藍牙音頻設備的噪聲抑制和音質提升

藍牙音頻設備的噪聲抑制和音質提升

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App的音樂訂閱服務的興起，不使用CD等傳統媒體的網絡音頻受眾也在不斷擴大。此類新音頻服務的利用大多以智能手機為中心，通過藍牙(Bluetooth)連接輸出音頻的揚聲器或耳機。TWS（真無線立體聲）藍牙耳機的出現改善了佩戴的舒適性，打開主動降噪功能后即使在嘈雜環境中也無需提高播放音量，使用時無需擔心耳機聲音的外漏。此外，帶有藍牙功能的播放器工作時不需要有線連接，播放設備之間能夠自由切換，配備電池驅動和內置放大器后就是可以隨身攜帶的便攜式音箱。

雖然藍牙音頻 (Bluetooth Audio) 設備具有輕巧便捷等諸多優點，但必須使用無線信號工作的特點也使其會經常出現一些有線設備不會出現的問題。
在本文中，我們將介紹在藍牙音頻設計中會出現的問題及其對策示例。

射頻信號及其對設備的影響

對于擺脫了有線連接的無線連接設備來說，決定數據收發性能的射頻連接質量（接收靈敏度）會影響到其工作和電池壽命。在小型無線設備中，電路板或各種輸入/輸出的布線會與用于發送和接收的天線距離較近。
天線輸出的射頻信號如果被麥克風、揚聲器等的音頻線吸收就會變成射頻噪聲，從而導致音頻質量降低。
另一方面，音頻設備上使用的數字放大器的開關動作會導致音頻線路產生諧波，干擾天線收發的藍牙射頻信號。
此外，天線與音頻線路之間的距離如果較近,還會發生電磁耦合現象，這也會導致天線性能劣化接收靈敏度降低。

圖1：射頻信號和對操作的影響示意圖

揚聲器線路中的噪聲問題

Bluetooth Classic Audio的通信方式(TDD通信)是以固定周期進行的，但是當射頻信號進入到音頻放大器時，會由于非線性效應而輸出包絡波形。由于這種包絡波形的頻率在可聽范圍內，因此會與音頻一起從揚聲器輸出，變為能聽到的噪聲。（TDD噪聲）
RF射頻無線電的包絡波形引起的可聽噪聲問題并不是藍牙獨有的，而是在蜂窩系統和Wi-Fi中也會出現的一種現象。

圖2：揚聲器線路中的噪聲問題示意圖

揚聲器線路的噪聲對策

由于包絡波形引起的噪聲在可聽頻率范圍內，若使用濾波器對其進行過濾，音頻信號也會發生衰減，從而影響揚聲器輸出。因此適用于揚聲器線路的噪聲對策是應該盡量衰減導致包絡波形產生的藍牙射頻信號（2.4GHz頻段）。這可通過添加一個小的無源過濾器來實現，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耳機在使用時是經常會用手觸碰的產品，外部的靜電很容易通過麥克風和揚聲器進入設備內部，因此與藍牙SoC相連的電路部分需要采取防ESD措施。TDK已推出具有ESD保護功能的陷波濾波器產品，可同時應對音頻信號線路的射頻噪聲和ESD問題。圖4顯示了帶ESD保護功能的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表示將音頻線路用噪聲抑制濾波器MAF系列和帶ESD保護功能的陷波濾波器AVRF系列組合形成濾波器時的插入損耗特性。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進入音頻放大器，不會因包絡波形而產生噪聲。

圖5：揚聲器線路的噪聲對策

麥克風線路中的噪聲問題

當藍牙射頻信號進入到麥克風線路時，同樣會形成包絡波形并與麥克風的輸入信號結合，與揚聲器線路噪音的發生機制類似。
來自麥克風的噪聲會令聽眾不愉快。此外，此噪音也是降噪麥克風發生故障的原因。

圖6：麥克風線路中的噪聲問題

麥克風線路的噪聲對策

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線路時的效果。
貼片壓敏電阻在2.4GHz頻段的阻抗不足導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：麥克風線路的噪聲對策

改用不會降低音質的噪聲對策

傳統的噪聲對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因電流和電壓發生非線性的變化，因此將這些產品插入到音頻線路時，提高音頻放大器的輸出會導致諧波失真，并從揚聲器輸出。此時，聽起來像是附加了高音分量，聲音中的高音被增強。
圖8表示未使用噪聲抑制元件和使用噪聲抑制元件時測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。因此需要權衡噪聲抑制效果和音質。若選用這類噪聲對策，其結果會不可避免地導致音質下降。
另一方面，相比于不使用噪聲抑制元件，當使用MAF和AVRF時的THD+N沒有上升。從THD+N的測量結果來看，MAF和AVRF的特定不會因揚聲器的電壓和電流發生非線性變化，因此不會發生諧波失真，與不使用濾波電路時一樣。如此一來，揚聲器能毫無失真地輸出來自音頻放大器的信號。
*THD+N：總諧波失真 + 噪聲
在音頻特性中，與音質相關性較高的特性，數值越小代表音質越好。

圖8：不同噪音對策下的音頻放大器的輸出比較

音頻聲譜(f=1kHz, Po=10mW)

TWS耳機中通信質量下降的問題（發生通信錯誤）

在真無線立體聲TWS藍牙耳機中，揚聲器部分始終要在電路板上布線，其與天線的耦合不可忽視。
此外，當揚聲器由開關式數字放大器驅動時，高速開關過程中產生的諧波噪聲會從揚聲器線路中釋放出來。雖然這種噪聲很微弱，但距離天線僅20mm不到，所以會干擾微弱的藍牙射頻信號。
此外，由于揚聲器線路和麥克風線路非常接近，所以與天線的耦合更容易受到影響。
來自音頻配線的噪聲與天線的耦合會導致靈敏度下降，但這些都不容易確認。如果TWS耳機和藍牙連接的設備距離很近，可以互相接收到很強的無線電波，那么來自音頻接線的噪聲干擾幾乎沒有影響，能保持通信且不會出現數據錯誤。
但是如果藍牙通信距離較長或有屏蔽物，天線接收到的無線電波會減弱。此時如果射頻頻段有噪聲干擾，TWS耳機的接收靈敏度特性會降低，數據會出現錯誤，導致操作中斷，甚至雙方設備無法相互確認對方的存在，無線連接斷開。

圖9：TWS耳機框圖

使用噪聲抑制元件應對接收靈敏度下降的問題

什么樣的對策既能有效防止揚聲器線路的輻射噪聲和與天線的耦合，又能解決接收靈敏度降低的問題呢？
我們認為，對于放大器的諧波噪聲，可使用具有電感量和電容量的元件，通過反射噪聲和將噪聲引向地線來消除藍牙2.4GHz頻段中的噪聲輻射。此外，插入噪聲抑制元件，可減少與天線的耦合，從而改善接收狀態。

圖10：使用噪聲抑制元件解決靈敏度降低問題的示意圖

揚聲器線路噪音導致的接收靈敏度下降的改善成果

我們用藍牙音頻信號發射器和TWS耳機播放音樂，降低發射器側射頻輸出，并在播放聲音開始中斷時確認TWS耳機的接收靈敏度。
當噪聲抑制組件插入到揚聲器線路時，直至接收狀態非常弱時聲音也不會中斷，，因此可以認為干擾天線的噪聲降低了。
通過在用于藍牙通信的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接收靈敏度下降的改善成果對比

針對噪聲對策和ESD對策推薦的產品

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

圖12：TWS耳機的音頻電路示例

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

圖13：MAF系列音頻線路用噪聲抑制元件的產品陣容

圖14表示帶ESD保護功能的AVRF系列陷波濾波器。

圖14：音頻線路用噪聲+ESD對策元件，AVRF系列

結論

對于TWS這類應用，不僅要在大小有限的封裝內納入所有元件，還須克服諸多問題。而小型化趨勢的發展，同樣給應用帶來了諸多顧慮，比如各種電路之間的相互干擾，尤其是天線RF信號的噪聲可能會干擾揚聲器或麥克風連接線，或者其中某個噪聲會干擾RF天線的電路。為此，TDK專門開發了一種無源元件解決方案，不僅能濾波/衰減不必要的可聽噪聲源，還不會導致目標信號失真。目前，文中提及的MAF系列噪聲抑制濾波器和AVRF系列ESD陷波濾波器以實現量產，其中AVRF系列不僅具有濾波功能，還擁有超高水平的ESD保護功能。

審核編輯：湯梓紅