Äänentoistolaitteiden kohinan vähentämisstrategiat

Äänentoistotekniikan perustavoitteena on virheetön äänenlaatu. Ei-halutut akustiset häiriöt, kuten sihinä, surina tai interferenssi, voivat kuitenkin heikentää huomattavasti yleistä äänenlaatua. Näillä häiriöillä on erityinen merkitys puhuttaessa kuulokkeista ja mikrofoneista, koska käyttäjät haluavat tarkan äänentoiston, jossa ääni toistetaan muuttumattomana.

Tässä artikkelissa tarkastellaan erilaisia lähestymistapoja ei-haluttujen häiriöiden vähentämiseksi äänentoistolaitteissa, kuten kuulokkeissa ja mikrofoneissa. TDK:n audionäytesarja on esimerkki ratkaisusta, joka tarjoaa kaikki tarvittavat komponentit mikrofonilinjojen kohinanvaimennukseen ja ESD-vastatoimiin äänenlaatua heikentämättä.

Bluetoothin ja TWS:n yleistyminen

Bluetooth-tekniikka oli alun perin tarkoitettu handsfree-kommunikaatioon. Bluetooth-sovelluksien määrä kasvoi kuitenkin nopeasti, ja ne kattavat nyt monenlaisia laitteita, kuten kuulokkeita, kaiuttimia, autojärjestelmiä jne. Tämän tekniikan alhainen energiankulutus ja yleinen yhteensopivuus ovat tehneet siitä korvaamattoman osan jatkuvasti laajenevaa yhteenkytkettyjen laitteiden ekosysteemiä.

True Wireless Stereo (TWS) syntyi sen jälkeen, kun Bluetoothista tuli langattoman äänensiirron de facto -standardi. TWS-kuulokkeet veivät langattoman äänensiirron idean askeleen pidemmälle erottamalla korvaosat toisistaan (ei johtoa). Tämä oli alkuna kannettavan musiikin uudelle aikakaudelle. Pienet, langattomat kuulokkeet edustivat suuntausta kohti yksinkertaisempia ja kannettavampia musiikkilaitteita. TWS-teknologia vapautti kuluttajat ja mahdollisti suuremman liikkuvuuden ja mukavuuden.

Monet musiikin ja audiokulutuksen uusimmista suuntauksista ovat riippuvaisia älypuhelinpalveluista, kuten sisällön langattomasta suoratoistosta Bluetooth-kaiuttimilla ja -kuulokkeilla. Vaikka kaiuttimista ja kuulokkeista on tullut äänentoiston standardi, virheettömän äänenlaadun saavuttamiseen Bluetooth-kuulokkeiden, -kaiuttimien ja -ääniavustinmikrofonien kaltaisissa äänentoistolaitteissa liittyy muutamia esteitä.

Langattomiin äänentoistolaitteisiin liittyvät ongelmat

Johdottomat äänentoistolaitteet ovat monin tavoin käteviä. Koska nämä laitteet perustuvat kuitenkin langattomaan signaaliin, niissä esiintyy ongelmia todennäköisemmin kuin langallisissa kuulokkeissa, mikrofoneissa tai kaiuttimissa.

Langattomissa laitteissa RF-linkin laatu vaikuttaa lähetykseen, vastaanottoon, laitteen suorituskykyyn ja akun kestoikään. Aina kun RF-toimintoja integroidaan pieniin langattomiin laitteisiin, piirilevyjohtimet ja kunkin audiotulon ja -lähdön johtoliitännät sijaitsevat yleensä pakostakin lähellä antennia. Tämän läheisyyden vuoksi antennin lähettämät RF-signaalit voivat aiheuttaa EMI-häiriöitä ja heikentää äänenlaatua siirrettäessä ääntä mikrofoniin tai kaiuttimeen. Tämä ongelma, joka tunnetaan yleisesti ylikuulumisena, vaikuttaa signaalin eheyteen.

Vastaavasti paristokäyttöisissä kannettavissa musiikkilaitteissa käytettävissä digitaalisissa vahvistimissa käytettävä kytkentätaajuus voi aiheuttaa kohinaa ja luoda erilaisia harmonisia yliaaltoja. Nämä harmoniset yliaallot muodostavat uhan antennin RF-lähtösignaaleille ja RF-tulosignaaleille. Koska antenni ja johto ovat niin lähellä toisiaan, niiden välillä esiintyy kytkeytymistä, mikä heikentää vastaanottoherkkyyttä. Kaikki nämä mahdolliset EMI-häiriölähteet on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1: Tyypillinen langaton audiokonfiguraatio ja potentiaaliset häiriölähteet. (Lähde: TDK)

RF-kohinan vähentäminen kaiutinlinjoissa

Bluetooth Classic Audio -tekniikkaa käytettäessä laitteet vaihtavat dataa säännöllisin väliajoin, toisin kuin BLE Audio -tekniikassa. Kun audiovahvistimeen syötetään RF-signaali, sen epälineaarisuus synnyttää verhokäyrä-aaltomuodon. Tämä verhokäyrä-aaltomuoto on tunnistettavissa taustakohinana, kun se lähetetään kaiuttimiin yhdessä kuunneltavan signaalin kanssa. Tämäntyyppistä kohinaa kutsutaan yleisesti aikajakoiseksi dupleksointikohinaksi (TDD), aikajakoiseksi moniliittymäkohinaksi (TDMA) tai yksinkertaisesti ”surinaksi”.

Tämä RF-verhokäyrä-aaltomuotoon liittyvä ongelma esiintyy Bluetooth-sovellusten lisäksi myös matkapuhelinverkko- ja Wi-Fi-tekniikassa. GSM-moduulit generoivat puhelun aikana RF-purskelähetyksen 4,615 ms:n välein. Kun se säteilee akustiseen piiriin, RF-purskeen verhokäyrä-aaltomuoto voi tuottaa korvinkuultavaa TDMA-kohinaa 217 Hz:n taajuudella sekä siihen liittyviä harmonisia yliaaltoja (kuva 2).

Kuva 2: Miten TDMA-kohina syntyy GSM-kommunikaatiossa. (Lähde: TDK)

Kaiuttimen ja Bluetooth-järjestelmäpiirin välinen standardi johdollinen kytkentä on esitetty kuvassa 3. Tällöin johdollinen kytkentä poimii RF-signaalin ja välittää sen järjestelmäpiiriin.

Kuva 3: RF-signaali, joka vaikuttaa äänentoistoon johdollisissa kaiutinlinjoissa. (Lähde: TDK)

Siksi RF-verhokäyrä-aaltomuodon tuottama kuultava kohina ja antennipiirin poimimat RF-signaalit täytyy suodattaa ennen kuin ne syötetään kaiuttimeen. Tärkein kohinan vaimennusstrategia on verhokäyrä-aaltomuodon synnyttävän Bluetooth-RF-signaalin (2,4 GHz:n taajuusalue) voimakkuuden vähentäminen. Vaimennus on mahdollista saavuttaa pienten passiivisuodattimien perusteellisella tuntemuksella ja huolellisella tutkimuksella. Kohinaa voidaan vähentää TDK:n MAF-sarjaan kuuluvilla suodattimilla.

Sirumuotoisia ferriittirajoittimia käytetään yleensä taustakohinan vähentämiseen audiokaapeleissa. Ne on valmistettu ferriittiytimen sisäpuolelle laminoidusta kelasta. Siruytimen impedanssi määritellään kelan reaktanssin ja AC-vastuksen perusteella. Reaktanssikomponentti vastaa pääasiassa kohinan heijastuksesta matalilla taajuuksilla, kun taas AC-resistanssikomponentti vastaa pääasiassa kohinan vaimennuksesta ja lämmöntuotannosta korkeilla taajuuksilla.

TDK on luonut uudenlaisen ferriittimateriaalin, jonka säröytymä on alhaista ja joka vaimentaa tehokkaasti häiriöitä. Monikerroksisten sirukomponenttien MAF-sarja kehitettiin kasvavia markkinoita varten, kannettavien elektroniikkalaitteiden, kuten älypuhelinten, audiokanavien kohinanvaimennukseen. MAF-sarjan kirjaimet M, A ja F tulevat sanoista "Multilayer" (monikerroksinen), "High-Fi Audio" ja "Noise Suppression Filter" (kohinanvaimennussuodatin).

Mikrofonin ja kaiuttimen yhdistävän johdotuksen suojaus sähköstaattiselta purkaukselta (ESD) on myös tarpeen, koska TWS-kuulokkeet ovat käytön aikana fyysisessä kosketuksessa käyttäjän käsien kanssa. TDK on suunnitellut kaistanestosuodattimen (AVRF-sarja) pienentämään tätä mahdollista ongelmaa suojaamalla audiosignaalilinjat sähkömagneettisilta häiriöiltä (EMI) ja staattiselta purkaukselta (ESD). Kuvassa 4 esitetään erilaisten AVRF-kaistanestosuodattimien kytkentähäviö taajuuden funktiona.

Kuva 4: Kytkentähäviö taajuuden funktiona TDK:n erilaisilla AVRF-kaistanestosuodattimilla. (Lähde: TDK)

Yhdistämällä MAF-sarjan kohinanvaimennussuodatin (ja sen sarjainduktori) sekä AVRF-sarjan kaistanestosuodatin (ja sen sarjakondensaattori) saadaan kuvassa 5 esitetty alipäästölähtösuodatin. Tämä kokoonpano tarjoaa korkeat vaimennusominaisuudet 2,4 GHz:n taajuusalueella ja estää tällaisen kohinan pääsyn audiovahvistimeen. Tämän ansiosta verhokäyrä-aaltomuoto ei generoi ei-haluttua kohinaa.

Kuva 5: (a) Konfiguraatio MAF- ja AVRF-suodattimilla, (b) vastaavan suodatetun signaalin FFT, (c) korkea vaimennus keskitetty 2,4 GHz:n taajuusalueen ympärille. (Lähde: TDK)

RF-kohinan vähentäminen mikrofonilinjoissa

Samalla tavalla kuin kaiutinlinjojen kohdalla, Bluetooth RF-signaalin transponoituminen mikrofonilinjoihin johtaa verhokäyrä-aaltomuotoon, joka lähetetään audioprosessorin tuloon. Audioprosessori lähettää sitten ei-halutun kuultavan kohinan kaiuttimiin. Kuva 6 näyttää yhden mahdollisen reitin langattoman Bluetooth-signaalin siirtymiselle johdolliseen kytkentään mikrofonipiirissä. Kohina yhdistyy käsittelyn jälkeen alkuperäiseen audiosignaaliin.

Kuva 6: RF-signaali heikentää äänenlaatua johdollisissa mikrofonikytkennöissä. (Lähde: TDK)

MAF-suodattimet ovat tavallisia sirumuotoisia ferriittirajoittimia parempi valinta kohinan tehokkaaseen minimointiin, koska niiden impedanssi on korkeampi ja niiden kohinanvaimennus on alhaisempi 2,4 GHz:n taajuudella. MAF-suodatin voi kasvattaa vaimennusta matalilla taajuuksilla ja vähentää kuultavaa lähtökohinaa niin, ettei sitä pysty kuulemaan.

MAF + AVRF -ratkaisu estää harmonisen kokonaissärön ja kohinan (THD+N) lisääntymisen, toisin kuin tavallisten sirumuotoisten ferriittirajoittimien ja monikerroksisten keraamisten kondensaattoreiden (MLCC) käyttö. Harmonista säröä ei synny, koska MAF- tai AVRF-komponentit eivät aiheuta jännitteen tai virran epälineaarisia vaihteluita omilla toiminta-alueillaan. Signaalin särön suhteen MAF + AVRF -ratkaisua ei voida käytännössä erottaa ratkaisusta, jossa suodatinta ei ole laisinkaan.

Kuvassa 7 on esitetty TWS-kuulokkeiden vastaanottoherkkyys vaimennuksella ja ilman vaimennusta. Vastaanottoherkkyys parani noin 6 dB sen jälkeen, kun MAF-, AVRF- ja MAF + AVRF -vastatoimet otettiin käyttöön, sillä ne kaikki vaimentavat kohinaa Bluetooth 2,4 GHz -taajuusalueella.

Kuva 7: TWS-kuulokkeiden vastaanottoherkkyys suodattimien kanssa ja ilman suodattimia. (Lähde: TDK)

TDK:n audionäytesarja

Älylaitteet ja kulutuselektroniikka, kuten älykaiuttimet, ovat yleistymässä, kun yhteiskunta siirtyy kohti esineiden internetiä (IoT) ja verkkoon kytkettyjä tuotteita. Älykaiuttimien peruskomponentit ovat mikrofoneja, jotka toimivat myös ääniantureina luoden henkilön puheesta rajapinnan, joka yhdistää hänet laitteeseen. TDK:n puolijohteiden mikrovalmistustekniikkaa käytettiin rakennettaessa laaja valikoima erilaisia MEMS-mikrofoneja, joita voitaisiin käyttää tällä tavoin.

TDK tarjoaa audionäytesarjan MEMS-mikrofonien RF- ja ESD-kohinan vaimentamiseen (kuva 8). Tässä tuotteessa yhdistyvät TDK InvenSense MEMS -mikrofonit sekä MAF-kohinanvaimennussuodattimet ja AVRF ESD -kaistanestosuodattimet. Nämä suodattimet on suunniteltu erityisesti torjumaan tyypillisiä audiolinjojen ongelmia. Ne tarjoavat samalla sellaisia lisäetuja kuten vastaanottoherkkyyden parantaminen langattomassa viestinnässä ja matkapuhelinverkossa.

Kuva 8: TDK:n audionäytesarja. (Lähde: TDK)

Audionäytesarja tarjoaa kohinanvaimennuksen ja ESD-vastatoimet kaiutin- ja mikrofonilinjoille, ja sisältää seuraavat komponentit:

• 20 MEMS-mikrofonia
• 80 MAF-sarjan kohinanvaimennussuodatinta
• 120 AVRF-sarjan ESD-kaistanestosuodatinta.

Audionäytesarjan tärkeimpiin ominaisuuksiin kuuluvat:

• matkapuhelin- ja Wi-Fi-viestinnän vastaanottoherkkyyden parantaminen
• korkea äänenlaatu ja särötön ääni, koska TDH+N-arvot ovat alhaiset
• TDMA-kohinan vaimentaminen
• signaalin heikkeneminen vähäistä alhaisen resistanssin ansiosta
• sekä ESD- että kohinavastatoimien saavuttaminen.

Yhteenveto

Kohinanvaimennussuodattimien ja ESD-kaistanestosuodattimien käyttö yhdessä tarjoaa tehokkaan vastakeinon langattomia kuulokkeita ja mikrofoneja häiritsevää kohinaa vastaan. TDK:n audionäytesarja on käyttövalmis ratkaisu, joka sisältää kaikki komponentit, joita suunnittelijat voivat käyttää RF-kohinan vaimentamiseen langattomissa audioratkaisuissaan äänenlaadusta tinkimättä.