蓝牙音频设备的噪声抑制和音质提升
蓝牙音频设备的噪声抑制和音质提升
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的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，使用时无需担心耳机声音的外漏。此外，带有蓝牙功能的播放器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。
在本文中，我们将介绍在蓝牙音频设计中会出现的问题及其对策示例。
射频信号及其对设备的影响
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。
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接收灵敏度降低。
图1：射频信号和对操作的影响示意图
扬声器线路中的噪声问题
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，会由于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。
图2：扬声器线路中的噪声问题示意图
扬声器线路的噪声对策
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。
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）。
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表示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。
图5：扬声器线路的噪声对策
麦克风线路中的噪声问题
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。此外，此噪音也是降噪麦克风发生故障的原因。
图6：麦克风线路中的噪声问题
麦克风线路的噪声对策
图7表示将噪声抑制滤波器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。
图7：麦克风线路的噪声对策
改用不会降低音质的噪声对策
传统的噪声对策常使用贴片压敏电阻和积层电容器。由于贴片压敏电阻和积层电容器的特性会因电流和电压发生非线性的变化，因此将这些产品插入到音频线路时，提高音频放大器的输出会导致谐波失真，并从扬声器输出。此时，听起来像是附加了高音分量，声音中的高音被增强。
图8表示未使用噪声抑制元件和使用噪声抑制元件时测得的音频放大器输出的thd+n特性(*)。
如果使用贴片压敏电阻和积层电容器，如图中的红线所示，thd+n将随着放大器输出的提高而显著上升。因此需要权衡噪声抑制效果和音质。若选用这类噪声对策，其结果会不可避免地导致音质下降。
另一方面，相比于不使用噪声抑制元件，当使用maf和avrf时的thd+n没有上升。从thd+n的测量结果来看，maf和avrf的特定不会因扬声器的电压和电流发生非线性变化，因此不会发生谐波失真，与不使用滤波电路时一样。如此一来，扬声器能毫无失真地输出来自音频放大器的信号。
*thd+n：总谐波失真 + 噪声
在音频特性中，与音质相关性较高的特性，数值越小代表音质越好。
图8：不同噪音对策下的音频放大器的输出比较
音频声谱 (f=1khz, po=10mw)
tws耳机中通信质量下降的问题（发生通信错误）
在真无线立体声tws蓝牙耳机中，扬声器部分始终要在电路板上布线，其与天线的耦合不可忽视。
此外，当扬声器由开关式数字放大器驱动时，高速开关过程中产生的谐波噪声会从扬声器线路中释放出来。虽然这种噪声很微弱，但距离天线仅20mm不到，所以会干扰微弱的蓝牙射频信号。
此外，由于扬声器线路和麦克风线路非常接近，所以与天线的耦合更容易受到影响。
来自音频配线的噪声与天线的耦合会导致灵敏度下降，但这些都不容易确认。如果tws耳机和蓝牙连接的设备距离很近，可以互相接收到很强的无线电波，那么来自音频接线的噪声干扰几乎没有影响，能保持通信且不会出现数据错误。
但是如果蓝牙通信距离较长或有屏蔽物，天线接收到的无线电波会减弱。此时如果射频频段有噪声干扰，tws耳机的接收灵敏度特性会降低，数据会出现错误，导致操作中断，甚至双方设备无法相互确认对方的存在，无线连接断开。
图9：tws耳机框图
使用噪声抑制元件应对接收灵敏度下降的问题
什么样的对策既能有效防止扬声器线路的辐射噪声和与天线的耦合，又能解决接收灵敏度降低的问题呢？
我们认为，对于放大器的谐波噪声，可使用具有电感量和电容量的元件，通过反射噪声和将噪声引向地线来消除蓝牙2.4ghz频段中的噪声辐射。此外，插入噪声抑制元件，可减少与天线的耦合，从而改善接收状态。
图10：使用噪声抑制元件解决灵敏度降低问题的示意图
扬声器线路噪音导致的接收灵敏度下降的改善成果
我们用蓝牙音频信号发射器和tws耳机播放音乐，降低发射器侧射频输出，并在播放声音开始中断时确认tws耳机的接收灵敏度。
当噪声抑制组件插入到扬声器线路时，直至接收状态非常弱时声音也不会中断，，因此可以认为干扰天线的噪声降低了。
通过在用于蓝牙通信的2.4ghz频段中插入具有噪声衰减效果的maf、avrf和maf+avrf，可将接收灵敏度提高约6db。
图11：不同噪声抑制器件对接收灵敏度下降的改善成果对比
针对噪声对策和esd对策推荐的产品
图12是最新tws耳机中的音频电路示例。
音频线路中使用了许多emc+esd部件，以提高音质、提升降噪性能。
图12：tws耳机的音频电路示例
图13表示用于音频线路的maf系列噪声抑制滤波器产品阵容。
请选用与所采取噪声对策的频段相匹配的产品。
与带esd保护功能的陷波滤波器avrf形成组合滤波器，可以获得更好的衰减效果。
图13：maf系列音频线路用噪声抑制元件的产品阵容
尺寸
mm
[英寸] 型号 阻抗
[ω]
@900mhz
典型值 直流
电阻
[ω] 额定
电流
[a] 相应频率范围
典型值 最大值 最大值 蜂窝频带 wifi, bt
2.4ghz wifi
5ghz
700mhz-
1ghz 1.5ghz-
2.7ghz
0603
[0201] maf0603gwy551a 550 1.70 2.20 0.125 ✔ ✔
maf0603fal330b 250 0.37 0.70 0.2 ✔ ✔
maf0603fal470b 390 0.42 0.70 0.2 ✔ ✔
1005
[0402] maf1005gad152a 1500 0.55 0.70 0.40 ✔ ✔ ✔
maf1005gad262a 2600 1.00 1.20 0.30 ✔ ✔ ✔
maf1005gwz102a 1000 1.3 1.6 0.15 ✔ ✔
图14表示带esd保护功能的avrf系列陷波滤波器。
图14：音频线路用噪声+esd对策元件，avrf系列
尺寸
mm
[英寸] 型号 额定
电压
vdc [v] max. 电容
c (1mhz)
[pf] 击穿
电压
voltage vbr
[v] 插入损耗il
[db] 相应频率范围
蜂窝频带 wifi bluetooth
2.4ghz wifi
5ghz d-(a)
噪音
700mhz-
1ghz 1.5ghz-
2.7ghz
0402
[01005] avrf041a150mt242 10 15 16 20min.
(2.4ghz) ✔ ✔
0603
[0201] avrf060v600mt102 3.5 60 6.8 20min.
(1ghz) ✔
avrf060w650mt102 5.5 65 8 20min.
(1ghz) ✔
avrf061p160mt212 12 16 20 20min.
(2.1ghz) ✔ ✔
avrf060x100lt242 7 10 12.8 20min.
(2.4ghz) ✔ ✔
avrf060x8r2lt272 7 8.2 12.8 20min.
(2.7ghz) ✔ ✔
avrf061d2r4st532 20 2.4 43 15min.
(5.3ghz) ✔
1005
[0402] avrf101u6r8kt242 28 6.8 39 20min.
(2.4ghz) ✔ ✔
1608
[0603] avrf161q861lt201 19 860 27 20min
(200mhz) ✔ ✔
结论
对于tws这类应用，不仅要在大小有限的封装内纳入所有元件，还须克服诸多问题。而小型化趋势的发展，同样给应用带来了诸多顾虑，比如各种电路之间的相互干扰，尤其是天线rf信号的噪声可能会干扰扬声器或麦克风连接线，或者其中某个噪声会干扰rf天线的电路。为此，tdk专门开发了一种无源元件解决方案，不仅能滤波/衰减不必要的可听噪声源，还不会导致目标信号失真。目前，文中提及的maf系列噪声抑制滤波器和avrf系列esd陷波滤波器以实现量产，其中avrf系列不仅具有滤波功能，还拥有超高水平的esd保护功能。
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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接收灵敏度降低。
图1：射频信号和对操作的影响示意图
扬声器线路中的噪声问题
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，会由于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。
图2：扬声器线路中的噪声问题示意图
扬声器线路的噪声对策
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。
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）。
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表示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。
图5：扬声器线路的噪声对策
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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。
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图7表示将噪声抑制滤波器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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如果使用贴片压敏电阻和积层电容器，如图中的红线所示，thd+n将随着放大器输出的提高而显著上升。因此需要权衡噪声抑制效果和音质。若选用这类噪声对策，其结果会不可避免地导致音质下降。
另一方面，相比于不使用噪声抑制元件，当使用maf和avrf时的thd+n没有上升。从thd+n的测量结果来看，maf和avrf的特定不会因扬声器的电压和电流发生非线性变化，因此不会发生谐波失真，与不使用滤波电路时一样。如此一来，扬声器能毫无失真地输出来自音频放大器的信号。
*thd+n：总谐波失真 + 噪声
在音频特性中，与音质相关性较高的特性，数值越小代表音质越好。
图8：不同噪音对策下的音频放大器的输出比较
音频声谱 (f=1khz, po=10mw)
tws耳机中通信质量下降的问题（发生通信错误）
在真无线立体声tws蓝牙耳机中，扬声器部分始终要在电路板上布线，其与天线的耦合不可忽视。
此外，当扬声器由开关式数字放大器驱动时，高速开关过程中产生的谐波噪声会从扬声器线路中释放出来。虽然这种噪声很微弱，但距离天线仅20mm不到，所以会干扰微弱的蓝牙射频信号。
此外，由于扬声器线路和麦克风线路非常接近，所以与天线的耦合更容易受到影响。
来自音频配线的噪声与天线的耦合会导致灵敏度下降，但这些都不容易确认。如果tws耳机和蓝牙连接的设备距离很近，可以互相接收到很强的无线电波，那么来自音频接线的噪声干扰几乎没有影响，能保持通信且不会出现数据错误。
但是如果蓝牙通信距离较长或有屏蔽物，天线接收到的无线电波会减弱。此时如果射频频段有噪声干扰，tws耳机的接收灵敏度特性会降低，数据会出现错误，导致操作中断，甚至双方设备无法相互确认对方的存在，无线连接断开。
图9：tws耳机框图
使用噪声抑制元件应对接收灵敏度下降的问题
什么样的对策既能有效防止扬声器线路的辐射噪声和与天线的耦合，又能解决接收灵敏度降低的问题呢？
我们认为，对于放大器的谐波噪声，可使用具有电感量和电容量的元件，通过反射噪声和将噪声引向地线来消除蓝牙2.4ghz频段中的噪声辐射。此外，插入噪声抑制元件，可减少与天线的耦合，从而改善接收状态。
图10：使用噪声抑制元件解决灵敏度降低问题的示意图
扬声器线路噪音导致的接收灵敏度下降的改善成果
我们用蓝牙音频信号发射器和tws耳机播放音乐，降低发射器侧射频输出，并在播放声音开始中断时确认tws耳机的接收灵敏度。
当噪声抑制组件插入到扬声器线路时，直至接收状态非常弱时声音也不会中断，，因此可以认为干扰天线的噪声降低了。
通过在用于蓝牙通信的2.4ghz频段中插入具有噪声衰减效果的maf、avrf和maf+avrf，可将接收灵敏度提高约6db。
图11：不同噪声抑制器件对接收灵敏度下降的改善成果对比
针对噪声对策和esd对策推荐的产品
图12是最新tws耳机中的音频电路示例。
音频线路中使用了许多emc+esd部件，以提高音质、提升降噪性能。
图12：tws耳机的音频电路示例
图13表示用于音频线路的maf系列噪声抑制滤波器产品阵容。
请选用与所采取噪声对策的频段相匹配的产品。
与带esd保护功能的陷波滤波器avrf形成组合滤波器，可以获得更好的衰减效果。
图13：maf系列音频线路用噪声抑制元件的产品阵容
尺寸
mm
[英寸] 型号 阻抗
[ω]
@900mhz
典型值 直流
电阻
[ω] 额定
电流
[a] 相应频率范围
典型值 最大值 最大值 蜂窝频带 wifi, bt
2.4ghz wifi
5ghz
700mhz-
1ghz 1.5ghz-
2.7ghz
0603
[0201] maf0603gwy551a 550 1.70 2.20 0.125 ✔ ✔
maf0603fal330b 250 0.37 0.70 0.2 ✔ ✔
maf0603fal470b 390 0.42 0.70 0.2 ✔ ✔
1005
[0402] maf1005gad152a 1500 0.55 0.70 0.40 ✔ ✔ ✔
maf1005gad262a 2600 1.00 1.20 0.30 ✔ ✔ ✔
maf1005gwz102a 1000 1.3 1.6 0.15 ✔ ✔
图14表示带esd保护功能的avrf系列陷波滤波器。
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尺寸
mm
[英寸] 型号 额定
电压
vdc [v] max. 电容
c (1mhz)
[pf] 击穿
电压
voltage vbr
[v] 插入损耗il
[db] 相应频率范围
蜂窝频带 wifi bluetooth
2.4ghz wifi
5ghz d-(a)
噪音
700mhz-
1ghz 1.5ghz-
2.7ghz
0402
[01005] avrf041a150mt242 10 15 16 20min.
(2.4ghz) ✔ ✔
0603
[0201] avrf060v600mt102 3.5 60 6.8 20min.
(1ghz) ✔
avrf060w650mt102 5.5 65 8 20min.
(1ghz) ✔
avrf061p160mt212 12 16 20 20min.
(2.1ghz) ✔ ✔
avrf060x100lt242 7 10 12.8 20min.
(2.4ghz) ✔ ✔
avrf060x8r2lt272 7 8.2 12.8 20min.
(2.7ghz) ✔ ✔
avrf061d2r4st532 20 2.4 43 15min.
(5.3ghz) ✔
1005
[0402] avrf101u6r8kt242 28 6.8 39 20min.
(2.4ghz) ✔ ✔
1608
[0603] avrf161q861lt201 19 860 27 20min
(200mhz) ✔ ✔
结论
对于tws这类应用，不仅要在大小有限的封装内纳入所有元件，还须克服诸多问题。而小型化趋势的发展，同样给应用带来了诸多顾虑，比如各种电路之间的相互干扰，尤其是天线rf信号的噪声可能会干扰扬声器或麦克风连接线，或者其中某个噪声会干扰rf天线的电路。为此，tdk专门开发了一种无源元件解决方案，不仅能滤波/衰减不必要的可听噪声源，还不会导致目标信号失真。目前，文中提及的maf系列噪声抑制滤波器和avrf系列esd陷波滤波器以实现量产，其中avrf系列不仅具有滤波功能，还拥有超高水平的esd保护功能。
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图像处理常用算法总结
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SC22 | 更加环保和节能：NVIDIA 赋能的新一代系统指明数据中心未来发展方向
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