Murata ワイヤレスヘッドフォンのノイズ抑制

設計上の問題/スパン

Murataは、設計に主要な2つの問題があると確信しています。
        • 音が飛ぶ問題を解決するための方法が絶対に必要となる、ヘッドフォン装置内の干渉
        • 右側と左側がセパレートタイプになっているワイヤレスヘッドフォンをはじめとする、ヘッドフォンの取り付け領域の制限（下の図1）

設計上の1つ目の問題 -- ヘッドフォン装置内の干渉 -- は、ここでは極めて重要です。

対策の検証

ヘッドホン内部の干渉に関する多くの事例で、デバイス内の不要な無線波が通信に必要な信号の上に重ねられています。これによってノイズが発生し、音が飛ぶ原因となります。

Murataは、2.4GHz信号の受信レベルを最小限に抑えるために、商業製品を使用しました。Bluetoothデバイス内での干渉を防止するための設計上の対策によって引き起こされるオーディオスキップ（音が飛ぶ）の可能性の違いを検証しようと試みました。

大きなグラフ値は、内部デバイス干渉の観点から弱い信号でも通信が可能であり、音が飛ぶ可能性が低いことを示しています。Murataは、商品によってさまざまなレベルがあることを確認し、そしてなぜ違いがあるのかを検証する必要があると考えました。

Murataは、オーディオスキップ（音が飛ぶこと）の発生が頻繁に観察された製品Aおよび発生がほとんど見られなかった製品Dを使用した場合に当該の違いが発生するその確固たる理由を得ることができました。

オーディオ・スキップの計測

Murataは、製品Aと製品Dの最小の受信感度レベルの間の違いを知るために、アンテナが受信するノイズスペクトルを観察しました。信号はBluetoothアンテナを介して流れ通信を行いますが、ノイズが信号の流れに入ると通信障害が発生します。

（下の）図3の左側には受信感度が良好な製品Dが示されており、右側には感度が悪い製品Aが示されています。

グラフの赤い部分には、電源をOFFにしたノイズレベルが表示されます。また、青色の部分にはペアリング中のノイズレベルが示されています。

Bluetoothには周波数ホッピングが活用されているため、通信信号は狭帯域スペクトルとして示されます。感度が高いため製品Dでのみ通信信号を実証し、他ののスペクトルはみられませんでした。

これとは対照的に、感度の悪い製品Aでは数MHzの周波数帯域があるスペクトルが確認されました（赤いマーク）。

Bluetoothには周波数ホッピングが使用されているため、このタイプのノイズスペクトルがすべての通信周波数帯域で発生すると、ノイズが通信信号と混合されて感度が低下します。

オーディオスキップ測定結果の製品比較

赤色で示されている広帯域ノイズの原因を調査するために、Murataは製品Dのボード面での磁場分布を測定しました（下の図4）。

実際のノイズ抑制によってノイズ源が異なるため、設定や状況に応じて効果的なノイズ低減のための回路の場所を事前に特定することが重要です。

図4の右側には、周波数を2.4GHzに固定した場合の磁場分布強度の結果が示されています。赤色の部分は強力な磁場を表しています。これは、DC/DCコンバータ回路領域で磁場強度が特に高いBluetooth RFICを示しており、ノイズ抑制に効果的な場所となると考えられます。

このノイズは、内部で電力を発生させるときに発生するスイッチングノイズです。Murataは、スイッチング周波数の高調波が2.4GHz帯域で発生しているとみなしました。

製品Dのボード表面における磁場分布の計測

Murataは、オーディオ問題に対処するための対策を調査しました。

（下の）図5は、対策を講じることに使用される計測環境、およびBluetoothアンテナと結合した計測ノイズの結果を示しています。

極めて高レベルのノイズが観察されました。レベルを低減するためのノイズ抑制が必要です。

Bluetoothアンテナと結合されたノイズの計測結果

Murataは、Bluetoothノイズの抑制を実施する場合に2つの主要な実装領域があると判断しました。

最初の領域は電源線、2つ目の領域はクロック線です。

電源線はスイッチングによってさらに高い高調波を生成し、クロック信号さならなる高調波が2.4GHz帯域に及んでいるため、Bluetooth信号でノイズが発生します。フィルタリングは、ノイズ伝導を抑制する効果的な方法です。

Murataは、2.4GHz帯域でのノイズを除去するように設計された2種類のフィルタを商業化しています。

1つ目のフィルタには、電源線用のBLF02RDおよびLQZ02HQフィルタがあります。2つ目のフィルタは、クロック線用のLQZ02HQシリーズで構成されています。

（下の）表1と図6は、この場合のノイズ抑制に使用されるBLF02RDおよびLQZ02HQフィルタの代表的な電気的仕様と挿入損失周波数特性を示しています。

多くの事例で、電源線とクロック線がノイズの主な源となっており、それらの回路領域での適切なフィルタの使用が効果的なソリューションとなります。

電気的特性

挿入損失周波数特性

計測結果（アンテナ結合ノイズ）

これらは、Bluetooth通信中にアンテナと結合されたノイズスペクトルを計測した結果です。

BLF02RDフィルタを電源線に挿入しました（下の図7）。Murataは、そうすることによって狭帯域ノイズをおよそ5dB改善できました。この検証されたBLF02RDフィルタは効果的なソリューションです。

電源線: BLF02RDの計測結果

同様に、LQZ02HQフィルタを電源線に挿入しました（下の図8）。Murataは、狭帯域ノイズがおよそ5dB改善されていることを確認しました。

電源線: LQZ02HQの計測結果

続いてMurataは、LQZ02HQフィルタをクロック線に挿入し、波形とノイズスペクトル（下の図9）を観察しました。

LQZ02HQフィルタは低周波減衰特性が少ないため、信号品質を維持しながら2.4GHz帯域の問題のあるスペクトルだけが除去されます。

Murataは、クロックなどの信号線でノイズを抑制する効果的な方法であると結論付けました。

クロック線: LQZ02HZの測定結果

概要

この場合、ノイズフィルタをDC/DCコンバータ回路に挿入すると効果がありましたが、ノイズ源が異なる場合もあります。前例で検討した検証方法はほんの一例ですが、ノイズ抑制を扱うにはノイズ源の特定が不可欠です。

Murataは、さまざまな回路領域での使用を目的としたBLF02RD/LQZ02HQシリーズのノイズフィルタの使用を推奨しています。両シリーズも電源線に適しており、LQZ02HQシリーズはクロック線にも最適です。BLF02RD/LQZ02HQシリーズは、2.4GHz高周波数範囲での大幅な減衰が特徴で、大幅なノイズ減衰の実現を期待できます。

Murataは、この場合に同じ回路内のノイズがBluetooth通信信号に干渉するノイズ抑制の例を紹介しています。この技術は、2.4GHzの周波数で通信を実施する非Bluetoothデバイスにも適用できます。Murataは、2.4GHzの高周波範囲での効果が高いノイズ抑制部品を実装し、スペースを節約するために0.4mm x 0.2mmという超ミニチュアサイズになっています。Murataは、ミニチュアスケールでのオーディオスキップ（音が飛ぶこと）を回避する部品を推奨します。

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