กลยุทธ์ในการลดเสียงรบกวนในอุปกรณ์เสียง

สำหรับเทคโนโลยีเสียง คุณภาพเสียงที่ไร้ที่ติคือวัตถุประสงค์พื้นฐาน อย่างไรก็ตาม การรบกวนทางการได้ยินที่ไม่พึงประสงค์ เช่น เสียงฟู่ เสียงหึ่ง หรือเสียงรบกวน อาจทำให้คุณภาพเสียงโดยรวมลดลงอย่างมาก การรบกวนเหล่านี้มีความสำคัญเป็นพิเศษในบริบทของหูฟังและไมโครโฟน เนื่องจากผู้ใช้ต้องการการจำลองเสียงที่แม่นยำและไม่เปลี่ยนแปลง

บทความนี้จะตรวจสอบแนวทางต่างๆ ในการลดเสียงรบกวนที่ไม่ต้องการในอุปกรณ์เสียง เช่น หูฟังและไมโครโฟน ที่ TDKชุดจำลองเสียง ใช้เป็นตัวอย่างของโซลูชันที่ให้ส่วนประกอบทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการลดเสียงรบกวนและมาตรการรับมือ ESD สำหรับสายไมโครโฟนโดยไม่ลดคุณภาพเสียง

การเพิ่มขึ้นของ Bluetooth และ TWS

เทคโนโลยี Bluetooth เดิมทีมีไว้สำหรับการสื่อสารแบบแฮนด์ฟรี กล่าวคือ การใช้งาน Bluetooth เติบโตอย่างรวดเร็วจนครอบคลุมอุปกรณ์ที่หลากหลาย เช่น ชุดหูฟัง ลำโพง ระบบรถยนต์ และอื่นๆ การใช้พลังงานต่ำของเทคโนโลยีและความเข้ากันได้สากลทำให้เทคโนโลยีนี้เป็นองค์ประกอบที่ขาดไม่ได้ของระบบนิเวศของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อที่กำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่อง

สเตอริโอไร้สายอย่างแท้จริง (TWS) เกิดขึ้นหลังจากที่ Bluetooth กลายเป็นมาตรฐานสำหรับการส่งสัญญาณเสียงแบบไร้สาย ด้วยแนวคิดเรื่องเสียงไร้สายที่ก้าวไปอีกขั้น หูฟัง TWS จะนำสายหูฟังแต่ละข้างออก นี่คือจุดเริ่มต้นของยุคใหม่แห่งดนตรีพกพา หูฟังไร้สายขนาดเล็กนี้แสดงถึงแนวโน้มไปสู่อุปกรณ์ดนตรีที่เรียบง่ายและพกพาสะดวกยิ่งขึ้น เทคโนโลยี TWS ช่วยให้ผู้บริโภคเป็นอิสระ ทำให้พวกเขามีความคล่องตัวและความสะดวกสบายมากขึ้น

แนวโน้มล่าสุดหลายประการในการบริโภคเพลงและเสียงขึ้นอยู่กับบริการของสมาร์ทโฟน เช่น การสตรีมเนื้อหาไร้สายไปยังลำโพง Bluetooth และหูฟังเอียร์บัด แม้ว่าลำโพงและหูฟังเอียร์บัดจะกลายเป็นมาตรฐานสำหรับเอาต์พุตเสียง แต่การได้รับคุณภาพเสียงที่ไร้ที่ติในอุปกรณ์เสียง เช่น หูฟัง Bluetooth ลำโพง และไมโครโฟนระบบสั่งงานด้วยเสียงก็ยังมีอุปสรรคอยู่บ้าง

ปัญหาที่ส่งผลต่ออุปกรณ์เสียงไร้สาย

เครื่องเสียงที่ไม่มีการเชื่อมต่อแบบมีสายมีความสะดวกหลายประการ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้อาศัยสัญญาณไร้สาย จึงมีแนวโน้มที่จะประสบปัญหามากกว่าหูฟัง ไมโครโฟน หรือลำโพงแบบมีสาย

ในอุปกรณ์ไร้สาย การส่ง การรับ ประสิทธิภาพอุปกรณ์ และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ล้วนได้รับผลกระทบจากคุณภาพของลิงก์ RF เมื่อใดก็ตามที่ความสามารถด้าน RF ถูกรวมเข้ากับอุปกรณ์ไร้สายขนาดเล็ก โดยทั่วไปแล้ว ร่องรอยของ PCB และการเชื่อมต่อสายไฟสำหรับอินพุตและเอาต์พุตเสียงแต่ละรายการจะอยู่ใกล้กับเสาอากาศ เนื่องจากความใกล้ชิดนี้ เมื่อเสียงถูกส่งไปยังไมโครโฟนหรือลำโพง สัญญาณ RF ที่ปล่อยออกมาจากเสาอากาศสามารถสร้างสัญญาณรบกวน EMI และลดคุณภาพเสียงได้ ปัญหานี้หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า สัญญาณแทรกข้าม ส่งผลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ในทำนองเดียวกัน การสลับที่เกิดขึ้นในแอมปลิฟายเออร์ดิจิตอลที่ใช้ในอุปกรณ์ดนตรีแบบพกพาที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่สามารถปล่อยสัญญาณรบกวน ทำให้เกิดฮาร์โมนิกหลายรายการ ฮาร์โมนิกเหล่านี้ก่อให้เกิดภัยคุกคามต่อสัญญาณ RF เอาท์พุตและอินพุตของเสาอากาศ เนื่องจากเสาอากาศและสายไฟอยู่ใกล้กันมาก จึงเกิดการจับคู่ซึ่งส่งผลให้ความไวในการรับสัญญาณลดลง แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน EMI ที่เป็นไปได้ทั้งหมดเหล่านี้แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1: การกำหนดค่าเสียงไร้สายทั่วไปที่มีแหล่งกำเนิดเสียงรบกวน (ที่มา: TDK)

การลดสัญญาณรบกวน RF ในสายลำโพง

เมื่อใช้ Bluetooth Classic Audio ซึ่งต่างจากเสียง BLE อุปกรณ์จะแลกเปลี่ยนข้อมูลในช่วงเวลาสม่ำเสมอ เมื่อสัญญาณ RF ถูกป้อนเข้าไปในเครื่องขยายสัญญาณเสียง จะมีการสร้างรูปคลื่นแบบเอนเวโลปขึ้นเนื่องจากผลกระทบที่ไม่ใช่เชิงเส้น รูปคลื่นแบบเอนเวโลปนี้สามารถตรวจจับได้ว่าเป็นสัญญาณรบกวนพื้นหลังเมื่อถูกส่งไปยังลำโพงพร้อมกับสัญญาณที่ต้องการ เสียงประเภทนี้มักเรียกกันว่าเสียง Time Division Duplexing (TDD), เสียง Time Division Multiple Access (TDMA) หรือเรียกง่ายๆ ว่าเสียงสั่น "buzz"

ปัญหาเกี่ยวกับรูปคลื่นของคลื่นวิทยุ RF นี้ไม่เพียงปรากฏให้เห็นในการใช้งาน Bluetooth เท่านั้น แต่ยังรวมถึงเครือข่ายเซลลูล่าร์และ Wi-Fi ด้วย ในระหว่างการโทร โมดูล GSM จะสร้างการส่งสัญญาณ RF แบบต่อเนื่องทุกๆ 4.615 มิลลิวินาที เมื่อแผ่ไปยังวงจรอะคูสติก รูปคลื่นแบบเอนเวโลปของการระเบิด RF สามารถสร้างเสียงรบกวน TDMA ที่ได้ยินได้ที่ความถี่ 217 เฮิรตซ์พร้อมกับฮาร์โมนิกที่เกี่ยวข้อง (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: เสียง TDMA ถูกสร้างขึ้นในการสื่อสาร GSM อย่างไร (ที่มา: TDK)

การเชื่อมต่อแบบมีสายมาตรฐานระหว่างลำโพงและ Bluetooth SoC จะแสดงในรูปที่ 3 ในส่วนนี้ การเชื่อมต่อแบบใช้สายจะรับสัญญาณ RF และเผยแพร่ไปยัง SoC

รูปที่ 3: สัญญาณ RF ที่ส่งผลต่อเสียงบนสายลำโพงแบบมีสาย (ที่มา: TDK)

ดังนั้นจึงจำเป็นต้องกรองเสียงรบกวนที่ได้ยินได้ซึ่งเกิดจากรูปคลื่นแบบเอนเวโลป RF และสัญญาณ RF ใดๆ ที่ได้รับจากวงจรเสาอากาศก่อนที่จะป้อนเข้าไปในลำโพง การลดความแรงของสัญญาณ Bluetooth RF (ย่านความถี่ 2.4 GHz) ที่สร้างรูปคลื่นเอนแบบเวโลปเป็นกลยุทธ์หลักในการลดผลกระทบ การลดผลกระทบสามารถทำได้โดยอาศัยความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับฟิลเตอร์แบบพาสซีฟขนาดเล็กและการศึกษาอย่างรอบคอบ สัญญาณรบกวนสามารถลดลงได้ด้วยฟิลเตอร์แบบเดียวกับที่ใช้ในซีรีส์ MAF ของ TDK

เม็ดชิปบีดมักใช้เพื่อลดเสียงรบกวนรอบข้างในสายสัญญาณเสียง พวกมันทำจากคอยล์เคลือบด้านในแกนเฟอร์ไรต์ ความต้านทานของเม็ดบีดถูกกำหนดในแง่ของค่ารีแอกแตนซ์และความต้านทานไฟฟ้า AC ของขดลวด ส่วนประกอบรีแอกแตนซ์มีหน้าที่หลักในการสะท้อนเสียงในช่วงความถี่ต่ำ ในขณะที่ส่วนประกอบความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับมีหน้าที่หลักในการดูดซับเสียงและการสร้างความร้อนในช่วงความถี่สูง

TDK ได้สร้างวัสดุเฟอร์ไรต์ชนิดใหม่ที่มีการบิดเบือนต่ำและมีประสิทธิภาพในการตัดเสียงรบกวน ส่วนประกอบชิปหลายชั้นซีรีส์ MAF ได้รับการพัฒนาเพื่อตอบสนองต่อตลาดเกิดใหม่สำหรับการตัดเสียงรบกวนในสายเสียงของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เช่น สมาร์ทโฟน ตัวอักษร M, A และ F ใน MAF ตามลำดับหมายถึง หลายชั้น, เสียง High-Fi, และฟิลเตอร์ลดเสียงรบกวน

จำเป็นต้องมีการป้องกันการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) สำหรับสายไฟที่เชื่อมต่อไมโครโฟนและลำโพง เนื่องจากหูฟัง TWS จะสัมผัสกับมือของผู้ใช้เมื่อใช้งาน TDK ได้ออกแบบฟิลเตอร์รอยบาก (ซีรีส์ AVRF) เพื่อบรรเทาปัญหาที่อาจเกิดขึ้นนี้โดยการป้องกันสายสัญญาณเสียงจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) การสูญเสียการแทรกเทียบกับประสิทธิภาพความถี่ของฟิลเตอร์รอยบาก AVRF หลายตัวแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4: การสูญเสียการแทรกเทียบกับความถี่สำหรับฟิลเตอร์รอยบาก TDK AVRF ที่แตกต่างกัน (ที่มา: TDK)

การรวมฟิลเตอร์ลดเสียงรบกวนแบบซีรีส์ MAF (พร้อมตัวเหนี่ยวนำซีรีส์เดียวกัน) และฟิลเตอร์รอยบากแบบ AVRF (พร้อมตัวเก็บประจุซีรีส์เดียวกัน) จะทำให้ฟิลเตอร์เอาต์พุตความถี่ต่ำผ่านดังแสดงในรูปที่ 5 การตั้งค่านี้สร้างคุณลักษณะการลดทอนสัญญาณสูงในย่านความถี่ 2.4 GHz และป้องกันเสียงรบกวนที่เกี่ยวข้องไม่ให้เข้าถึงเครื่องขยายเสียง เป็นผลให้รูปคลื่นแบบเอนเวโลปไม่สร้างสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์

รูปที่ 5: (a) การกำหนดค่าด้วยฟิลเตอร์ MAF และ AVRF (b) FFT ของสัญญาณกรองที่สอดคล้องกัน (c) การลดทอนสูงที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ย่านความถี่ 2.4 GHz (ที่มา: TDK)

การลดเสียงรบกวน RF ในสายไมโครโฟน

เช่นเดียวกับที่ทำกับสายลำโพง การโอนย้ายสัญญาณ Bluetooth RF ไปยังสายไมโครโฟนจะส่งผลให้เกิดรูปคลื่นแบบเอนเวโลปที่ถูกส่งไปยังอินพุตของเครื่องประมวลผลเสียง จากนั้นตัวประมวลผลเสียงจะส่งเสียงรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ไปยังลำโพง รูปที่ 6 แสดงเส้นทางหนึ่งที่เป็นไปได้สำหรับสัญญาณ Bluetooth ไร้สายที่จะแปลงเป็นการเชื่อมต่อแบบมีสายภายในวงจรของไมโครโฟน เสียงจะรวมกับสัญญาณเสียงต้นฉบับหลังการประมวลผล

รูปที่ 6: สัญญาณ RF ที่ส่งผลต่อเสียงในการเชื่อมต่อไมโครโฟนแบบมีสาย (ที่มา: TDK)

เพื่อลดเสียงรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวกรอง MAF เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าชิปบีดทั่วไป เนื่องจากมีความต้านทานสูงกว่าและการลดทอนสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่าในความถี่ 2.4 GHz ตัวกรอง MAF สามารถลดเสียงรบกวนเอาต์พุตเสียงให้อยู่ในระดับที่ไม่สามารถตรวจพบได้โดยการเพิ่มการลดทอนที่ความถี่ต่ำ

โซลูชัน MAF + AVRF ป้องกันการเพิ่มขึ้นของ THD+N ตรงกันข้ามกับการใช้เม็ดบีดเฟอร์ไรต์ธรรมดาและตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCC) ไม่มีการบิดเบือนฮาร์มอนิก เนื่องจากทั้ง MAF และส่วนประกอบ AVRF ไม่สร้างการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ใช่เชิงเส้นของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสภายในช่วงการทำงานที่เกี่ยวข้อง เมื่อกล่าวถึงการบิดเบือนของสัญญาณ โซลูชัน MAF + AVRF นั้นแทบจะแยกไม่ออกจากการใช้ฟิลเตอร์เลย

ผลลัพธ์ของความไวในการรับสัญญาณของหูฟังเอียร์บัด TWS ที่มีและไม่มีการลดจะแสดงในรูปที่ 7 การปรับปรุงความไวในการรับประมาณ 6 dB เกิดขึ้นหลังจากการแนะนำมาตรการรับมือ MAF, AVRF และ MAF + AVRF ซึ่งทั้งหมดนี้มีผลกระทบในการลดเสียงรบกวนในย่านความถี่ Bluetooth 2.4 GHz

รูปที่ 7: การรับความไวในหูฟัง TWS ที่มีและไม่มีฟิลเตอร์ (ที่มา: TDK)

ชุดจำลองเสียงของ TDK

เครื่องใช้ไฟฟ้าอัจฉริยะและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น ลำโพงอัจฉริยะ กำลังมีจำนวนเพิ่มขึ้น ในขณะที่สังคมก้าวไปสู่ Internet of Things (IoT) และผลิตภัณฑ์ที่เชื่อมต่อกัน ส่วนประกอบพื้นฐานของลำโพงอัจฉริยะคือไมโครโฟน ซึ่งทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์เสียงด้วย ทำให้คำพูดของบุคคลเป็นอินเตอร์เฟสสำหรับเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ เทคโนโลยีการผลิตไมโครเซมิคอนดักเตอร์ของ TDK ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างไมโครโฟน MEMS หลากหลายประเภทเพื่อใช้ในบริบทดังกล่าว

เพื่อตอบสนองความจำเป็นในการลดสัญญาณรบกวน RF และ ESD ในไมโครโฟน MEMS TDK จึงได้ผลิตชุดจำลองเสียง (รูปที่ 8) ผลิตภัณฑ์นี้รวมไมโครโฟน TDK InvenSense MEMS เข้ากับฟิลเตอร์ลดเสียงรบกวน MAF และฟิลเตอร์รอยบาก AVRF ESD ฟิลเตอร์เหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อต่อสู้กับปัญหาทั่วไปในสายสัญญาณเสียงโดยเฉพาะ ในขณะที่ให้ประโยชน์เพิ่มเติม เช่น การปรับปรุงความไวในการรับสัญญาณในการสื่อสารไร้สายหรือการสื่อสารเคลื่อนที่

รูปที่ 8: ชุดจำลองเสียงของ TDK (ที่มา: TDK)

ชุดจำลองเสียงให้การลดเสียงรบกวนและมาตรการรับมือ ESD สำหรับสายลำโพงและไมโครโฟน มีส่วนประกอบต่อไปนี้:

• ไมโครโฟน MEMS 20 ตัว
• ฟิลเตอร์ลดเสียงรบกวนซีรีย์ 80 MAF
• ฟิลเตอร์รอยบาก ESD ซีรีส์ 120 AVRF

คุณสมบัติหลักของชุดจำลองโซลูชันเสียงคือ:

• ปรับปรุงความไวในการรับสัญญาณของการสื่อสารเซลลูลาร์และ Wi-Fi
• คุณภาพเสียงสูงเนื่องจากการบิดเบือนต่ำเนื่องจากคุณสมบัติ THD+N ต่ำ
• การปราบปรามเสียง TDMA
• สัญญาณเสื่อมลงเล็กน้อยเนื่องจากความต้านทานต่ำ
• ความสำเร็จของทั้งมาตรการป้องกัน ESD และเสียงรบกวน

สรุป

การใช้ฟิลเตอร์ลดเสียงรบกวนและฟิลเตอร์รอยบาก ESD ร่วมกันทำให้สามารถตอบโต้เสียงรบกวนที่ส่งผลต่อชุดหูฟังไร้สายและไมโครโฟนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ชุดจำลองเสียงของ TDK เป็นโซลูชันที่พร้อมใช้งาน รวมถึงวิศวกรส่วนประกอบทั้งหมดที่สามารถใช้เพื่อลดเสียงรบกวน RF ในการออกแบบเสียงไร้สายโดยไม่กระทบต่อคุณภาพเสียง