Strategieën voor het onderdrukken van ruis in audioapparatuur

In audiotechnologie is een onberispelijke geluidskwaliteit een fundamentele doelstelling. Desondanks kunnen ongewenste auditieve storingen, zoals gesis, gezoem of interferentie, de algehele geluidskwaliteit aanzienlijk aantasten. Deze storingen hebben een speciale betekenis in de context van hoofdtelefoons en microfoons omdat gebruikers een nauwkeurige en onveranderde geluidsweergave willen.

Dit artikel onderzoekt verschillende benaderingen voor het verminderen van ongewenste ruis in audioapparatuur zoals hoofdtelefoons en microfoons. De TDK Audio Sample Kit wordt genoemd als voorbeeld van een oplossing die alle componenten biedt die nodig zijn voor ruisonderdrukking en ESD-tegenmaatregelen voor microfoonlijnen zonder dat dit ten koste gaat van de geluidskwaliteit.

De opkomst van Bluetooth en TWS

Bluetooth-technologie was oorspronkelijk bedoeld voor handsfree communicatie. Dat gezegd hebbende, groeiden de Bluetooth-toepassingen snel uit tot een verscheidenheid aan apparaten zoals headsets, luidsprekers, autosystemen en meer. Het lage energieverbruik en de universele compatibiliteit van de technologie hebben het tot een onmisbaar onderdeel gemaakt van het voortdurend uitbreidende ecosysteem van aangesloten apparaten.

True Wireless Stereo (TWS) ontstond nadat Bluetooth de de facto standaard werd voor draadloze audiotransmissie. Door het idee van draadloze audio nog een stap verder te brengen, ontkoppelen de TWS-oortelefoons elk oorstukje. Dit was het begin van een nieuw tijdperk in draagbare muziek. De kleine, draadvrije oortjes vertegenwoordigden een trend naar eenvoudigere, meer draagbare muziekapparatuur. De TWS-technologie bevrijdde consumenten en zorgde voor meer mobiliteit en gemak.

Veel van de nieuwste trends in muziek- en audioconsumptie zijn afhankelijk van smartphonediensten zoals draadloze contentstreaming naar Bluetooth-speakers en oordopjes. Hoewel luidsprekers en oordopjes de standaard zijn geworden voor audio-uitvoer, is het verkrijgen van een vlekkeloze geluidskwaliteit in audio-apparaten zoals Bluetooth-oordopjes, luidsprekers en microfoons voor spraakassistenten niet eenvoudig.

Problemen met draadloze audioapparaten

Audioapparatuur zonder bekabelde verbindingen is in veel opzichten handig. Omdat deze apparaten echter afhankelijk zijn van een draadloos signaal, is de kans op problemen groter dan bij bedrade koptelefoons, microfoons of luidsprekers.

In draadloze apparaten worden transmissie, ontvangst, prestaties van het apparaat en de levensduur van de batterij allemaal beïnvloed door de kwaliteit van de RF-verbinding. Wanneer RF-mogelijkheden worden geïntegreerd in kleine draadloze apparaten, worden de printsporen en de bedradingsinterconnecties voor elke audio-ingang en -uitgang meestal dicht bij de antenne geplaatst. Door deze nabijheid kunnen de RF-signalen die door de antenne worden uitgezonden EMI-ruis veroorzaken en de geluidskwaliteit verminderen wanneer audio naar de microfoon of luidspreker wordt gestuurd. Dit probleem, algemeen bekend als overspraak, beïnvloedt de signaalintegriteit.

Ook het schakelen dat plaatsvindt in digitale versterkers die worden gebruikt in draagbare muziekapparatuur die op batterijen werkt, kan ruis veroorzaken, waardoor meerdere harmonischen ontstaan. Deze harmonischen vormen een bedreiging voor de RF-uitgangs- en ingangssignalen van de antenne. Omdat de antenne en de draad zo dicht bij elkaar staan, treedt er koppeling op, wat resulteert in een verminderde ontvangstgevoeligheid. Al deze mogelijke bronnen van EMI-ruis worden getoond in Afbeelding 1.

Afbeelding 1: Een typische draadloze audioconfiguratie met potentiële ruisbronnen. (Bron: TDK)

RF-ruis in luidsprekerlijnen beperken

Als u Bluetooth Classic Audio gebruikt, in tegenstelling tot BLE-audio, wisselen apparaten regelmatig gegevens uit. Wanneer een RF-signaal wordt toegevoerd aan een audioversterker, wordt een omhullende golfvorm geproduceerd als gevolg van niet-lineaire effecten. Deze omhullende golfvorm is detecteerbaar als achtergrondruis wanneer deze samen met het bedoelde signaal naar de luidsprekers wordt verzonden. Dit type ruis wordt gewoonlijk Time Division Duplexing (TDD)-ruis, Time Division Multiple Access (TDMA)-ruis of gewoon "zoem"-ruis genoemd.

Dit probleem met de RF-radiogolfvorm doet zich niet alleen voor bij Bluetooth-toepassingen, maar ook bij mobiele netwerken en Wi-Fi. Tijdens een telefoongesprek genereren GSM-modules om de 4,615 ms een RF burst-transmissie. Wanneer deze wordt uitgestraald naar een akoestisch circuit, kan de omhullende golfvorm van de RF burst hoorbare TDMA ruis produceren met een frequentie van 217 Hz samen met gerelateerde harmonischen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Hoe TDMA-ruis wordt gegenereerd in GSM-communicatie. (Bron: TDK)

Een standaard bedrade verbinding tussen een luidspreker en een Bluetooth SoC wordt getoond in Afbeelding 3. Hier pikken de bekabelde verbindingen het RF-signaal op en geven het door aan de SoC.

Afbeelding 3: Een RF-signaal dat het geluid op bedrade luidsprekerlijnen beïnvloedt. (Bron: TDK)

Daarom is het noodzakelijk om de hoorbare ruis die wordt geproduceerd door de RF-golfvorm en alle RF-signalen die worden opgepikt door het antennecircuit uit te filteren voordat ze naar de luidspreker worden gevoerd. Het verminderen van de sterkte van het Bluetooth RF-signaal (2,4 GHz band) dat de omhullende golfvorm genereert is de belangrijkste strategie. Mitigatie is mogelijk door een grondig begrip van kleine passieve filters en zorgvuldige studie. Ruis kan worden verminderd door filters zoals die in de MAF-serie van TDK.

Chipbeads worden meestal gebruikt om achtergrondruis in audiokabels te verminderen. Ze bestaan uit een spoel die aan de binnenkant van een ferrietkern is gelamineerd. De impedantie van een chipkraal wordt gedefinieerd in termen van de reactantie en wisselstroomweerstand van de spoel. De reactantiecomponent is vooral verantwoordelijk voor de weerkaatsing van het geluid in het lage frequentiebereik, terwijl de wisselstroomweerstandscomponent vooral verantwoordelijk is voor de absorptie van het geluid en de warmteontwikkeling in het hoge frequentiebereik.

TDK heeft een nieuw ferrietmateriaal ontwikkeld dat zowel weinig vervorming als effectieve ruisonderdrukking biedt. De MAF-serie meerlaagse chipcomponenten is ontwikkeld als antwoord op de opkomende markt voor ruisonderdrukking in de audiolijnen van draagbare elektronische apparaten zoals smartphones. De letters M, A en F in MAF staan respectievelijk voor Multilayer, High-Fi Audio en Noise Suppression Filter.

Elektrostatische ontlading (ESD) bescherming voor de bedrading die de microfoon en de luidspreker verbindt is ook nodig, omdat TWS-oortelefoons in fysiek contact komen met de handen van de gebruiker wanneer ze gebruikt worden. TDK heeft een notchfilter (AVRF-serie) ontworpen om dit potentiële probleem te beperken door audiosignaallijnen af te schermen van elektromagnetische interferentie (EMI) en statische ontlading (ESD). De insertieverlies- versus frequentieprestaties van verschillende AVRF-notchfilters worden getoond in Afbeelding 4.

Figuur 4: Insertieverlies- versus frequentie voor verschillende TDK AVRF-notchfilters. (Bron: TDK)

De combinatie van een MAF-serie ruisonderdrukkingsfilter (met zijn seriespoelen) en een AVRF-serie notchfilter (met zijn seriecondensator) levert het laagdoorlaat uitgangsfilter op dat in Afbeelding 5 wordt getoond. Deze opstelling produceert hoge dempingskarakteristieken in de 2,4 GHz band en voorkomt dat relevante ruis toegang krijgt tot de audioversterker. Hierdoor genereert de omhullende golfvorm geen ongewenste ruis.

Afbeelding 5: (a) Configuratie met MAF- en AVRF-filters, (b) FFT van het overeenkomstige gefilterde signaal, (c) Hoge verzwakking gecentreerd rond de 2,4 GHz-band. (Bron: TDK)

RF-ruis in microfoonlijnen onderdrukken

Op dezelfde manier als bij luidsprekerlijnen resulteert het transponeren van een Bluetooth RF-signaal naar microfoonlijnen in een omhullende golfvorm die naar de ingang van de audioprocessor wordt gestuurd. De audioprocessor stuurt dan het ongewenste hoorbare geluid naar de luidsprekers. Afbeelding 6 toont één mogelijke route voor het draadloze Bluetoothsignaal om omgezet te worden in een bedrade verbinding binnen het circuit van de microfoon. De ruis wordt na verwerking gekoppeld aan het originele audiosignaal.

Afbeelding 6: Een RF-signaal dat het geluid op bedrade microfoonaansluitingen beïnvloedt. (Bron: TDK)

Om ruis effectief te minimaliseren zijn MAF-filters een betere keuze dan gewone chip beads vanwege hun hogere impedantie en lagere ruisverzwakking in de 2,4 GHz frequentie. Een MAF-filter kan hoorbare uitgangsruis reduceren tot ondetecteerbare niveaus door de demping bij lagere frequenties te verhogen.

De MAF + AVRF-oplossing voorkomt een toename van THD+N, in tegenstelling tot het gebruik van gewone ferriet-chipkralen en meerlagige keramische condensators (MLCC's). Er is geen harmonische vervorming omdat noch de MAF noch de AVRF-componenten niet-lineaire variaties in spanning of stroom veroorzaken binnen hun respectieve operationele bereiken. Wat betreft signaalvervorming is de MAF + AVRF-oplossing praktisch niet te onderscheiden van het gebruik van helemaal geen filter.

Het resultaat van de ontvangstgevoeligheid van de TWS-oordopjes met en zonder mitigatie wordt getoond in Afbeelding 7. Ongeveer 6 dB verbetering van de ontvangstgevoeligheid werd gezien na de introductie van MAF, AVRF, en MAF + AVRF-tegenmaatregelen, die allemaal ruisonderdrukkingseffecten hebben in de Bluetooth 2,4 GHz band.

Afbeelding 7: Ontvangstgevoeligheid in TWS-oordopjes met en zonder filters. (Bron: TDK)

TDK's Audio Sample Kit

Slimme apparaten en consumentenelektronica zoals slimme speakers zijn in opmars nu de maatschappij zich ontwikkelt in de richting van het Internet of Things (IoT) en verbonden producten. De fundamentele onderdelen van slimme speakers zijn microfoons, die ook werken als geluidssensore, waardoor de spraak van een persoon een interface wordt om hem te verbinden met het apparaat. De microfabricagetechnologie van TDK voor halfgeleiders werd gebruikt om een breed scala aan MEMS-microfoons te bouwen voor gebruik in dergelijke contexten.

Om RF- en ESD-ruis in MEMS-microfoons te onderdrukken, levert TDK de Audio Sample Kit (Afbeelding 8). Dit product combineert TDK InvenSense MEMS-microfoons met MAF-ruisonderdrukkingsfilters en AVRF ESD-notchfilters. Deze filters zijn speciaal ontworpen om typische problemen in audiolijnen tegen te gaan, terwijl ze extra voordelen bieden zoals het verbeteren van de ontvangstgevoeligheid in draadloze of mobiele communicatie.

Afbeelding 8: TDK's Audio Sample Kit (Bron: TDK)

De Audio Sample Kit biedt ruisonderdrukking en ESD-tegenmaatregelen voor luidspreker- en microfoonlijnen en bevat de volgende onderdelen:

• 20 MEMS-microfoons
• 80 MAF-serie ruisonderdrukkingsfilters
• 120 ESD-notchfilters uit de AVRF-serie

De belangrijkste kenmerken van de sample kit voor audio-oplossingen zijn:

• Verbetering van de ontvangstgevoeligheid van mobiele en Wi-Fi-communicatie
• Hoge geluidskwaliteit door lage vervorming dankzij lage THD+N-karakteristieken
• Onderdrukking van TDMA-ruis
• Kleine signaaldegradatie door lage weerstand
• Verwezenlijking van zowel ESD- als ruistegenmaatregelen

Conclusie

Het gecombineerde gebruik van ruisonderdrukkingsfilters en ESD-notchfilters biedt een effectieve tegenmaatregel tegen ruis die invloed heeft op draadloze headsets en microfoons. TDK's Audio Sample Kit is een kant-en-klare oplossing met alle componenten die technici kunnen gebruiken om RF-ruis in hun draadloze audio-ontwerpen te beperken zonder afbreuk te doen aan de geluidskwaliteit.