Estrategias para mitigar el ruido en los dispositivos de audio

En la tecnología de audio, una calidad de sonido impecable es un objetivo fundamental. No obstante, las perturbaciones auditivas no deseadas, como silbidos, zumbidos o interferencias, pueden mermar considerablemente la calidad general del sonido. Estas perturbaciones tienen especial importancia en el contexto de los auriculares y micrófonos, ya que los usuarios buscan una reproducción del sonido precisa e inalterada.

Este artículo examina distintos enfoques para reducir el ruido no deseado en dispositivos de audio como auriculares y micrófonos. Se hace referencia al kit de muestras de audio de TDK como ejemplo de una solución que proporciona todos los componentes necesarios para la supresión de ruido y las contramedidas de ESD para líneas de micrófono sin degradar la calidad del sonido.

El auge de Bluetooth y TWS

La tecnología Bluetooth se concibió originalmente para la comunicación manos libres. Dicho esto, las aplicaciones Bluetooth crecieron rápidamente para incluir una variedad de dispositivos tales como auriculares, altavoces, sistemas de coche y más. El bajo consumo energético de esta tecnología y su compatibilidad universal la han convertido en un componente indispensable del ecosistema de dispositivos conectados, en constante expansión.

True Wireless Stereo (TWS) surgió después de que Bluetooth se convirtiera en el estándar de facto para la transmisión inalámbrica de audio. Llevando la idea del audio inalámbrico un paso más allá, los auriculares TWS desvinculan cada auricular. Fue el comienzo de una nueva era de la música portátil. Estos auriculares diminutos y sin cables representaban una tendencia hacia equipos de música más sencillos y portátiles. La tecnología TWS liberó a los consumidores, permitiéndoles una mayor movilidad y comodidad.

Muchas de las últimas tendencias en consumo de música y audio dependen de los servicios de los smartphones, como la transmisión inalámbrica de contenidos a altavoces y auriculares Bluetooth. Aunque los altavoces y los auriculares se han convertido en el estándar de salida de audio, obtener una calidad de sonido impecable en dispositivos de audio como auriculares Bluetooth, altavoces y micrófonos de asistentes de voz presenta algunos obstáculos.

Problemas que afectan a los dispositivos de audio inalámbricos

Los equipos de audio sin conexiones por cable son prácticos en muchos sentidos. Sin embargo, como estos dispositivos dependen de una señal inalámbrica, es más probable que tengan problemas que los auriculares, micrófonos o altavoces con cable.

En los dispositivos inalámbricos, la calidad del enlace de radiofrecuencia afecta a la transmisión, la recepción, el rendimiento del dispositivo y la duración de la batería. Siempre que se integra la capacidad de RF en pequeños dispositivos inalámbricos, las trazas de la placa de circuito impreso y las interconexiones del cableado para cada entrada y salida de audio suelen colocarse cerca de la antena. Debido a esta proximidad, cuando se envía audio al micrófono o al altavoz, las señales de RF emitidas por la antena pueden crear ruido EMI y disminuir la calidad del audio. Este problema, conocido como diafonía, afecta a la integridad de la señal.

Del mismo modo, la conmutación que se produce en los amplificadores digitales utilizados en los equipos de música portátiles alimentados por pilas puede emitir ruido, creando múltiples armónicos. Estos armónicos suponen una amenaza para las señales de RF de salida y entrada de la antena. Al estar tan cerca la antena y el cable, se produce un acoplamiento que disminuye la sensibilidad de recepción. Todas estas posibles fuentes de ruido EMI (interferencia electromagnética) se muestran en la Figura 1.

Figura 1: Configuración típica de audio inalámbrico con posibles fuentes de ruido. (Fuente: TDK)

Reducción del ruido de radiofrecuencia en las líneas de altavoces

Cuando se utiliza Bluetooth de Audio Clásico, a diferencia del bluetooth de baja energía, los dispositivos intercambian datos a intervalos regulares. Cuando se introduce una señal de RF en un amplificador de audio, se produce una forma de onda envolvente debido a efectos no lineales. Esta forma de onda envolvente es detectable como ruido de fondo cuando se transmite a los altavoces junto con la señal prevista. Este tipo de ruido suele denominarse ruido de duplexación por división de tiempo (TDD), ruido de acceso múltiple de división de tiempo (TDMA) o simplemente ruido de "zumbido".

Esta dificultad con la forma de onda de la envolvente de radiofrecuencia se manifiesta no sólo en las aplicaciones Bluetooth, sino también en las redes celulares y Wi-Fi. Durante una llamada telefónica, los módulos GSM generan una transmisión en ráfaga de RF cada 4,615 ms. Cuando se irradia a un circuito acústico, la forma de onda envolvente de la ráfaga de RF puede producir ruido TDMA audible a una frecuencia de 217 Hz junto con los armónicos relacionados (Figura 2).

Figura 2: Cómo se genera el ruido TDMA en la comunicación GSM. (Fuente: TDK)

En la figura 3 se muestra una conexión cableada estándar entre un altavoz y un sistema en chip (SoC) Bluetooth. Aquí, las conexiones cableadas captan la señal de RF y la propagan al SoC.

Figura 3: Una señal de RF que afecta al audio en líneas de altavoz cableadas. (Fuente: TDK)

Por lo tanto, es necesario filtrar el ruido audible producido por la forma de onda de la envolvente de RF y cualquier señal de RF captada por el circuito de antena antes de que se introduzcan en el altavoz. Reducir la intensidad de la señal de radiofrecuencia Bluetooth (banda de 2.4 GHz) que genera la forma de onda envolvente es la estrategia clave de mitigación. La mitigación es posible mediante un conocimiento profundo de los pequeños filtros pasivos y un estudio minucioso. El ruido puede reducirse con filtros como los de la serie MAF de TDK.

Los núcleos de chip suelen utilizarse para reducir el ruido de fondo en los cables de audio. Están formados por una bobina laminada en el interior de un núcleo de ferrita. La impedancia de unos núcleos de chip se define en términos de reactancia y resistencia CA de la bobina. El componente de reactancia es el principal responsable de la reflexión del ruido en la gama de baja frecuencia, mientras que el componente de resistencia CA es el principal responsable de la absorción del ruido y la generación de calor en la gama de alta frecuencia.

TDK ha creado un novedoso material de ferrita de baja distorsión y eficaz anulación del ruido. La serie MAF de componentes de chip multicapa se desarrolló en respuesta al mercado emergente de cancelación de ruido en las líneas de audio de dispositivos electrónicos portátiles como los smartphones. Las letras M, A y F de MAF significan respectivamente multicapa, audio de alta fidelidad y filtro de supresión de ruido.

También se requiere protección contra descargas electrostáticas (Descarga electrostática) para el cableado que conecta el micrófono y el altavoz, ya que los auriculares TWS entran en contacto físico con las manos del usuario cuando se utilizan. TDK ha diseñado un filtro de entalla (Serie AVRF) para mitigar este posible problema protegiendo las líneas de señal de audio de las interferencias electromagnéticas (EMI) y las descargas electrostáticas (Descarga electrostática). En la figura 4 se muestra la pérdida de inserción en función de la frecuencia de varios filtros de entalla AVRF.

Figura 4: Pérdida de inserción en función de la frecuencia para diferentes filtros de entalla TDK AVRF. (Fuente: TDK)

Combinando un filtro de supresión de ruido en serie MAF (con su inductor en serie) y un filtro de entalla en serie AVRF (con su condensador en serie) se obtiene el filtro de salida de paso bajo que se muestra en la Figura 5. Esta configuración produce características de alta atenuación en la banda de 2.4 GHz e impide que el ruido relevante acceda al amplificador de audio. Como resultado, la forma de onda de la funda no genera ningún ruido no deseado.

Figura 5: (a) Configuración con filtros MAF y AVRF, (b) Transformada rápida de Fourier de la señal filtrada correspondiente, (c) Elevada atenuación centrada en la banda de 2.4 GHz. (Fuente: TDK)

Mitigación del ruido de radiofrecuencia en las líneas de micrófono

Del mismo modo que ocurre con las líneas de altavoz, la transposición de una señal de RF Bluetooth a las líneas de micrófono da como resultado una forma de onda envolvente que se envía a la entrada del procesador de audio. A continuación, el procesador de audio enviará el ruido audible no deseado a los altavoces. La figura 6 muestra una posible ruta para convertir la señal inalámbrica Bluetooth en una conexión por cable dentro del circuito del micrófono. El ruido se acopla a la señal de audio original tras el procesamiento.

Figura 6: Una señal de RF que afecta al audio en conexiones de micrófono cableadas. (Fuente: TDK)

Para minimizar eficazmente el ruido, los filtros MAF son una mejor opción que los de microesferas normales debido a su mayor impedancia y menor atenuación del ruido en la frecuencia de 2.4 GHz. Un filtro MAF puede reducir el ruido de salida audible hasta niveles indetectables aumentando la atenuación en las frecuencias más bajas.

La solución MAF + AVRF evita el aumento de THD+N, a diferencia del uso de perlas de chip de ferrita ordinarias y condensadores de cerámica multicapa (MLCC). No hay distorsión armónica ya que ni el MAF ni los componentes AVRF crean variaciones no lineales de voltaje o corriente dentro de sus respectivos rangos operativos. En lo que respecta a la distorsión de la señal, la solución MAF + AVRF es prácticamente indistinguible de no utilizar ningún filtro.

En la figura 7 se muestra el resultado de la sensibilidad de recepción de los auriculares TWS con y sin mitigación. Se observó una mejora de aproximadamente 6 dB de la sensibilidad de recepción tras la introducción de las contramedidas MAF, AVRF y MAF + AVRF, todas las cuales tienen efectos de reducción del ruido en la banda Bluetooth de 2.4 GHz.

Figura 7: Sensibilidad de recepción en los auriculares TWS con y sin filtros. (Fuente: TDK)

Kit de muestras de audio de TDK

Los electrodomésticos y aparatos electrónicos de consumo inteligentes, como los altavoces inteligentes, están en auge a medida que la sociedad avanza hacia la Internet de las cosas (IoT) y los productos conectados. Los componentes fundamentales de los altavoces inteligentes son los micrófonos, que también funcionan como sensores de sonido, convirtiendo el habla de una persona en una interfaz que la conecta con el dispositivo. La tecnología de microfabricación de semiconductores de TDK se utilizó para construir una amplia gama de micrófonos MEMS que se utilizan en estos contextos.

Para hacer frente a la necesidad de suprimir el ruido de RF y Descarga electrostática en los micrófonos MEMS, TDK ofrece el kit de muestras de Audio (Figura 8). Este producto combina micrófonos MEMS TDK InvenSense con filtros de supresión de ruido MAF y filtros de entalla AVRF ESD. Estos filtros están diseñados para combatir específicamente los problemas típicos de las líneas de audio, a la vez que ofrecen ventajas adicionales como la mejora de la sensibilidad de recepción en comunicaciones inalámbricas o celulares.

Figura 8: Kit de muestras de audio de TDK. (Fuente: TDK)

El kit de muestra de audio, que proporciona supresión de ruido y contramedidas ESD para líneas de altavoz y micrófono, incluye los siguientes componentes:

• 20 micrófonos MEMS
• Filtros de supresión de ruido serie 80 MAF
• Filtros de entalla para ESD serie 120 AVRF

Las principales características del kit de muestra de la solución de audio son:

• Mejora en la sensibilidad de recepción de la comunicación celular y Wi-Fi
• Alta calidad de sonido gracias a la baja distorsión debida a las características THD+N bajas
• Supresión de ruido TDMA
• Pequeña degradación de la señal debido a la baja resistencia
• Consecución de medidas contra la descarga electrostática y el ruido

Conclusión:

El uso combinado de filtros de supresión de ruido y filtros de entalla ESD proporciona una contramedida eficaz contra el ruido que afecta a los auriculares y micrófonos inalámbricos. El kit de muestras de Audio de TDK es una solución lista para usar que incluye todos los componentes que los ingenieros pueden utilizar para mitigar el ruido de RF en sus diseños de audio inalámbrico sin comprometer la calidad del sonido.