Strategie per la riduzione del rumore nei dispositivi audio

Nella tecnologia audio, una qualità sonora impeccabile è un obiettivo fondamentale. Tuttavia, i disturbi uditivi indesiderati, come sibili, ronzii o interferenze, possono comprometterla notevolmente. Questi disturbi hanno un significato particolare nel contesto delle cuffie e dei microfoni, poiché gli utenti cercano una riproduzione del suono accurata e inalterata.

Questo articolo esamina diversi approcci per ridurre il rumore indesiderato nei dispositivi audio, come cuffie e microfoni. Il kit di campioni audio di TDK è un esempio di soluzione che fornisce tutti i componenti necessari per la soppressione del rumore e le contromisure di contrasto delle ESD per le linee microfoniche senza degradare la qualità del suono.

L'ascesa di Bluetooth e TWS

La tecnologia Bluetooth era originariamente destinata alla comunicazione vivavoce. Detto questo, le applicazioni Bluetooth sono cresciute rapidamente fino a includere una varietà di dispositivi come cuffie, altoparlanti, sistemi auto e molto altro. Il basso consumo energetico e la compatibilità universale di questa tecnologia l'hanno resa un componente indispensabile dell'ecosistema in costante espansione dei dispositivi connessi.

Lo Stereo true wireless (TWS) è emerso dopo che il Bluetooth è diventato lo standard di fatto per la trasmissione audio wireless. Portando avanti l'idea dell'audio wireless, le cuffie TWS hanno dato vita agli auricolari. Questo fu l'inizio di una nuova era della musica portatile. Le piccole cuffie senza fili rappresentavano una tendenza verso apparecchiature musicali più semplici e portatili. La tecnologia TWS ha liberato i consumatori, consentendo loro una maggiore mobilità e comodità.

Molte delle ultime tendenze nel consumo di musica e audio dipendono dai servizi degli smartphone, come lo streaming wireless di contenuti su altoparlanti e auricolari Bluetooth. Sebbene questi siano ora lo standard per l'uscita audio, l'ottenimento di una qualità sonora impeccabile nei dispositivi audio come gli auricolari Bluetooth, gli altoparlanti e i microfoni degli assistenti vocali presenta alcuni ostacoli.

Problemi che riguardano i dispositivi audio wireless

Le apparecchiature audio prive di connessioni cablate sono comode sotto molti punti di vista. Tuttavia, poiché questi dispositivi si basano su un segnale wireless, è più probabile che presentino problemi rispetto a cuffie, microfoni o altoparlanti cablati.

Nei dispositivi wireless, la trasmissione, la ricezione, le prestazioni del dispositivo e la durata della batteria sono tutte influenzate dalla qualità del collegamento RF. Ogni volta che la funzionalità RF viene integrata in piccoli dispositivi wireless, le tracce del circuito stampato e le interconnessioni di cablaggio di ogni ingresso e uscita audio sono in genere posizionate vicino all'antenna. A causa di questa vicinanza, quando l'audio viene inviato al microfono o all'altoparlante, i segnali RF emessi dall'antenna possono creare disturbi EMI e compromettere la qualità dell'audio. Questo problema, comunemente noto come diafonia, influisce sull'integrità del segnale.

Analogamente, la commutazione che avviene negli amplificatori digitali utilizzati nelle apparecchiature musicali portatili alimentate a batteria può emettere rumore, creando armoniche multiple, una minaccia per i segnali RF di uscita e di ingresso dell'antenna. Poiché l'antenna e il filo sono così vicini, si verifica l'accoppiamento, con conseguente riduzione della sensibilità di ricezione. Tutte queste possibili sorgenti di rumore EMI sono illustrate nella Figura 1.

Figura 1: Una tipica configurazione audio wireless con potenziali sorgenti di rumore. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Attenuazione del rumore RF nelle linee degli altoparlanti

Quando si utilizza l'audio Bluetooth Classic rispetto all'audio BLE, i dispositivi si scambiano i dati a intervalli regolari. Quando viene immesso un segnale RF in un amplificatore audio, a causa di effetti non lineari viene prodotta una forma d'onda di inviluppo, rilevabile come rumore di fondo quando viene trasmessa ai diffusori insieme al segnale previsto. Questo tipo di rumore viene comunemente chiamato rumore a divisione di tempo duplex (TDD), rumore a divisione di tempo per accesso multiplo (TDMA) o semplicemente "ronzio".

Questa difficoltà con la forma d'onda di inviluppo radio RF si manifesta non solo nelle applicazioni Bluetooth, ma anche nelle reti cellulari e Wi-Fi. Durante una telefonata, i moduli GSM generano un burst RF ogni 4,615 ms. Se irradiata in un circuito acustico, la forma d'onda di inviluppo del burst RF può produrre un rumore TDMA udibile a una frequenza di 217 Hz e le relative armoniche (Figura 2).

Figura 2: Come viene generato il rumore TDMA nella comunicazione GSM. (Immagine per gentile concessione di TDK)

La Figura 3 mostra una connessione cablata standard tra un altoparlante e un SoC Bluetooth. Qui, le connessioni cablate captano il segnale RF e lo propagano al SoC.

Figura 3: Un segnale RF che influenza l'audio sulle linee degli altoparlanti cablati. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Pertanto, è necessario filtrare il rumore udibile prodotto dalla forma d'onda di inviluppo RF e qualsiasi segnale RF captato dal circuito dell'antenna prima che venga immesso nell'altoparlante. La riduzione dell'intensità del segnale RF Bluetooth (banda 2,4 GHz) che genera la forma d'onda di inviluppo è la principale strategia di mitigazione. Questa mitigazione è possibile grazie a una conoscenza approfondita dei piccoli filtri passivi e a uno studio attento. Il rumore può essere ridotto da filtri come quelli della serie MAF di TDK.

Per ridurre il rumore di fondo nei cavi audio si utilizzano solitamente le perline in chip. Sono costituite da una spira laminata all'interno di un nucleo in ferrite. L'impedenza di una perlina in chip è definita in termini di reattanza e resistenza c.a. della spira. La componente di reattanza è responsabile soprattutto della riflessione del rumore nel campo delle basse frequenze, mentre la componente di resistenza c.a. è responsabile soprattutto dell'assorbimento del rumore e della generazione di calore nel campo delle alte frequenze.

TDK ha creato un nuovo materiale in ferrite che è a bassa distorsione ed efficace nel cancellare il rumore. La serie MAF di componenti chip multistrato è stata sviluppata in risposta al mercato emergente della cancellazione del rumore nelle linee audio di dispositivi elettronici portatili come gli smartphone. Le lettere M, A e F di MAF stanno rispettivamente per Multistrato, Audio ad alta fedeltà e Filtro antirumore.

È inoltre necessaria una protezione contro le scariche elettrostatiche (ESD) per il cablaggio che collega il microfono e l'altoparlante, poiché le cuffie TWS entrano in contatto fisico con le mani dell'utente durante l'uso. TDK ha progettato un filtro notch (serie AVRF) per mitigare questo potenziale problema schermando le linee di segnale audio dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) e dalle scariche elettrostatiche (ESD). Le prestazioni di perdita di inserzione in funzione della frequenza di diversi filtri notch AVRF sono illustrate nella Figura 4.

Figura 4: Perdita di inserzione rispetto alla frequenza per diversi filtri notch AVRF di TDK. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Combinando un filtro di soppressione del rumore in serie MAF (con il suo induttore in serie) e un filtro notch in serie AVRF (con il suo condensatore in serie) si ottiene il filtro di uscita passa-basso mostrato nella Figura 5. Questa configurazione produce elevate caratteristiche di attenuazione nella banda dei 2,4 GHz e impedisce al rumore rilevante di accedere all'amplificatore audio. Di conseguenza, la forma d'onda di inviluppo non genera alcun rumore indesiderato.

Figura 5: (a) Configurazione con filtri MAF e AVRF, (b) FFT del segnale filtrato corrispondente, (c) alta attenuazione centrata sulla banda dei 2,4 GHz. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Attenuazione del rumore RF nelle linee microfoniche

Così come per le linee degli altoparlanti, la trasposizione di un segnale RF Bluetooth sulle linee microfoniche produce una forma d'onda di inviluppo che viene inviata all'ingresso del processore audio. Il processore audio invia quindi il rumore indesiderato agli altoparlanti. La Figura 6 mostra un possibile percorso per la conversione del segnale Bluetooth wireless in una connessione cablata all'interno del circuito del microfono. Il rumore viene accoppiato al segnale audio originale dopo l'elaborazione.

Figura 6: Un segnale RF influenza l'audio delle connessioni microfoniche cablate. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Per ridurre al minimo efficacemente il rumore, i filtri MAF sono la scelta migliore rispetto alle normali perline in chip, grazie alla loro maggiore impedenza e alla minore attenuazione del rumore nella frequenza di 2,4 GHz. Un filtro MAF può ridurre il rumore di uscita udibile a livelli impercettibili aumentando l'attenuazione alle frequenze più basse.

La soluzione MAF + AVRF impedisce l'aumento di THD+N, a differenza dell'uso di normali perline di ferrite in chip e condensatori ceramici multistrato (MLCC). Non vi è distorsione armonica poiché né il filtro MAF né i componenti AVRF creano variazioni non lineari di tensione o corrente all'interno dei rispettivi intervalli operativi. Per quanto riguarda la distorsione del segnale, la soluzione MAF + AVRF è praticamente indistinguibile dal non utilizzo di un filtro.

Il risultato della sensibilità di ricezione degli auricolari TWS, con e senza attenuazione, è mostrato nella Figura 7. Dopo l'introduzione delle contromisure MAF, AVRF e MAF + AVRF, tutte con effetti di riduzione del rumore nella banda Bluetooth a 2,4 GHz, è stato riscontrato un aumento della sensibilità di ricezione di 6 dB circa.

Figura 7: Sensibilità di ricezione negli auricolari TWS con e senza filtri. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Kit di campioni audio di TDK

Gli elettrodomestici intelligenti e l'elettronica consumer, come gli altoparlanti intelligenti, sono in aumento con l'evoluzione verso l'Internet delle cose (IoT) e i prodotti connessi. I componenti fondamentali degli altoparlanti intelligenti sono i microfoni, che funzionano anche come sensori sonori, rendendo il parlato di una persona un'interfaccia per connetterla al dispositivo. La tecnologia di microfabbricazione dei semiconduttori di TDK è stata utilizzata in un'ampia gamma di microfoni MEMS da utilizzare in questi contesti.

Per rispondere all'esigenza di soppressione del rumore RF ed ESD nei microfoni MEMS, TDK offre il kit di campioni audio (Figura 8). Questo prodotto combina i microfoni MEMS di TDK InvenSense con filtri di soppressione del rumore MAF e filtri notch ESD AVRF. Questi filtri sono stati progettati per combattere in modo specifico i problemi tipici delle linee audio, offrendo al contempo ulteriori vantaggi come il miglioramento della sensibilità di ricezione nelle comunicazioni wireless o cellulari.

Figura 8: Kit di campioni audio di TDK. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Il kit di campioni audio, che fornisce la soppressione del rumore e le contromisure ESD per le linee degli altoparlanti e dei microfoni, comprende:

• 20 microfoni MEMS
• 80 filtri di soppressione del rumore serie MAF
• 120 filtri notch ESD serie AVRF

Le caratteristiche principali del kit di campioni audio sono:

• Miglioramento della sensibilità di ricezione della comunicazione cellulare e Wi-Fi
• Alta qualità del suono per via della bassa distorsione grazie alle caratteristiche di bassa THD+N
• Soppressione del rumore TDMA
• Piccolo deterioramento del segnale grazie alla bassa resistenza
• Raggiungimento delle contromisure per ESD e rumore

Conclusione

L'uso combinato di filtri di soppressione del rumore e di filtri notch ESD offre una contromisura efficace contro il rumore che colpisce le cuffie e i microfoni wireless. Il kit di campioni audio di TDK è una soluzione pronta per l'uso comprendente tutto l'occorrente per mitigare il rumore RF nei progetti audio wireless senza compromettere la qualità del suono.