Estratégias para mitigar o ruído em dispositivos de áudio

Na tecnologia de áudio, a qualidade de som impecável é um objetivo fundamental. No entanto, distúrbios auditivos indesejados, como assobios, zumbidos ou interferências, podem prejudicar consideravelmente a qualidade geral do som. Esses distúrbios têm um significado especial no contexto de fones de ouvido e microfones, pois os usuários buscam uma replicação precisa e inalterada do som.

Este artigo examina diferentes abordagens para reduzir ruídos indesejados em dispositivos de áudio, como fones de ouvido e microfones. O Kit de amostra de áudio da TDK é citado como exemplo de uma solução que fornece todos os componentes necessários para supressão de ruído e medidas de contenção da ESD para linhas de microfone, sem degradar a qualidade do som.

A ascensão do Bluetooth e do TWS

A tecnologia Bluetooth foi originalmente planejada para comunicação sem o uso das mãos. Dito isso, as aplicações Bluetooth cresceram rapidamente para incluir uma variedade de dispositivos, como fones de ouvido, alto-falantes, sistemas automotivos e muito mais. O baixo consumo de energia e a compatibilidade universal da tecnologia a tornaram um componente indispensável do ecossistema de dispositivos conectados em constante expansão.

O TWS (True Wireless Stereo) surgiu depois que o Bluetooth se tornou o padrão de fato para a transmissão de áudio sem fio. Levando a ideia de áudio sem fio um passo adiante, os fones de ouvido TWS desatam cada fone de ouvido. Esse foi o início de uma nova era na música portátil. Os minúsculos fones de ouvido isento de fio representavam uma tendência em direção a equipamentos de música mais simples e portáteis. A tecnologia TWS liberou os consumidores, permitindo-lhes maior mobilidade e conveniência.

Muitas das últimas tendências em consumo de música e áudio dependem de serviços de smartphones, como streaming de conteúdo sem fio para alto-falantes e minifones de ouvido Bluetooth. Embora os alto-falantes e minifones de ouvido tenham se tornado o padrão para saída de áudio, obter uma qualidade de som perfeita em dispositivos de áudio como minifones de ouvido, alto-falantes e microfones de assistente de voz Bluetooth apresenta alguns obstáculos.

Problemas que afetam os dispositivos de áudio sem fio

O equipamento de áudio isento de conexões cabeadas é conveniente de várias maneiras. No entanto, como esses dispositivos dependem de um sinal sem fio, é mais provável que eles apresentem problemas do que fones de ouvido, microfones ou alto-falantes com fio.

Nos dispositivos sem fio, a transmissão, a recepção, o desempenho do dispositivo e a vida útil da bateria são afetados pela qualidade da ligação de RF. Sempre que o recurso de RF é integrado a pequenos dispositivos sem fio, as trilhas da PCI e as interconexões de fiação para cada entrada e saída de áudio geralmente são colocadas perto da antena. Devido a essa proximidade, quando o áudio é enviado para o microfone ou alto-falante, os sinais de RF emitidos pela antena podem criar ruído EMI e diminuir a qualidade do áudio. Esse problema, comumente conhecido como diafonia, afeta a integridade do sinal.

Da mesma forma, a comutação que ocorre nos amplificadores digitais usados em equipamentos de música portáteis, alimentados por bateria, pode emitir ruído, criando vários harmônicos. Esses harmônicos representam uma ameaça aos sinais de RF de entrada e saída da antena. Como a antena e o fio estão muito próximos, ocorre o acoplamento, resultando na diminuição da sensibilidade de recepção. Todas essas possíveis fontes de ruído EMI são mostradas na Figura 1.

Figura 1: Uma configuração típica de áudio sem fio com possíveis fontes de ruído. (Fonte: TDK)

Mitigação do ruído de RF em linhas de alto-falantes

Ao usar o Bluetooth Classic Audio, ao contrário do áudio BLE, os dispositivos trocam dados em intervalos regulares. Quando um sinal de RF é alimentado em um amplificador de áudio, uma forma de onda de envelope é produzida devido a efeitos não lineares. Essa forma de onda de envelope é detectável como ruído de fundo quando é transmitida para os alto-falantes junto com o sinal pretendido. Esse tipo de ruído é comumente chamado de ruído de duplexação por divisão de tempo (TDD), ruído de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) ou simplesmente ruído de "zumbido".

Essa dificuldade com a forma de onda de envelope do rádio RF se manifesta não apenas em aplicações Bluetooth, mas também em redes celulares e Wi-Fi. Durante uma chamada telefônica, os módulos GSM geram uma transmissão de rajada de RF a cada 4,615 ms. Ao emitir radiação para um circuito acústico, a forma de onda de envelope da rajada de RF pode produzir ruído TDMA audível a uma frequência de 217 Hz, junto com os harmônicos relacionados (Figura 2).

Figura 2: Como o ruído TDMA é gerado na comunicação GSM. (Fonte: TDK)

Uma conexão cabeada padrão entre um alto-falante e um SoC Bluetooth é mostrada na Figura 3. Aqui, as conexões cabeadas captam o sinal de RF e o propagam para o SoC.

Figura 3: Um sinal de RF que afeta o áudio nas linhas de alto-falantes com fio. (Fonte: TDK)

Portanto, é necessário filtrar o ruído audível produzido pela forma de onda de envelope do RF e quaisquer sinais de RF captados pelo circuito da antena, antes de serem alimentados no alto-falante. A redução da intensidade do sinal de RF do Bluetooth (banda de 2,4 GHz) que gera a forma de onda de envelope é a principal estratégia de mitigação. A mitigação é possível por meio de uma compreensão completa dos pequenos filtros passivos e de um estudo cuidadoso. O ruído pode ser reduzido por filtros como os encontrados na série MAF da TDK.

As contas de chip são normalmente usadas para reduzir o ruído de fundo em cabos de áudio. Elas são feitas de uma bobina laminada no interior de um núcleo de ferrite. A impedância de uma conta de chip é definida em termos de reatância e resistência CA da bobina. O componente de reatância é o principal responsável pela reflexão do ruído na faixa de baixa frequência, enquanto o componente de resistência CA é o principal responsável pela absorção do ruído e pela geração de calor na faixa de alta frequência.

A TDK criou um novo material de ferrite que apresenta baixa distorção e é eficaz no cancelamento de ruídos. A série MAF de componentes de chip multicamadas foi desenvolvida em resposta ao mercado emergente de cancelamento de ruído nas linhas de áudio de dispositivos eletrônicos portáteis, como os smartphones. As letras M, A e F em MAF significam, respectivamente, Multicamadas, Áudio de Alta Fidelidade e Filtro de Supressão de Ruído.

A proteção contra descarga eletrostática (ESD) para a fiação que conecta o microfone e o alto-falante também é necessária, já que os fones de ouvido TWS entram em contato físico com as mãos do usuário durante o uso. A TDK projetou um filtro rejeita-faixa (série AVRF) para mitigar esse possível problema, blindando as linhas de sinal de áudio contra interferência eletromagnética (EMI) e descarga estática (ESD). O desempenho da perda de inserção versus frequência de vários filtros rejeita-faixa AVRF é mostrado na Figura 4.

Figura 4: Perda de inserção vs. frequência para diferentes filtros rejeita-faixa TDK AVRF. (Fonte: TDK)

A combinação de um filtro de supressão de ruído da série MAF (com seu indutor em série) e um filtro rejeita-faixa da série AVRF (com seu capacitor em série) produz o filtro de saída passa-baixa mostrado na Figura 5. Esse arranjo produz características de alta atenuação na banda de 2,4 GHz e impede que ruídos relevantes acessem o amplificador de áudio. Como resultado, a forma de onda de envelope não gera nenhum ruído indesejado.

Figura 5: (a) Configuração com filtros MAF e AVRF, (b) FFT do sinal filtrado correspondente, (c) Alta atenuação centrada na banda de 2,4 GHz. (Fonte: TDK)

Mitigação do ruído de RF em linhas de microfone

Da mesma forma que acontece com as linhas de alto-falante, a transposição de um sinal de RF Bluetooth para as linhas de microfone resulta em uma forma de onda de envelope que é enviada para a entrada do processador de áudio. O processador de áudio enviará o ruído audível indesejado para os alto-falantes. A Figura 6 mostra uma rota possível para que o sinal Bluetooth sem fio seja convertido em uma conexão com fio dentro do circuito do microfone. O ruído é acoplado ao sinal de áudio original após o processamento.

Figura 6: Um sinal de RF que afeta o áudio em conexões de microfone com fio. (Fonte: TDK)

Para minimizar efetivamente o ruído, os filtros MAF são uma opção melhor do que as contas de chip comuns, devido à sua maior impedância e menor atenuação de ruído na frequência de 2,4 GHz. Um filtro MAF pode reduzir o ruído de saída audível a níveis indetectáveis, aumentando a atenuação em frequências mais baixas.

A solução MAF + AVRF evita o aumento da distorção harmônica total mais ruído, i.e. THD+N, em contraste com o uso de contas de ferrite comuns em chip e capacitores de cerâmica multicamadas (MLCCs). Não há distorção harmônica, pois nem o MAF nem os componentes do AVRF criam variações não lineares na tensão ou na corrente dentro de suas respectivas faixas operacionais. Quando se trata de distorção de sinal, a solução MAF + AVRF é praticamente indistinguível de não usar filtros.

O resultado da sensibilidade de recepção dos minifones de ouvido TWS com e sem atenuação é mostrado na Figura 7. Foi observado um aumento de aproximadamente 6 dB na sensibilidade de recepção após a introdução das medidas de contenção MAF, AVRF e MAF + AVRF, todas com efeitos de redução de ruído na banda de 2,4 GHz do Bluetooth.

Figura 7: Sensibilidade de recepção em minifones de ouvido TWS com e sem filtros. (Fonte: TDK)

Kit de amostra de áudio da TDK

Aparelhos inteligentes e eletrônicos de consumo, como alto-falantes inteligentes, estão em alta à medida que a sociedade avança em direção à Internet das Coisas (IoT) e aos produtos conectados. Os componentes fundamentais dos alto-falantes inteligentes são os microfones, que também funcionam como sensores de som, transformando a fala de uma pessoa em uma interface para conectá-la ao dispositivo. A tecnologia de microfabricação de semicondutores da TDK foi usada para construir uma ampla gama de microfones MEMS para uso em tais contextos.

Para atender à necessidade de suprimir o ruído de RF e ESD nos microfones MEMS, a TDK oferece o Kit de amostra de áudio (Figura 8). Esse produto combina microfones MEMS TDK InvenSense com filtros de supressão de ruído MAF e filtros rejeita-faixa AVRF ESD. Esses filtros são projetados para combater especificamente os problemas típicos das linhas de áudio e, ao mesmo tempo, oferecem benefícios adicionais, como a melhoria da sensibilidade de recepção em comunicações sem fio ou celulares.

Figura 8: Kit de amostra de áudio da TDK. (Fonte: TDK)

Fornecendo supressão de ruído e medidas de contenção ESD para linhas de alto-falante e microfone, o Kit de amostra de áudio inclui os seguintes componentes:

• 20 microfones MEMS
• 80 filtros de supressão de ruído da série MAF
• 120 filtros rejeita-faixa ESD da série AVRF

Os principais recursos do kit de amostra da solução de áudio são:

• Melhoria na sensibilidade de recepção da comunicação celular e Wi-Fi
• Alta qualidade de som devido à baixa distorção em função das características de baixa THD+N
• Supressão de ruído TDMA
• Pequena degradação do sinal devido à baixa resistência
• Realização de medidas de contenção contra ESD e ruído

Conclusão

O uso combinado de filtros de supressão de ruído e filtros rejeita-faixa ESD oferece uma medida de contenção eficaz contra o ruído que afeta os fones de ouvido e microfones sem fio. O kit de amostra de áudio da TDK é uma solução pronta para uso que inclui todos os componentes que os engenheiros podem usar para reduzir o ruído de RF em seus projetos de áudio sem fio, sem comprometer a qualidade do som.