藍(lán)牙音頻設(shè)備的噪聲抑制和音質(zhì)提升

近年來(lái)無(wú)需有線(xiàn)連接的無(wú)線(xiàn)音頻得到日益普及。隨著高分辨音源的增加、手機(jī)App的音樂(lè)訂閱服務(wù)的興起，不使用CD等傳統(tǒng)媒體的網(wǎng)絡(luò)音頻受眾也在不斷擴(kuò)大。此類(lèi)新音頻服務(wù)的利用大多以智能手機(jī)為中心，通過(guò)藍(lán)牙(Bluetooth)連接輸出音頻的揚(yáng)聲器或耳機(jī)。TWS（真無(wú)線(xiàn)立體聲）藍(lán)牙耳機(jī)的出現(xiàn)改善了佩戴的舒適性，打開(kāi)主動(dòng)降噪功能后即使在嘈雜環(huán)境中也無(wú)需提高播放音量，使用時(shí)無(wú)需擔(dān)心耳機(jī)聲音的外漏。此外，帶有藍(lán)牙功能的播放器工作時(shí)不需要有線(xiàn)連接，播放設(shè)備之間能夠自由切換，配備電池驅(qū)動(dòng)和內(nèi)置放大器后就是可以隨身攜帶的便攜式音箱。

雖然藍(lán)牙音頻 (Bluetooth Audio) 設(shè)備具有輕巧便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，但必須使用無(wú)線(xiàn)信號(hào)工作的特點(diǎn)也使其會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一些有線(xiàn)設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。
在本文中，我們將介紹在藍(lán)牙音頻設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題及其對(duì)策示例。

射頻信號(hào)及其對(duì)設(shè)備的影響

對(duì)于擺脫了有線(xiàn)連接的無(wú)線(xiàn)連接設(shè)備來(lái)說(shuō)，決定數(shù)據(jù)收發(fā)性能的射頻連接質(zhì)量（接收靈敏度）會(huì)影響到其工作和電池壽命。在小型無(wú)線(xiàn)設(shè)備中，電路板或各種輸入/輸出的布線(xiàn)會(huì)與用于發(fā)送和接收的天線(xiàn)距離較近。
天線(xiàn)輸出的射頻信號(hào)如果被麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等的音頻線(xiàn)吸收就會(huì)變成射頻噪聲，從而導(dǎo)致音頻質(zhì)量降低。
另一方面，音頻設(shè)備上使用的數(shù)字放大器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致音頻線(xiàn)路產(chǎn)生諧波，干擾天線(xiàn)收發(fā)的藍(lán)牙射頻信號(hào)。
此外，天線(xiàn)與音頻線(xiàn)路之間的距離如果較近,還會(huì)發(fā)生電磁耦合現(xiàn)象，這也會(huì)導(dǎo)致天線(xiàn)性能劣化接收靈敏度降低。

圖1：射頻信號(hào)和對(duì)操作的影響示意圖

揚(yáng)聲器線(xiàn)路中的噪聲問(wèn)題

Bluetooth Classic Audio的通信方式(TDD通信)是以固定周期進(jìn)行的，但是當(dāng)射頻信號(hào)進(jìn)入到音頻放大器時(shí)，會(huì)由于非線(xiàn)性效應(yīng)而輸出包絡(luò)波形。由于這種包絡(luò)波形的頻率在可聽(tīng)范圍內(nèi)，因此會(huì)與音頻一起從揚(yáng)聲器輸出，變?yōu)槟苈?tīng)到的噪聲。（TDD噪聲）
RF射頻無(wú)線(xiàn)電的包絡(luò)波形引起的可聽(tīng)噪聲問(wèn)題并不是藍(lán)牙獨(dú)有的，而是在蜂窩系統(tǒng)和Wi-Fi中也會(huì)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。

圖2：揚(yáng)聲器線(xiàn)路中的噪聲問(wèn)題示意圖

揚(yáng)聲器線(xiàn)路的噪聲對(duì)策

由于包絡(luò)波形引起的噪聲在可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)，若使用濾波器對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，音頻信號(hào)也會(huì)發(fā)生衰減，從而影響揚(yáng)聲器輸出。因此適用于揚(yáng)聲器線(xiàn)路的噪聲對(duì)策是應(yīng)該盡量衰減導(dǎo)致包絡(luò)波形產(chǎn)生的藍(lán)牙射頻信號(hào)（2.4GHz頻段）。這可通過(guò)添加一個(gè)小的無(wú)源過(guò)濾器來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如TDK的MAF系列噪聲抑制過(guò)濾器。圖3顯示了MAF0603GW抑制器（/Z/）的頻率特性。

圖3 : MAF0603GW抑制器（/Z/）的頻率特性

此外，TWS耳機(jī)在使用時(shí)是經(jīng)常會(huì)用手觸碰的產(chǎn)品，外部的靜電很容易通過(guò)麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，因此與藍(lán)牙SoC相連的電路部分需要采取防ESD措施。TDK已推出具有ESD保護(hù)功能的陷波濾波器產(chǎn)品，可同時(shí)應(yīng)對(duì)音頻信號(hào)線(xiàn)路的射頻噪聲和ESD問(wèn)題。圖4顯示了帶ESD保護(hù)功能的AVRF系列陷波濾波器的插入損耗頻率特性（左）和放電電壓波形（右）。

圖4 : AVRF系列陷波濾波器的插入損耗頻率特性（左）和放電電壓波形（右）

圖5表示將音頻線(xiàn)路用噪聲抑制濾波器MAF系列和帶ESD保護(hù)功能的陷波濾波器AVRF系列組合形成濾波器時(shí)的插入損耗特性。由于在2.4GHz頻段具有較大的衰減特性，因此能防止射頻信號(hào)進(jìn)入音頻放大器，不會(huì)因包絡(luò)波形而產(chǎn)生噪聲。

圖5：揚(yáng)聲器線(xiàn)路的噪聲對(duì)策

麥克風(fēng)線(xiàn)路中的噪聲問(wèn)題

當(dāng)藍(lán)牙射頻信號(hào)進(jìn)入到麥克風(fēng)線(xiàn)路時(shí)，同樣會(huì)形成包絡(luò)波形并與麥克風(fēng)的輸入信號(hào)結(jié)合，與揚(yáng)聲器線(xiàn)路噪音的發(fā)生機(jī)制類(lèi)似。
來(lái)自麥克風(fēng)的噪聲會(huì)令聽(tīng)眾不愉快。此外，此噪音也是降噪麥克風(fēng)發(fā)生故障的原因。

圖6：麥克風(fēng)線(xiàn)路中的噪聲問(wèn)題

麥克風(fēng)線(xiàn)路的噪聲對(duì)策

圖7表示將噪聲抑制濾波器MAF和通用貼片壓敏電阻作為噪聲抑制元件插入到麥克風(fēng)線(xiàn)路時(shí)的效果。
貼片壓敏電阻在2.4GHz頻段的阻抗不足導(dǎo)致噪聲的衰減也不足，但MAF可使噪聲被大幅衰減，可聽(tīng)頻段的噪聲也降低到聽(tīng)不見(jiàn)的水平。

圖7：麥克風(fēng)線(xiàn)路的噪聲對(duì)策

改用不會(huì)降低音質(zhì)的噪聲對(duì)策

傳統(tǒng)的噪聲對(duì)策常使用貼片壓敏電阻和積層電容器。由于貼片壓敏電阻和積層電容器的特性會(huì)因電流和電壓發(fā)生非線(xiàn)性的變化，因此將這些產(chǎn)品插入到音頻線(xiàn)路時(shí)，提高音頻放大器的輸出會(huì)導(dǎo)致諧波失真，并從揚(yáng)聲器輸出。此時(shí)，聽(tīng)起來(lái)像是附加了高音分量，聲音中的高音被增強(qiáng)。
圖8表示未使用噪聲抑制元件和使用噪聲抑制元件時(shí)測(cè)得的音頻放大器輸出的THD+N特性(*)。
如果使用貼片壓敏電阻和積層電容器，如圖中的紅線(xiàn)所示，THD+N將隨著放大器輸出的提高而顯著上升。因此需要權(quán)衡噪聲抑制效果和音質(zhì)。若選用這類(lèi)噪聲對(duì)策，其結(jié)果會(huì)不可避免地導(dǎo)致音質(zhì)下降。
另一方面，相比于不使用噪聲抑制元件，當(dāng)使用MAF和AVRF時(shí)的THD+N沒(méi)有上升。從THD+N的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，MAF和AVRF的特定不會(huì)因揚(yáng)聲器的電壓和電流發(fā)生非線(xiàn)性變化，因此不會(huì)發(fā)生諧波失真，與不使用濾波電路時(shí)一樣。如此一來(lái)，揚(yáng)聲器能毫無(wú)失真地輸出來(lái)自音頻放大器的信號(hào)。
*THD+N：總諧波失真 + 噪聲
在音頻特性中，與音質(zhì)相關(guān)性較高的特性，數(shù)值越小代表音質(zhì)越好。

圖8：不同噪音對(duì)策下的音頻放大器的輸出比較

音頻聲譜(f=1kHz, Po=10mW)

TWS耳機(jī)中通信質(zhì)量下降的問(wèn)題（發(fā)生通信錯(cuò)誤）

在真無(wú)線(xiàn)立體聲TWS藍(lán)牙耳機(jī)中，揚(yáng)聲器部分始終要在電路板上布線(xiàn)，其與天線(xiàn)的耦合不可忽視。
此外，當(dāng)揚(yáng)聲器由開(kāi)關(guān)式數(shù)字放大器驅(qū)動(dòng)時(shí)，高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的諧波噪聲會(huì)從揚(yáng)聲器線(xiàn)路中釋放出來(lái)。雖然這種噪聲很微弱，但距離天線(xiàn)僅20mm不到，所以會(huì)干擾微弱的藍(lán)牙射頻信號(hào)。
此外，由于揚(yáng)聲器線(xiàn)路和麥克風(fēng)線(xiàn)路非常接近，所以與天線(xiàn)的耦合更容易受到影響。
來(lái)自音頻配線(xiàn)的噪聲與天線(xiàn)的耦合會(huì)導(dǎo)致靈敏度下降，但這些都不容易確認(rèn)。如果TWS耳機(jī)和藍(lán)牙連接的設(shè)備距離很近，可以互相接收到很強(qiáng)的無(wú)線(xiàn)電波，那么來(lái)自音頻接線(xiàn)的噪聲干擾幾乎沒(méi)有影響，能保持通信且不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。
但是如果藍(lán)牙通信距離較長(zhǎng)或有屏蔽物，天線(xiàn)接收到的無(wú)線(xiàn)電波會(huì)減弱。此時(shí)如果射頻頻段有噪聲干擾，TWS耳機(jī)的接收靈敏度特性會(huì)降低，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致操作中斷，甚至雙方設(shè)備無(wú)法相互確認(rèn)對(duì)方的存在，無(wú)線(xiàn)連接斷開(kāi)。

圖9：TWS耳機(jī)框圖

使用噪聲抑制元件應(yīng)對(duì)接收靈敏度下降的問(wèn)題

什么樣的對(duì)策既能有效防止揚(yáng)聲器線(xiàn)路的輻射噪聲和與天線(xiàn)的耦合，又能解決接收靈敏度降低的問(wèn)題呢？
我們認(rèn)為，對(duì)于放大器的諧波噪聲，可使用具有電感量和電容量的元件，通過(guò)反射噪聲和將噪聲引向地線(xiàn)來(lái)消除藍(lán)牙2.4GHz頻段中的噪聲輻射。此外，插入噪聲抑制元件，可減少與天線(xiàn)的耦合，從而改善接收狀態(tài)。

圖10：使用噪聲抑制元件解決靈敏度降低問(wèn)題的示意圖

揚(yáng)聲器線(xiàn)路噪音導(dǎo)致的接收靈敏度下降的改善成果

我們用藍(lán)牙音頻信號(hào)發(fā)射器和TWS耳機(jī)播放音樂(lè)，降低發(fā)射器側(cè)射頻輸出，并在播放聲音開(kāi)始中斷時(shí)確認(rèn)TWS耳機(jī)的接收靈敏度。
當(dāng)噪聲抑制組件插入到揚(yáng)聲器線(xiàn)路時(shí)，直至接收狀態(tài)非常弱時(shí)聲音也不會(huì)中斷，，因此可以認(rèn)為干擾天線(xiàn)的噪聲降低了。
通過(guò)在用于藍(lán)牙通信的2.4GHz頻段中插入具有噪聲衰減效果的MAF、AVRF和MAF+AVRF，可將接收靈敏度提高約6dB。

圖11：不同噪聲抑制器件對(duì)接收靈敏度下降的改善成果對(duì)比

針對(duì)噪聲對(duì)策和ESD對(duì)策推薦的產(chǎn)品

圖12是最新TWS耳機(jī)中的音頻電路示例。
音頻線(xiàn)路中使用了許多EMC+ESD部件，以提高音質(zhì)、提升降噪性能。

圖12：TWS耳機(jī)的音頻電路示例

圖13表示用于音頻線(xiàn)路的MAF系列噪聲抑制濾波器產(chǎn)品陣容。
請(qǐng)選用與所采取噪聲對(duì)策的頻段相匹配的產(chǎn)品。
與帶ESD保護(hù)功能的陷波濾波器AVRF形成組合濾波器，可以獲得更好的衰減效果。

圖13：MAF系列音頻線(xiàn)路用噪聲抑制元件的產(chǎn)品陣容

圖14表示帶ESD保護(hù)功能的AVRF系列陷波濾波器。

圖14：音頻線(xiàn)路用噪聲+ESD對(duì)策元件，AVRF系列

結(jié)論

對(duì)于TWS這類(lèi)應(yīng)用，不僅要在大小有限的封裝內(nèi)納入所有元件，還須克服諸多問(wèn)題。而小型化趨勢(shì)的發(fā)展，同樣給應(yīng)用帶來(lái)了諸多顧慮，比如各種電路之間的相互干擾，尤其是天線(xiàn)RF信號(hào)的噪聲可能會(huì)干擾揚(yáng)聲器或麥克風(fēng)連接線(xiàn)，或者其中某個(gè)噪聲會(huì)干擾RF天線(xiàn)的電路。為此，TDK專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一種無(wú)源元件解決方案，不僅能濾波/衰減不必要的可聽(tīng)噪聲源，還不會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)失真。目前，文中提及的MAF系列噪聲抑制濾波器和AVRF系列ESD陷波濾波器以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其中AVRF系列不僅具有濾波功能，還擁有超高水平的ESD保護(hù)功能。

審核編輯：湯梓紅