无线耳机噪声抑制解决方案

周四, 25 三月 2021 - 16:19

随着无线耳机越来越普及，蓝牙®的使用也日渐增多。无线技术标准通常用于智能手机和耳机之间的通信。但是，由于通信误差，音频可能会跳过，因此需要采取对策。Murata研究了这一棘手问题，描述了解释设备中干扰机制（导致音频跳过）的实际案例。Murata研究了解决这个问题的实用对策。

设计问题/范围 
Murata认为主要有两种设计问题。 
•耳机设备内的干扰，绝对需要一种解决音频跳过问题的方法 
•  耳机中有安装区域限制（下方图1），包括真无线耳机，左侧和右侧分开。

第一个设计问题 — 耳机设备内的干扰在这里最为重要。

图1

对策验证 
在许多内部耳机干扰情况下，器件内不需要的无线电微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。

Murata使用商业产品测量2.4GHz信号的最低接收水平。它希望验证由于设计对策防止蓝牙设备内干扰而导致的音频跳过的可能性。

在内部器件干扰方面，即使信号弱，大图值也可指示通信，音频也不太可能跳过。Murata根据产品确认各种等级，同时还希望找出不同之处。

Murata通过产品A（经常观察音频跳过）和产品D（问题不常见）验证出现这种差异的原因。

图2：音频跳过测量

为了了解产品A和产品D的最低接收水平之间的差异，Murata观察了天线接收的噪声频谱。信号通过蓝牙天线进行通信，但如果噪声进入信号流，则会发生通信故障。

图3（下方）左侧显示产品D，其接收灵敏度良好，而右侧显示产品A，其灵敏度差。

图中红色区域显示电源关闭时的噪声水平，蓝色区域显示配对时的噪声水平。

蓝牙采用跳频，因此通信信号显示为窄带频谱。由于灵敏度高，仅在产品D上验证通信信号，没有出现其他频谱。

相比之下，在产品A上确认了几个MHz频段的频谱，其灵敏度（红色标记）很低。

因为蓝牙使用跳频，当所有通信频段出现这种噪声频谱时，噪声会与通信信号混合，降低灵敏度。

图3：音频跳过测量结果产品比较

为了调查红色标记所显示宽带噪声的原因，Murata测量了产品D板表面的磁场分布（下方图4）。

由于噪声源在实际噪声抑制方面有所不同，取决于设置和情况，因此必须提前确定有效降噪的电路位置。

图4右侧显示频率固定在2.4GHz时磁场分布强度的结果。红色区域表示强磁场。这表示蓝牙RFIC在直流-直流转换器电路区域具有超高磁场强度，将成为噪声抑制的有效位置。

该噪声是开关噪声，内部产生功率时会发生。Murata假定开关频率的较高谐波发生在2.4GHz频段。

图4：测量产品D板表面上的磁场分布

Murata对处理音频问题的对策进行了调查。

图5（下方）显示用于测量的测量环境以及与蓝牙天线耦合的噪声测量结果。

观察到极高噪声水平，因此需要进行噪声抑制，以降低噪声水平。

图5：与蓝牙天线耦合的噪声的测量结果

Murata在实施蓝牙噪声抑制时确定有两个关键实施方面。

第一方面是电源线路，第二方面是时钟线路。

由于电源线路通过开关产生更高谐波，时钟信号的更高谐波扩展到2.4GHz频段，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。

Murata将两种滤波器商业化，设计用于消除2.4GHz频段的噪声。

第一类包括用于电源线路的BLF02RD和LQZ02HQ滤波器，第二类包括用于时钟线路的LQZ02HQ系列。

表1和图 6（均在下方）显示了本实例中用于噪声抑制的BLF02RD和LQZ02HQ滤波器的典型电气规格和插入损耗频率特性。

许多情况下，电源线路和时钟线路是主要的噪声源，在这些电路区域使用适当的滤波器是有效的解决方案。

表1：电气规格

图6：插入损耗频率特性

测量结果（天线耦合噪声）

这些是在蓝牙通信时与天线耦合的噪声频谱测量的结果。

BLF02RD滤波器插入电源线路（下方图7）。这样，Murata能够将窄带噪声提高约5dB。如此证明，BLF02RD滤波器是一套有效的解决方案。

图7：电源线路：BLF02RD测量结果

同样，LQZ02HQ滤波器插入电源线路（下方图8）。Murata在窄带噪声方面也取得了类似水平的改进，大约为5dB。

图8：电源线路：LQZ02HQ测量结果

为了继续下去，Murata将LQZ02HQ滤波器插入时钟线路，观察波形和噪声频谱（下方图9）。

由于LQZ02HQ滤波器具有很少的低频衰减特性，因此仅消除了2.4GHz频段中的问题频谱，同时保持信号质量。

Murata得出以下结论：它是抑制信号线路（例如时钟）中噪声的一种有效方法。

图9：时钟线路：LQZ02HZ测量结果

总结

这种情况下，将噪声滤波器插入直流-直流转换器电路非常有效，但某些情况下，噪声源可能有所不同。上个示例中探索的验证方法仅仅是一个例子，但确定噪声源对于处理噪声抑制至关重要。

Murata建议在不同电路区域使用BLF02RD/LQZ02HQ系列噪声滤波器。两个系列均适用于电源线路，LQZ02HQ系列也适合用于时钟线路。BLF02RD/LQZ02HQ系列在2.4GHz高频范围内具有显著衰减，预计可提供显著噪声衰减。

这种情况下，Murata推出一个噪声抑制示例，其中同一电路中的噪声干扰蓝牙通信信号。该技术还可用于通信频率为2.4GHz的非蓝牙设备。Murata实施的噪声抑制元件在2.4GHz高频范围内非常有效，采用0.4mm x 0.2mm超小型尺寸，可节省空间。Murata推荐其元件，防止微型化音频跳出。

文章来源：贸泽电子