如何抑制藍牙音頻設備的噪聲和提升其音質(zhì)？

近年來(lái)無(wú)需有線(xiàn)連接的無(wú)線(xiàn)音頻得到日益普及。隨著(zhù)高分辨音源的增加、手機App音樂(lè )訂閱服務(wù)的興起，不使用CD等傳統媒體的網(wǎng)絡(luò )音頻受眾也在不斷擴大。此類(lèi)新音頻服務(wù)的利用大多以智能手機為中心，通過(guò)藍牙（Bluetooth）連接輸出音頻的揚聲器或耳機。

近年來(lái)無(wú)需有線(xiàn)連接的無(wú)線(xiàn)音頻得到日益普及。隨著(zhù)高分辨音源的增加、手機App音樂(lè )訂閱服務(wù)的興起，不使用CD等傳統媒體的網(wǎng)絡(luò )音頻受眾也在不斷擴大。此類(lèi)新音頻服務(wù)的利用大多以智能手機為中心，通過(guò)藍牙（Bluetooth）連接輸出音頻的揚聲器或耳機。

TWS（真無(wú)線(xiàn)立體聲）藍牙耳機的出現改善了耳機佩戴的舒適性，打開(kāi)主動(dòng)降噪功能后即使在嘈雜環(huán)境中也無(wú)需提高播放音量，亦無(wú)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(shí)不需要有線(xiàn)連接，播放設備之間能夠自由切換，配備電池驅動(dòng)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(yōu)點(diǎn)，但必須使用無(wú)線(xiàn)信號工作的特點(diǎn)也使其會(huì )經(jīng)常出現一些有線(xiàn)設備不會(huì )出現的問(wèn)題。本期推文就為您介紹在藍牙音頻設計中會(huì )出現的問(wèn)題及其對策示例。

對于擺脫了有線(xiàn)連接的無(wú)線(xiàn)連接設備來(lái)說(shuō)，決定數據收發(fā)性能的射頻連接質(zhì)量（接收靈敏度）會(huì )影響到其工作和電池壽命。在小型無(wú)線(xiàn)設備中，電路板或各種輸入/輸出的布線(xiàn)會(huì )與用于發(fā)送和接收的天線(xiàn)距離較近。而天線(xiàn)輸出的射頻信號如果被麥克風(fēng)、揚聲器等的音頻線(xiàn)吸收就會(huì )變成射頻噪聲，從而導致音頻質(zhì)量降低。

另一方面，音頻設備上使用的數字放大器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì )導致音頻線(xiàn)路產(chǎn)生諧波，干擾天線(xiàn)收發(fā)的藍牙射頻信號。此外，天線(xiàn)與音頻線(xiàn)路之間的距離如果較近，還會(huì )發(fā)生電磁耦合現象，這也會(huì )導致天線(xiàn)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

Bluetooth Classic Audio的通信方式（TDD通信）是以固定周期進(jìn)行的，但是當射頻信號進(jìn)入到音頻放大器時(shí)，會(huì )根據非線(xiàn)性效應而輸出包絡(luò )波形。由于這種包絡(luò )波形的頻率在可聽(tīng)范圍內，因此會(huì )與音頻一起從揚聲器輸出，變?yōu)槟苈?tīng)到的噪聲（TDD噪聲）。

RF射頻無(wú)線(xiàn)電的包絡(luò )波形引起的可聽(tīng)噪聲問(wèn)題并不是藍牙獨有的，而是在蜂窩系統和Wi-Fi中也會(huì )出現的一種現象。

圖2 揚聲器線(xiàn)路中的噪聲問(wèn)題示意圖

噪音示例1 揚聲器線(xiàn)路

由于包絡(luò )波形引起的噪聲在可聽(tīng)頻率范圍內，若使用濾波器對其進(jìn)行過(guò)濾，音頻信號也會(huì )發(fā)生衰減，從而影響揚聲器輸出。因此適用于揚聲器線(xiàn)路的噪聲對策是應該盡量衰減導致包絡(luò )波形產(chǎn)生的藍牙射頻信號（2.4GHz頻段）。這可通過(guò)添加一個(gè)小的無(wú)源過(guò)濾器來(lái)實(shí)現，比如TDK的MAF系列噪聲抑制過(guò)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(shí)是經(jīng)常會(huì )用手觸碰的產(chǎn)品，外部的靜電很容易通過(guò)麥克風(fēng)和揚聲器進(jìn)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(chǎn)品，可同時(shí)應對音頻信號線(xiàn)路的射頻噪聲和ESD問(wèn)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(xiàn)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(shí)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(jìn)入音頻放大器，不會(huì )因包絡(luò )波形而產(chǎn)生噪聲。

圖5 揚聲器線(xiàn)路的噪聲對策

示例2 揚聲器噪音對策

當藍牙射頻信號進(jìn)入到麥克風(fēng)線(xiàn)路時(shí)，同樣會(huì )形成包絡(luò )波形并與麥克風(fēng)的輸入信號結合，與揚聲器線(xiàn)路噪音的發(fā)生機制類(lèi)似。來(lái)自麥克風(fēng)的噪聲會(huì )令聽(tīng)眾不愉快，此噪音也是降噪麥克風(fēng)發(fā)生故障的原因。

圖6：麥克風(fēng)線(xiàn)路中的噪聲問(wèn)題 

示例3 麥克風(fēng)線(xiàn)路中的噪聲

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(fēng)線(xiàn)路時(shí)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(tīng)頻段的噪聲也降低到聽(tīng)不見(jiàn)的水平。

圖7 麥克風(fēng)線(xiàn)路的噪聲對策 

示例4 麥克風(fēng)線(xiàn)路的噪聲對策

那么，采取什么樣的噪音對策不會(huì )降低音質(zhì)？對于TWS耳機，為何通信質(zhì)量下降的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生？對于接收靈敏度下降的問(wèn)題，又應該使用怎樣的噪聲抑制元件？