如何抑制藍(lán)牙音頻設(shè)備的噪聲和提升其音質(zhì)?

近年來無需有線連接的無線音頻得到日益普及。隨著高分辨音源的增加、手機(jī)App音樂訂閱服務(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。此類新音頻服務(wù)的利用大多以智能手機(jī)為中心，通過藍(lán)牙(Bluetooth)連接輸出音頻的揚(yáng)聲器或耳機(jī)。

前言

近年來無需有線連接的無線音頻得到日益普及。隨著高分辨音源的增加、手機(jī)App音樂訂閱服務(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。此類新音頻服務(wù)的利用大多以智能手機(jī)為中心，通過藍(lán)牙(Bluetooth)連接輸出音頻的揚(yáng)聲器或耳機(jī)。

TWS(真無線立體聲)藍(lán)牙耳機(jī)的出現(xiàn)改善了耳機(jī)佩戴的舒適性，打開主動(dòng)降噪功能后即使在嘈雜環(huán)境中也無需提高播放音量，亦無需擔(dān)心耳機(jī)聲音的外漏。此外，帶有藍(lán)牙功能的播放器在工作時(shí)不需要有線連接，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)，但必須使用無線信號(hào)工作的特點(diǎn)也使其會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一些有線設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)的問題。本期推文就為您介紹在藍(lán)牙音頻設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)的問題及其對(duì)策示例。

射頻信號(hào)及其對(duì)設(shè)備的影響

對(duì)于擺脫了有線連接的無線連接設(shè)備來說，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。在小型無線設(shè)備中，電路板或各種輸入/輸出的布線會(huì)與用于發(fā)送和接收的天線距離較近。而天線輸出的射頻信號(hào)如果被麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等的音頻線吸收就會(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)字放大器的開關(guān)動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致音頻線路產(chǎn)生諧波，干擾天線收發(fā)的藍(lán)牙射頻信號(hào)。此外，天線與音頻線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)致天線性能劣化以及接收靈敏度降低。

圖1 射頻信號(hào)和對(duì)操作的影響示意圖

揚(yáng)聲器線路中的噪聲問題

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)根據(jù)非線性效應(yīng)而輸出包絡(luò)波形。由于這種包絡(luò)波形的頻率在可聽范圍內(nèi)，因此會(huì)與音頻一起從揚(yáng)聲器輸出，變?yōu)槟苈牭降脑肼?TDD噪聲)。

RF射頻無線電的包絡(luò)波形引起的可聽噪聲問題并不是藍(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)聲器線路中的噪聲問題示意圖

噪音示例1 揚(yáng)聲器線路

揚(yáng)聲器線路中的噪聲對(duì)策

由于包絡(luò)波形引起的噪聲在可聽頻率范圍內(nèi)，若使用濾波器對(duì)其進(jìn)行過濾，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)。這可通過添加一個(gè)小的無源過濾器來實(shí)現(xiàn)，比如TDK的MAF系列噪聲抑制過濾器。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)線路的射頻噪聲和ESD問題。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展示了將音頻線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)聲器線路的噪聲對(duì)策

示例2 揚(yáng)聲器噪音對(duì)策

麥克風(fēng)線路中的噪聲問題

當(dāng)藍(lán)牙射頻信號(hào)進(jìn)入到麥克風(fēng)線路時(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)聲器線路噪音的發(fā)生機(jī)制類似。來自麥克風(fēng)的噪聲會(huì)令聽眾不愉快，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)線路中的噪聲問題

示例3 麥克風(fēng)線路中的噪聲

麥克風(fēng)線路中的噪聲對(duì)策

圖7展示了將噪聲抑制濾波器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，可聽頻段的噪聲也降低到聽不見的水平。

圖7 麥克風(fēng)線路的噪聲對(duì)策

示例4 麥克風(fēng)線路的噪聲對(duì)策

那么，采取什么樣的噪音對(duì)策不會(huì)降低音質(zhì)?對(duì)于TWS耳機(jī)，為何通信質(zhì)量下降的問題時(shí)有發(fā)生?對(duì)于接收靈敏度下降的問題，又應(yīng)該使用怎樣的噪聲抑制元件?

審核編輯：湯梓紅