Ruído TDD no módulo Walkie-Talkie: Princípios, soluções rápidas e soluções em nível de sistema

Introdução

Nossos engenheiros da NiceRF descobriram que, durante a depuração, ouviram repetidamente o ruído "doodle-doodle-doodle" do TDD enquanto desenvolviam módulos de rádio comunicadores digitais DMR em modo de transmissão. Vi muitas equipes acreditarem que o problema está no chip de áudio. No entanto, não se trata de um problema no chip, mas sim do pulso de corrente gerado durante as transições de Duplex por Divisão de Tempo (TDD) no modo de transmissão-recepção, que se "injeta" no caminho do áudio através de loops de alimentação/terra, acoplamento no layout da placa de circuito impresso e circuitos de polarização do microfone.

Neste artigo, compartilharei o aprendizado da prática: por que o ruído está presente, como encontrá-lo rapidamente e como eliminá-lo passo a passo — ou seja, desde "inserir um indutor de potência adequado" até "placa de quatro camadas e layout anti-interferência" — abordando também os tópicos de seleção de componentes, análise de forma de onda e árvore de decisão.

O que é ruído TDD? (Fenômeno e princípio)

O que descobrimos é que muitos engenheiros recém-chegados à área não entendem o ruído do TDD.

1.1 Fenômeno e Causa Raiz

• Fenômeno: Durante o pressionamento do botão PTT (Push-to-Talk) ou durante o intervalo de transmissão, ouve-se um som grave e intermitente com harmônicos ímpares (dezenas a centenas de Hz) na faixa de 16 a 20 Hz no alto-falante ou fone de ouvido, semelhante ao som de um motor ou metralhadora.

• Causa (em termos leigos): No modo de operação TDD, o amplificador de potência (PA) é ligado e desligado intermitentemente com base em intervalos de tempo. Essa "pulsação" sai pelos caminhos de alimentação/terra/acoplamento para a seção de áudio, onde é "demodulada" como um envelope de baixa frequência por/dentro deste estágio de áudio, tornando-se assim audível.

1.2 Resumo de Engenharia: Os Três Caminhos de Propagação de Ruído em TDD

Nossa experiência em projetos NiceRF comprovou que o ruído TDD pode ser abstraído em três tipos comuns de caminhos de propagação em engenharia:

• Diafonia na fonte de alimentação (problema PI): A pulsação TDD induz ondulação/queda de tensão na alimentação/terra e causa oscilações na referência de áudio.

• Acoplamento de layout (problema de EMI): O circuito de alta corrente do RF/PA está próximo das linhas de MIC/Áudio/Controle, o que leva ao acoplamento capacitivo/indutivo/de impedância comum.

• Filtragem insuficiente: a separação entre a polarização do microfone e a alimentação limpa (3,3 V) é muito fraca, ou a taxa de rejeição da fonte de alimentação (PSRR) do LDO é muito baixa.

Dica: Um quadro TDD geralmente tem 60 ms de duração e uma frequência fundamental de f ₀ = 1/60ms = 16,7 Hz; o que você observa como os "pequenos dentes" no espectro são as linhas do seu pente harmônico.

Três métodos rápidos para cancelamento e supressão de ruído - Resultados instantâneos!

Dentre essas, sugiro três maneiras para importação inicial ou durante a prototipagem; elas não exigem retrabalho significativo e podem validar o resultado muito rapidamente:

2.1 Rota Tipo A | Entrada de energia: Isolamento "L + C" (Recomendado)

• Método: Coloque um indutor de potência em série de 15 µH, ≥1,3 A na entrada do módulo e adicione um capacitor de desacoplamento próximo de 100 µF (baixa ESR) + 10 µF + 100 nF.

• Função: Fornece um filtro passa-baixa para atenuar os picos de envelope e comutação de baixa frequência do TDD no "lado sujo".

2.2 Opção B | 3,3 V "limpo" para áudio/banda base (LDO de alta PSRR)

• Método: Utilize um LDO de baixo ruído com alta PSRR (XC6228D33 ou similar, disponível comercialmente) de 10 Hz a 1 MHz (>70 dB) para alimentar a polarização da banda base/áudio/microfone.

• Finalidade: Minimiza a ondulação de entrada e proporciona isolamento da "fonte de alimentação impura".

2.3 Rota C | Polarização do Microfone - Filtragem de "Três Estágios" + Proteção de Terra

• Método: Implementar um filtro de 3ª ordem para a tensão de polarização do MIC (47µF + 10µF + 2,2µF de tântalo ou dielétrico estável) e envolver a tensão do MIC com cobre de aterramento sólido contínuo (proteção de aterramento/cerca de vias).

• Funcionamento: Prende o envelope na extremidade de polarização, garantindo que apenas o som seja "ouvido" pelo microfone, e não 30V!

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Soluções de Engenharia (Integridade de Energia/PCB/Componentes) em Nível de Sistema

As práticas da NiceRF indicam que o ruído TDD total não pode ser completamente eliminado, sendo necessário resolver problemas de PI e layout de PCB no nível do sistema.

3.1 Necessidade de projeto com integridade de energia (PI)

Abordagem da Impedância Alvo: Z _alvo = ΔV/ΔI. Por exemplo, se a etapa de transmissão ΔI = 0,5A e um ΔV permitido = 50mV, então Z _alvo ≤ 0,1 Ω.

Camadas de desacoplamento:

• 100 nF (Alta Frequência) colocado próximo ao pino

• 10 µF (Frequência Média) na área próxima

• 100 µF (baixa frequência) na entrada

Seleção do indutor: I_{_sat} ≥ 1,5 × I_{_peak}, DCR < 50 mΩ, isolamento > 20 dB.

Perguntas frequentes sobre ruído TDD 2025