オーディオ機器におけるノイズ軽減の対策
著者 Rolf Horn(ロルフ・ホーン) 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2023-11-01
マルツ掲載日：2024-03-25
オーディオ技術は、完璧な音質を生み出すことが基本的な目的です。とはいえ、ヒスノイズ、ブザー音、妨害音など、望ましくない聴覚的障害は、全体的な音質を著しく損なう可能性があります。ヘッドフォンやマイクロフォンの場合、ユーザーは正確で変更されていない音の再現を求めるため、こうした妨害は特別な意味を持ちます。
この記事では、ヘッドフォンやマイクロフォンなどのオーディオ機器における不要なノイズを低減するためのさまざまなアプローチについて検証します。TDKのオーディオサンプルキットは、音質を劣化させることなく、マイクロフォンラインのノイズ抑制とESD対策に必要なすべての部品を提供するソリューションの例として参照されます。
BluetoothとTWSの台頭
Bluetooth技術は、もともとハンズフリー通信のためのものでした。とはいえ、Bluetoothの用途は急速に拡大し、ヘッドセット、スピーカー、自動車システムなど、さまざまなデバイスが含まれるようになりました。この技術の低消費電力と普遍的な互換性により、コネクテッドデバイスのエコシステムが絶えず拡大する中で、不可欠な要素となっています。
完全ワイヤレスステレオ(TWS)は、Bluetoothがワイヤレスオーディオ伝送の事実上の業界標準となった後に登場しました。ワイヤレスオーディオのアイデアをさらに一歩進めたTWSイヤホンは、それぞれのイヤーピースの接続を解除しました。これがポータブル音楽の新時代の幕開けでした。ワイヤフリーの小さなイヤホンは、よりシンプルでポータブルな音楽機器へのトレンドを象徴していました。TWS技術は消費者を解放し、より機動的で便利なものにしました。
音楽やオーディオ消費の最新トレンドの多くは、Bluetoothスピーカーやイヤホンへのワイヤレスコンテンツストリーミングなど、スマートフォンのサービスに依存しています。スピーカーやイヤホンはオーディオ出力の標準となっていますが、Bluetoothイヤホン、スピーカー、音声アシスタントマイクロフォンなどのオーディオ機器で完璧な音質を得るには、いくつかの障害があります。
ワイヤレスオーディオ機器に影響する問題
有線接続のないオーディオ機器は、いろいろな意味で便利です。しかし、これらのデバイスはワイヤレス信号に依存しているため、有線のヘッドフォンやマイクロフォン、スピーカーよりも問題が発生しやすくなります。
ワイヤレスデバイスでは、送信、受信、機器の性能、バッテリ寿命のすべてがRFリンクの品質に影響されます。RF機能を小型ワイヤレス機器に組み込む場合、PCBトレースや各オーディオ入出力用の配線相互接続は、通常アンテナの近くに配置されます。この近接性により、音声がマイクロフォンやスピーカーに送られる際、アンテナから放射されるRF信号がEMIノイズを発生させ、音質を低下させる可能性があります。一般にクロストークと呼ばれるこの問題は、シグナルインテグリティに影響を与えます。
同様に、バッテリ駆動の携帯音楽機器に使われているデジタルアンプで発生するスイッチングも、複数の高調波を発生させてノイズを発生する可能性があります。これらの高調波は、アンテナの出力と入力RF信号に脅威を与えます。アンテナとワイヤが近いため、カップリングが発生し、受信感度が低下します。これらすべてのEMIノイズ源を図1に示します。
図1：標準的なワイヤレスオーディオの構成と潜在的なノイズ源。(提供：TDK)
スピーカーラインにおけるRFノイズの軽減
BLEオーディオとは対照的に、Bluetooth Classic Audioを使用する場合、デバイスは一定の間隔でデータを交換します。RF信号をオーディオアンプに入力すると、非線形効果によりエンベロープ波形が生成されます。このエンベロープ波形は、信号とともにスピーカーに伝送されると、バックグラウンドノイズとして検出されます。この種のノイズは、一般に時分割多重(TDD)ノイズ、時分割多重アクセス(TDMA)ノイズ、あるいは単に「バズ」ノイズと呼ばれます。
このRF無線エンベロープ波形の難しさは、Bluetoothアプリケーションだけでなく、セルラーネットワークやWi-Fiでも顕在化しています。通話中、GSMモジュールは4.615msごとにRFバースト送信信号を生成します。音響回路に放射されると、RFバーストのエンベロープ波形は、関連する高調波とともに217Hzの周波数で可聴TDMAノイズを発生させます(図2)。
図2：GSM通信におけるTDMAノイズの発生メカニズム。(提供：TDK)
スピーカーとBluetooth SoC間の標準的な有線接続を図3に示します。ここでは、有線接続がRF信号を拾ってSoCに伝搬します。
図3：有線スピーカーラインの音声に影響を与えるRF信号。(提供：TDK)
そのため、RFエンベロープ波形から発生する可聴ノイズや、アンテナ回路で拾ったRF信号を、スピーカーに入力する前にフィルタで除去する必要があります。エンベロープ波形を生成するBluetooth RF信号(2.4GHz帯)の強度を下げることが、重要な軽減策となります。小型パッシブフィルタを十分に理解し、入念に研究することで軽減は可能です。ノイズは、TDKのMAFシリーズにあるようなフィルタで低減できます。
チップビーズは通常、オーディオケーブルのバックグラウンドノイズを低減するために使用されます。それは、フェライトコアの内側にコイルを積層したものです。チップビーズのインピーダンスは、コイルのリアクタンスと交流抵抗で定義されます。リアクタンス成分は主に低周波領域でのノイズの反射に関係し、交流抵抗成分は主に高周波領域でのノイズの吸収と発熱に関係します。
TDKは、低歪みでノイズを打ち消す効果のある新しいフェライト材料を開発しました。多層チップ部品MAFシリーズは、スマートフォンなどの携帯電子デバイスのオーディオラインにおけるノイズキャンセリングの新興市場に対応して開発されました。MAFのM、A、Fはそれぞれ、Multilayer、High-Fi Audio、Noise Suppression Filterを意味します。
TWSイヤホンは使用時にユーザーの手と物理的に接触するため、マイクロフォンとスピーカーを接続する配線の静電気放電(ESD)保護も必要です。TDKは、電磁妨害(EMI)や静電気放電(ESD)からオーディオ信号ラインをシールドすることで、この潜在的な問題を軽減するノッチフィルタ(AVRFシリーズ)を設計しました。いくつかのAVRFノッチフィルタの挿入損失対周波数特性を図4に示します。
図4：TDK AVRFノッチフィルタの挿入損失と周波数の関係。(提供：TDK)
MAF直列ノイズ抑制フィルタ(直列インダクタ付き)とAVRF直列ノッチフィルタ(直列コンデンサ付き)を組み合わせることで、図5に示すようなローパス出力フィルタが実現できます。この設定により、2.4GHz帯で高い減衰特性が得られ、オーディオアンプへの関連ノイズの侵入を防ぐことができます。その結果、エンベロープ波形は不要なノイズを発生しません。
図5：(a)MAFフィルタとAVRFフィルタの構成、(b)対応するフィルタリング信号のFFT、(c)2.4GHz帯を中心とした高減衰。(提供：TDK)
マイクロフォンラインのRFノイズの軽減
スピーカーラインと同じように、BluetoothのRF信号をマイクロフォンラインにトランスポージングすると、エンベロープ波形となり、オーディオプロセッサの入力に送られます。オーディオプロセッサは、不要な可聴ノイズをスピーカーに送ります。
図6は、ワイヤレスBluetooth信号がマイクロホンの回路内で有線接続に変換されるための1つの可能な経路を示しています。ノイズは処理後に元のオーディオ信号に結合されます。
図6：有線マイクロフォン接続の音声に影響を与えるRF信号。(提供：TDK)
ノイズを効果的に最小化するには、インピーダンスが高く、2.4GHz周波数でのノイズ減衰が小さいため、通常のチップビーズよりもMAFフィルタの方が良い選択です。MAFフィルタは、低い周波数での減衰を増加させることにより、可聴出力ノイズを検出不可能なレベルまで低減することができます。
MAF＋AVRFソリューションは、通常のフェライトチップビーズや積層セラミックコンデンサ(MLCC)の使用とは対照的に、THD＋Nの増加を防ぎます。MAFもAVRFコンポーネントも、それぞれの動作範囲内で電圧や電流に非線形変動を生じさせないため、高調波歪みは発生しません。信号の歪みに関しては、MAF＋AVRFソリューションは、フィルタをまったく使わない場合とほとんど区別がつきません。
TWSイヤホンの受信感度を緩和した場合と緩和しなかった場合の結果を図7に示します。Bluetooth2.4GHz帯のノイズ低減効果を持つMAF、AVRF、MAF＋AVRFの各対策を導入することで、受信感度が約6dB向上しました。
図7：フィルタ有無によるTWSイヤホンの受信感度。(提供：TDK)
TDKのオーディオサンプルキット
社会がIoTや接続機能を持つスマート製品に向かうにつれて、スマート家電やスマートスピーカーなどの家電製品が増加しています。スマートスピーカーの基本コンポーネントはマイクロフォンで、これはサウンドセンサとしても動作し、人の発話をデバイスと接続するインターフェースにします。TDKの半導体微細加工技術は、このような状況で使用されるさまざまなMEMSマイクロフォンの製造に利用されました。
MEMSマイクロフォンのRFノイズとESDノイズを抑制するニーズに対応するため、TDKはオーディオサンプルキット(図8)を提供しています。この製品は、TDK InvenSense MEMSマイクロフォンとMAFノイズ抑制フィルタおよびAVRF ESDノッチフィルタを組み合わせたものです。これらのフィルタは、オーディオラインの標準的な問題に特に対処するように設計されており、無線通信や携帯電話通信の受信感度を向上させるなどの利点もあります。
図8：TDKのオーディオサンプルキット。(提供：TDK)
スピーカーラインとマイクロフォンラインのノイズ抑制とESD対策を提供するオーディオサンプルキットには、以下のコンポーネントが含まれています。
・20個のMEMSマイクロフォン
・80個のMAFシリーズノイズ抑制フィルタ
・120個のAVRFシリーズ ESDノッチフィルタ
オーディオソリューションサンプルキットの主な特徴は以下の通りです。
・セルラー通信とWi-Fi通信の受信感度の向上
・低THD+N特性による低歪みの結果としての高音質
・TDMAノイズの抑制
・低抵抗による信号劣化の小規模化
・ESDとノイズ両対策の達成
まとめ
ノイズ抑制フィルタとESDノッチフィルタを併用することで、ワイヤレスヘッドセットやマイクロフォンに影響を与えるノイズに対する効果的な対策が可能になります。TDKのオーディオサンプルキットは、エンジニアが音質を損なうことなくワイヤレスオーディオ設計のRFノイズを低減するために使用できるすべての部品を含んだ、すぐに使えるソリューションです。
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