【经验】如何解决音频电路的强射频干扰与噪声？

时间： 2021-11-18 来源：歌瑞宇航

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相对于其它数字电路或一般性模拟电路，语音电路对射频干扰更加敏感。而且由于电路的特性其自身的防护能力非常薄弱，另一个致命的原因是麦克风输入线缆，使得语音电路的输入端对射频干扰门户洞开。随着无线通信和智能化的飞速发展，语音通信设备特别是小型语音设备与无线发射模块的高度集成，语音电路工作在强射频干扰条件下的机会越来越多，比如与机器人绑定的语言系统，智能制造环境中的语言系统。在这样的系统中，无线发射模块的射频发射功率可能高达20dBm以上，由于结构设计的限制，麦克风输入线缆有可能非常靠近无线天线甚至于贴近。

歌瑞宇航工程师实验表明，在这种情况下，语音电路所承受的是超剂量超常规的强射频干扰，在实验中，射频信号为2.5G，当麦克风线揽贴近发射天线时，实测的射频干扰高达25dBm。区别于普通的射频干扰，比如电源变压器和空间杂散电磁波，要减弱或消除强射频干扰是一项极具挑战意义的任务，需要对射频、语音电路、EMI等等电路理论、设计和实验有更深刻的理解，为了降低干扰所造成的噪声需要更复杂的技术和手段。

图1A 受强射频干扰的语言信号

图 1 显示了受强射频干扰的语言信号。红色标识显示的是系统的背景噪声，蓝色标识显示的是混杂在一起的语音信号和射频干扰噪声。这种射频干扰噪声只有在射频模块发射数据并达到一定的射频功率时才会出现，而背景噪声则更多是其它因素造成的，比如对一般性射频干扰（杂散电磁波）的屏蔽，PCB设计，数字地与模拟地的处理，电源噪声与是否合理滤波等等。背景噪声通常是广谱的白噪声（热噪声），如何消除和减弱背景噪声有大量的文章和实验可以参考。本文的重点在于讨论如何消除和减弱单纯射频干扰引起的噪声（RFINoise）。

IC电路的射频整流是产生射频干扰噪声的主要原因。要消除和减弱射频噪声，最关键的两方面是找到噪声源和制定合适的技术方法。射频噪声的一个特点是噪声源的多重性，它类似于洪水要冲垮河堤一样无孔不入。同治理洪水一样，要消除和减弱射频噪声也需要疏导、阻挡和消耗多种方法共举。

噪声干扰源如果射频波长为900MHz，理论上7.5cm长的导线将成为高效率的1/4波长天线；而对于1.9GHz的射频，3.5cm的导线很容易将其接收。射频信号可以在仪器设备的内部通过反射折射到达PCB上的元器件，PCB上面任何与射频信号波长相匹配的敷铜导线都可以是接受和发射天线，将射频信号引入到与之相连的IC器件中，通过射频整流将射频信号转化为低频噪声融入到音频信号中。当仪器设备没有屏蔽时，这些敷铜导线同样可以接受外部的射频信号。

相对于射频信号，语音输入导线其本身就是天线，它把射频信号直接引入到音频前置放大器的输入端，经过射频整流与低频语音信号混在一起。需要特别指出的是输入导线的天线作用是双向的，它把射频信号引入到前置放大器的同时，也相应的引入到导线的另一端，如果导线的另一端是有源麦克风，在音频前置放大器的输入端就会收到两种噪声信号，射频信号和已经被麦克风解调的射频噪声，前者还可以通过滤波来减弱。但滤波对后者基本无能为力，因为语音信号已经被射频噪声所调制而混为一体了。

消除噪声的技术考量

采用屏蔽与吸收相结合，最大限度的避免射频能量在仪器内部的泄露、反射与折射。最大限度的降低PCB敷铜导线的长度。利用高频阻断的方法阻止射频信号与直流电源的通路。在音频输入端采用高频低通滤波技术。考虑到射频信号的能量，这种滤波器不仅仅要对信号进行“分流”同时也能够对高频能量进行消耗和转化。采用逐次吸收的策略对流入到地线的射频能量逐步地吸收消化。要保证一个电路不受噪声的干扰并有效地运用各种技术手段，一个清洁干净的参考地是一切的基础。图2显示了使用了上述技术方法之后的语音信号。从图中可以看到，系统的背景噪声依然存在，但射频噪声已被消除。

图 2：强射频干扰被消除后的语言信号

结论与讨论

当音频电路的噪声被转换成声音时，系统的背景噪声和射频干扰导致的噪声是可以区分的。背景噪声是连续低沉，像海潮一样；射频干扰噪声是间断刺耳的频率较高的尖脉冲。在选定的取样带宽之内，射频干扰噪声主要体现在较高的频域。在没有射频干扰噪声的音频信号和射频干扰噪声被去除的信号里，在频域的高频段，看不到频谱的波动。频谱分析证实即使采用3KHz或更低的低通滤波，也不能完全消除射频干扰的声音。

IC电路的射频整流是射频噪声的产生机制，这种噪声在时域表现为有一定宽度的脉冲序列，与此同时语音信号被整流后的噪声脉冲所调制，低通滤波可以缓冲脉冲沿的时间但无法消除这种噪声，这是因为噪声的主体是脉冲序列而不是脉冲沿的高频分量，实验和频谱分析证实了这一判断。射频噪声在频域的表现为频谱的波动，特别是在给定带宽的高频段。

让语音输入电缆远离射频天线是消除射频干扰最简单有效的方法。