Hangtechnikai eszközökben fellépő zajok csökkentésére használható módszerek

A hangtechnikában a kifogástalan hangminőség egy alapvető cél. A hang nemkívánatos zavarai azonban, mint például a sziszegés, a zúgás vagy az interferencia, jelentősen ronthatják az általános hangminőséget. Ezek a zavarok a fejhallgatók és mikrofonok esetében különösen jelentősek, mivel a felhasználók pontos és változatlan hangvisszaadást kívánnak.

Ez a cikk a hangtechnikai eszközök, például fejhallgatók és mikrofonok nem kívánt zajának csökkentésére szolgáló különböző módszereket vizsgálja. A TDK Audio Sample Kit mintakészletét használja példaként, amely tartalmazza az összes szükséges alkatrészt, amely képes biztosítani a mikrofonvonalak zajszűrését és elektrosztatikus kisülések elleni védelmét a hangminőség romlása nélkül.

A Bluetooth és a TWS elterjedése

A Bluetooth-technológiát eredetileg kézhasználatot nem igénylő kommunikációra szánták. A Bluetooth alkalmazása azonban gyorsan bővült, és használatát számos eszközre, például fejhallgatókra, hangszórókra, autós rendszerekre és más eszközökre is kiterjesztették. A technológia alacsony energiafogyasztásának és univerzális kompatibilitásának köszönhetően az egymással kommunikáló eszközök folyamatosan bővülő környezetének nélkülözhetetlen elemévé vált.

A True Wireless Stereo (TWS) azután jelent meg, hogy a Bluetooth a vezeték nélküli hangátvitel de facto szabványává vált. A TWS fülhallgatók egy lépéssel tovább vitték a vezeték nélküli hangátvitel ötletét, megszüntetve a két fülhallgató bosszantó gabalyodását. Ezzel egy új korszak vette kezdetét a hordozható zene világában. Az apró, vezeték nélküli fülhallgatókkal egy új trend jelent meg, mégpedig az igény az egyszerűbb és hordozhatóbb zenei eszközök iránt. Nagyobb mobilitást és kényelmet biztosítva a TWS technológia úgymond felszabadította a fogyasztókat.

A zene- és hangfogyasztási szokások legújabb trendjei közül sokat az okostelefonos szolgáltatások irányítanak, mint például a Bluetooth hangszórókra és fülhallgatókra sugárzott vezeték nélküli tartalomstreaming. Bár mára a hangszórók és a fülhallgatók váltak a hangvisszaadás szabványává, korántsem egyszerű hibátlan hangminőséget elérni a Bluetooth fülhallgatók, hangszórók, hangvezérlésű asszisztensek mikrofonjai és más audioeszközök esetében, és ennek megvalósítása nem mentes az akadályoktól.

A vezeték nélküli hangtechnikai eszközöket érintő problémák

A vezetékes kapcsolatokat nem tartalmazó hangtechnikai berendezések több szempontból is kényelmesek, de mivel ezek az eszközök rádióhullámokra ültetett jelek segítségével működnek, nagyobb a problémák előfordulási aránya, mint a vezetékes fejhallgatók, mikrofonok vagy hangszórók esetében.

A vezeték nélküli eszközöknél az átvitelt, a vételt, a készülék működési teljesítményét és az akkumulátor élettartamát egyaránt befolyásolja a rádiófrekvenciás kapcsolat minősége. Amikor rádiófrekvenciás képességeket integrálnak kisméretű vezeték nélküli eszközökbe, a NyÁK-on lévő vezetősávok és az egyes audio bemenetek és kimenetek vezetékes csatlakozásai is általában az antenna közelében találhatók. E közelség miatt, a hangnak mikrofonba vagy hangszóróba küldésekor, az antenna által kibocsátott rádiófrekvenciás jelek elektromágneses zajt okozhatnak, és ronthatják a hang minőségét. Ezt a jelenséget nevezik általában áthallásnak, amely nagyban befolyásolja a jelintegritást.

Hasonlóképpen, az akkumulátorral működő hordozható zenei eszközökben használt digitális erősítők kapcsolása többszörös felharmonikusokat létrehozó zajkibocsátással járhat. Ezek a felharmonikusok negatívan befolyásolhatják az antenna kimeneti és bemeneti rádiófrekvenciás jeleit. Az antenna és a vezeték közelsége miatt csatolás lép fel, ami csökkenti a vételi érzékenységet. Mindezen lehetséges elektromágneses interferenciás zajforrások az 1. ábrán láthatók.

1. ábra: Egy tipikus vezeték nélküli hangátviteli konfiguráció a lehetséges zajforrásokkal (kép: TDK)

A rádiófrekvenciás zaj csökkentése hangszóróvezetékekben

A Bluetooth Classic Audio esetén, szemben a BLE audióval, az eszközök rendszeres időközönként adatcserét végeznek. Egy rádiófrekvenciás jelnek hangerősítőbe történő bevezetésekor a nemlineáris hatások miatt burkológörbe keletkezik. Ez a burkológörbe háttérzajként érzékelhető, amikor a hasznos jellel együtt a hangszórókhoz továbbítódik. Ezt a fajta zajt általában időosztásos duplex (TDD) zajnak, időosztásos többszörös hozzáférés (TDMA) zajnak vagy hétköznapi használatban egyszerűen csak „zúgásnak” nevezik.

A rádiófrekvenciás jelek burkológörbéi nemcsak a Bluetooth-rendszerekben, hanem a mobilhálózatokban és a Wi-Fi-nél is gondokat okoznak. Telefonhívás közben a GSM-modulok 4,615 ms-ként sorozatos rádiófrekvenciás jeladást generálnak. Egy akusztikus áramkörbe sugározva a rádiófrekvenciás jelsorozat burkológörbéje 217 Hz-es frekvenciás, hallható TDMA-zajt generálhat a hozzá tartozó felharmonikusokkal (2. ábra).

2. ábra: A TDMA-zaj keletkezése GSM-kommunikáció során (kép: TDK)

A 3. ábrán egy hangszóró és egy Bluetooth SoC közötti egyszerű vezetékes kapcsolat látható. Itt a vezetékek veszik fel a rádiófrekvenciás jelet, és továbbítják azt az SoC felé.

3. ábra: A hangot befolyásoló rádiófrekvenciás jel vezetékes hangszóróknál (kép: TDK)

Ezen oknál fogva ki kell szűrni a rádiófrekvenciás jel burkológörbéje által keltett hallható zajt és az antennaáramkör által felvett rádiófrekvenciás jeleket, még mielőtt azok a hangszóróba kerülnek. Erre a leghatékonyabb módszer a burkológörbét generáló 2,4 GHz-es sávú rádiófrekvenciás Bluetooth jel erősségének csökkentése. Alaposan ismerve a kisméretű passzív szűrők működését valamint az áramkörök tanulmányozásával a megfelelő fokú csillapítás elérhető. A zaj szűrők segítségével csökkenthető, olyanokkal mint amilyenek például a TDK MAF sorozatában találhatók.

Az SMD ferritek egy ferritmag belsejére laminált tekercsből állnak, és általában a háttérzaj csökkentésére használják őket audiokábelekben. Az SMD ferrit impedanciáját a tekercs reaktanciája és váltakozóáramú ellenállása határozza meg. A reaktancia komponens főként a zaj visszaverődéséért felelős az alacsony frekvenciatartományban, míg a váltakozó áramú ellenállás komponens elsősorban a zajelnyelésért és a hőtermelésért a magas frekvenciatartományban.

A TDK olyan új ferrit anyagot hozott létre, amely egyszerre alacsony torzítású és hatékony a zajok kiiktatásában. A többrétegű chipkomponenseket tartalmazó MAF sorozatát a gyártó a hordozható elektronikus eszközök, például az okostelefonok audióvezetékeihez fejlesztette ki a zajszűrés iránti igény kialakulóban lévő piacára válaszul. A MAF-ban az M, A és F betűk a Multilayer, High-Fi Audio és Noise Suppression Filter (többrétegű, nagyfokú hanghűség és zajszűrő) szavak rövidítései.

A mikrofont és a hangszórót összekötő vezetékek esetén elektrosztatikus kisülés elleni védelemre is szükség van, mivel a TWS fülhallgatók használat közben fizikailag érintkeznek a felhasználók kezeivel. A TDK kifejlesztett egy sávzáró szűrő sorozatot (AVRF), amely ezt a potenciális problémát enyhíti, védve az audiojel-vezetékeket az elektromágneses interferenciától (EMI) és az elektorsztatikus kisülésektől (ESD). A 4. ábrán több AVRF sávzáró szűrő frekvenciaválasza látható – a jellemző beiktatási veszteség a frekvencia függvényében.

4. ábra: Különböző TDK AVRF sávzáró szűrők esetén a beiktatási veszteség a frekvencia függvényében (kép: TDK)

Egy soros MAF zajszűrő (soros induktivitással) és egy soros AVRF sávzáró szűrő (soros kondenzátorral) kombinálásával jön létre az 5. ábrán látható aluláteresztő kimeneti szűrő. Ez a konfiguráció jó csillapítási jellemzőkkel rendelkezik a 2,4 GHz-es sávban, és megakadályozza, hogy a releváns zaj elérje a hangerősítőt. Ennek eredményeképpen a burkológörbe nem generál nemkívánatos zajt.

5. ábra: (a) MAF és AVRF szűrőket tartalmazó kapcsolás; (b) a szűrt jel Fourier transzformációval kapott spektruma; (c) 2,4 GHz-es sáv körüli nagy csillapítás (kép: TDK)

A rádiófrekvenciás zaj csökkentése mikrofonvezetékekben

A hangszóróvezetékekhez hasonlóan, a rádiófrekvenciás Bluetooth jel mikrofonvezetékekre történő átvitele is egy burkológörbét eredményez, amely az audioprocesszor bemenetére kerül. Az audioprocesszor ezután a nem kívánt hallható zajt is a hangszórókba küldi. A 6. ábrán látható egy lehetséges útvonal, amelyen keresztül a vezeték nélküli Bluetooth-jelek átkerülhetnek a vezetékes kapcsolatra a mikrofon áramkörén belül. A feldolgozás után az eredeti hangjelhez a zaj is hozzácsatolódik.

6. ábra: A hangot befolyásoló rádiófrekvenciás jel mikrofonoknál (kép: TDK)

A zaj hatékony minimalizálására a MAF-szűrők jobb választásnak bizonyultak, mint a hagyományos SMD ferritek, mivel nagyobb az impedanciájuk és alacsonyabb a zajcsillapításuk a 2,4 GHz-es frekvenciasávban. A MAF-szűrő az alacsonyabb frekvenciákon történő csillapítás növelésével a hallható kimeneti zajt észrevehetetlen szintre csökkenti.

A MAF és AVRF-es megoldás megakadályozza a teljes harmonikus torzítás és a zaj növekedését, ellentétben azzal, mint ami a hagyományos SMD ferritek és többrétegű kerámia kondenzátorok (MLCC) használata esetén jellemző. Azért nincs harmonikus torzítás, mivel sem a MAF, sem az AVRF komponens nem okoz nemlineáris feszültség- vagy áramváltozásokat a működési tartományukon belül. A jelek torzulását illetően, a MAF és AVRF-es megoldások kimenete gyakorlatilag megkülönböztethetetlen a szűrő nélküli megoldásokétól.

A 7. ábrán a TWS fülhallgatók vételi érzékenysége látható csillapítással és anélkül. A 2,4 GHz-es Bluetooth sávban zajcsökkentő hatású MAF, AVRF és MAF + AVRF szűrők bevezetése után körülbelül 6 dB-es növekedés volt tapasztalható a vételi érzékenységet illetően.

7. ábra: A TWS fülhallgatók vételi érzékenysége szűrőkkel és szűrők nélkül (kép: TDK)

A TDK hangtechnikai mintakészlete (Audio Sample Kit)

Az intelligens készülékek és a szórakoztató elektronika, például az intelligens hangszórók egyre nagyobb teret hódítanak, ahogy a társadalom a dolgok internete (IoT) és az egymással kommunikáló termékek felé halad. Az intelligens hangszórók alapvető alkotóelemei a mikrofonok, amelyek hangérzékelőként is működnek, így az ember beszéde egy olyan interfésszé válik, amely összekapcsolja őt a vezérelt eszközzel. A TDK a saját félvezető-mikrogyártási technológiáját használta fel arra, hogy széles választékot hozzon létre MEMS-mikrofonokból, amelyek az említett célokra használhatók.

A MEMS-mikrofonok rádiófrekvenciás és ESD-zajának elnyomására a TDK az Audio Sample Kit mintakészletét kínálja (8. ábra). Ebben a termékben a TDK az InvenSense MEMS mikrofonjait kombinálja MAF zajszűrőkkel és elektrosztatikus kisülések elleni AVRF sávzáró szűrőkkel. Ezeket a szűrőket kifejezetten a hangvezetékekben fellépő tipikus problémák kezelésére tervezték, ugyanakkor további előnyöket is kínálnak, például a vételi érzékenység javítását a vezeték nélküli vagy a mobilhálózati kommunikációban.

8. ábra: A TDK Audio Sample Kit mintakészlete (kép: TDK)

A hangszóró- és mikrofonvezetékek zajszűrését és elektrosztatikus kisülések elleni védelmét biztosító mintakészlet a következő alkatrészeket tartalmazza:

• 20 MEMS mikrofon;
• 80 MAF sorozatú zajszűrő;
• 120 AVRF sorozatú sávzáró szűrő elektrosztatikus kisülések ellen.

A hangtechnikai mintakészlet használata esetén a fő előnyök a következők:

• javított vételi érzékenység mobilhálózati és Wi-Fi kommunikáció esetén;
• magas hangminőség az alacsony teljes harmonikus torzításnak és zajnak (THD+N) köszönhetően;
• TDMA-zaj elnyomása;
• kis jelromlás az alacsony ellenállásnak köszönhetően;
• elektorsztatikus kisülés és zaj elleni védelem megvalósítása.

Összegzés

A zajszűrők és az elektrosztatikus kisülések elleni sávzáró szűrők együttes alkalmazása hatékony védelmet nyújt a vezeték nélküli fejhallgatókat és mikrofonokat érő zajforrások ellen. A TDK Audio Sample Kit mintakészlete egy használatra kész megoldás, tartalmazva az összes olyan alkatrészt, amelyet a mérnökök a vezeték nélküli hangtechnikai kialakításokban használhatnak a rádiófrekvenciás zaj csökkentésére a hangminőség romlása nélkül.