오디오 장치의 잡음 완화 전략

오디오 기술에서 완벽한 음질은 기본적인 목표입니다. 그러나 히싱, 윙윙 소리 또는 간섭 같은 원치 않는 청각적 교란은 전체적인 음질에 큰 손상을 줄 수 있습니다. 사용자는 변하지 않은 정확한 사운드 복제를 추구하기 때문에 이러한 교란은 헤드폰 및 마이크와 같은 환경에서 특별한 의미를 갖습니다.

이 기사에서는 헤드폰 및 마이크와 같은 오디오 장치에서 원치 않는 잡음을 제거하는 다양한 접근법을 검토합니다. 음질 저하 없이 마이크 라인의 잡음 억제 및 ESD 대책에 필요한 모든 부품을 제공하는 솔루션의 한 예로 TDK 오디오 샘플 키트를 소개합니다.

Bluetooth 및 TWS의 부상

Bluetooth 기술은 원래 핸드프리 통신을 위해 고안되었습니다. 그러나 Bluetooth 응용 분야는 헤드셋, 스피커, 자동차 시스템 등과 같은 다양한 장치를 포괄하도록 급속히 성장했습니다. 이 기술은 낮은 에너지 소비와 범용적 호환성으로 인해 커넥티드 장치로 구성된 계속적으로 확장된 에코시스템의 필수적 부품이 되었습니다.

TWS(True Wireless Stereo)는 Bluetooth가 무선 오디오 전송의 사실상 표준이 된 이후에 나타났습니다. 무선 오디오에 대한 아이디어를 한 단계 더 발전시킨 TWS 이어폰은 각 이어피스의 연결을 해제했습니다. 이것이 바로 휴대용 음악의 새로운 시대의 시작이었습니다. 작은 무선 이어폰은 더 간단하고 휴대성이 뛰어난 음악 장비를 향한 추세를 나타냈습니다. TWS 기술은 소비자를 해방시켜 더 큰 이동성과 편의성을 제공합니다.

음악 및 오디오 소비의 최신 트렌드 중 상당수는 Bluetooth 스피커 및 이어버드에 대한 무선 콘텐츠 스트리밍과 같은 스마트폰 서비스에 따라 달라집니다. 스피커 및 이어버드가 오디오 출력의 표준이 되었지만 Bluetooth 이어버드, 스피커, 음성 지원 마이크와 같은 오디오 장치에서 완벽한 음질을 얻는 데에는 몇 가지 어려움이 있습니다.

무선 오디오 장치에 영향을 미치는 문제

유선 연결이 없는 오디오 장비는 여러모로 편리합니다. 그러나 이러한 장치는 무선 신호에 의존하기 때문에 유선 헤드폰, 마이크 또는 스피커보다 문제가 발생할 가능성이 더 높습니다.

무선 장치에서 전송, 수신, 장치 성능 및 배터리 수명은 모두 RF 링크 품질의 영향을 받습니다. RF 기능이 소형 무선 장치에 통합될 때마다 각 오디오 입력 및 출력에 대한 PCB 트레이스와 배선 상호 연결은 일반적으로 안테나 가까이에 배치됩니다. 이러한 근접성으로 인해 오디오가 마이크나 스피커로 전송될 때 안테나에서 방출되는 RF 신호가 EMI 잡음을 생성하고 오디오 품질을 저하시킬 수 있습니다. 일반적으로 누화라고 알려진 이 문제는 신호 무결성에 영향을 미칩니다.

마찬가지로, 배터리로 구동되는 휴대용 음악 장비에 사용되는 디지털 증폭기에서 발생하는 스위칭은 잡음을 방출하여 다중 고조파를 생성할 수 있습니다. 이러한 고조파는 안테나의 출력 및 입력 RF 신호에 위협이 됩니다. 안테나와 전선이 너무 가깝기 때문에 결합이 발생하여 결과적으로 수신 감도가 저하됩니다. 그림 1에 이러한 가능한 EMI 잡음원이 모두 표시되어 있습니다.

그림 1: 잠재적인 잡음원이 있는 일반적인 무선 오디오 구성 (출처: TDK)

스피커 라인에서 RF 잡음 완화

BLE 오디오와 대조적으로 Bluetooth 클래식 오디오를 사용하면 장치는 정기적으로 데이터를 교환합니다. RF 신호가 오디오 증폭기에 공급되면 비선형 효과로 인해 포락선 파형이 생성됩니다. 이 포락선 파형은 의도한 신호와 함께 스피커로 전송될 때 배경 잡음으로 감지될 수 있습니다. 이러한 유형의 잡음을 일반적으로 TDD(시분할 이중 접속) 잡음, TDMA(시분할 다중 접속) 잡음 또는 간단히 '버즈' 잡음이라고 합니다.

RF 무선 포락선 파형의 이러한 장애는 Bluetooth 응용 제품뿐만 아니라 셀룰러 네트워크 및 Wi-Fi에서도 나타납니다. 전화 통화 중 GSM 모듈은 4.615ms마다 RF 버스트 전송을 생성합니다. 음향 회로에 방사될 경우 RF 버스트의 포락선 파형은 관련 고조파와 함께 217Hz 주파수에서 가청 TDMA 잡음을 생성할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: GSM 통신에서 TDMA 잡음이 생성되는 과정 (출처: TDK)

그림 3에는 스피커와 Bluetooth SoC 간의 표준 유선 연결이 나와 있습니다. 여기에서는 유선 연결이 RF 신호를 포착하여 SoC로 전파합니다.

그림 3: 유선 스피커 라인에서 오디오에 영향을 주는 RF 신호. (출처: TDK)

따라서 RF 포락선 파형에 의해 생성된 가청 잡음과 안테나 회로에서 포착된 모든 RF 신호가 스피커에 공급되기 전에 이를 필터링해야 합니다. 포락선 파형을 생성하는 Bluetooth RF 신호(2.4GHz 대역)의 강도를 줄이는 것이 핵심적인 완화 전략입니다. 작은 수동 필터에 대한 철저한 이해와 주의 깊은 연구를 통해 완화를 달성할 수 있습니다. 필터(예: TDK의 MAF 계열에 사용되는 필터)를 사용하여 잡음을 줄일 수 있습니다.

칩 비드는 일반적으로 오디오 케이블의 배경 잡음을 줄이는 데 사용됩니다. 페라이트 코어 내부에 코일을 적층하여 만들어집니다. 칩 비드의 임피던스는 코일의 리액턴스와 AC 저항으로 정의됩니다. 리액턴스 성분은 주로 저주파 범위의 잡음 반사를 담당하는 반면, AC 저항 성분은 주로 고주파 범위의 잡음 흡수 및 발열을 담당합니다.

TDK는 왜곡이 적고 잡음 제거에 효과적인 새로운 페라이트 소재를 개발했습니다. MAF 계열 다층 칩 부품은 스마트폰과 같은 휴대용 전자 장치의 오디오 라인에서 잡음 제거를 위한 신흥 시장에 대응하여 개발되었습니다. MAF의 문자 M, A 및 F는 각각 Multilayer(다층), High-Fi Audio(고충실도 오디오) 및 Noise Suppression Filter(잡음 억제 필터)를 나타냅니다.

TWS 이어폰은 사용 시 사용자의 손에 물리적으로 접촉되기 때문에 마이크와 스피커를 연결하는 배선에 대한 정전기 방전(ESD) 보호도 필요합니다. TDK는 전자기 간섭(EMI) 및 정전기 방전(ESD)으로부터 오디오 신호 라인을 보호하여 이러한 잠재적인 문제를 완화하기 위해 노치 필터(AVRF 계열)를 설계했습니다. 그림 4에는 여러 AVRF 노치 필터의 삽입 손실 대 주파수 성능이 나와 있습니다.

그림 4: 다양한 TDK AVRF 노치 필터의 삽입 손실 대 주파수 (출처: TDK)

MAF 계열 잡음 억제 필터(직렬 인덕터 포함)와 AVRF 계열 노치 필터(직렬 커패시터 포함)를 결합하면 그림 5에 표시된 저역 통과 출력 필터가 생성됩니다. 이 설정은 2.4GHz 대역에서 높은 감쇠 특성을 생성하고 관련 잡음이 오디오 증폭기에 액세스하는 것을 방지합니다. 결과적으로 포락선 파형은 원치 않는 잡음을 생성하지 않습니다.

그림 5: (a) MAF 및 AVRF 필터를 사용한 구성, (b) 대응하는 필터링된 신호의 FFT, (c) 2.4GHz 대역을 중심으로 한 높은 감쇠. (출처: TDK)

마이크 라인에서 RF 잡음 완화

스피커 라인과 마찬가지로 Bluetooth RF 신호를 마이크 라인으로 전환하면 포락선 파형이 오디오 프로세서의 입력으로 전송됩니다. 그런 다음 오디오 프로세서는 원치 않는 가청 잡음을 스피커로 보냅니다. 그림 6은 무선 Bluetooth 신호가 마이크 회로 내에서 유선 연결로 변환될 수 있는 한 가지 경로를 보여줍니다. 잡음은 처리 후에 원래 오디오 신호에 결합됩니다.

그림 6: 유선 마이크 연결에서 오디오에 영향을 주는 RF 신호. (출처: TDK)

잡음을 효과적으로 최소화하기 위해 MAF 필터는 2.4GHz 주파수에서 더 높은 임피던스와 더 낮은 잡음 감쇠로 인해 일반 칩 비드보다 더 나은 선택입니다. MAF 필터는 낮은 주파수에서 감쇠를 증가시켜 가청 출력 잡음을 감지할 수 없는 수준으로 줄일 수 있습니다.

MAF + AVRF 솔루션은 일반 페라이트 칩 비드 및 MLCC(적층 세라믹 커패시터)를 사용하는 것과 달리 THD+N의 증가를 방지합니다. MAF 또는 AVRF 부품 모두 해당 작동 범위 내에서 전압이나 전류에 비선형 변화를 생성하지 않으므로 고조파 왜곡이 없습니다. 신호 왜곡과 관련하여 MAF + AVRF 솔루션은 필터를 전혀 사용하지 않는 것과 거의 구별할 수 없습니다.

그림 7에는 완화 유무에 따른 TWS 이어버드의 수신 감도 결과가 나와 있습니다. MAF, AVRF 및 MAF + AVRF 대책을 도입한 후 약 6dB의 수신 감도 향상이 나타났으며, 모두 Bluetooth 2.4GHz 대역에서 잡음 감소 효과가 있습니다.

그림 7: 필터를 포함하거나 포함하지 않는 TWS 이어버드에서 감도 수신 (출처: TDK)

TDK의 오디오 샘플 키트

사회가 사물 인터넷(IoT)과 커넥티드 제품으로 전환하면서 스마트 가전과 스마트 스피커 등 가전제품이 부각되고 있습니다. 스마트 스피커의 기본 부품은 마이크입니다. 이 마이크는 사운드 센서로도 작동하여 사람의 음성을 장치와 연결하는 인터페이스로 만듭니다. TDK의 반도체 미세 가공 기술은 이러한 상황에서 사용할 수 있는 광범위한 MEMS 마이크를 구축하는 데 사용되었습니다.

MEMS 마이크에서 RF 및 ESD 잡음을 억제해야 하는 요구 사항을 해결하기 위해 TDK는 오디오 샘플 키트를 제공합니다(그림 8). 이 제품은 TDK InvenSense MEMS 마이크와 MAF 잡음 억제 필터 및 AVRF ESD 노치 필터를 결합합니다. 이 필터는 특히 오디오 회선의 일반적인 문제를 해결하는 동시에 무선 또는 셀룰러 통신의 수신 감도 향상과 같은 추가 이점을 제공하도록 설계되었습니다.

그림 8: TDK의 오디오 샘플 키트. (출처: TDK)

스피커 및 마이크 라인에 대한 잡음 억제 및 ESD 대책을 제공하는 오디오 샘플 키트에는 다음 부품이 포함되어 있습니다.

• MEMS 마이크 20개
• MAF 계열 잡음 억제 필터 80개
• AVRF 계열 ESD 노치 필터 120개

오디오 솔루션 샘플 키트의 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 셀룰러 및 Wi-Fi 통신의 수신 감도 향상
• 낮은 THD+N 특성으로 인해 왜곡이 적으므로 높은 음질 달성
• TDMA 잡음 억제
• 낮은 저항으로 인해 신호 약화가 작음
• ESD 대책 및 잡음 대책 달성

결론

잡음 억제 필터와 ESD 노치 필터를 함께 사용하면 무선 헤드셋과 마이크에 영향을 미치는 잡음에 대한 효과적인 대책을 제공할 수 있습니다. TDK의 오디오 샘플 키트는 엔지니어가 음질을 저하시키지 않고 무선 오디오 설계에서 RF 잡음을 완화하는 데 사용할 수 있는 모든 부품을 포함하는 즉시 사용 가능한 솔루션입니다.