Murata Rauschunterdrückung für drahtlose Kopfhörer

Designprobleme/Spanne

Murata ist der Ansicht, dass es in erster Linie zwei Arten von Designproblemen gibt.
        • Störungen im Kopfhörer, die unbedingt eine Lösung für das Problem des Audio-Überspringens erfordern
        •  Es gibt Beschränkungen auf der Montagefläche von Kopfhörern (Abbildung 1, unten), einschließlich echte drahtlose Kopfhörer, bei denen die linke und die rechte Seite getrennt sind

Das wichtigste Designproblem – Störung innerhalb des Kopfhörers – ist hier von großer Bedeutung.

Überprüfung von Gegenmaßnahmen

In vielen Fällen von internen Kopfhörer-Störungen werden unerwünschte Funkwellen im Bauteil auf die Signale, die für die Kommunikation erforderlich sind, überlagert. Dies erzeugt Rauschen und führt dazu, dass das Audio übersprungen wird.

Murata hat kommerzielle Produkte zur Messung des minimalen Empfangspegels eines 2,4-GHz-Signals verwendet. Dabei wollte Murata die Unterschiede in der Wahrscheinlichkeit eines Audio-Überspringens überprüfen, die durch Design-Gegenmaßnahmen zur Verhinderung von Störungen innerhalb von Bluetooth-Geräten verursacht werden.

In Bezug auf interne Gerätestörungen zeigen große Diagrammwerte an, dass die Kommunikation auch mit einem schwachen Signal möglich ist und das Audio wahrscheinlich nicht überspringen wird. Murata bestätigte verschiedene Stufen je nach Produkt, wollte aber wissen, warum sie so unterschiedlich waren.

Murata hat den Grund, warum solche Unterschiede auftreten, unter Verwendung von Produkt A, bei dem das Überspringen von Audio häufig beobachtet wurde, und Produkt D, bei dem das Problem selten auftrat, überprüft.

Messung von Audio-Überspringen

Um die Unterschiede zwischen den minimalen Empfangspegeln von Produkt A und Produkt D zu kennen, beobachtete Murata das Rauschspektrum, das von der Antenne empfangen wurde. Signale fließen zur Kommunikation über eine Bluetooth-Antenne, aber Kommunikationsausfälle treten auf, wenn ein Rauschen in den Signalfluss gelangt.

Auf der linken Seite von Abbildung 3 (unten) wird das Produkt D gezeigt, das eine gute Empfangsempfindlichkeit aufweist, während auf der rechten Seite das Produkt A gezeigt wird, das eine schlechte Empfindlichkeit hat.

Die roten Bereiche in der Abbildung zeigen den Rauschpegel, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist und die blauen Bereiche zeigen den Rauschpegel während der Kopplung.

Bluetooth nutzt Frequenzsprünge, so dass Kommunikationssignale als Schmalband-Spektrum auftreten. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit wurden die Kommunikationssignale nur auf Produkt D überprüft und es trat kein anderes Spektrum auf.

Im Gegensatz dazu wurde ein Spektrum mit einem Frequenzband von mehreren MHz auf dem Produkt A mit seiner schlechten Empfindlichkeit (rote Markierungen) bestätigt.

Da Bluetooth Frequenzsprünge verwendet, vermischt sich das Rauschen mit dem Kommunikationssignal und beeinträchtigt die Empfindlichkeit, wenn diese Art von Rauschspektrum über alle Kommunikationsfrequenzbänder auftritt.

Produktvergleich von Messergebnissen des Audio-Überspringens

Um die Ursache des durch die roten Markierungen gezeigten Breitbandrauschens zu untersuchen, hat Murata die Magnetfeldverteilung auf der Boardoberfläche des Produkts D (Abbildung 4, unten) gemessen.

Da sich die Rauschquelle in der tatsächlichen Rauschunterdrückung unterscheidet, ist es in Abhängigkeit von der Einstellung und der Situation wichtig, die Schaltungsposition für eine wirksame Rauschunterdrückung im Voraus zu identifizieren.

Die rechte Seite von Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der Magnetfeldverteilungsstärke, wenn die Frequenz auf 2,4 GHz festgelegt ist. Die rote Fläche stellt ein starkes Magnetfeld dar. Dies zeigt an, dass das Bluetooth-RFIC mit einer besonders hohen Magnetfeldstärke in der DC/DC-Wandler-Schaltungsfläche eine wirksame Position für die Rauschunterdrückung wäre.

Bei diesem Rauschen handelt es sich um Schaltrauschen, das bei der internen Erzeugung von Leistung auftritt. Murata ging von den höheren Oberschwingungen der Schaltfrequenzen im 2,4-GHz-Band aus.

Messung der Magnetfeldverteilung auf der Board-Oberfläche des Produkts D

Murata untersuchte Gegenmaßnahmen, um das Audio-Problem zu lösen.

Abbildung 5 (unten) zeigt die Messumgebung, die für die Durchführung von Messungen verwendet wird und das Ergebnis der Messung von Rauschen in Verbindung mit der Bluetooth-Antenne.

Ein extrem hohes Rauschen wurde beobachtet. Daher ist eine Rauschunterdrückung erforderlich, um den Pegel zu reduzieren.

Messergebnis für Rauschen, das mit einer Bluetooth-Antenne gekoppelt ist

Bei der Implementierung der Bluetooth-Rauschunterdrückung stellte Murata fest, dass es zwei wichtige Implementierungsbereiche gibt.

Der erste Bereich ist die Stromversorgungsleitung und der zweite ist die Taktleitung.

Da die Stromversorgungsleitung durch die Schaltung höhere Oberschwingungen erzeugt und die höheren Oberschwingungen des Taktsignals sich bis zum 2,4-GHz-Band erstrecken, wird das Rauschen im Bluetooth-Signal erzeugt. Die Filterung ist eine wirksame Methode zur Unterdrückung von Rauschleitung.

Murata hat zwei Arten von Filtern vermarktet, die zur Entfernung von Rauschen im 2,4-GHz-Band ausgelegt sind.

Der erste Typ umfasst die BLF02RD und LQZ02HQ Filter für Stromversorgungsleitungen, während der zweite Typ aus der LQZ02HQ-Baureihe für Taktleitungen besteht.

Tabelle 1 und Abbildung 6 (beide unten) zeigen die repräsentativen elektrischen Spezifikationen und Einfügungsdämpfungs-Frequenzeigenschaften der BLF02RD und LQZ02HQ Filter, die in diesem Fall für die Rauschunterdrückung verwendet werden.

In vielen Fällen sind die Stromversorgungsleitung und die Taktleitung die wichtigsten Rauschquellen und die Verwendung des geeigneten Filters in diesen Schaltbereichen ist eine wirksame Lösung.

Elektrische Spezifikationen

Einfügungsdämpfungs-Frequenzeigenschaften

Messergebnisse (Antennen-gekoppeltes Rauschen)

Dies sind die Ergebnisse der Messung des Rauschspektrums, das während der Bluetooth-Kommunikation mit der Antenne gekoppelt ist.

Der BLF02RD Filter wurde in die Stromversorgungsleitung eingesetzt (Abbildung 7, unten). Dadurch war Murata in der Lage, das Schmalband-Rauschen um ca. 5 dB zu verbessern. Dieser überprüfte BLF02RD Filter ist eine wirksame Lösung.

Stromversorgungsleitung: BLF02RD Messergebnis

Auf ähnliche Weise wurde der LQZ02HQ Filter in die Stromversorgungsleitung eingesetzt (Abbildung 8, unten). Murata hat eine ähnliche Verbesserung des Schmalband-Rauschens um ca. 5 dB bestätigt.

Stromversorgungsleitung: LQZ02HQ Messergebnis

Des weiteren führte Murata den LQZ02HQ Filter in die Taktleitung ein und beobachtete die Wellenform und das Rauschspektrum (Abbildung 9, unten).

Da der LQZ02HQ Filter über wenige Niederfrequenz-Dämpfungseigenschaften verfügt, entfernt er nur das problematische Spektrum im 2,4-GHz-Band, während die Signalqualität aufrechterhalten wird.

Murata kam zu dem Schluss, dass dies eine wirksame Methode ist, das Rauschen in einer Signalleitung, wie z. B. ein Taktgeber, zu unterdrücken.

Taktleitung: LQZ02HZ Messergebnis

Fazit

In diesem Fall war das Einsetzen eines Rauschfilters in die DC/DC-Wandlerschaltung wirksam, jedoch kann die Rauschquelle in einigen Fällen abweichen. Die Überprüfungsmethode, die im vorherigen Beispiel untersucht wurde, ist nur ein Beispiel, aber die Identifizierung einer Rauschquelle ist für den Umgang mit der Rauschunterdrückung von entscheidender Bedeutung.

Murata empfiehlt die BLF02RD-/LQZ02HQ-Baureihe von Rauschfiltern für den Einsatz in verschiedenen Schaltungsbereichen. Beide Baureihen eignen sich für Stromversorgungsleitungen und die LQZ02HQ-Baureihe eignet sich zusätzlich auch für Taktleitungen. Die BLF02RD/LQZ02HQ-Baureihe verfügt über eine erhebliche Dämpfung im Hochfrequenzbereich von 2,4 GHz und kann eine wesentliche Rauschdämpfung bieten.

In diesem Fall führte Murata ein Beispiel für die Rauschunterdrückung ein, bei dem Rauschen innerhalb der gleichen Schaltung das Bluetooth-Kommunikationssignal störte. Diese Technologie kann auch in Nicht-Bluetooth-Bauteile eingesetzt werden, die mit einer Frequenz von 2,4 GHz kommunizieren. Murata implementiert Rauschunterdrückungskomponenten, die über einen hohen Wirkungsgrad im Hochfrequenzbereich von 2,4 GHz verfügen und für Platzeinsparungen in einer extrem kleinen Größe von 0,4 mm x 0,2 mm verfügbar sind. Murata empfiehlt seine Komponenten im Miniaturformat zur Verhinderung von Audio-Überspringen.

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