difuzor. Reducerea intensității semnalului de radiofrecvență Bluetooth (banda de 2,4 GHz) care generează forma de undă tip anvelopă este principala strategie de atenuare. Atenuarea se poate realiza printr-o înțelegere aprofundată a filtrelor pasive mici și printr-un studiu atent. Zgomotul poate fi redus cu ajutorul unor filtre precum cele din seria MAF de la TDK.

Perlele de ferită sunt utilizate de obicei pentru a reduce zgomotul de fond în cablurile audio. Acestea sunt alcătuite dintr-o bobină laminată pe interiorul unui miez de ferită. Impedanța unei perle de ferită este definită în funcție de reactanța și rezistența c.a. a bobinei. Componenta de reactanță este responsabilă în principal pentru reflectarea zgomotului în gama de frecvențe joase, în timp ce componenta de rezistență c.a. este responsabilă în principal pentru absorbția zgomotului și pentru generarea de căldură în gama de frecvențe înalte.

TDK a creat un nou material de ferită care este atât cu distorsiune redusă, cât și eficient la anularea zgomotului. Seria MAF de componente cu cipuri multistrat a fost dezvoltată ca răspuns la piața emergentă de produse de anulare a zgomotului în liniile audio ale dispozitivelor electronice portabile, cum ar fi smartphone-urile. Literele M, A și F din MAF înseamnă Multilayer, High-Fi Audio și Noise Suppression Filter (Multistrat, Audio de fidelitate ridicată și Filtru de suprimare a zgomotului).

De asemenea, este nevoie de protecție împotriva descărcărilor electrostatice (ESD) pentru cablajul care conectează microfonul și difuzorul, deoarece căștile TWS intră în contact fizic cu mâinile utilizatorului atunci când sunt utilizate. TDK a proiectat un filtru oprește-bandă (seria AVRF) pentru a atenua această problemă potențială prin protejarea liniilor de semnal audio împotriva interferențelor electromagnetice (EMI) și a descărcărilor statice (ESD). Pierderea la inserție în funcție de performanța la diferite frecvențe a mai multor filtre oprește-bandă AVRF este prezentată în Figura 4.

Figura 4: Pierderea la inserție în funcție de frecvență pentru diferite filtre oprește-bandă TDK AVRF. (Sursa: TDK)

Combinarea unui filtru de suprimare a zgomotului MAF (cu inductorul său în serie) și a unui filtru oprește-bandă AVRF (cu condensatorul său în serie) duce la obținerea filtrului de ieșire trece-jos prezentat în Figura 5. Această configurație produce caracteristici de atenuare ridicate în banda de 2,4 GHz și împiedică accesul zgomotului relevant la amplificatorul audio. Drept urmare, forma de undă tip anvelopă nu generează niciun zgomot nedorit.

Figura 5: (a) Configurație cu filtrele MAF și AVRF, (b) FFT a semnalului filtrat corespunzător, (c) Atenuare ridicată centrată în jurul benzii de 2,4 GHz. (Sursa: TDK)

Atenuarea zgomotului RF în liniile de microfon

La fel ca în cazul liniilor de difuzoare, transpunerea unui semnal RF Bluetooth pe liniile de microfon rezultă într-o formă de undă tip anvelopă care este trimisă la intrarea procesorului audio. Procesorul audio va trimite apoi zgomotul audibil nedorit către difuzoare. Figura 6 prezintă o posibilă cale de transformare a semnalului Bluetooth fără fir într-o conexiune cu fir în cadrul circuitului microfonului. Zgomotul este cuplat la semnalul audio original după procesare.

Figura 6: Un semnal de radiofrecvență care afectează sunetul la conexiunile de microfon cu fir. (Sursa: TDK)

Pentru a minimiza în mod eficient zgomotul, filtrele MAF sunt o alegere mai bună decât perlele de ferită obișnuite datorită impedanței lor mai mari și atenuării mai mici a zgomotului în frecvența de 2,4 GHz. Un filtru MAF poate reduce zgomotul de ieșire audibil până la niveluri nedetectabile prin creșterea atenuării la frecvențele joase.

Soluția MAF + AVRF previne o creștere a THD+N, spre deosebire de utilizarea perlelor obișnuite de ferită și a condensatoarelor ceramice multistrat (MLCC). Nu există nicio distorsiune armonică, deoarece nici componentele MAF și nici componentele AVRF nu creează variații neliniare ale tensiunii sau curentului în intervalele lor operaționale respective. În ceea ce privește distorsiunea semnalului, soluția MAF + AVRF este practic imposibil de distins de cea care nu folosește niciun filtru.

Rezultatul sensibilității de recepție a căștilor TWS cu și fără atenuare este prezentat în Figura 7. După introducerea contramăsurilor MAF, AVRF și MAF + AVRF, toate având efecte de reducere a zgomotului în banda Bluetooth 2,4 GHz, s-a observat o îmbunătățire a sensibilității de recepție cu aproximativ 6 dB.

Figura 7: Sensibilitatea de recepție în căștile TWS cu și fără filtre. (Sursa: TDK)

Kitul de eșantionare audio TDK

Aparatele electrocasnice inteligente și produsele electronice de consum, cum ar fi difuzoarele inteligente, sunt tot mai utilizate, pe măsură ce societatea se îndreaptă spre Internetul lucrurilor (IoT) și produsele conectate. Componentele fundamentale ale difuzoarelor inteligente sunt microfoanele, care funcționează, de asemenea, ca senzori de sunet, transformând vorbirea unei persoane într-o interfață pentru conectarea cu dispozitivul. Tehnologia TDK de micro-fabricare a semiconductorilor a fost utilizată pentru a construi o gamă largă de microfoane MEMS pentru utilizare în astfel de contexte.

Pentru a răspunde necesității de a suprima zgomotul RF și ESD în microfoanele MEMS, TDK oferă Kitul de eșantionare audio (Figura 8). Acest produs combină microfoanele TDK InvenSense MEMS cu filtrele de suprimare a zgomotului MAF și filtrele de atenuare ESD AVRF. Aceste filtre sunt concepute pentru a combate în mod specific problemele tipice ale liniilor audio, oferind în același timp beneficii suplimentare, cum ar fi îmbunătățirea sensibilității recepției în comunicațiile fără fir sau celulare.

Figura 8: Kitul de eșantionare audio TDK. (Sursa: TDK)

Asigurând suprimarea zgomotului și contramăsuri ESD pentru liniile de difuzoare și microfoane, kitul de eșantionare audio include următoarele componente:

• 20 de microfoane MEMS
• 80 de filtre de suprimare a zgomotului din seria MAF
• 120 de filtre oprește-bandă ESD din seria AVRF

Principalele caracteristici ale kitului de eșantionare pentru soluțiile audio sunt:

• Îmbunătățirea sensibilității de recepție a comunicațiilor celulare și Wi-Fi
• Calitatea ridicată a sunetului ca urmare a distorsiunii scăzute datorate caracteristicilor THD+N scăzute
• Suprimarea zgomotului TDMA
• Degradarea scăzută a semnalului ca urmare a rezistenței scăzute
• Realizarea atât a contramăsurilor ESD, cât și a contramăsurilor de zgomot

Concluzie

Utilizarea combinată a filtrelor de suprimare a zgomotului și a filtrelor ESD oferă o contramăsură eficientă împotriva zgomotului care afectează căștile și microfoanele fără fir. Kitul de eșantionare audio TDK este o soluție gata de utilizare care include toate componentele pe care inginerii le pot folosi pentru a reduce zgomotul RF în proiectele lor audio wireless, fără a compromite calitatea sunetului.