降低音訊裝置雜訊的策略

在音訊技術裡，達到無可挑剔的音質是基本目標。然而，不想要的聽覺干擾，如嘶嘶聲、嗡嗡聲或類似干擾，都會嚴重損害整體音質。這些干擾在耳機和麥克風領域中具有特殊重要性，因為使用者追求的是準確且不修飾的原音重現。

本文探討如何在音訊裝置 (如耳機和麥克風) 中減少不想要之噪音的多種作法，並以 TDK Audio Sample Kit 當作解決方案範例說明。其可提供雜訊抑制所需的所有元件以及用於麥克風線路的 ESD 因應措施，而且無損音質。

藍牙和 TWS 的崛起

藍牙技術最初用於免手持通訊。也就是說，藍牙應用迅速發展到涵蓋各種裝置，如耳機、揚聲器、汽車系統等等。此技術具有低能耗和通用相容性，因此在不斷擴大的連網裝置生態系統中成了不可或缺的一部分。

真無線立體聲 (TWS) 是在藍牙成為無線音訊傳輸的實質標準之後興起。TWS 耳機將無線音訊的理念向前推進一步，讓左右聽筒徹底分離。可攜式音樂的新時代也就此展開。小巧且無線連結的耳機代表著一種嚮往更簡單、更可攜音樂設備的趨勢。TWS 技術讓消費者解放，得以享受更更大的行動力性和便利性。

音樂與音訊使用層面上有許多最新趨勢都有賴於智慧型手機的服務，例如無線內容串流到藍牙揚聲器和耳塞式耳機。儘管揚聲器和耳塞式耳機已成為音訊輸出的標準，但要在藍牙耳塞式耳機、揚聲器和語音助理麥克風等音訊裝置中達到完美的音質，仍有一些障礙要突破。

影響無線音訊裝置的問題

不受電線連接束縛的音訊設備可在諸多層面上提供便利性。然而，由於這些裝置仰賴無線訊號，因此比有線耳機、麥克風或揚聲器更容易遇到問題。

在無線裝置中，傳輸、接收、裝置效能和電池續航力都會受到 RF 鏈路品質的影響。只要在小型無線裝置中整合 RF 能力，每個音訊輸入和輸出的 PCB 走線和佈線互連通常都會位於靠近天線的位置。由於距離接近，當音訊發送到麥克風或揚聲器時，天線發出的 RF 訊號會產生 EMI 雜訊並降低音訊品質。此問題通常稱為串音，會影響訊號完整性。

同樣地，在電池供電的可攜式音樂設備中，其所用的數位放大器會有切換動作，就會發出雜訊，進而產生多重諧波。這些諧波會對天線的輸出和輸入 RF 訊號構成威脅。由於天線和電線相當靠近，因此會發生耦合，導致接收靈敏度降低。圖 1 指出所有可能會出現 EMI 雜訊的來源。

圖 1：具有潛在雜訊源的典型無線音訊配置。(資料來源：TDK)

降低揚聲器線路中的 RF 雜訊

使用藍牙傳統音訊而非 BLE 音訊，時，裝置會定期交換數據。RF 訊號饋入音訊放大器時，會因為非線性效應而產生波封波形。此波封波形隨著預期訊號傳送到揚聲器時，可被偵測成背景雜訊。這種類型的雜訊通常被稱為分時雙工 (TDD) 雜訊、分時複接 (TDMA)雜訊或簡稱為「嗡嗡聲」雜訊。

RF 無線電波封波形造成的難題不僅出現在藍牙應用中，蜂巢網路和 Wi-Fi 也會遇到。在電話通話期間，GSM 模組每 4.615 ms 會產生一次 RF 突發傳輸。當輻射到聲學電路時，RF 突發的波封波形會產生頻率為 217 Hz 的有聲 TDMA 雜訊以及相關的諧波 (圖 2)。

圖 2：GSM 通訊中的 TDMA 雜訊如何產生。(資料來源：TDK)

揚聲器和藍牙 SoC 之間的標準有線連接如圖 3 所示。在此，有線連接會拾取 RF 訊號並將其傳播到 SoC。

圖 3：RF 訊號會影響有線揚聲器線路上的音訊。(資料來源：TDK)

因此，有必要將 RF 波封波形所產生的有聲雜訊，以及天線電路拾取的任何 RF 訊號濾除，以免其饋入揚聲器。針對會產生波封波形的藍牙 RF 訊號 (2.4 GHz 頻段)，降低其強度是減輕影響的關鍵策略。要減輕影響，需對小型被動式濾波器有透徹瞭解和仔細研究。如 TDK 的 MAF 系列濾波器就可降低雜訊。

通常會使用片狀磁珠來降低音訊線中的背景雜訊。這是由線圈層壓在鐵氧體磁芯內部而製成。片狀磁珠的阻抗是依據線圈的電抗和 AC 電阻來決定。電抗部分主要負責低頻範圍內的雜訊反射，而 AC 電阻部分主要負責高頻範圍內的雜訊吸收和發熱。

TDK 創造了一種新型鐵氧體材料，既可達到低失真，又能有效消除雜訊。MAF 系列多層晶片元件是針對智慧型手機等可攜式電子裝置，要在音訊線路上進行降噪的新興市場而開發。MAF 中的字母 M、A 和 F 分別代表多層、高傳真度音訊和雜訊抑制濾波器。

連接麥克風和揚聲器的接線也需要靜電放電 (ESD) 防護，因為 TWS 耳機在使用時會與使用者的手達到實體接觸。TDK 設計了一種陷波濾波器 (AVRF系列)，可將音訊訊號線屏蔽，不受電磁干擾 (EMI) 和靜電放電 (ESD)的影響，藉此緩解這個潛在問題。圖 4 顯示多款 AVRF 陷波濾波器在插入損耗與頻率性能之間的關係。

圖 4：多款 TDK AVRF 陷波濾波器的插入損耗與頻率關係。(資料來源：TDK)

將 MAF 系列雜訊濾波器 (搭配系列電感) 和 AVRF 系列陷波濾波器 (搭配系列電容) 組合在一起，就可組成低通輸出濾波器，如圖 5所示。這個設置可在 2.4 GHz 頻段產生高衰減特性，並避免相關雜訊進入音訊放大器。因此，波封波形不會產生任何不想要的雜訊。

圖 5：(a) 搭配 MAF 和 AVRF 濾波器的配置、(b) 對應濾波訊號的 FFT、(c) 以 2.4 GHz 頻段為中心的高衰減。(資料來源：TDK)

減少麥克風線路中的 RF 雜訊

與揚聲器線路相同，將藍牙 RF 訊號轉置到麥克風線路上也會產生波封波形，並傳送到音訊處理器的輸入端。接著，音訊處理器會將不想要的有聲雜訊傳到揚聲器。圖 6 顯示一個可能的作法，可讓無線藍牙訊號轉換成麥克風電路中的有線連接。雜訊會在處理後耦合到原始音訊訊號。

圖 6：RF 訊號會影響有線麥克風連接上的音訊。(資料來源：TDK)

為了有效降低雜訊，MAF 濾波器是比一般片狀磁珠更好的選擇，因為其在 2.4 GHz 頻率下具有更高的阻抗和更低的雜訊衰減。MAF 濾波器可以提高較低頻率的衰減，藉此將有聲雜訊降低至無法偵測到的程度。

與使用普通鐵氧體片狀磁珠和績層陶瓷電容 (MLCC) 相比，MAF + AVRF 的解決方案可避免 THD+N 增加。由於 MAF 和 AVRF 元件在各自的工作範圍內都不會產生電壓或電流的非線性變化，因此不會發生諧波失真的情況。在訊號失真方面，MAF + AVRF 解決方案與完全不使用濾波器相比，幾乎沒有區別。

TWS 耳塞式耳機在是否減緩雜訊的情況下，接收靈敏度的表現如圖 7 所示。再採用 MAF、AVRF 和 MAF+ AVRF 對策後，接收靈敏度增強大約 6 dB，這些措施都可在藍牙 2.4 GHz 頻段達到降噪效果。

圖 7：TWS 耳塞式耳機是否搭配濾波器下的接收靈敏度。(資料來源：TDK)

TDK 的 Audio Sample Kit

在社會對物聯網 (IoT) 和連網產品的需求推動下，智慧家電以及智慧揚聲器等消費性電子產品正逐漸崛起。智慧揚聲器的基本元件是麥克風，此麥克風也會當作聲音感測器使用，讓使用者的語音變成與裝置連結的介面。TDK 針對這些情境，運用半導體微加工技術打造一系列 MEMS 麥克風。

為了滿足抑制 MEMS 麥克風中 RF和 ESD 雜訊的需求，TDK 提供 Audio Sample Kit (圖 8)。此產品將 TDK InvenSense 的 MEMS 麥克風結合 MAF 系列雜訊抑制濾波器與 AVRF ESD 陷波濾波器。這些濾波器專門用於因應音訊線路中的典型問題，同時提供額外的優點，例如在無線或蜂巢通訊中提高接收靈敏度。

圖 8：TDK 的 Audio Sample Kit。(資料來源：TDK)

Audio Sample Kit 提供揚聲器和麥克風線路用的雜訊抑制和 ESD 對策，其中含有以下元件：

• 20 款 MEMS 麥克風
• 80 款 MAF 系列雜訊抑制濾波器
• 120 款 AVRF 系列 ESD 陷波濾波器

此音訊解決方案範例套件的主要特點包括：

• 在蜂巢和 Wi-Fi 通訊中提升接收靈敏度
• 透過低 THD+N 特性帶來低失真，藉此達到高音質
• 抑制 TDMA 雜訊
• 低電阻，因此訊號衰減小
• 提供 ESD 和雜訊對策

結論

透過雜訊抑制濾波器和 ESD 陷波濾波器的組合，就可針對影響無線耳機和麥克風的雜訊提供有效的因應措施。TDK 的 Audio Sample Kit 是即用型解決方案，含有工程師所需的所有元件，可在不影響音質的情況下針對無線音訊設計，降低其中的 RF 雜訊。