如何抑制藍牙音頻設備的噪聲和提升其音質?

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音樂訂閱服務的興起，不使用CD等傳統媒體的網絡音頻受眾也在不斷擴大。此類新音頻服務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音樂訂閱服務的興起，不使用CD等傳統媒體的網絡音頻受眾也在不斷擴大。此類新音頻服務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，播放設備之間能夠自由切換，配備電池驅動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點，但必須使用無線信號工作的特點也使其會經常出現一些有線設備不會出現的問題。本期推文就為您介紹在藍牙音頻設計中會出現的問題及其對策示例。

射頻信號及其對設備的影響

對于擺脫了有線連接的無線連接設備來說，決定數據收發性能的射頻連接質量(接收靈敏度)會影響到其工作和電池壽命。在小型無線設備中，電路板或各種輸入/輸出的布線會與用于發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，從而導致音頻質量降低。

另一方面，音頻設備上使用的數字放大器的開關動作會導致音頻線路產生諧波，干擾天線收發的藍牙射頻信號。此外，天線與音頻線路之間的距離如果較近，還會發生電磁耦合現象，這也會導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，會根據非線性效應而輸出包絡波形。由于這種包絡波形的頻率在可聽范圍內，因此會與音頻一起從揚聲器輸出，變為能聽到的噪聲(TDD噪聲)。

RF射頻無線電的包絡波形引起的可聽噪聲問題并不是藍牙獨有的，而是在蜂窩系統和Wi-Fi中也會出現的一種現象。

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

由于包絡波形引起的噪聲在可聽頻率范圍內，若使用濾波器對其進行過濾，音頻信號也會發生衰減，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該盡量衰減導致包絡波形產生的藍牙射頻信號(2.4GHz頻段)。這可通過添加一個小的無源過濾器來實現，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耳機在使用時是經常會用手觸碰的產品，外部的靜電很容易通過麥克風和揚聲器進入設備內部，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品，可同時應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，不會因包絡波形而產生噪聲。

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，同樣會形成包絡波形并與麥克風的輸入信號結合，與揚聲器線路噪音的發生機制類似。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?對于TWS耳機，為何通信質量下降的問題時有發生?對于接收靈敏度下降的問題，又應該使用怎樣的噪聲抑制元件?

審核編輯：湯梓紅