村田电子在无线耳机中的滤噪对策

周三, 23 一月 2019 - 15:12

最近，无线耳机的普及随着人们“一边听音乐一边运动”的情况的增加而增加。蓝牙经常用于智能手机和耳机之间的通信。但是，由于通信错误，音频可能会跳过，因此需要采取对策。
<img alt="一边听音乐一边运动" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="1d7c629a-8c14-4276-879b-4967ead01de1" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%BF%90%E5%8A%A8.jpg" />
这是一个非常重要的用户评估点，也是一个难以解决的问题。这里我们描述一个实际案例来解释导致音频跳过的设备中的干扰机制，以及改进的关键点，以引入解决问题的有用对策。

我们希望您将它作为指南，帮助您更顺利地完成设计工作。我们认为主要存在两种类型的设计问题。耳机设备内的干扰，绝对需要一种方法来解决音频跳过的问题。

耳机中存在安装区域限制，例如真正的无线耳机，左侧和右侧是分开的，如图1所示。验证耳机设备内干扰的对策。
<img alt="验证耳机设备内干扰的对策" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="1268ffb8-08ad-4d9f-86f7-32841c4e0723" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9A%E9%AA%8C%E8%AF%81%E8%80%B3%E6%9C%BA%E8%AE%BE%E5%A4%87%E5%86%85%E5%B9%B2%E6%89%B0%E7%9A%84%E5%AF%B9%E7%AD%96.jpg" />
在许多内部耳机干扰的情况下，设备内的不需要的无线电波叠加在通信所需的信号之上，这会产生噪声并导致音频跳过。在这里，我们使用商业产品来测量2.4 GHz信号的最小接收电平，以验证由于设计对策而导致音频跳过的可能性的差异，以防止蓝牙设备内的干扰。就内部设备干扰而言，大图值表示即使信号较弱也可以进行通信，并且音频不太可能跳过。

我们能够根据产品验证各种级别，但为什么它们如此不同？

我们使用产品A（经常观察到音频跳过）和产品D（经常没有观察到这个问题）验证了这种差异的原因。
<img alt="验证了这种差异的原因" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="db9280d9-5a79-4450-bd85-93cf41327df2" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9A%E5%A4%A9%E7%BA%BF%E6%8E%A5%E6%94%B6%E7%9A%84%E5%99%AA%E5%A3%B0%E9%A2%91%E8%B0%B1_0.jpg" />
为了了解产品A和产品D的最小接收电平之间的差异，我们观察了天线接收的噪声频谱。信号流经蓝牙天线进行通信，但如果噪声进入信号流，则会发生通信故障。

图3的左侧显示了产品D，它具有良好的接收灵敏度，右侧显示产品A，其灵敏度较差。

图表上的红色区域显示电源关闭时的噪音级别，蓝色区域显示配对期间的噪音级别。

蓝牙使用跳频，因此通信信号显示为窄带频谱。由于灵敏度高，通信信号仅在产品D上验证，并且没有出现其他光谱。

相反，在产品A上验证了具有大约几MHz频带的光谱，其灵敏度较差。（红色标记）由于蓝牙在通信期间使用跳频，当在所有通信频带上发生这种类型的噪声频谱时，噪声与通信信号混合并降低灵敏度。

为了研究红色标记所示的宽带噪声的原因，我们测量了产品D的电路板表面上的磁场分布。（图4）由于噪声源的实际噪声抑制因设置和情况而异，因此它是确定电路位置以提前有效降噪非常重要。
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图4的右侧显示了频率固定为2.4 GHz时磁场分布强度的结果。红色区域表示强磁场，这表明在DC-DC转换器电路区域中具有特别高的磁场强度的蓝牙RF-IC将是用于噪声抑制的有效位置。

这种噪声是在内部产生功率时发生的开关噪声，我们可以假设开关频率的高次谐波发生在2.4 GHz频段。
<img alt="图4的右侧显示了频率固定为2.4 GHz时磁场分布强度的结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="369a9410-c724-43da-969d-a83d1b072665" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4_17.jpg" />
这里我们将介绍一些解决这个问题的对策。

图5显示了用于测量的测量环境以及测量与蓝牙天线耦合的噪声的结果。观察到极高水平的噪声，这需要噪声抑制以降低水平。实现蓝牙噪声抑制时，有两个关键的实现区域。
<img alt="用于测量的测量环境以及测量与蓝牙天线耦合的噪声的结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="89f07589-774e-4fc2-84c9-6b52d43bb7b8" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5_11.jpg" />
第一个区域是电源线，第二个区域是时钟线。由于电源线由于切换而产生更高的谐波，并且时钟信号的高次谐波延伸到2.4GHz频带，因此在蓝牙信号中产生噪声。滤波是抑制噪声传导的有效方法。

在Murata，我们已经商业化了两种类型的滤波器，旨在消除2.4 GHz频段的噪声。第一种类型包括用于电源线的BLF02RD和LQZ02HQ滤波器，第二种类型包括用于时钟线的LQZ02HQ系列。

下面介绍每种过滤器类型的特征。

表1和图6显示了在这种情况下用于噪声抑制的BLF02RD和LQZ02HQ滤波器的代表性电气规范和插入损耗频率特性。

在许多情况下，电源线和时钟线是主要噪声源，在这些电路区域使用适当的滤波器是一种有效的解决方案。

表1.电气规范

<table border="1">
<tbody>
<tr>
<td bgcolor="#CCCCCC">零件名称</td>
<td bgcolor="#CCCCCC">噪声抑制目标频率</td>
<td bgcolor="#CCCCCC">阻抗 
@ 2.4GHz</td>
<td bgcolor="#CCCCCC">额定电流 
/直流电阻</td>
<td bgcolor="#CCCCCC">特征</td>
<td bgcolor="#CCCCCC">目标 
电路</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="2">BLF02RD</td>
<td rowspan="3">2.4GHz的</td>
<td>330Ω</td>
<td>330mA/  
0.6Ω</td>
<td rowspan="2">宽带噪声响应</td>
<td rowspan="2">电源线</td>
</tr>
<tr>
<td>470Ω</td>
<td>200mA/  
0.9Ω</td>
</tr>
<tr>
<td>LQZ02HQ</td>
<td>580Ω</td>
<td>200mA/  
0.55Ω</td>
<td>窄带噪声响应</td>
<td>电源线 
/时钟线</td>
</tr>
</tbody>
</table>

这些是在蓝牙通信期间测量与天线耦合的噪声频谱的结果。将BLF02RD过滤器插入电源线。我们能够将窄带噪声提高约5 dB，并验证BLF02RD滤波器是一种有效的解决方案。
<img alt="蓝牙通信期间测量与天线耦合的噪声频谱的结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="a447ca17-41d8-4079-8ce4-da18002714fd" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6_10.jpg" />
以类似的方式，将LQZ02HQ滤波器插入电源线。我们能够验证窄带噪声的类似改善水平约5 dB。
<img alt="将LQZ02HQ滤波器插入电源线" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="7ad06ed4-2cae-4d3d-a691-ac151f8c04cd" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7_2.jpg" />
当LQZ02HQ滤波器插入时钟线时，我们有波形和噪声频谱。由于LQZ02HQ滤波器具有很少的低频衰减特性，因此它只能消除2.4 GHz频段中存在问题的频谱，同时保持信号质量。因此，它是抑制诸如时钟的信号线中的噪声的有效方式。
<img alt="抑制诸如时钟的信号线中的噪声的有效方式" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="e02b0fc5-03f0-4c34-a5d5-7b4ac4d3428f" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE8_5.jpg" />
在这种情况下，将噪声滤波器插入DC-DC转换器电路是有效的，但噪声源在某些情况下可能不同。前一个示例中显示的验证方法只是一个示例，但在考虑如何进行噪声抑制时，识别噪声源非常重要。

我们提供BLF02RD / LQZ02HQ系列噪声滤波器，推荐用于不同的电路区域。BLF02RD / LQZ02HQ滤波器适用于电源线，LQZ02HQ滤波器适用于时钟线。这两个系列都具有2.4 GHz高频范围内的显着衰减，可望提供显着的噪声衰减。

在这种情况下，我们引入了噪声抑制的示例，其中同一电路中的噪声干扰蓝牙通信信号。该技术还可以应用于以2.4 GHz频率通信的非蓝牙设备，我们已经实现了噪声抑制组件，这些组件在2.4 GHz的超小型x 0.4 mm x高频范围内非常有效考虑到在添加组件时需要节省安装表面积，需要0.2 mm。