Strategien zur Rauschunterdrückung bei Audiogeräten

In der Audiotechnik ist eine tadellose Klangqualität ein grundlegendes Ziel. Unerwünschte akustische Störungen wie Rauschen, Brummen oder Interferenzen können jedoch die Gesamtklangqualität erheblich beeinträchtigen. Diese Störungen sind im Zusammenhang mit Kopfhörern und Mikrofonen von besonderer Bedeutung, da die Benutzer eine genaue und unverfälschte Klangwiedergabe wünschen.

In diesem Artikel werden verschiedene Ansätze zur Reduzierung unerwünschter Geräusche in Audiogeräten wie Kopfhörern und Mikrofonen untersucht. Das Audio-Musterkit von TDK wird als Beispiel für eine Lösung genannt, die alle erforderlichen Komponenten für die Rauschunterdrückung und ESD-Gegenmaßnahmen für Mikrofonleitungen bietet, ohne die Klangqualität zu beeinträchtigen.

Der Aufstieg von Bluetooth und TWS

Die Bluetooth-Technologie war ursprünglich für die Freisprechkommunikation gedacht. Dennoch wuchs die Zahl der Bluetooth-Anwendungen schnell und umfasst jetzt eine Vielzahl von Geräten wie Kopfhörer, Lautsprecher, Autosysteme und mehr. Der geringe Energieverbrauch und die universelle Kompatibilität der Technologie haben sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil des ständig wachsenden Ökosystems vernetzter Geräte gemacht.

True Wireless Stereo (TWS) entstand, nachdem Bluetooth zum De-facto-Standard für die drahtlose Audioübertragung wurde. Die TWS-Ohrhörer gehen noch einen Schritt weiter, indem sie jeden Ohrhörer abkoppeln. Dies war der Beginn eines neuen Zeitalters der tragbaren Musik. Die winzigen, kabellosen Ohrhörer repräsentierten einen Trend zu einfacheren, tragbaren Musikgeräten. Die TWS-Technologie hat die Verbraucher befreit und ihnen mehr Mobilität und Komfort ermöglicht.

Viele der neuesten Trends im Musik- und Audiokonsum hängen von Smartphone-Diensten wie dem drahtlosen Streaming von Inhalten auf Bluetooth-Lautsprecher und -Kopfhörer ab. Obwohl Lautsprecher und Ohrhörer zum Standard für die Audioausgabe geworden sind, ist die Erzielung einer einwandfreien Klangqualität bei Audiogeräten wie Bluetooth-Ohrhörern, Lautsprechern und Mikrofonen für Sprachassistenten mit einigen Hindernissen verbunden.

Probleme mit drahtlosen Audiogeräten

Audiogeräte ohne Kabelanschlüsse sind in vielerlei Hinsicht praktisch. Da diese Geräte jedoch auf ein drahtloses Signal angewiesen sind, treten bei ihnen eher Probleme auf als bei kabelgebundenen Kopfhörern, Mikrofonen oder Lautsprechern.

Bei drahtlosen Geräten werden Übertragung, Empfang, Geräteleistung und Batterielebensdauer von der Qualität der Funkverbindung beeinflusst. Wenn HF-Funktionen in kleine drahtlose Geräte integriert werden, befinden sich die Leiterbahnen auf der Leiterplatte und die Kabelverbindungen für jeden Audioeingang und -ausgang in der Regel in der Nähe der Antenne. Aufgrund dieser Nähe können die von der Antenne ausgestrahlten HF-Signale beim Senden von Audiosignalen an das Mikrofon oder den Lautsprecher EMI-Rauschen erzeugen und die Audioqualität beeinträchtigen. Dieses Problem, das allgemein als Übersprechen bezeichnet wird, beeinträchtigt die Signalintegrität.

Auch die Schaltvorgänge in digitalen Verstärkern, die in batteriebetriebenen tragbaren Musikgeräten verwendet werden, können Rauschen erzeugen, das mehrere Obertöne erzeugt. Diese Oberwellen stellen eine Gefahr für die Ausgangs- und Eingangshochfrequenzsignale der Antenne dar. Da die Antenne und der Draht so nahe beieinander liegen, kommt es zu einer Kopplung, die zu einer geringeren Empfangsempfindlichkeit führt. Alle diese möglichen EMI-Rauschquellen sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Eine typische drahtlose Audiokonfiguration mit potenziellen Störquellen. (Quelle: TDK)

Minderung von HF-Rauschen in Lautsprecherleitungen

Bei der Verwendung von Bluetooth Classic Audio im Gegensatz zu BLE-Audio tauschen die Geräte in regelmäßigen Abständen Daten aus. Wenn ein HF-Signal in einen Audioverstärker eingespeist wird, entsteht aufgrund nichtlinearer Effekte eine Hüllkurvenform. Diese Hüllkurvenform ist als Hintergrundrauschen erkennbar, wenn sie zusammen mit dem eigentlichen Signal an die Lautsprecher übertragen wird. Diese Art von Rauschen wird gemeinhin als TDD-Rauschen (Time Division Duplexing), TDMA-Rauschen (Time Division Multiple Access) oder einfach als „Brummen“ bezeichnet.

Diese Schwierigkeiten mit der HF-Hüllkurvenform treten nicht nur bei Bluetooth-Anwendungen, sondern auch bei Mobilfunknetzen und Wi-Fi auf. Während eines Telefongesprächs erzeugen die GSM-Module alle 4,615 ms eine HF-Burst-Übertragung. Bei Abstrahlung auf einen akustischen Schaltkreis kann die Hüllkurvenform des HF-Bursts hörbares TDMA-Rauschen bei einer Frequenz von 217 Hz zusammen mit den entsprechenden Oberwellen erzeugen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Wie TDMA-Rauschen in der GSM-Kommunikation erzeugt wird. (Quelle: TDK)

Eine standardmäßige Kabelverbindung zwischen einem Lautsprecher und einem Bluetooth-SoC ist in Abbildung 3 dargestellt. Hier nehmen die kabelgebundenen Verbindungen das HF-Signal auf und leiten es an den SoC weiter.

Abbildung 3: Ein HF-Signal, das das Audiosignal auf kabelgebundenen Lautsprecherleitungen beeinflusst. (Quelle: TDK)

Daher ist es notwendig, das hörbare Rauschen, das durch die HF-Hüllkurvenform erzeugt wird, und alle von der Antennenschaltung aufgenommenen HF-Signale herauszufiltern, bevor sie in den Lautsprecher eingespeist werden. Die Verringerung der Stärke des Bluetooth-HF-Signals (2,4-GHz-Band), das die Hüllkurvenform erzeugt, ist die wichtigste Abhilfestrategie. Eine Abschwächung ist durch ein gründliches Verständnis der kleinen passiven Filter und sorgfältige Studien möglich. Das Rauschen kann durch Filter, wie sie in der MAF-Serie von TDK zu finden sind, reduziert werden.

Chip-Perlen werden in der Regel verwendet, um das Hintergrundrauschen in Audiokabeln zu reduzieren. Sie bestehen aus einer Spule, die auf die Innenseite eines Ferritkerns laminiert ist. Die Impedanz einer Chip-Perle wird durch den Blindwiderstand und den Wechselstromwiderstand der Spule definiert. Die Reaktanzkomponente ist hauptsächlich für die Geräuschreflexion im Niederfrequenzbereich verantwortlich, während die Wechselstromwiderstandskomponente hauptsächlich für die Geräuschabsorption und die Wärmeerzeugung im Hochfrequenzbereich verantwortlich ist.

TDK hat ein neuartiges Ferritmaterial entwickelt, das sowohl verzerrungsarm ist als auch Rauschen effektiv unterdrückt. Die MAF-Serie mehrschichtiger Chip-Komponenten wurde als Antwort auf den aufstrebenden Markt für Rauschunterdrückung in den Audioleitungen von tragbaren elektronischen Geräten wie Smartphones entwickelt. Die Buchstaben M, A und F in MAF stehen jeweils für Multilayer, High-Fi-Audio und Rauschunterdrückungsfilter.

Ein Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) für die Kabel, die das Mikrofon und den Lautsprecher verbinden, ist ebenfalls erforderlich, da die TWS-Ohrhörer bei der Benutzung mit den Händen des Benutzers in Berührung kommen. TDK hat einen Kerbfilter (AVRF-Serie) entwickelt, der dieses potenzielle Problem durch Abschirmung der Audiosignalleitungen vor elektromagnetischen Störungen (EMI) und statischen Entladungen (ESD) entschärft. Abbildung 4 zeigt die Einfügungsdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz bei verschiedenen AVRF-Kerbfiltern.

Abbildung 4: Einfügedämpfung im Vergleich zur Frequenz für verschiedene AVRF-Kerbfilter von TDK. (Quelle: TDK)

Die Kombination eines Rauschunterdrückungsfilters der MAF-Serie (mit seiner Seriendrossel) und eines Kerbfilters der AVRF-Serie (mit seinem Serienkondensator) ergibt den in Abbildung 5 dargestellten Tiefpass-Ausgangsfilter. Diese Anordnung führt zu einer hohen Dämpfung im 2,4-GHz-Band und verhindert, dass relevante Störungen in den Audioverstärker gelangen. Dadurch erzeugt die Hüllkurvenform kein unerwünschtes Rauschen.

Abbildung 5: (a) Konfiguration mit MAF- und AVRF-Filtern, (b) FFT des entsprechenden gefilterten Signals, (c) Hohe Dämpfung zentriert um das 2,4-GHz-Band. (Quelle: TDK)

Minderung von HF-Rauschen in Mikrofonleitungen

Genauso wie bei den Lautsprecherleitungen führt die Übertragung eines Bluetooth-HF-Signals auf Mikrofonleitungen zu einer Hüllkurvenform, die an den Eingang des Audioprozessors gesendet wird. Der Audioprozessor sendet dann die unerwünschten Geräusche an die Lautsprecher. Abbildung 6 zeigt einen möglichen Weg für die Umwandlung des drahtlosen Bluetooth-Signals in eine kabelgebundene Verbindung innerhalb der Mikrofonschaltung. Das Rauschen wird nach der Verarbeitung mit dem ursprünglichen Audiosignal gekoppelt.

Abbildung 6: Ein HF-Signal, das den Ton bei kabelgebundenen Mikrofonverbindungen beeinträchtigt. (Quelle: TDK)

Um das Rauschen effektiv zu minimieren, sind MAF-Filter aufgrund ihrer höheren Impedanz und geringeren Rauschdämpfung im 2,4-GHz-Bereich die bessere Wahl als normale Chip-Perlen. Ein MAF-Filter kann das hörbare Ausgangsrauschen auf ein nicht mehr wahrnehmbares Niveau reduzieren, indem er die Dämpfung bei niedrigen Frequenzen erhöht.

Die Lösung MAF + AVRF verhindert einen Anstieg von THD+N, im Gegensatz zur Verwendung von gewöhnlichen Ferritperlen und keramischen Vielschichtkondensatoren (MLCCs). Es gibt keine harmonischen Verzerrungen, da weder die MAF- noch die AVRF-Komponenten nichtlineare Spannungs- oder Stromschwankungen innerhalb ihrer jeweiligen Betriebsbereiche erzeugen. In Bezug auf die Signalverzerrung ist die Lösung MAF + AVRF praktisch nicht von der Verwendung ohne Filter zu unterscheiden.

Das Ergebnis der Empfangsempfindlichkeit der TWS-Kopfhörer mit und ohne Abschwächung ist in Abbildung 7 dargestellt. Nach Einführung der Gegenmaßnahmen MAF, AVRF und MAF + AVRF, die alle eine Rauschunterdrückung im Bluetooth 2,4-GHz-Band bewirken, wurde eine Verbesserung der Empfangsempfindlichkeit um etwa 6 dB festgestellt.

Abbildung 7: Empfangsempfindlichkeit von TWS-Kopfhörern mit und ohne Filter. (Quelle: TDK)

Audio-Musterkit von TDK

Intelligente Geräte und Unterhaltungselektronik wie intelligente Lautsprecher sind auf dem Vormarsch, da sich die Gesellschaft auf das Internet der Dinge (IoT) und vernetzte Produkte zubewegt. Die grundlegenden Komponenten von intelligenten Lautsprechern sind Mikrofone, die auch als Geräuschsensoren fungieren und die Sprache einer Person zu einer Schnittstelle machen, um sie mit dem Gerät zu verbinden. Die Halbleiter-Mikrofabrikationstechnologie von TDK wurde zur Herstellung einer breiten Palette von MEMS-Mikrofonen für den Einsatz in solchen Kontexten verwendet.

Zur Unterdrückung von HF- und ESD-Rauschen in MEMS-Mikrofonen bietet TDK das Audio-Musterkit an (Abbildung 8). Dieses Produkt kombiniert InvenSense-MEMS-Mikrofone von TDK mit MAF-Rauschunterdrückungsfiltern und AVRF-ESD-Kerbfiltern. Diese Filter wurden speziell zur Bekämpfung typischer Probleme bei Audioleitungen entwickelt und bieten gleichzeitig zusätzliche Vorteile wie die Verbesserung der Empfangsempfindlichkeit bei drahtloser oder Mobilfunkkommunikation.

Abbildung 8: Das Audio-Musterkit von TDK. (Quelle: TDK)

Das Audio-Musterkit bietet Rauschunterdrückung und ESD-Gegenmaßnahmen für Lautsprecher- und Mikrofonleitungen und umfasst die folgenden Komponenten:

• 20 MEMS-Mikrofone
• 80 Rauschunterdrückungsfilter der Serie MAF
• 120 ESD-Kerbfilter der AVRF-Serie

Die wichtigsten Merkmale des Audio-Musterkits sind:

• Verbesserung bei Aufnahmeempfindlichkeit in der Mobilfunk- und Wi-Fi-Kommunikation
• Hohe Klangqualität durch geringe Verzerrung aufgrund niedriger THD+N-Charakteristik
• Unterdrückung von TDMA-Rauschen
• Geringe Signaldegradation durch niedrigen Widerstand
• Schutzmaßnahmen gegen ESD und Rauschen

Fazit

Die kombinierte Verwendung von Rauschunterdrückungsfiltern und ESD-Kerbfiltern bietet eine wirksame Gegenmaßnahme gegen das Rauschen, das drahtlose Headsets und Mikrofone beeinträchtigt. Das Audio-Musterkit von TDK ist eine gebrauchsfertige Lösung, die alle Komponenten enthält, die verwendet werden können, um HF-Rauschen in drahtlosen Audio-Designs zu mindern, ohne die Klangqualität zu beeinträchtigen.