無線音訊能夠徹底擺脫線纜束縛，包括藍牙、TWS耳機在內，無線音訊裝置近年來廣受歡迎。然而，無線傳輸也將同時帶來射頻(RF)訊號的雜訊挑戰，設計產品時須將因應方案列入考量。
在音訊技術裡，達到無可挑剔的音質是基本目標。然而，如嘶嘶聲、嗡嗡聲等聽覺干擾，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經修飾的原音重現。
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作為範例解決方案進行說明，其可提供雜訊抑制所需的元件以及用於麥克風線路的ESD因應措施，並且無損音質。
藍牙和TWS的崛起
藍牙技術最初用於免手持通訊，接著，其應用迅速發展至涵蓋各種裝置，如耳機、揚聲器、汽車系統。此技術具有低功耗和通用相容性，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)在藍牙成為無線音訊傳輸的業界標準之後興起。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嚮往更簡單、更方便攜帶的音樂設備的趨勢。TWS技術讓消費者擺脫束縛，得以享有更高的行動力和便利性。
在音樂與音訊使用層面上，許多最新趨勢皆有賴於智慧型手機的服務，例如無線內容串流至藍牙揚聲器或入耳式耳機。儘管揚聲器和入耳式耳機已成為音訊輸出的標準，但要在藍牙入耳式耳機、揚聲器和語音助理麥克風等音訊裝置中達到完美的音質，仍有一些障礙需要突破。
無線音訊裝置面臨挑戰
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，因此相較有線耳機、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射頻(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走線和布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(Crosstalk)，將影響訊號完整性。
同樣地，在電池供電的可攜式音樂設備中，其數位放大器的切換動作(Switching)將發出雜訊，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，裝置會定期交換資料。RF訊號饋入音訊放大器時，將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(Intended Signal)傳送到揚聲器時，可被偵測為背景雜訊。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，蜂巢式網路和Wi-Fi也會遇到。在電話通話期間，GSM模組每4.615ms生成一次RF突發傳輸。當輻射至聲學電路時，RF突發的波封波形會產生頻率為217Hz的有聲TDMA雜訊，以及相關諧波(圖2)。
圖2 GSM通訊中，TDMA雜訊的生成過程 (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訊號並將其傳播至SoC。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(2.4GHz頻段)，降低其強度是減輕影響的關鍵策略。要減輕影響，需要深入了解小型被動式濾波器，例如TDK的MAF系列濾波器便可降低雜訊。
圖3 RF訊號將影響有線揚聲器線路上的音訊 (資料來源：TDK)
通常會使用片狀磁珠(Chip Bead)來降低音訊線纜中的背景雜訊。片狀磁珠由線圈層壓在鐵氧體磁芯(Ferrite Core)內部而製成，其阻抗取決於線圈的電抗和AC電阻。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的新型鐵氧體材料可達到低失真，並有效消除雜訊。MAF系列多層晶片元件針對需要在音訊線路上進行降噪的新興市場而開發，例如智慧型手機等可攜式電子裝置。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。
由於TWS耳機在使用時會與使用者的手產生實體接觸，連接麥克風和揚聲器的接線也需要靜電放電(ESD)防護。採用如TDK AVRF系列的陷波濾波器可將音訊訊號線屏蔽，不受電磁干擾和靜電放電的影響，緩解此潛在問題。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，便可組成低通輸出濾波器，如圖5所示。此設置可在2.4GHz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，波封波形不會生成不想要的雜訊。
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2.4GHz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，並傳送至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顯示為無線藍牙訊號轉換成麥克風電路中有線連接的一種可能路徑(Route)。雜訊將於處理後耦合至原始音訊訊號。
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，如MAF濾波器等解決方案是比一般片狀磁珠更好的選擇，在2.4GHz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積層陶瓷電容(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。圖7比較TWS入耳式耳機在是否減緩雜訊的不同情況下，接收靈敏度的表現。採用MAF、AVRF和MAF+AVRF對策後，接收靈敏度增強大約6dB，這些措施皆可於藍牙2.4GHz頻段達到降噪效果。
圖7 TWS入耳式耳機接收靈敏度比較 (資料來源：TDK)
MEMS/濾波器協力革新無線音訊
在社會對於物聯網(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，而麥克風也將作為聲音感測器使用，讓使用者的語音變成與裝置連結的介面。針對這些情境，運用半導體微製程(Micro-fabrication)技術的MEMS麥克風以微縮面積成為適合方案，例如TDK便為上述應用場景打造一系列MEMS麥克風。
為了滿足抑制MEMS麥克風中RF和ESD雜訊的需求，需要將同時濾波器納入其中。例如，TDK Audio Sample Kit便將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(圖8)，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，例如在無線或蜂巢式通訊中提高接收靈敏度。透過雜訊抑制濾波器和ESD陷波濾波器的組合，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，升級無線音訊體驗。
圖8 TDK的Audio Sample Kit (資料來源：TDK)
(本文作者為Digi-Key應用工程經理)