Murata 무선 헤드폰에 대한 잡음 억제

설계 문제/범위

Murata는 기본적으로 두 가지 유형의 설계 문제가 있다고 생각합니다.
• 헤드폰 장치 내 간섭, 오디오 건너뛰기 문제 해결 방법이 절대적으로 필요함
• 왼쪽과 오른쪽이 분리된 진정한 무선 헤드폰을 포함한 헤드폰의 장착 영역 제한(아래 그림 1)

최초의 설계 문제(헤드폰 장치 내부의 간섭 문제)는 여기서 매우 중요합니다.

대책 검증

내부 헤드폰 간섭의 경우, 장치 내에서 바람직하지 않은 전파가 통신에 필요한 신호의 상단에 중첩됩니다. 이로 인해 잡음이 발생하고 오디오가 건너뛸 수 있습니다.

Murata는 상업용 제품을 사용하여 2.4GHz 신호의 최소 수신 레벨을 측정했습니다. Murata는 Bluetooth 장치 내의 간섭을 방지하기 위해 설계 대책으로 인한 오디오 스키핑 가능성의 차이를 확인하고자 했습니다.

내부 장치 간섭과 관련하여 큰 그래프 값은 약한 신호에서도 통신이 가능하고 오디오가 건너뛸 가능성이 없음을 나타냅니다. Murata는 제품에 따라 다양한 레벨을 확인했지만 제품이 그렇게 다른 이유를 알고 싶었습니다.

Murata는 오디오 건너뛰기가 자주 관찰되는 제품 A와 문제가 자주 발생하지 않는 제품 D를 사용하여 이러한 차이가 발생하는 이유를 확인했습니다.

오디오 스키핑 측정

Murata는 제품 A와 제품 D의 최소 수신 레벨 간의 차이를 알기 위해 안테나에서 수된 잡음 스펙트럼을 관찰했습니다. 신호는 Bluetooth 안테나를 통해 전달되지만 잡음이 신호 흐름으로 유입되면 통신 장애가 발생합니다.

그림 3의 왼쪽(아래)은 수신 감도가 우수한 제품 D를 나타내고 오른쪽은 민감도가 낮은 제품 A를 나타냅니다.

그래프의 빨간색 영역은 전원 공급 장치가 꺼져 있을 때 소음 레벨을 나타내며 파란색 영역은 페어링 중에 생성되는 잡음 레벨을 나타냅니다.

Bluetooth는 주파수 호핑을 활용하므로 통신 신호가 협대역 스펙트럼으로 나타납니다. 고감도 덕분에 통신 신호가 제품 D에서만 확인되었으며 다른 스펙트럼은 나타나지 않았습니다.

반면, 주파수 대역이 수 MHz인 스펙트럼은 감도가 좋지 않은 (빨간색 표시) 제품 A에서 확인되었습니다.

Bluetooth는 주파수 호핑을 사용하므로, 이러한 유형의 잡음 스펙트럼이 모든 통신 주파수 대역에 걸쳐 발생할 경우, 잡음이 통신 신호와 혼합되어 감도를 저하시킵니다.

제품별 오디오 스키핑 측정 결과 비교

Murata는 빨간 마크에 표시된 광대역 잡음 원인을 조사하기 위해 제품 D(아래 그림 4)의 보드 표면에 있는 자기장 분포를 측정했습니다.

잡음 소스는 설정 및 상황에 따라 실제 잡음 억제에 차이가 있으므로 사전에 효과적인 잡음 감소를 위해 회로 위치를 식별하는 것이 중요합니다.

그림 4의 오른쪽은 주파수가 2.4GHz로 고정될 때 자기장 분포 강도에 대한 결과를 보여줍니다. 빨간색 영역은 강한 자기장을 나타냅니다. 이는 DC-DC 변환기 회로 영역에서 특히 높은 자기장 강도를 갖는 Bluetooth RPIC이 잡음 억제를 위한 효과적인 위치가 될 것임을 나타냅니다.

이 잡음은 내부적으로 전력을 생성할 때 발생하는 스위칭 잡음입니다. Murata는 스위칭 주파수의 더 높은 고조파는 2.4GHz 대역에서 발생한다고 가정했습니다.

제품 D의 보드 표면에서 자기장 분포 측정

Murata는 오디오 문제를 다루기 위한 대책을 조사했습니다.

그림 5(아래)는 측정에 사용되는 측정 환경과 Bluetooth 안테나와 결합된 잡음 측정 결과를 나타냅니다.

매우 높은 수준의 잡음이 관찰되었고 레벨을 낮추기 위해서는 잡음 억제가 필요합니다.

Bluetooth 안테나와 결합된 잡음에 대한 측정 결과

Bluetooth 잡음 억제 기능을 구현할 때 Murata는 두 가지 핵심 구현 영역을 결정했습니다.

첫 번째 영역은 전원 공급 라인이고 두 번째 영역은 클록 라인입니다.

전원 공급 라인은 스위칭 덕분에 더 높은 고조파를 생성하고 클록 신호의 고조파는 2.4GHz 대역으로 확장되므로 Bluetooth 신호에서 잡음이 생성됩니다. 필터링은 잡음 전도를 억제하는 효과적인 방법입니다.

Murata는 2.4GHz 대역에서 잡음을 제거하도록 설계된 두 가지 유형의 필터를 상용화하였습니다.

첫 번째 유형에는 전원 공급 라인용 BL02RD 및 LQZ02HQ 필터가 포함된 반면, 두 번째 유형은 클록 라인용 LQZ02HQ 시리즈로 구성됩니다.

표 1 및 그림 6(아래 모두)은 이 경우 잡음 억제에 사용되는 BLF02RD 및 LQZ02HQ 필터의 대표적인 전기 사양 및 삽입 손실 주파수 특성을 나타냅니다.

여러 가지 경우에서, 전원 공급 라인과 클록 라인은 주요 잡음 소스이며 이러한 회로 영역에서 적절한 필터를 사용하는 것이 효과적인 솔루션입니다.

전기적 사양

삽입 손실 주파수 특성

측정 결과(안테나 결합 잡음)

이는 Bluetooth 통신 중에 안테나와 결합된 잡음 스펙트럼을 측정한 결과입니다.

BLF02RD 필터는 전원 공급 라인(그림 7, 아래)에 삽입되었습니다. Murata는 이를 통해 약 5dB까지 협대역 잡음을 개선할 수 있었습니다. 이 검증된 BLF02RD 필터는 효과적인 솔루션입니다.

전원 공급 라인: BLF02RD 측정 결과

유사한 방식으로 LQZ02HQ 필터가 전원 공급 라인(그림 8, 아래)에 삽입되었습니다. Murata는 약 5dB까지 협대역 잡음이 유사한 수준으로 개선되었음을 확인했습니다.

전원 공급 라인: LQZ02HQ 측정 결과

Murata는 측정 작업을 계속하기 위해 LQZ02HQ 필터를 클록 라인에 삽입하고 파형 및 잡음 스펙트럼을 관찰했습니다(아래 그림 9).

LQZ02HQ 필터는 저주파 감쇠 특성이 거의 없으므로, 신호 품질을 유지하면서 2.4GHz 대역에서 문제가 되는 스펙트럼만 제거합니다.

Murata의 결론은 클록과 같은 신호 라인에서 잡음을 억제하는 효과적인 방법입니다.

클록 라인: LQZ02HZ 측정 결과

요약

이 경우, DC-DC 변환기 회로에 잡음 필터를 삽입하는 것이 효과적이 었지만 일부 경우에는 잡음 소스가 다를 수 있습니다. 이전 예시에서 살펴본 검증 방법은 한 가지 예입니다. 그러나 잡음원을 십결하는 과정은 잡음 억제를 다루는데 매우 중요합니다.

Murata는 다양한 회로 영역에 사용할 수 있도록 BLF02RD/LQZ02HQ 시리즈의 잡음 필터를 권장합니다. 두 시리즈 모두 전원 공급 라인에 적합하고 LQZ02HQ 시리즈는 클록 라인에도 이상적입니다. BLF02RD/LQZ02HQ 시리즈는 2.4GHz 고주파 범위에서 상당한 감쇠가 특징이며 상당한 잡음 감쇠를 제공할 것으로 예상할 수 있습니다.

이 경우, Murata는 동일한 회로 내 잡음이 Bluetooth 통신 신호를 방해하는 잡음 억제의 예를 도입했습니다. 이 기술은 2.4GHz의 주파수에서 통신하는 비 Bluetooth 장치에도 적용할 수 있습니다. Murata 구현 잡음 억제 구성 요소는 2.4GHz의 고주파 범위에서 매우 효과적이며 0.4mm x 0.2mm의 초소형 크기로 제공되므로 공간을 절약할 수 있습니다.Murata는 소형 스케일에서 오디오 스키핑을 방지하기 위해 구성 요소를 권장합니다.

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