作者：Rolf Horn

　　在音频技术中，无可挑剔的音质是一个基本目标。然而，不受欢迎的听觉干扰，例如嘶嘶声、嗡嗡声或干扰，可能会严重损害整体音质。这些干扰在耳机和麦克风的环境中具有特殊的意义，因为用户寻求准确且不改变的声音复制。

　　本文探讨了减少耳机和麦克风等音频设备中不必要的噪音的不同方法。 TDK音频采样套件作为解决方案的 示例，提供了麦克风线路噪声抑制和 ESD 对策所需的所有组件，且不会降低音质。

　　蓝牙和 TWS 的兴起

　　蓝牙技术最初旨在用于免提通信。也就是说，蓝牙应用迅速发展到包括耳机、扬声器、汽车系统等各种设备。该技术的低能耗和通用兼容性使其成为不断扩展的互联设备生态系统中不可或缺的组成部分。

　　蓝牙成为无线音频传输事实上的标准后，真正的无线立体声 (TWS) 出现了。 TWS 耳机将无线音频的理念更进一步，解放了每个耳机的束缚。这是便携式音乐新时代的开始。微型无线耳机代表了一种更简单、更便携的音乐设备的趋势。 TWS技术解放了消费者，让他们拥有更大的移动性和便利性。

　　音乐和音频消费的许多最新趋势都依赖于智能手机服务，例如无线内容流传输到蓝牙扬声器和耳塞。尽管扬声器和耳塞已成为音频输出的标准，但在蓝牙耳塞、扬声器和语音助手麦克风等音频设备中获得完美的音质仍存在一些障碍。

　　影响无线音频设备的问题

　　无需有线连接的音频设备在很多方面都很方便。然而，由于这些设备依赖于无线信号，因此它们比有线耳机、麦克风或扬声器更容易遇到问题。

　　在无线设备中，传输、接收、设备性能和电池寿命都受到射频链路质量的影响。每当射频功能集成到小型无线设备中时，每个音频输入和输出的 PCB 走线和接线互连通常都放置在靠近天线的位置。由于这种接近性，当音频发送到麦克风或扬声器时，天线发射的 RF 信号会产生 EMI 噪声并降低音频质量。这个问题通常称为串扰，会影响信号完整性。

　　同样，电池供电的便携式音乐设备中使用的数字放大器中发生的切换也会发出噪声，产生多个谐波。这些谐波对天线的输出和输入射频信号构成威胁。由于天线和导线距离太近，会发生耦合，导致接收灵敏度下降。所有这些可能的 EMI 噪声源如图 1 所示。

　　图 1：具有潜在噪声源的典型无线音频配置。 (来源：TDK)

　　减轻扬声器线路中的射频噪声

　　与 BLE 音频不同，使用蓝牙经典音频时，设备会定期交换数据。当射频信号馈入音频放大器时，由于非线性效应，会产生包络波形。当该包络波形与预期信号一起传输到扬声器时，可以将其作为背景噪声进行检测。这种类型的噪声通常称为时分双工 (TDD) 噪声、时分多址 (TDMA) 噪声或简称为“嗡嗡”噪声。

　　RF 无线电包络波形的这种困难不仅体现在蓝牙应用中，而且也体现在蜂窝网络和 Wi-Fi 中。在通话期间，GSM 模块每 4.615 毫秒生成一次 RF 突发传输。当辐射到声学电路时，RF 突发的包络波形会产生频率为 217 Hz 的可听 TDMA 噪声以及相关谐波(图 2)。

　　图 2：GSM 通信中 TDMA 噪声是如何产生的。 (来源：TDK)

　　图 3 显示了扬声器和蓝牙 SoC 之间的标准有线连接。此处，有线连接拾取 RF 信号并将其传播到 SoC。

　　图 3：影响有线扬声器线路上音频的射频信号。 (来源：TDK)

　　因此，有必要在将射频包络波形和天线电路拾取的任何射频信号馈送到扬声器之前滤除它们产生的可听噪声。降低生成包络波形的蓝牙射频信号(2.4 GHz 频段)的强度是关键的缓解策略。通过对小型无源滤波器的透彻理解和仔细研究可以实现缓解。可以通过 TDK 的 MAF 系列中的过滤器来降低噪音。

　　片式磁珠通常用于降低音频电缆中的背景噪声。它们由层压在铁氧体磁芯内部的线圈制成。片式磁珠的阻抗是根据线圈的电抗和交流电阻来定义的。电抗成分主要负责低频范围内的噪声反射，而交流电阻成分主要负责高频范围内的噪声吸收和发热。

　　TDK 创造了一种新型铁氧体材料，该材料失真低且能有效消除噪声。 MAF 系列多层片式元件是为了应对智能手机等便携式电子设备音频线路中噪声消除的新兴市场而开发的。 MAF中的字母M、A和F分别代表多层、高保真音频和噪声抑制滤波器。

　　由于 TWS 耳机在使用时会与用户的手发生物理接触，因此连接麦克风和扬声器的接线也需要静电放电 (ESD) 保护。 TDK 设计了陷波滤波器(AVRF 系列)，通过屏蔽音频信号线免受电磁干扰 (EMI) 和静电放电 (ESD) 影响来缓解这一潜在问题。图 4 显示了多个 AVRF 陷波滤波器的插入损耗与频率性能的关系。

　　图 4：不同 TDK AVRF 陷波滤波器的插入损耗与频率的关系。 (来源：TDK)

　　将 MAF 系列噪声抑制滤波器(及其串联电感器)和 AVRF 系列陷波滤波器(及其串联电容器)相结合，可形成图 5 所示的低通输出滤波器。该设置在 2.4 GHz 频段产生高衰减特性，并且防止相关噪声进入音频放大器。因此，包络波形不会产生任何不需要的噪声。

　　图 5：(a) 采用 MAF 和 AVRF 滤波器的配置，(b) 相应滤波信号的 FFT，(c) 以 2.4 GHz 频段为中心的高衰减。 (来源：TDK)

　　减轻麦克风线路中的射频噪声

　　与扬声器线路的处理方式相同，将蓝牙 RF 信号转换到麦克风线路上会产生发送到音频处理器输入的包络波形。然后，音频处理器会将不需要的可听噪声发送到扬声器。图 6 显示了无线蓝牙信号在麦克风电路内转换为有线连接的一种可能途径。噪声经过处理后耦合到原始音频信号。

　　图 6：影响有线麦克风连接上音频的 RF 信号。 (来源：TDK)

　　为了有效降低噪声，MAF 滤波器是比普通片式磁珠更好的选择，因为它们在 2.4 GHz 频率下具有更高的阻抗和更低的噪声衰减。 MAF 滤波器可以通过增加较低频率的衰减来将可听输出噪声降低到不可检测的水平。

　　与使用普通铁氧体片式磁珠和多层陶瓷电容器 (MLCC) 相比，MAF + AVRF 解决方案可防止 THD+N 的增加。不存在谐波失真，因为 MAF 和 AVRF 组件都不会在各自的工作范围内产生电压或电流的非线性变化。就信号失真而言，MAF + AVRF 解决方案与完全不使用滤波器几乎没有区别。

　　图7显示了TWS耳机在有降噪和无降噪的情况下的接收灵敏度结果。引入MAF、AVRF和MAF+AVRF对策后，接收灵敏度增强了大约6dB，这些对策都具有降噪效果。蓝牙 2.4 GHz 频段。

　　图 7：带和不带滤波器的 TWS 耳塞的接收灵敏度。 (来源：TDK)

　　TDK 的音频采样套件

　　随着社会转向物联网 (IoT) 和互联产品，智能家电和消费电子产品(例如智能扬声器)正在兴起。智能扬声器的基本组件是麦克风，它也充当声音传感器，使人的语音成为将其与设备连接的接口。 TDK 的半导体微制造技术被用来制造各种用于此类环境的 MEMS 麦克风。

　　为了满足抑制 MEMS 麦克风中的 RF 和 ESD 噪声的需求，TDK 提供了音频采样套件(图 8)。该产品将 TDK InvenSense MEMS 麦克风与 MAF 噪声抑制滤波器和 AVRF ESD 陷波滤波器结合在一起。这些滤波器旨在专门解决音频线路中的典型问题，同时提供额外的好处，例如提高无线或蜂窝通信的接收灵敏度。

　　图 8：TDK 的音频示例套件。 (来源：TDK)

　　音频采样套件为扬声器和麦克风线路提供噪声抑制和 ESD 对策，包括以下组件：

　　20 个 MEMS 麦克风

　　80 MAF系列静噪滤波器

　　120 AVRF系列ESD陷波滤波器

　　音频解决方案示例套件的主要特点是：

　　提高蜂窝和 Wi-Fi 通信的接收灵敏度

　　低 THD+N 特性带来低失真，带来高音质

　　TDMA 噪声抑制

　　低电阻导致信号衰减小

　　实现ESD和噪声对策

　　结论

　　噪声抑制滤波器和 ESD 陷波滤波器的组合使用可有效应对影响无线耳机和麦克风的噪声。 TDK 的音频采样套件是一款即用型解决方案，包括工程师可用来减轻无线音频设计中的射频噪声而不影响音质的所有组件。