如何抑制藍牙音頻設(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大。此類新音頻服務(wù)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。

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大。此類新音頻服務(wù)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(xiàn)改善了耳機佩戴的舒適性，打開主動降噪功能后即使在嘈雜環(huán)境中也無需提高播放音量，亦無需擔心耳機聲音的外漏。此外，帶有藍牙功能的播放器在工作時不需要有線連接，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。

雖然藍牙音頻(Bluetooth Audio)設(shè)備具有輕巧便捷等諸多優(yōu)點，但必須使用無線信號工作的特點也使其會經(jīng)常出現(xiàn)一些有線設(shè)備不會出現(xiàn)的問題。本期推文就為您介紹在藍牙音頻設(shè)計中會出現(xiàn)的問題及其對策示例。

射頻信號及其對設(shè)備的影響

對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(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)動作會導(dǎo)致音頻線路產(chǎn)生諧波，干擾天線收發(fā)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(fā)生電磁耦合現(xiàn)象，這也會導(dǎo)致天線性能劣化以及接收靈敏度降低。

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)，因此會與音頻一起從揚聲器輸出，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牙獨有的，而是在蜂窩系統(tǒng)和Wi-Fi中也會出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。

圖2 揚聲器線路中的噪聲問題示意圖

噪音示例1 揚聲器線路

揚聲器線路中的噪聲對策

由于包絡(luò)波形引起的噪聲在可聽頻率范圍內(nèi)，若使用濾波器對其進行過濾，音頻信號也會發(fā)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(yīng)該盡量衰減導(dǎo)致包絡(luò)波形產(chǎn)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(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耳機在使用時是經(jīng)常會用手觸碰的產(chǎn)品，外部的靜電很容易通過麥克風和揚聲器進入設(shè)備內(nèi)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(chǎn)品，可同時應(yīng)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展示了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(luò)波形而產(chǎn)生噪聲。

圖5 揚聲器線路的噪聲對策

示例2 揚聲器噪音對策

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(luò)波形并與麥克風的輸入信號結(jié)合，與揚聲器線路噪音的發(fā)生機制類似。來自麥克風的噪聲會令聽眾不愉快，此噪音也是降噪麥克風發(fā)生故障的原因。

圖6：麥克風線路中的噪聲問題

示例3 麥克風線路中的噪聲

麥克風線路中的噪聲對策

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線路時的效果。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 麥克風線路的噪聲對策

示例4 麥克風線路的噪聲對策

那么，采取什么樣的噪音對策不會降低音質(zhì)?對于TWS耳機，為何通信質(zhì)量下降的問題時有發(fā)生?對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