CN109155887A - 降低耳机中的射频敏感度 - Google Patents

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Abstract

一种耳机(200)包括检测声学信号并将所述声学信号转换为麦克风信号的麦克风(12)、接收所述麦克风信号的音频处理器(16)，以及耦接所述麦克风(12)和所述音频处理器(16)的双绞线导体元件(20)。所述双绞线导体元件(20)自行抵消射频(RF)场以防止所述RF场进入所述麦克风(12)。所述耳机还包括耦接到所述双绞线导体元件(20)的反向偏置电路(30)，用于减少在所述麦克风(12)和所述音频处理器(16)之间交换所述麦克风信号期间进入所述双绞线导体元件(20)的杂散环境射频(RF)场。

Description

降低耳机中的射频敏感度
相关申请
本申请要求2016年5月24日提交的名称为“Reducing Radio FrequencySusceptibility in Headsets”的美国专利申请序列号15/162,898的优先权和权益，其全部内容以引用方式并入本文。
技术背景
本说明书整体涉及通信耳机，更具体地涉及用于减少耳机中的杂散射频(RF)场的系统和方法。
发明内容
根据一个方面，耳机包括：麦克风，其检测声学信号，并将声学信号转换为麦克风信号；音频处理器，其接收麦克风信号；以及耦接麦克风和音频处理器的双绞线导体元件，其中该双绞线导体元件自行抵消射频(RF)场以防止RF场进入麦克风。
多个方面可包括以下一项或多项功能：
耳机可以是无线有源降噪(ANR)耳机。
耳机可以是消费者用、军用或航空耳机。
双绞线导体元件可包括一对柔性非屏蔽导线。
该对导线可具有约相等的长度。
该耳机还可以包括耦接到双绞线导体元件的反向偏置电路。
该反向偏置电路可以降低双绞线导体元件的RF敏感度。
该反向偏置电路可包括在双绞线导体元件的第一导线处的麦克风偏置电压输入；RC电路，其耦接到双绞线导体元件的第二导线；放大器，其包括耦接到RC电路的第一输入端子和耦接到电压源的第二输入端子；以及放大器的输出端子，其响应于在第一输入端子和第二输入端子处接收的信号，输出来自放大器的电压。
反向偏置电路可以通过从RC电路的电阻器去耦合麦克风偏置电压输入来降低双绞线导体元件的RF敏感度。
反向偏置电路可以降低双绞线导体元件中的导体的阻抗，从而减少来自RF场的电容耦合噪声。
反向偏置电路可以降低对与麦克风相关联的电路影响最大的双绞线导体元件的输入线的阻抗，这可以减少来自RF场的电容耦合噪声。
麦克风可以是电容式麦克风、驻极体麦克风、微机电(MEMS)麦克风、动态麦克风、碳粒式麦克风、带式麦克风或晶体麦克风。
双绞线导体元件可以是未屏蔽的。
根据另一方面，耳机包括：感测麦克风，其检测声学信号，并将声学信号转换为麦克风信号；音频处理器，其接收麦克风信号；导体元件，该导体元件耦接在感测麦克风和音频处理器之间，用于将来自感测麦克风的麦克风信号传输到音频处理器；以及反向偏置电路，其耦接到导体元件，用于减少在感测麦克风和音频处理器之间交换麦克风信号期间进入元件的杂散环境射频(RF)场。
多个方面可包括以下一项或多项功能：
耳机可以是无线有源降噪(ANR)耳机。
耳机可以是消费者用、军用或航空耳机。
导体元件可包括非屏蔽双绞线导线，用于进一步减少进入元件的杂散RF场。
反向偏置电路可以降低对与麦克风相关联的电路影响最大的双绞线导线的输入线的阻抗，这可以减少来自杂散环境RF场的电容耦合噪声。
导体元件可包括同轴屏蔽电缆和围绕麦克风的金属麦克风外壳。
反向偏置电路可以降低对与麦克风相关联的电路影响最大的同轴屏蔽电缆的输入线的阻抗，这可以减少来自杂散环境RF场的电容耦合噪声。
该反向偏置电路可包括在导体元件的第一导线处的麦克风偏置电压输入；RC电路，其耦接到导体元件的第二导线；放大器，其包括耦接到RC电路的第一输入端子和耦接到电压源的第二输入端子；以及放大器的输出端子，其响应于在第一输入端子和第二输入端子处接收的信号，输出来自放大器的电压。
通过从RC电路的电阻器去耦合麦克风偏置电压输入，反向偏置电路可以减少导体元件中的杂散环境RF场。
反向偏置电路可以降低导体元件中的导体的阻抗，从而减少来自杂散环境RF场的电容耦合噪声。
在另一方面，耳机的麦克风和音频处理器之间用于减少杂散射频(RF)场的电路包括处于双绞线布置的第一导线和第二导线；反向偏置电路耦接到第一导线和第二导线，用于优化第一导线和第二导线上的阻抗。
反向偏置电路可以包括直接耦合到第一导线的麦克风偏置电压输入和直接耦合到第二导线的RC电路。
简要说明
通过参考以下结合附图的描述，可以更好地理解本发明构思的示例的上述和其他优点，在附图中，相同的数字在各图中表示相同结构的元件和特征。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明特征的原理和具体实施上。
图1是示出根据一些示例的耳机的配置的示意性剖视图。
图2是图1的耳机的部件的例示图。
图3是图1的耳机的部件的另一例示图。
图4A是示出在麦克风和音频处理器之间包括传统同轴电缆的正在工作的耳机的频率响应的曲线图。
图4B是示出根据一些示例的在麦克风和音频处理器之间包括双绞线电缆的正在工作的耳机的频率响应的曲线图。
图5是根据一些示例的包括反向偏置电路的耳机的详细示意图。
图6是根据其他示例的包括反向偏置电路的耳机的详细示意图。
图7A是示出没有反向偏置电路的耳机的频率响应的曲线图。
图7B是示出根据一些示例的包括反向偏置电路的耳机的频率响应的曲线图。
具体实施方式
耳机是指配合在耳朵周围、耳朵上或耳朵中并将声能辐射到耳道中的设备。耳机有时被称为耳麦、听筒、头戴耳机、耳塞或运动耳机，并且可以是有线的或无线的。耳机包括声学驱动器以将音频信号转换为声能。声学驱动器可以容纳在耳罩或耳塞中。耳机可以具有单个独立耳机或者是一对耳机中的一个(每个耳机包括相应的声学驱动器和耳罩)，每只耳朵一个耳机。耳机的耳罩/耳塞可以机械地连接，例如通过头带以及/或者通过将音频信号传导到耳机中的声学驱动器的引线，或者它们可以是完全无线的。耳机可以包括用于无线接收音频信号的部件。耳机可以包括有源降噪(ANR)系统的部件，但不限于此。耳机还可以包括其他功能，诸如通信麦克风，使得它可以用作通信设备。
耳机可能对来自外部或内部RF能量源(诸如无线发射器、无线电台等)的射频(RF)信号敏感，这可影响内部麦克风电路和耳机的操作。特别地，杂散RF场可导致麦克风的内部电路产生不期望的信号，这可导致音频输出信号中的可听到的失真(例如，嗡嗡声、音调等)。特别是在ANR耳机中，杂散RF场可进一步导致不准确的响应，由此音频电路不能执行耳机的有效噪声消除。
如图1所示，根据一些示例的耳机10可包括感测麦克风12、扬声器14或相关的换能器或驱动器，以及用于执行音频处理的一组电子器件16，被称为音频处理器。在一些示例中，耳机10可以是无线耳机，并且因此包括无线部件，诸如无线接收器、天线、接口和/或其他相关无线元件，其中的一些或全部可能是可能影响麦克风性能的杂散RF源。在一些示例中，耳机10是有源降噪(ANR)耳机。在一些示例中，耳机10被构造成用于消费者、军事或航空应用。尽管图1中示出了一个麦克风，但是可以使用多个麦克风，例如在ANR耳机的反馈和/或前馈配置中。
感测麦克风12检测声学信号S，并将声学信号转换为麦克风信号。在ANR耳机的情况下，声学信号可以是噪声信号，或者可以是非ANR耳机中的语音或其他音频信号。感测麦克风12可以定位在耳机换能器的前腔上方的电声换能器隔膜处或附近，用于在瞬间拾取频率和振幅分布。感测麦克风12可以定位在其他位置，例如，在佩戴者的耳道处或附近、在外壳外部、或在数字电子设备或RF发射器的近侧，但不限于此。
音频处理电子器件16被构造和布置成接收和处理麦克风信号，例如，在ANR耳机的情况下，产生“抗噪声信号”，其可以提供消除声波，该消除声波可与现有环境噪声组合或混合，以由扬声器14输出，以降低总噪声水平。音频处理电子器件16可以是微控制器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、印刷电路板(PCB)等的一部分。在一些示例中，音频处理器16包括ANR电路。在一些示例中，麦克风12是电容式或驻极体麦克风或类似的麦克风，但不限于此。在其他示例中，麦克风12可以是微机电(MEMS)麦克风、动态麦克风、碳粒式麦克风、带式和晶体麦克风，或对RF信号敏感的任何麦克风。
耳机10还可包括耦接在麦克风12和音频处理器16之间的导体元件20。如图2所示，在一个示例中，导体元件20包括双绞线电缆，该双绞线电缆在感测麦克风12和音频处理器16之间的信号交换期间自行抵消或以其他方式减少进入双绞线导体元件20的杂散环境射频(RF)场。双绞线电缆可以焊接或以其他方式导电地耦接到麦克风12。
双绞线导体元件20的特征在于，形成该对的导线可以具有比传统导线更细的规格，因为屏蔽特性不依赖于导线构造尺寸。另一方面，屏蔽同轴电缆具有屏蔽效果，该屏蔽效果与编织覆盖物的厚度和编织物的网格有多细正相关。因此，更密集的网格转化为改善的屏蔽效果。另外，常用于耳机中的传统同轴电缆通常包括附加的箔层(使电缆双重屏蔽)以改善同轴电缆的屏蔽性能。提供具有足够屏蔽的同轴电缆的需要使得同轴电缆是刚性的，这使得由于同轴电缆的大直径而难以布线并且难以焊接到麦克风。通过使用可以使用更细规格的导线且可能不需要额外屏蔽的双绞线导体元件，可以减轻这些问题。
如前所述，在一些示例中，双绞线导体元件20可以至少部分地被屏蔽。在此，杂散RF场可以经由例如暴露或未屏蔽的导体元件的区域进入双绞线导体元件20。双绞线布置可包括两个导体，例如，具有基本相等的长度和/或其他相同或相似的尺寸。导体可以通过一个或多个线匝在物理上围绕彼此扭绞，使得当RF经过绞合电缆的一个环路时，两个导体都暴露于相同的感应RF噪声条件，然后该RF由相邻的双绞线环路沿相反方向行进的以类似方式产生的感应电流抵消。导体元件20可具有预定的扭曲率或间距，其被构造成用于有效地减少或消除否则可能施加在麦克风12上的杂散RF场。当以这种方式构造和布置为平衡对时，两根导线具有流过其中的相等且相反的电流，例如，图2中所示的电流c1和电流c2。当RF噪声相关信号被引入导体元件20时，它们相同地(但是在相反的方向上)耦接到两根导线，产生差模信号，该差模信号可以在到达麦克风元件12之前在导体元件20处的每个“扭绞”内被抵消。在一些示例中，双绞线可包括柔性非屏蔽双绞线，例如30美国线规(AWG)。在另选示例中，双绞线可以经由同轴或类似的覆盖电缆被屏蔽或被至少部分地屏蔽。麦克风元件12和音频处理器16之间的导体元件20的典型长度可以是约6cm，但取决于应用，并且不限于此。
在一些示例中，双绞线导体元件20不包括屏蔽。在此，双绞线导体20如上所述操作，并且可以在没有接地参考的情况下最小化麦克风输入线上的RF。在使用传统导体元件并且没有接地参考的典型耳机中，导体元件不能有效地防止电缆屏蔽上的RF电容耦合到内部中心导体。相反，利用本文所述的技术，无论是否具有任何屏蔽，双绞线导体元件20自行抵消杂散RF。
用于将信号路由到头戴式麦克风的传统方法包括耦接在麦克风和PCB之间的双屏蔽同轴电缆，以及安装在麦克风上的杯形屏蔽，以防止RF信号到达麦克风的内部电路。使用传统的双屏蔽同轴电缆的限制是难以完全防止RF信号到达电缆，因此到达麦克风，因为通常电缆的一些部分未被屏蔽或暴露。此外，由于同轴电缆的上述固有刚性，传统的双屏蔽同轴电缆难以焊接到麦克风和PCB。
双绞线导体元件20不需要刚性同轴屏蔽电缆和杯形屏蔽。如图3所示，导体元件20包括双绞线布置。在一个端部处，该对中的每个导线例如通过焊接或其他附接技术耦接到从麦克风12延伸的端子。在另一端部处，双绞线的每个导线耦接到从音频处理器16延伸的端子，例如，在其中双绞线电缆直接焊接的PCB上的小矩形焊料焊盘。
使用传统同轴电缆和双绞线电缆的麦克风的性能之间的图形比较分别在图4A和图4B中示出。每个图包括沿x轴的频谱和沿y轴的分贝(dB)的声压级范围(SPL)。在每个图中，测量在存在杂散幅度调制为700MHz至1GHz的RF场的情况下从麦克风检测到的去调制音频。
在图4A所示的敏感度图中，用于麦克风和音频处理器之间的传统同轴电缆的、来自麦克风的最大经处理检测到的音频信号102为约57dBSPL。在图4B所示的敏感度图中，用于同一麦克风和音频处理器之间的双绞线电缆的、来自麦克风的最大经处理检测到的音频信号104为约42dBSPL，或者比对应于图4A频率响应的配置提高约15dBSPL。这说明双绞线布线在减少和/或消除在麦克风处检测到的任何杂散RF场的存在方面更有效。
图5是根据一些示例的包括反向偏置设备(或电路)30、音频处理器16和麦克风12的耳机200的框图。反向偏置设备30耦接在导体元件20(其可以是如本文所述的双绞线导体元件)和音频处理器16之间。麦克风12、导体元件20和音频处理器16可以与图1至图3中所述的相似或相同。因此，为简洁起见，不再重复麦克风12、导体元件20和音频处理器16的细节。
反向偏置设备30可以补充由具有双绞线配置的导体元件20提供的对杂散RF场的影响。反向偏置设备30还可以用于减轻耳机中的杂散RF场的影响，其中麦克风具有将麦克风连接到处理设备的传统同轴电缆(或其他类型的电缆)。反向偏置设备30可以包括放大器38，该放大器具有第一输入端子31、第二输入端子32，以及输出端子39，耦接到第一输入端子31的电压源(Vcm)，以及电阻器-电容器(RC)电路，其包括耦接到第二输入端子32的电阻器35和电容器37。
如图5所示，导体元件20可以包括双绞线布置，例如如图1至图3中所描述的。放大器38的第一输入端子31可以直接连接到电压源(Vcm)，例如运算放大器电压偏置。电压源输入(Vbias)34或麦克风偏置电压可以直接耦合到双绞线20中的第一导线。在一些示例中，麦克风偏置电压Vbias可以在1V至30V的范围内。在一些示例中，Vcm＝Vbias/2。RC电路35,37所耦接的第二输入端子32可以直接耦接到双绞线20中的第二导线。在这样做时，反向偏置设备30降低双绞线导体元件20的输入线的RF阻抗，该RF阻抗直接连接到麦克风正极端焊盘17。麦克风正极端焊盘17上的RF阻抗一旦进入麦克风的金属外壳内就会影响内部麦克风电路。因此，降低该导线的RF阻抗导致来自杂散环境RF场的电容耦合噪声的减少。换句话讲，反向偏置电路30降低了对内部麦克风电路影响最大的双绞线电缆元件的输入线的RF阻抗，这降低了来自杂散环境RF场的电容耦合噪声。将RC电路的电阻器移动到麦克风负线19不会产生不利影响，因为负线直接连接到麦克风金属外壳。此外，电磁趋肤现象导致负线上的任何耦合RF保持在麦克风外壳的外部，并且不会出现在外壳内部，其可能干扰内部麦克风电路。特别地，对于电容耦合噪声，即电分量，当RF电路阻抗减少时，噪声电压与信号电压的比率减少。配置用于对杂散RF场敏感的特定灵敏度的麦克风12可以有效地操作，即检测环境噪声、语音或其他声学信号，尽管存在杂散RF。
相关特征是耦接到双绞线电缆20(图5)和/或同轴电缆20”(图6)的敏感麦克风正线17具有减少的阻抗，因为RC电路35,37已经从麦克风偏置电压源(Vbias)解耦合，而耦合到了电缆内的另一导体元件，这减少了杂散电磁RF能量或任何电容耦合噪声，例如在同轴电缆20内移动而产生的那些。
除了图6中的耳机300包括屏蔽同轴电缆20”而不是双绞线电缆之外，图6的框图中所示的耳机300类似于图5中所示的耳机200。与图5中的包括双绞线电缆20的耳机200一样，图6中的耳机300处的反向偏置设备30的存在减少了杂散RF场对耳机麦克风的影响。另外，反向偏置设备30的存在改善了电磁趋肤效应，电磁趋肤效应是电流在导电电缆表面附近集中其最大密度的趋势。参考图5描述的反向偏置电路的其他益处同样适用。
因此，反向偏置设备30可以通过降低麦克风正线上的RF阻抗来降低RF敏感度，而不管双绞线20(图5)或同轴线(图6)是否在麦克风12和音频处理器16之间延伸。
在图7A和图7B中示出了具有反向偏置设备的耳机中的麦克风的性能与没有反向偏置设备的耳机中的麦克风的性能之间的图形比较。每个图包括沿x轴的RF频谱和沿y轴以分贝(dB)为单位的经处理检测到的音频水平范围(SPL)。在每个图中，测量在存在杂散850MHz RF场的情况下来自麦克风的经处理检测到的音频，分别参见区域402和区域404。
在图7A所示的频率响应图中，麦克风和音频处理器之间的最大检测到的音频信号402为约44dBSPL。该图示出了在应用反向偏置电路之前麦克风和音频处理器之间的双绞线电缆的结果。在图7B所示的频率响应图中，在麦克风与音频处理器之间包括反向偏置设备和双绞线电缆的耳机处的最大检测音频404为约34dBSPL，或者比对应于图7A频率响应的配置提高约10dBSPL。这说明反向偏置电路在减少和/或消除在麦克风处检测到的任何杂散RF场的存在方面更有效。
已描述了多个具体实施。然而，应当理解，前面的描述旨在说明而非限制发明构思的范围，该范围是由权利要求的范围限定。其他示例在以下权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种耳机，包括：
麦克风，所述麦克风检测声学信号，并且将所述声学信号转换为麦克风信号；
音频处理器，所述音频处理器接收所述麦克风信号；和
双绞线导体元件，所述双绞线导体元件耦接所述麦克风和所述音频处理器，其中所述双绞线导体元件自行抵消射频(RF)场以防止所述RF场进入所述麦克风。
2.根据权利要求1所述的耳机，其中所述耳机是无线有源降噪(ANR)耳机。
3.根据权利要求1所述的耳机，其中所述双绞线导体元件包括一对柔性非屏蔽导线。
4.根据权利要求3所述的耳机，其中所述一对导线的长度约相等。
5.根据权利要求1所述的耳机，还包括耦接到所述双绞线导体元件的反向偏置电路。
6.根据权利要求5所述的耳机，其中所述反向偏置电路降低所述双绞线导体元件的RF敏感度。
7.根据权利要求5所述的耳机，其中所述反向偏置电路包括：
麦克风偏置电压输入，所述麦克风偏置电压输入在所述双绞线导体元件的第一导线处；
RC电路，所述RC电路耦接到所述双绞线导体元件的第二导线；
放大器，所述放大器包括耦接到所述RC电路的第一输入端子和耦接到电压源的第二输入端子；和
所述放大器的输出端子，所述输出端子响应于在所述第一输入端子和所述第二输入端子处接收的信号，输出来自所述放大器的电压。
8.根据权利要求6所述的耳机，其中所述反向偏置电路通过从所述RC电路的电阻器去耦合所述麦克风偏置电压输入来减少所述双绞线导体元件的RF敏感度。
9.根据权利要求5所述的耳机，其中所述反向偏置电路降低所述双绞线导体元件中的导体的阻抗，从而减少来自所述RF场的电容耦合噪声。
10.根据权利要求9所述的耳机，其中所述反向偏置电路降低对与所述麦克风相关联的电路影响最大的所述双绞线导体元件的输入线的阻抗，这减少了来自所述RF场的电容耦合噪声。
11.根据权利要求1所述的耳机，其中所述麦克风是以下中的至少一种：电容式麦克风、驻极体麦克风、微机电(MEMS)麦克风、动态麦克风、碳粒式麦克风、带式麦克风和晶体麦克风。
12.一种耳机，包括：
感测麦克风，所述感测麦克风检测声学信号，并且将所述声学信号转换为麦克风信号；
音频处理器，所述音频处理器接收所述麦克风信号；
导体元件，所述导体元件耦接在所述感测麦克风和所述音频处理器之间，用于将来自所述感测麦克风的所述麦克风信号传输到所述音频处理器；和
反向偏置电路，所述反向偏置电路耦接到所述导体元件，用于减少在所述感测麦克风和所述音频处理器之间交换所述麦克风信号期间进入所述元件的杂散环境射频(RF)场。
13.根据权利要求12所述的耳机，其中所述耳机是无线有源降噪(ANR)耳机。
14.根据权利要求12所述的耳机，其中所述导体元件包括非屏蔽双绞线导线，用于进一步减少进入所述元件的杂散环境RF场。
15.根据权利要求14所述的耳机，其中所述反向偏置电路降低对与所述麦克风相关联的电路影响最大的所述双绞线导线的输入线的阻抗，这减少了来自所述杂散环境RF场的电容耦合噪声。
16.根据权利要求12所述的耳机，其中所述导体元件包括同轴屏蔽电缆和围绕所述麦克风的金属麦克风外壳。
17.根据权利要求16所述的耳机，其中所述反向偏置电路降低对与所述麦克风相关联的电路影响最大的所述同轴屏蔽电缆的输入线的阻抗，这减少了来自所述杂散环境RF场的电容耦合噪声。
18.根据权利要求12所述的耳机，其中所述反向偏置电路包括：
麦克风偏置电压输入，所述麦克风偏置电压输入在所述导体元件的第一导线处；
RC电路，所述RC电路耦接到所述导体元件的第二导线；
放大器，所述放大器包括耦接到所述RC电路的第一输入端子和耦接到电压源的第二输入端子；和
所述放大器的输出端子，所述输出端子响应于在所述第一输入端子和所述第二输入端子处接收的信号，输出来自所述放大器的电压。
19.根据权利要求18所述的耳机，其中通过从所述RC电路的电阻器去耦合所述麦克风偏置电压输入，所述反向偏置电路减少所述导体元件中的所述杂散环境RF场。
20.根据权利要求18所述的耳机，其中所述反向偏置电路降低所述导体元件中的导体的阻抗，从而减少来自所述杂散环境RF场的电容耦合噪声。
21.一种耳机的麦克风和音频处理器之间的电路，用于减少杂散射频(RF)场，包括：
第一导线和第二导线，所述第一导线和所述第二导线处于双绞线布置；和
反向偏置电路，所述反向偏置电路耦接到所述第一导线和所述第二导线，用于优化所述第一导线和所述第二导线上的阻抗。
22.根据权利要求21所述的电路，其中所述反向偏置电路包括直接耦合到所述第一导线的麦克风偏置电压输入和直接耦合到所述第二导线的RC电路。
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