如何抑制蓝牙音频设备的噪声和提升其音质?

发布日期:2024-03-27     178 次

近年来无需有线连接的无线音频得到日益普及。随着高分辨音源的增加、手机App音乐订阅服务的兴起,不使用CD等传统媒体的网络音频受众也在不断扩大。此类新音频服务的利用大多以智能手机为中心,通过蓝牙(Bluetooth)连接输出音频的扬声器或耳机。


TWS(真无线立体声)蓝牙耳机的出现改善了耳机佩戴的舒适性,打开主动降噪功能后即使在嘈杂环境中也无需提高播放音量,亦无需担心耳机声音的外漏。此外,带有蓝牙功能的播放器在工作时不需要有线连接,播放设备之间能够自由切换,配备电池驱动和内置放大器后就是可以随身携带的便携式音箱。


虽然蓝牙音频(Bluetooth Audio)设备具有轻巧便捷等诸多优点,但必须使用无线信号工作的特点也使其会经常出现一些有线设备不会出现的问题。本期推文就为您介绍在蓝牙音频设计中会出现的问题及其对策示例。


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对于摆脱了有线连接的无线连接设备来说,决定数据收发性能的射频连接质量(接收灵敏度)会影响到其工作和电池寿命。在小型无线设备中,电路板或各种输入/输出的布线会与用于发送和接收的天线距离较近。而天线输出的射频信号如果被麦克风、扬声器等的音频线吸收就会变成射频噪声,从而导致音频质量降低。


另一方面,音频设备上使用的数字放大器的开关动作会导致音频线路产生谐波,干扰天线收发的蓝牙射频信号。此外,天线与音频线路之间的距离如果较近,还会发生电磁耦合现象,这也会导致天线性能劣化以及接收灵敏度降低。


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图1 射频信号和对操作的影响示意图


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Bluetooth Classic Audio的通信方式(TDD通信)是以固定周期进行的,但是当射频信号进入到音频放大器时,会根据非线性效应而输出包络波形。由于这种包络波形的频率在可听范围内,因此会与音频一起从扬声器输出,变为能听到的噪声(TDD噪声)。


RF射频无线电的包络波形引起的可听噪声问题并不是蓝牙独有的,而是在蜂窝系统和Wi-Fi中也会出现的一种现象。


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图2 扬声器线路中的噪声问题示意图


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噪音示例1 扬声器线路


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由于包络波形引起的噪声在可听频率范围内,若使用滤波器对其进行过滤,音频信号也会发生衰减,从而影响扬声器输出。因此适用于扬声器线路的噪声对策是应该尽量衰减导致包络波形产生的蓝牙射频信号(2.4GHz频段)。这可通过添加一个小的无源过滤器来实现,比如TDK的MAF系列噪声抑制过滤器。图3显示了MAF0603GW抑制器(/Z/)的频率特性。


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图3 MAF0603GW抑制器(/Z/)的频率特性


此外,TWS耳机在使用时是经常会用手触碰的产品,外部的静电很容易通过麦克风和扬声器进入设备内部,因此与蓝牙SoC相连的电路部分需要采取防ESD措施。TDK已推出具有ESD保护功能的陷波滤波器产品,可同时应对音频信号线路的射频噪声和ESD问题。图4显示了带ESD保护功能的AVRF系列陷波滤波器的插入损耗频率特性(左)和放电电压波形(右)。


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图4  AVRF系列陷波滤波器的插入损耗频率特性(左)和放电电压波形(右) 


图5展示了将音频线路用噪声抑制滤波器MAF系列和带ESD保护功能的陷波滤波器AVRF系列组合形成滤波器时的插入损耗特性。由于在2.4GHz频段具有较大的衰减特性,因此能防止射频信号进入音频放大器,不会因包络波形而产生噪声。


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图5 扬声器线路的噪声对策


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示例2 扬声器噪音对策


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当蓝牙射频信号进入到麦克风线路时,同样会形成包络波形并与麦克风的输入信号结合,与扬声器线路噪音的发生机制类似。来自麦克风的噪声会令听众不愉快,此噪音也是降噪麦克风发生故障的原因。


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图6:麦克风线路中的噪声问题 


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示例3 麦克风线路中的噪声


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图7展示了将噪声抑制滤波器MAF和通用贴片压敏电阻作为噪声抑制元件插入到麦克风线路时的效果。贴片压敏电阻在2.4GHz频段的阻抗不足导致噪声的衰减也不足,但MAF可使噪声被大幅衰减,可听频段的噪声也降低到听不见的水平。


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图7 麦克风线路的噪声对策 


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示例4 麦克风线路的噪声对策


那么,采取什么样的噪音对策不会降低音质?对于TWS耳机,为何通信质量下降的问题时有发生?对于接收灵敏度下降的问题,又应该使用怎样的噪声抑制元件?


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