אסטרטגיות להפחתת רעש בהתקני אודיו

בטכנולוגיית אודיו, איכות צליל ללא-דופי היא מטרה בסיסית. אף על פי כן, הפרעות שמיעה לא-רצויות כגון שריקה, זמזום או התאבכות, עלולות לפגוע במידה ניכרת באיכות הצליל הכוללת. להפרעות אלו יש חשיבות מיוחדת בהקשר של אוזניות ומיקרופונים מכיוון שהמשתמשים מחפשים שחזור סאונד מדויק וללא שינויים.

מאמר זה בוחן גישות שונות להפחתת רעש לא-רצוי בהתקני אודיו כגון אוזניות ומיקרופונים. ערכת דגימת אודיו של TDK‏ היא דוגמה לפתרון המספק את כל הרכיבים הנדרשים עבור שיכוך רעשים ואמצעים נגד ESD עבור קווי מיקרופון מבלי לפגוע באיכות הסאונד.

העלייה של Bluetooth‏ ו-TWS‏

טכנולוגיית Bluetooth נועדה במקור לתקשורת ידיים-חופשיות. עם זאת, יישומי Bluetooth גדלו במהירות וכוללים מגוון של התקנים כגון אוזניות, רמקולים, מערכות רכב ועוד. צריכת האנרגיה הנמוכה של הטכנולוגיה והתאימות האוניברסלית הפכו אותה למרכיב הכרחי באקוסיסטם המתרחב כל הזמן של התקנים מחוברים.

ה-True Wireless Stereo‏ (TWS‏) הופיע לאחר שה-Bluetooth הפך לתקן דה-פקטו להעברת אודיו אלחוטית. ועם קידום הרעיון של אודיו אלחוטי צעד אחד קדימה, אוזניות TWS שחררו כל אוזניה. זו הייתה תחילתו של עידן חדש במוזיקה ניידת. האוזניות הקטנטנות ונטולות-החוטים ייצגו מגמה של ציוד מוזיקה פשוט יותר ונייד יותר. טכנולוגיית TWS שחררה את הצרכנים, ואיפשרה להם ניידות ונוחות רבות יותר.

רבות מהמגמות האחרונות בתחום צריכת המוזיקה והאודיו תלויים בשירותי סמארטפון כגון הזרמת תוכן אלחוטי לרמקולי Bluetooth ואוזניות. למרות שרמקולים ואוזניות הפכו לסטנדרט עבור יציאת אודיו, השגת איכות צליל ללא-רבב בהתקני אודיו כמו אוזניות כפתור, רמקולים ומיקרופוני עזר קול Bluetooth‏ מציבה כמה מכשולים.

בעיות המשפיעות על התקני אודיו אלחוטיים

ציוד אודיו ללא חיבורי חוטים הוא נוח במובנים רבים. עם זאת, מכיוון שהתקנים אלה מסתמכים על אות אלחוטי, סביר יותר שהם יחוו בעיות יותר מאשר אוזניות, מיקרופונים או רמקולים חוטיים.

בהתקנים אלחוטיים, השידור, הקליטה, ביצועי ההתקן וחיי הסוללה מושפעים כולם מאיכות קישור ה-RF. בכל פעם שמשולבת יכולת RF בהתקנים אלחוטיים קטנים, הפסים המוליכים של ה-PCB וחיברורי החיווט עבור כל כניסת ויציאת אודיו ממוקמים בדרך כלל קרוב לאנטנה. בשל קירבה זו, כאשר אודיו נשלח למיקרופון או לרמקול, אותות ה-RF הנפלטים מהאנטנה יכולים ליצור רעשי EMI ולפגוע באיכות האודיו. בעיה זו, הידועה בדרך כלל כערב-דיבור (Crosstalk‏), משפיעה על תקינות האותות.

באופן דומה, המיתוג המתרחש במגברים דיגיטליים המשמשים בציוד מוזיקה נייד מוזן-סוללות עלול לפלוט רעש, וליצור מספר הרמוניות. הרמוניות אלו מהוות איום על אותות RF היציאה והכניסה של האנטנה. מכיוון שהאנטנה והחוט כל כך קרובים זה לזה, מתרחש צימוד, וכתוצאה מכך רגישות קליטה מופחתת. כל מקורות רעש EMI‏ האפשריים הללו מוצגים באיור 1.

איור 1: תצורת אודיו אלחוטי טיפוסית עם מקורות רעש פוטנציאליים. (מקור: TDK‏)

הפחתת רעשי RF בקווי רמקולים

בעת שימוש באודיו Bluetooth Classic, בניגוד לאודיו BLE, ההתקנים מחליפים נתונים במרווחי זמן קבועים. כאשר אות RF מוזן למגבר אודיו, נוצרת צורת גל מעטפת עקב אפקטים לא-ליניאריים. צורת גל מעטפת זו ניתנת לזיהוי כרעש רקע כאשר היא מועברת לרמקולים יחד עם האות המיועד. סוג זה של רעש מכונה בדרך כלל רעש Time Division Duplexing‏ (TDD‏), רעש Time Division Multiple Access‏ (TDMA), או פשוט רעש "זמזום".

קושי זה עם צורת הגל של מעטפת רדיו RF מתבטא לא רק ביישומי Bluetooth, אלא גם ברשתות סלולריות וב-Wi-Fi. במהלך שיחת טלפון, מודולי GSM מייצרים שידור פרץ (Burst‏) RF כל 4.615 אלפיות השנייה. כאשר היא מוקרנת למעגל אקוסטי, צורת הגל של מעטפת פרץ ה-RF יכולה לייצר רעש TDMA נשמע בתדר של 217 הרץ יחד עם הרמוניות קשורות (איור 2).

איור 2‏: רעש TDMA הנוצר בתקשורת GSM‏. (מקור: TDK‏)

חיבור חוטי סטנדרטי בין רמקול ל-Bluetooth SoC מוצג באיור 3. כאן, החיבורים החוטיים קולטים את אות ה-RF ומפיצים אותו ל-SoC.

איור 3‏: אות RF המשפיע על האודיו בקווי רמקולים חוטיים. (מקור: TDK‏)

לכן יש צורך לסנן את הרעש הנשמע שנוצר על ידי צורת הגל של מעטפת ה-RF וכל אותות RF שנקלטים על ידי מעגל האנטנה לפני שהם מוזנים לתוך הרמקול. הפחתת עוצמת אותות ה-Bluetooth RF (פס GHz‏ 2.4‏) היוצרים את צורת הגל של המעטפת היא אסטרטגיית ההפחתה העיקרית. את ההפחתה ניתן להשיג באמצעות הבנה מעמיקה של מסננים פסיביים קטנים ולימוד קפדני. ניתן להפחית רעש על ידי מסננים כמו אלה הנמצאים בסדרת MAF של TDK.

חרוזי שבב משמשים בדרך כלל כדי להפחית את רעשי הרקע בכבלי אודיו. הם עשויים מסליל בלמינציה על החלק הפנימי של ליבת פרייט (Ferrite‏). האימפדנס של חרוז שבב מוגדר במונחים של הראקטנס והתנגדות AC של הסליל. רכיב הראקטנס אחראי בעיקר על החזרת רעש בתחום התדרים הנמוכים, בעוד שמרכיב התנגדות AC אחראי בעיקר על ספיגת רעשים ויצירת חום בתחום התדרים הגבוהים.

TDK יצרה חומר פרייט (Ferrite‏) חדשני שהוא גם בעל עיוותים נמוכים וגם אפקטיבי בביטול רעשים. סדרת MAF‏ של רכיבי שבב רבי-שכבות פותחה כמענה לשוק המתפתח של ביטול רעשים בקווי אודיו של התקנים אלקטרוניים ניידים כמו סמארטפונים. האותיות M‏, A‏ ו-F ב-MAF מייצגות בהתאמה Multilayer (רב-שכבות), High-Fi Audio (אודיו בנאמנות גבוהה) Filter (מסנן) לשיכוך רעשים.

הגנת פריקה אלקטרוסטטית (ESD) נדרשת גם עבור החיווט המחבר בין המיקרופון והרמקול, שכן אוזניות TWS באות במגע פיזי עם הידיים של המשתמש בעת השימוש. TDK תכננה מסנן Notch‏ (סדרת AVRF) כדי להפחית בעיה אפשרית זו על ידי סיכוך קווי אות אודיו מהפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ופריקה אלקטרוסטטית (ESD). הפסדי התחיבה לעומת התדר של כמה מסנני Notch‏ AVRF‏ מוצגים באיור 4‏.

איור 4‏: הפסדי התחיבה לעומת התדר של כמה מסנני Notch‏ AVRF‏ של TDK‏. (מקור: TDK‏)

שילוב של מסנן שיכוך רעשים סדרת MAF (עם המשרן הטורי שלו) ומסנן Notch‏ סדרת AVRF (עם הקבל הטורי שלו) יוצר מסנן מעביר-נמוכים המוצג באיור 5. מערך זה מייצר מאפייני ניחות גבוהים בפס GHz‏ 2.4‏ ומונע מרעש רלוונטי מלהגיע למגבר האודיו. כתוצאה מכך צורת גל המעטפת אינה מייצרת שום רעש לא-רצוי.

איור 5: (a‏) תצורה עם מסנני MAF ו-AVRF‏, (b‏) FFT של האות המסונן בהתאמה, (c‏) ניחות גבוה ממוקד סביב פס GHz‏ 2.4‏. (מקור: TDK‏)

הפחתת רעשי RF בקווי מיקרופון

באותו אופן כמו עם קווי רמקולים, העברה של אות Bluetooth RF לקווי מיקרופון מביאה לצורת גל מעטפת שנשלחת לכניסת מעבד האודיו. לאחר מכן מעבד האודיו ישלח את הרעש הנשמע הלא-רצוי לרמקולים. איור 6 מציג מסלול אפשרי אחד להמרת אות Bluetooth האלחוטי לחיבור קווי בתוך מעגל המיקרופון. הרעש מוצמד לאות האודיו המקורי לאחר העיבוד.

איור 6‏: אות RF המשפיע על האודיו בקווי מיקרופונים חוטיים. (מקור: TDK‏)

כדי למזער רעש באופן אפקטיבי, מסנני MAF הם בחירה טובה יותר מאשר חרוזי שבב רגילים בשל האימפדנס הגבוה שלהם וניחות הרעש הנמוך יותר בתדר GHz‏ 2.4‏. מסנן MAF יכול להפחית את רעש היציאה הנשמע לרמות בלתי ניתנות לגילוי על ידי הגברת הניחות בתדרים נמוכים יותר.

פתרון MAF + AVRF מונע עלייה ב-THD+N, בניגוד לשימוש בחרוזי שבבי פרייט (Ferrite‏) רגילים וקבלים קרמיים רבי-שכבות (MLCC). אין עיוותים הרמוניים מכיוון שלא ה-MAF ולא רכיבי AVRF יוצרים שינויים לא-ליניאריים במתח או בזרם בתחומי הפעולה שלהם. כשמדובר בעיוותי אותות, פתרון MAF + AVRF הוא כמעט בלתי ניתן להבדלה משימוש ללא מסנן כלל.

התוצאה של רגישות הקליטה של אוזניות TWS עם ובלי הפחתה מוצגת באיור 7. כ-dB‏ 6‏ של שיפור רגישות הקליטה נראתה לאחר הכנסת אמצעי-הנגד MAF, AVRF ו-MAF + AVRF, שלכולם יש השפעות הפחתת רעש בפס Bluetooth 2.4 GHz.

איור 7‏: תמונה של רגישות הקליטה באוזניות TWS עם ובלי מסננים. (מקור: TDK‏)

ערכת דגימת אודיו של TDK

מכשירי חשמל חכמים ואלקטרוניקה לצרכנים כמו רמקולים חכמים נמצאים במגמת עלייה ככל שהחברה מתקדמת לעבר האינטרנט של דברים (IoT) ומוצרים מחוברים. המרכיבים הבסיסיים של הרמקולים החכמים הם מיקרופונים, הפועלים גם כחיישני סאונד ההופכים את דיבור האדם לממשק לחיבורם עם ההתקן. טכנולוגיית ייצור מיקרו מוליכים-למחצה של TDK שימשה לבניית מגוון רחב של מיקרופונים MEMS לשימוש בהקשרים כאלה.

כדי לתת מענה לצורך לשכך רעשי RF ו-ESD במיקרופוני MEMS‏, TDK מספקת את ערכת דגימת אודיו (איור 8). מוצר זה משלב מיקרופונים MEMS של TDK InvenSense‏ עם מסנני שיכוך רעשים MAF ומסנני Notch‏ ESD‏ AVRF‏. מסננים אלו מתוכננים להילחם ספציפית בבעיות טיפוסיות בקווי אודיו, תוך שהם מציעים יתרונות נוספים כגון שיפור רגישות הקליטה בתקשורת אלחוטית או סלולרית.

איור 8‏: ערכת דגימת אודיו של TDK‏. (מקור: TDK‏)

מספקת שיכוך רעשים ואמצעי נגד ESD עבור קווי רמקולים ומיקרופונים, ערכת דגימת אודיו כוללת את הרכיבים הבאים:

• 20 מיקרופונים MEMS‏
• 80 מסנני שיכוך רעשים סדרת MAF‏
• 120 מסנני Notch‏ ESD‏ סדרת AVRF‏

המאפיינים העיקריים של ערכת דגימת פתרונות האודיו הם:

• שיפור ברגישות הקליטה של תקשורת סלולרית ו-Wi-Fi
• איכות סאונד גבוהה כתוצאה מעיוותים נמוכים הודות למאפייני THD+N נמוכים
• שיכוך רעשי TDMA‏
• פגיעה מועטה באיכות האותות הודות להתנגדות הנמוכה
• השגת אמצעי-נגד הן מפני ESD והן מפני רעשים

סיכום

השימוש המשולב במסנני שיכוך רעשים ומסנני Notch‏ ESD מספק אמצעי-נגד יעיל נגד הרעש המשפיע על אוזניות ומיקרופונים אלחוטיים. ערכת דגימת אודיו של TDK היא פתרון מוכן לשימוש הכולל את כל הרכיבים שמהנדסים יכולים להשתמש כדי להפחית רעשי RF בתכני האודיו האלחוטיים שלהם מבלי להתפשר על איכות הסאונד.