Stratégies de réduction du bruit dans les dispositifs audio

Dans le domaine de la technologie audio, une qualité sonore irréprochable est un objectif fondamental. Néanmoins, des perturbations acoustiques indésirables, telles que des sifflements, des bourdonnements ou des interférences, peuvent considérablement altérer la qualité sonore globale. Ces perturbations revêtent une importance particulière dans le contexte des casques et des enceintes, car les utilisateurs souhaitent une reproduction précise et non altérée du son.

Cet article étudie différentes approches permettant de réduire le bruit indésirable dans les dispositifs audio tels que les casques et les microphones. Le kit d'échantillons audio de TDK est présenté comme exemple de solution fournissant tous les composants requis pour la suppression du bruit et les contre-mesures DES pour les lignes de microphone sans dégrader la qualité du son.

Essor de Bluetooth et de TWS

La technologie Bluetooth était initialement destinée aux communications mains libres. Néanmoins, les applications Bluetooth se sont rapidement développées pour inclure une variété de dispositifs tels que des casques, des enceintes, des systèmes automobiles, etc. Grâce à sa faible consommation d'énergie et à sa compatibilité universelle, cette technologie est devenue un élément indispensable de l'écosystème de dispositifs connectés en constante expansion.

La technologie True Wireless Stereo (TWS) est apparue après que Bluetooth est devenu la norme de facto pour la transmission audio sans fil. Poussant l'idée de l'audio sans fil encore plus loin, les écouteurs TWS ont découplé chaque écouteur. Cela a marqué le début d'une nouvelle ère dans le domaine de la musique portable. Les minuscules écouteurs sans fil ont constitué une tendance vers des équipements musicaux plus simples et plus portables. La technologie TWS a libéré les utilisateurs et leur a permis de gagner en mobilité et en confort.

Bon nombre des dernières tendances en matière de consommation de musique et d'audio dépendent des services de smartphones tels que la diffusion de contenu sans fil vers des écouteurs et des enceintes Bluetooth. Bien que les enceintes et les écouteurs soient devenus la norme pour la sortie audio, l'obtention d'une qualité sonore irréprochable dans les dispositifs audio tels que les microphones d'assistants vocaux, les écouteurs et les enceintes Bluetooth se heurte à certains obstacles.

Problèmes affectant les dispositifs audio sans fil

Les équipements audio sans connexion filaire sont pratiques à bien des égards. Cependant, comme ces dispositifs dépendent d'un signal sans fil, ils sont plus susceptibles de rencontrer des problèmes que les écouteurs, microphones ou enceintes filaires.

Dans les dispositifs sans fil, la transmission, la réception, les performances du dispositif et la durée de vie de la batterie sont tous affectés par la qualité de la liaison RF. Lorsque la capacité RF est intégrée dans de petits dispositifs sans fil, les pistes de circuit imprimé et les interconnexions de câblage pour chaque entrée et sortie audio sont généralement placées à proximité de l'antenne. En raison de cette proximité, lorsque l'audio est envoyé au microphone ou à l'enceinte, les signaux RF émis par l'antenne peuvent créer du bruit EMI et réduire la qualité audio. Ce problème, communément appelé diaphonie, affecte l'intégrité des signaux.

De même, la commutation qui se produit dans les amplificateurs numériques utilisés dans les équipements musicaux portables alimentés par batterie peut émettre du bruit, créant de multiples harmoniques. Ces harmoniques constituent une menace pour les signaux RF de sortie et d'entrée de l'antenne. Étant donné que l'antenne et le fil sont très proches l'un de l'autre, un couplage se produit, entraînant une diminution de la sensibilité de réception. Toutes ces sources possibles de bruit EMI sont illustrées à la Figure 1.

Figure 1 : Configuration audio sans fil typique avec sources de bruit potentielles. (Source : TDK)

Atténuation du bruit RF dans les lignes de haut-parleurs

Lors de l'utilisation de Bluetooth Classic Audio, contrairement à BLE Audio, les dispositifs échangent des données à intervalles réguliers. Lorsqu'un signal RF est envoyé à un amplificateur audio, une forme d'onde d'enveloppe est produite en raison d'effets non linéaires. Cette forme d'onde d'enveloppe est détectable comme bruit de fond lorsqu'elle est transmise aux haut-parleurs avec le signal souhaité. Ce type de bruit est communément appelé bruit de duplexage par répartition dans le temps (TDD), bruit d'accès multiple par répartition dans le temps (AMRT) ou simplement bruit de « bourdonnement ».

Cette difficulté liée à la forme d'onde de l'enveloppe radio RF se manifeste non seulement dans les applications Bluetooth, mais également dans les réseaux cellulaires et Wi-Fi. Pendant un appel téléphonique, les modules GSM génèrent une transmission en rafale RF toutes les 4,615 ms. Lorsqu'elle est rayonnée vers un circuit acoustique, la forme d'onde d'enveloppe de la rafale RF peut produire un bruit AMRT audible à une fréquence de 217 Hz, ainsi que les harmoniques correspondantes (Figure 2).

Figure 2 : Comment le bruit AMRT est généré dans les communications GSM. (Source : TDK)

Une connexion filaire standard entre un haut-parleur et un SoC Bluetooth est illustrée à la Figure 3. Ici, les connexions filaires captent le signal RF et le propagent au SoC.

Figure 3 : Signal RF affectant l'audio sur des lignes de haut-parleurs filaires. (Source : TDK)

Par conséquent, il est nécessaire de filtrer le bruit audible produit par la forme d'onde de l'enveloppe RF et tous les signaux RF captés par le circuit d'antenne avant qu'ils ne soient alimentés dans le haut-parleur. La principale stratégie d'atténuation consiste à réduire l'intensité du signal RF Bluetooth (bande 2,4 GHz) qui génère la forme d'onde de l'enveloppe. L'atténuation est réalisable grâce à une compréhension approfondie des petits filtres passifs et à une étude minutieuse. Le bruit peut être réduit par des filtres tels que ceux de la série MAF de TDK.

Des perles à puce sont généralement utilisées pour réduire le bruit de fond dans les câbles audio. Elles sont constituées d'une bobine laminée à l'intérieur d'un noyau de ferrite. L'impédance d'une perle à puce est définie en termes de réactance et de résistance CA de la bobine. Le composant de réactance est principalement responsable de la réflexion du bruit dans la gamme des basses fréquences, tandis que le composant de résistance CA est principalement responsable de l'absorption du bruit et de la génération de chaleur dans la gamme des hautes fréquences.

TDK a mis au point un nouveau matériau en ferrite qui présente à la fois une faible distorsion et supprime efficacement le bruit. La série MAF de composants multicouches a été développée pour répondre au marché émergent de suppression du bruit dans les lignes audio des dispositifs électroniques portables tels que les smartphones. Les lettres M, A et F dans MAF signifient respectivement multicouche, audio haute-fidélité et filtre antiparasite.

Une protection contre les décharges électrostatiques (DES) pour le câblage qui relie le microphone et le haut-parleur est également requise, car les écouteurs TWS entrent en contact physique avec les mains de l'utilisateur lors de leur utilisation. TDK a conçu un filtre coupe-bande à bande étroite (série AVRF) pour atténuer ce problème potentiel en protégeant les lignes de signaux audio des interférences électromagnétiques (EMI) et des décharges statiques (DES). La Figure 4 illustre la perte d'insertion par rapport aux performances de fréquence de plusieurs filtres coupe-bande à bande étroite AVRF.

Figure 4 : Perte d'insertion par rapport à la fréquence pour différents filtres coupe-bande à bande étroite AVRF de TDK. (Source : TDK)

La combinaison d'un filtre antiparasite série MAF (avec son inductance série) et d'un filtre coupe-bande à bande étroite série AVRF (avec son condensateur série) produit le filtre de sortie passe-bas illustré à la Figure 5. Cette configuration entraîne des caractéristiques d'atténuation élevées dans la bande 2,4 GHz et empêche le bruit pertinent d'accéder à l'amplificateur audio. En conséquence, la forme d'onde de l'enveloppe ne génère aucun bruit indésirable.

Figure 5 : (a) Configuration avec filtres MAF et AVRF, (b) FFT du signal filtré correspondant, (c) haute atténuation centrée autour de la bande 2,4 GHz. (Source : TDK)

Atténuation du bruit RF dans les lignes de microphone

Tout comme pour les lignes de haut-parleurs, la transposition d'un signal RF Bluetooth sur des lignes de microphone génère une forme d'onde d'enveloppe qui est envoyée à l'entrée du processeur audio. Le processeur audio envoie ensuite le bruit audible indésirable aux haut-parleurs. La Figure 6 montre une voie possible pour le signal Bluetooth sans fil à convertir en une connexion filaire dans le circuit du microphone. Le bruit est couplé au signal audio original après le traitement.

Figure 6 : Signal RF affectant l'audio sur les connexions de microphones filaires. (Source : TDK)

Pour minimiser efficacement le bruit, les filtres MAF constituent un meilleur choix que les perles à puce classiques en raison de leur impédance plus élevée et de leur atténuation du bruit plus faible dans la gamme de fréquences de 2,4 GHz. Un filtre MAF peut réduire le bruit de sortie audible à des niveaux indétectables en augmentant l'atténuation à basses fréquences.

La solution MAF + AVRF empêche une augmentation de THD+N, contrairement à l'utilisation de perles de ferrite ordinaires et de condensateurs en céramique multicouches (MLCC). Il n'y a pas de distorsion harmonique puisque ni les composants MAF ni les composants AVRF ne créent de variations non linéaires de tension ou de courant dans leurs plages de fonctionnement respectives. En ce qui concerne la distorsion des signaux, la solution MAF + AVRF ne se distingue pratiquement pas d'une utilisation sans filtre.

Le résultat de la sensibilité de réception des écouteurs TWS avec et sans atténuation est illustré à la Figure 7. Une amélioration d'environ 6 dB de la sensibilité de réception est constatée après l'introduction des contre-mesures MAF, AVRF et MAF + AVRF, qui ont toutes des effets de réduction du bruit dans la bande Bluetooth 2,4 GHz.

Figure 7 : Sensibilité de réception dans les écouteurs TWS avec et sans filtres. (Source : TDK)

Kit d'échantillons audio de TDK

Les appareils électroménagers intelligents et les dispositifs électroniques grand public tels que les haut-parleurs intelligents sont en plein essor à mesure que la société évolue vers l'Internet des objets (IoT) et les produits connectés. Les composants fondamentaux des haut-parleurs intelligents sont les microphones, qui fonctionnent également comme des capteurs sonores, faisant de la parole d'une personne une interface pour la connecter au dispositif. La technologie de micro-fabrication de semi-conducteurs de TDK a été utilisée pour produire une grande variété de microphones MEMS destinés à être utilisés dans de tels contextes.

Pour répondre au besoin de suppression du bruit RF et DES dans les microphones MEMS, TDK propose le kit d'échantillons audio (Figure 8). Ce produit combine des microphones MEMS de TDK InvenSense avec des filtres antiparasites MAF et des filtres coupe-bande à bande étroite DES AVRF. Ces filtres sont conçus pour lutter spécifiquement contre les problèmes typiques des lignes audio, tout en offrant des avantages supplémentaires tels que l'amélioration de la sensibilité de réception dans les communications sans fil ou cellulaires.

Figure 8 : Kit d'échantillons audio de TDK. (Source : TDK)

Offrant une suppression du bruit et des contre-mesures DES pour les lignes de haut-parleurs et de microphones, le kit d'échantillons audio inclut les composants suivants :

• 20 microphones MEMS
• 80 filtres antiparasites série MAF
• 120 filtres coupe-bande à bande étroite DES série AVRF

Les principales caractéristiques du kit d'échantillons audio sont les suivantes :

• Amélioration de la sensibilité de réception des communications cellulaires et Wi-Fi
• Haute qualité sonore grâce à une faible distorsion due aux faibles caractéristiques THD+N
• Suppression du bruit AMRT
• Dégradation réduite des signaux grâce à une faible résistance
• Réalisation de contre-mesures DES et de bruit

Conclusion

L'utilisation combinée de filtres antiparasites et de filtres coupe-bande à bande étroite DES fournit une contre-mesure efficace contre le bruit affectant les casques et les microphones sans fil. Le kit d'échantillons audio de TDK est une solution prête à l'emploi comprenant tous les composants que les ingénieurs peuvent utiliser pour atténuer le bruit RF dans leurs conceptions audio sans fil sans compromettre la qualité du son.