常见杂音问题及形成原理知识归纳

音频杂音对于很多音频工作人员都是一个经常要面对，又比较头疼的问题。主要是因为音频杂音形成的原因多样，问题分析的宽度比较大，不方便定位。下面我们就针对常见的杂音问题以及形成原理进行了归纳整理以方便大家揭开音频杂音的小秘密，让工程师对音频问题处理起来得心应手。  
音频杂音分类
音频杂音问题从分类上讲主要包含以下杂音情况：  

 - 电信号杂音 -    在电信号杂音中，比较常见的有削波杂音、采样失真、以及音频本身的底噪杂音引起的误判。  
削波杂音
削波失真是杂音中比较常见的一种现象，具体波形如下图。  

常见原因是信号经过功放放大后超过了PVDD 电压。例如功放的放大倍数是12倍，输入1Vp的电压信号，功放最大放大能力是10V，那么Vout=12*1Vp>10V，那超出的电压就会形成削波失真，对于这种情况艾为功放的AGC技术可以有效改善如下截图。  

这种问题的排查思路>
直接将音量调小到一半或者1/3（降低输入电压），看下是否还有杂音。如果杂音有明显改善大概率就是这个问题。
直接抓取音频链路到喇叭端的电压是否有图中的截定失真。
注：按以往的调试经验，在铝膜小喇叭中，失真波形个数比较少如1-3个波形，在消费者耳中不会清晰感觉出杂音。    - 采样率不够引起的底噪杂音 -    采样率不够引起的底噪杂音是另一种比较常见的底噪杂音，但是很多音频工作者不太容易发现。其主要现象是播放出来的声音底噪声很大，单独试听音源又没有问题，用比较小的声音可以听到很大的底噪。具体波形如下图。  

在我们讲清楚这个原因前，我们首先要搞清楚位深的概念。位深（Bit depth）也被称为采样精度，单位为Bit，位深影响信号的信噪比和动态范围，如果说采样频率是对声波水平进行的X轴切割，那么量化精度（位深）则是对Y轴的切割，最大振幅切成2的n次方计算（2倍换算成dBB相当于6dBB），n就是Bit数，1Bit也称为1位，常见的位数选择有16Bit、24Bit。根据取样定理，一个波形周期中至少要采样2个点才能描述一个波形。对于16Bit采样，-78dBB以下的信号，最多有两个点，所以会形成采样失真导致底噪偏大。   - 喇叭杂音 -   喇叭本身的杂音问题，应该是最普遍的一种杂音现象，问题形成原因也较多，常见以下几种情况：  
1. FPC 共振杂音
如下截图位置。

2. 喇叭超振幅和线圈打磨磁钢
如下是喇叭的结构图，当喇叭振幅超过额定振幅时，这个时候会拉动线圈或者线圈羊角产生比较大的形变，导致机械失真，引起杂音。尤其是侧出音喇叭，当喇叭在大振幅下振动，由于空气流通，出音孔处的气压和距离出音孔较远的位置气压有压强差，进一步引起形变，如果线圈和磁钢距离较少，则会导致线圈打磨磁钢引起杂音。  

3. 喇叭THD失真大
在喇叭选型中，有的喇叭本身较差也会导致杂音天然比较大。    

4. 防尘网
如果在使用过程中，防尘网没有贴牢固、贴偏了、或者防尘网的透气性过差也会导致喇叭杂音。  
5. 泄露孔
在实验或者装配过程中不小心堵住了泄漏孔或者泄漏孔开孔过大也会导致喇叭杂音。  
6. 漏气
常见的用人工点胶的工程样品、超声密封没有做好的喇叭或者是结构音腔没有做好组装、泡棉厚度不够，均会引起漏气产生音频杂音。     当然还有喇叭内部出音没有做好或者后音腔太小等等原因均可导致杂音。此类问题的常见分析思路>
测试组装好的喇叭失真曲线，容易提前发现一些大的喇叭问题,穷举法，对以上容易导致漏气的位置人工检查,对喇叭进行振幅测试,资深的工程师可以通过不同电压下扫频测试试听，快速定位问题,- 应用器件杂音 -   音频是一整个系统，如果外围器件出现异常，也会导致杂音，比较常见的有以下几种情况：  
1. 磁珠引起的杂音

如上图为磁珠的等效公式，经过七七四九天的解方程可得如下公式：  

*式,具体来说，对于手机音频线路常用磁珠，根据经验，其电感量一般较低（600Ω磁珠电感量约1uH），在音频频段的感抗X=2πfL较小，即使在磁化过程中发生100%的变化，X²相对于R²也可忽略，因此上述*式中，表征电流波形幅度的部分可视为恒定值而无须分析，X的变化主要影响电流波形的相位。   当磁珠上加载正弦电压V0（t）时，磁珠磁化产生的磁通φ0（t）为正弦曲线，然而，由于磁性材料的磁滞特性，形成如φ0（t）所示正弦曲线的实际磁场并非完美正弦磁场，根据磁性材料的磁化曲线——磁滞回线可得到磁珠上实际的磁场，又由于磁场与磁化电流成正比，由此得到电流波形I（t）。可见磁珠上的电流波形发生了严重的畸变。由此可以得出磁珠致音频线路THD超标的原因是磁性材料的磁滞特性。表现为在以一定频率一定幅度信号测试磁珠的电感量，若电感量变化较大，则THD较高。尺寸越小、阻抗越高的磁珠磁滞特性越明显。所以对于音频磁珠的选型可以重点关注磁珠的迟滞特性。  

解决方案>
寻找合适的磁珠做替换,如果是FM 模式下的干扰，导致需要输出端加磁珠，艾为的AW87390功放可以支持AB类模式，在FM模式下使用AB类模式可以解决干扰问题，这种情况下可以省掉磁珠,2. 啸叫
啸叫一般有两种，电容啸叫和电感啸叫。   电容啸叫：电容啸叫实际上是电容的压电效应导致了PCB的形变。因此，抑制电容啸叫的主要措施是抑制或者抵消PCB的形变。比如，可以将引起啸叫的电容在同一面，以不同的角度摆放，或者将其在正反两面，正对着摆放。   电感啸叫：由于负载不稳定、轻载过载或者感值容值不合适等因素，开关电源自我调节，不同芯片有不同处理方式：有的降低频率，有的周期性丢脉冲即表现为间歇工作，导致电感的phase不稳定，输出开关电流的频率落入音频范围，或者周期性方波群的周期频率落入音频范围，形成啸叫。对于这种问题的处理一般是更换器件，或者调整器件参数等综合考量来解决。  
3. TDD
对于TDD 的形成原因，艾为的很多功放的规格书都有描述，这里做直接的引用，内容如下截图。在2018年之前这种问题比较常见，后面艾为功放新的功放全系列对产品PSRR做了迭代升级，目前都可以做到-80dB 以上，目前比较少见。   解决思路>
判断来源是传导还是辐射,传导判断电源还是回路走线导致,辐射判断增加屏蔽、增加输入输出电容,选用高PSRR 的功放,TDD Noise产生的原因   GSM蜂窝电话采用TDMA：Time Division Multiple Access(时分多址)时隙分享技术。时分多址把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，基站发向多个移动终端的信号也都按顺序安排在预定的时隙中传输。这其中每个TDMA帧含8个时隙，整个帧时长约为4.615ms，每个时隙时长为0.577ms。   GSM制式的手机，RF功率放大器每隔4.615ms（217Hz）就会有一次讯号传输，讯号传输时会产生间歇的Burst电流和很强的电磁辐射。间歇的Burst电流会形成217Hz的电源波动，900MHz和1800MHz的高频RF信号形成了217Hz的射频包络信号。217Hz的电源波动会通过传导耦合到音频讯号通路中，217Hz的射频包络信号会通过辐射耦合到音频讯号通路中，如果防护不好，就会产生可听到的TDD Noise，其中包括了217Hz噪声和217Hz的谐波噪声信号。  

GSM射频工作时电源电压和RF信号示意图,RNS技术通过艾为特有的电路架构对传导和辐射的干扰进行了全方面的抑制。有效提高对TDD Noise的抑制能力。   - 超声交调杂音 -   形成机理如下：超声信号耦合到音频带内，当不同频率的信号进入放大器被放大时，在非线性作用下，会产生与有用信号频率相同或相近的频率组合，自动相加和相减，产生出两个在原讯号中没有的额外讯号，从而对通信系统构成的一种干扰，音频系统很难做成一个绝对线性的系统，会有一定的非线性存在。当超声信号和语音信号同时存在经过音频系统会产生很多的交调分量，对于声音表现上就会判定为杂音。

- 异常杂音 -   产品最终归宿一定是走向市场，在万千人员使用中，必然会有售后问题，在售后问题中也会经常遇到杂音的反馈，结合下图我们的BOOST 电路典型图，常见的杂音原因有>
SW与PVDD 异常短路，BOOST 升压电路异常，功放输出异常引起杂音,电感损伤如电感阻值异常变大，引起输出降低，引起杂音,PVDD 电容损伤，功放输出端缺乏稳压源，引起杂音,
- 低电量杂音 -   低电量杂音也是一种比较常见的杂音，对于Chargepump 升压和BOOST 升压有两种不同的分析机理。  
1. Chargepump 升压
电容升压功放的升压是基于供电电压VDD的倍数关系来做的升压，常见有1.5倍、2倍、3倍升压。随着电池电量的降低，电池的输出电压也会降低。以手机为例，满电一般是4.4V 电压输出，电量到10%以下输出就只有3.6-3.8V 的电压，功放输出电压的变化为：   Vout满电=1.5*4.4=6.6V（一般6V功放，会把输出电压限制在6V左右） Vout低电=1.5*3.6=5.4V   此时低电量情况的削波失真会高于满电量的削波失真，如果工程师测试的时候一直是满电状态，就会忽略掉这种情况，引起低电量杂音。   解决方案>
在测试环节纳入低电量测试,调整输入电压,调整功放放大倍数,2. BOOST 升压
BOOST 升压相比Chargepump 升压会有稳定的电压输出，但是同样会加大在低电量时候的电流抽取。以5W输出为例，假设功放效率η=80%，同样引用上面的电池电量对应峰值电流关系换算。   I满电=5/（η*Vin）*2=2.82A I低电=5/（η*Vin）*2=3.46A   为了方便理解，以上公式没有考虑Rdson等因素，可以看到低电的抽电流要比满电时候大很多，此时功放输入电压VDD 电压也会下降，若VDD电压小于功放关断电压，则会导致功放进入抽电关断，停止抽电功放打开的循环现象，从现象上看就是机器咔哒咔哒的杂音，若整机电流不足，则可能导致整机供电不足，引起关机。   解决方案>
注意VDD走线不要太长，太长VDD 走线阻抗偏大，分压也会偏大,艾为的BOOST功放都会搭配我们的低电量算法，可引入算法解决,在选型阶段一定要注意电池的供电电流是否和功放抽电流适配,音频杂音问题尝尝要系统的去考虑，包含平台、功放、线路、喇叭等，单一的思考往往会让工程师陷入误区，问题迟迟无法得到根本解决。以上是我们对常见问题问题的一些归纳总结，并不是音频杂音问题的全部，例如：信号干扰、平台+线路+功放的组合杂音问题等疑难问题因为篇幅没有做过多的介绍。