同時滿足音頻功能與播放時間的功能模塊介紹

市場對更大移動性的需求導(dǎo)致傳統(tǒng)有線音頻娛樂產(chǎn)品向無線傳輸。隨著產(chǎn)品制造商希望切斷娛樂電子產(chǎn)品線，工程師在維持電池供電的無線音頻設(shè)計(jì)的信號范圍，音質(zhì)和最長播放時間方面面臨重大挑戰(zhàn)。為了滿足這些要求，工程師可以利用來自多個制造商的大量可用產(chǎn)品，包括（按字母順序）Analog Devices，Cirrus Logic，CSR，F(xiàn)reescale Semiconductor，Linear Technology，Linx Technologies，Maxim Integrated Products，Microchip Technology，NXP Semiconductors，Quickfilter技術(shù)，德州儀器等眾多公司。

在典型的無線娛樂系統(tǒng)（圖1）中，源信號通過無線射頻接口傳輸，可選范圍擴(kuò)展器連接到播放器系統(tǒng)，如立體聲耳機(jī)或揚(yáng)聲器。在播放器內(nèi)，相應(yīng)的無線RF接口接收信號以供編解碼器，音頻處理器或DSP處理，以產(chǎn)生驅(qū)動到揚(yáng)聲器的最終模擬信號。通常包括電池和充電管理電路的適當(dāng)電源完善了該系統(tǒng)。

圖1：典型的無線音頻系統(tǒng)依賴于發(fā)送器和接收器之間可靠的無線通信，以及接收端的高效音頻處理。 （德州儀器公司提供。）

在創(chuàng)建無線娛樂設(shè)計(jì)時，工程師在無線通信和音頻處理方面面臨著特殊的挑戰(zhàn)。具有高吞吐量和信號完整性的可靠RF通信對于確保用戶即使在遠(yuǎn)離音頻源的范圍內(nèi)的不間斷音頻體驗(yàn)也是至關(guān)重要的。同時，強(qiáng)大的音頻信號處理對于保持音頻保真度和提供市場預(yù)期的音頻功能至關(guān)重要。針對每個子系統(tǒng)的可用集成解決方案可幫助工程師滿足這些要求，同時降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。

頻段

傳統(tǒng)問題，市場接受度以及未許可帶寬的可用性通常會推動無線電通信頻率的選擇。同時，滿足增加操作范圍和長時間播放電池壽命的要求設(shè)定了有用頻帶的邊界。

對增加功率的需求是長距離操作需求的自然結(jié)果，但RF波長的選擇在平衡范圍和功率方面起著關(guān)鍵作用。 RF波長和范圍之間的關(guān)系在Friis傳輸方程中描述：

Pt =發(fā)射功率

Pr =接收功率

Gt =發(fā)射機(jī)天線增益

Gr =接收機(jī)天線增益

λ=波長

d =發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離

對于單位參數(shù)，距離成為波長的簡單線性函數(shù)，因此較長波長的無線電通信等于更大的范圍。當(dāng)然，較長波段面臨包括干擾和有效載荷帶寬的問題。在這種情況下，2.4 GHz ISM頻段在實(shí)際范圍限制和有用帶寬之間提供了良好的平衡。

2.4 GHz解決方案因其在低功耗和全球可用性方面提供有用的有效范圍的能力而具有吸引力。用于藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)，基于跳頻擴(kuò)頻（FHSS）的2.4 GHz設(shè)計(jì)提供了在高度活躍的無線電環(huán)境中保持相對不受干擾信號影響的優(yōu)點(diǎn)。與較低的ISM頻帶相比，這些系統(tǒng)還提供足夠的數(shù)據(jù)帶寬以允許高質(zhì)量立體聲的數(shù)字傳輸，較低的ISM頻帶通常限于模擬或較低數(shù)據(jù)速率的數(shù)字音頻。

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)工作在2.4 GHz，非常適合消費(fèi)者連接要求。它的廣泛使用使得基于藍(lán)牙的無線音頻播放器可能會找到兼容的音頻主機(jī)，如計(jì)算機(jī)，筆記本電腦，平板電腦和智能手機(jī)。但是，使用藍(lán)牙需要使用支持雙模式的經(jīng)典藍(lán)牙或藍(lán)牙智能就緒設(shè)備支持的數(shù)據(jù)吞吐率，支持經(jīng)典藍(lán)牙和低帶寬藍(lán)牙低功耗（LE）。對于來自低功率設(shè)備的短暫數(shù)據(jù)突發(fā)，藍(lán)牙LE無意提供經(jīng)典藍(lán)牙支持的無線數(shù)字音頻所需的持續(xù)數(shù)據(jù)流。

工程師可以通過在嵌入式處理器上運(yùn)行經(jīng)過適當(dāng)配置的藍(lán)牙軟件堆棧來實(shí)現(xiàn)經(jīng)典藍(lán)牙，例如飛思卡爾半導(dǎo)體Kinetis系列，Microchip Technology PIC24系列和德州儀器Stellaris系列等。這種嵌入式軟件方法提供各種藍(lán)牙服務(wù)，包括高級音頻分發(fā)配置文件（A2DP），它為流式立體聲音頻提供標(biāo)準(zhǔn)。在大多數(shù)經(jīng)典藍(lán)牙設(shè)備中，A2DP是一種熟悉的選項(xiàng)，它可以為大多數(shù)聽眾提供心理聲學(xué)上可接受的音頻。

除了通用嵌入式處理器解決方案外，CSR BC57G687C等專用設(shè)備還集成了音頻信號電路，以減少元件數(shù)量并提高電源效率。作為CSR BlueCore5-多媒體系列的成員，BC57G687C將藍(lán)牙堆棧16位RISC MCU與Kalimba 64 MIPS 24位DSP協(xié)處理器和片上存儲器相結(jié)合（圖2）。該設(shè)備的藍(lán)牙調(diào)制解調(diào)器完善了這一無線解決方案。

圖2：CSR BlueCore5系列等集成多媒體SoC將藍(lán)牙無線電功能與無線音頻應(yīng)用中廣泛的片上處理功能相結(jié)合。 （由CSR提供。）

Sub-GHz替代品

藍(lán)牙無處不在，對用戶和大多數(shù)設(shè)計(jì)師的熟悉程度使其成為無線音頻解決方案的獨(dú)特優(yōu)勢。然而，諸如藍(lán)牙之類的標(biāo)準(zhǔn)旨在支持任意產(chǎn)品之間的連接，在通信中施加開銷以確保異構(gòu)無線節(jié)點(diǎn)之間的授權(quán)，可靠通信。對于尋求更大范圍或更高音頻吞吐量的工程師而言，其他選項(xiàng)提供了自己的優(yōu)勢。

雖然第一選擇通常是2.4或5.8 GHz ISM頻段，但是sub-GHz頻段仍然是可行的選擇。調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)加強(qiáng)了對早期sub-GHz方法中的干擾和共存的松弛問題的抗擾性。最重要的是，使用sub-GHz ISM頻段意味著更寬的范圍和更低的功率要求，這兩者當(dāng)然是無線音頻設(shè)計(jì)的核心問題。

正如Friis方程式所示，低頻信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)更長的范圍。有了這種觀點(diǎn)，sub-GHz無線通信對于首先考慮最大范圍且音頻要求不那么密集的應(yīng)用仍然具有吸引力。

例如，Linx Technologies引用了一個1000英尺范圍的TXM-900-HP3發(fā)射器模塊和RXM-900-HP3接收器模塊之間的通信。這些模塊設(shè)計(jì)為無線應(yīng)用的插入式解決方案，僅需要一根天線即可完成900 MHz多通道RF設(shè)計(jì)，能夠傳輸模擬FM和數(shù)字FSK信息。 TXM-900-HP3發(fā)送器使用其精密的12 MHz壓控晶體振蕩器（VCXO）驅(qū)動PLL，形成由板載微控制器管理的頻率合成器，允許基于軟件的通道選擇（圖3）。 RXM-900-HP3中的互補(bǔ)接收器模塊解調(diào)信號，提供模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以及可用于用戶范圍顯示指示器的RSSI值。

圖3：TXM-900-HP3發(fā)送器信號路徑使用MCU控制的PLL在900 MHz頻段內(nèi)提供軟件控制的通道選擇。 （由Linx Technologies提供。）工程師還可以找到各種RF IC來構(gòu)建工作在900 MHz頻段的定制無線音頻解決方案。例如，ADI公司的ADF7025是一個ISM收發(fā)器IC，工作在多個頻段，包括900 MHz ISM頻段。 ADF7025內(nèi)置一個片內(nèi)ADC，無需單獨(dú)的ADC即可獲取溫度，電池狀態(tài)或RSSI等基本數(shù)據(jù)。因此，該設(shè)備只需要少量外部組件即可提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。此外，工程師可以調(diào)整設(shè)備以平衡功率和靈敏度要求。 ADF7025的信號鏈包括多個可編程選項(xiàng)，用于接收器線性度，靈敏度和濾波器帶寬（圖4）。

圖4：工程師可以在ADF7025前端設(shè)置多個可編程選項(xiàng)，以權(quán)衡功耗，線性度，靈敏度和濾波器帶寬的要求。 （由Analog Devices提供。）

Propriety 2.4-GHz解決方案

雖然經(jīng)典藍(lán)牙提供無處不在，而sub-GHz提供擴(kuò)展范圍，但2.4 GHz ISM與專有通信協(xié)議的使用為最高質(zhì)量的多通道打開了大門音頻在可接受的范圍和功率。憑借其輕量級，特定于應(yīng)用程序的堆棧，專有協(xié)議可減少開銷并為有效負(fù)載節(jié)省最大帶寬。另一方面，專有協(xié)議也意味著主機(jī)也需要橋接設(shè)備。然而，對于無線音頻系統(tǒng)，專用橋接設(shè)備可以簡單地構(gòu)建到播放器設(shè)備和主機(jī)“控制臺”單元中，例如，其可以在任何情況下用于用戶顯示揚(yáng)聲器狀態(tài)。

專為高質(zhì)量多聲道音頻的無線流媒體設(shè)計(jì)，德州儀器PurePath無線平臺在其收發(fā)器和范圍擴(kuò)展器中使用這種專有方法。 TI PurePath器件包括雙通道CC8520和四通道CC8530以及CC8521和CC8531版本，還提供USB音頻支持。 CC85xx SoC集成了從RF到數(shù)字輸出的完整信號路徑，使工程師能夠使用少量附加組件構(gòu)建無線音頻設(shè)計(jì)（圖5）。

圖5：在TI PurePath平臺中，CC85xx器件為無線多聲道數(shù)字音頻提供單芯片解決方案。工程師可以通過額外的芯片擴(kuò)展范圍和聲音質(zhì)量，用于范圍擴(kuò)展和音頻處理。 （由Texas Instruments提供。）

PurePath系統(tǒng)充分利用專有協(xié)議的靈活性，提供16位44.1或48 kHz無壓縮音頻，不會產(chǎn)生不必要的噪聲或丟失。為了防止RF干擾或多徑衰落效應(yīng)引起的音頻問題，該系統(tǒng)允許工程師將每個采樣率的音頻延遲配置為768到2，048個樣本之間的值。這種音頻延遲導(dǎo)致音頻流中的系統(tǒng)延遲，這允許識別和重傳數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)無法通過系統(tǒng)的內(nèi)置插值算法進(jìn)行校正。

除了自適應(yīng)的先聽后聽機(jī)制外，PurePath平臺還采用專有的跳頻方案，以增強(qiáng)系統(tǒng)與活動環(huán)境中其他2.4 GHz信號源共存的能力。利用這種方案，片上控制器可以在幾十毫秒內(nèi)動態(tài)切換到更清晰的RF信道。在這種方法中，設(shè)備將2.4 GHz頻段分成18個RF信道，在任何時候使用四個最佳信道進(jìn)行有源傳輸。在使用四個活動信道的實(shí)際傳輸期間，設(shè)備還掃描14個非活動信道中的每一個，計(jì)算每個信道的服務(wù)質(zhì)量（QoS）估計(jì)，并用任何顯示更高QoS的信道替換任何活動信道。

為了進(jìn)一步改善信號質(zhì)量和范圍，工程師可以利用CC85xx的天線分集能力。這里，該設(shè)備使用外部天線開關(guān)在兩個天線之間動態(tài)切換，以減少多徑衰落效應(yīng)。此外，工程師可以在可選的CC2590范圍擴(kuò)展器中進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括用于更高發(fā)射器輸出的PA和用于更高接收器靈敏度的LNA。

PurePath平臺與相關(guān)軟件一起，包括PurePath無線配置器，這是一款免費(fèi)的基于PC的軟件工具，用于配置設(shè)備的操作參數(shù)。 TI還提供USB加密狗參考設(shè)計(jì)（適用于CC85x1），以及無線耳機(jī)參考設(shè)計(jì)，可在465 mAh電池上實(shí)現(xiàn)22小時的使用壽命。

音頻處理器

為了增強(qiáng)音頻效果和音質(zhì)，無線音頻系統(tǒng)的最后階段通常需要進(jìn)行一些信號處理。在這里，工程師可以選擇從相對簡單的編解碼器設(shè)備到完整的音頻處理SoC的設(shè)備。 ADI公司的AD1835A，Cirrus Logic CS4265，NXP UDA1344TS和德州儀器TLV320AIC3204等編解碼器可為各種音頻通道和采樣率提供低功耗信號處理和音頻效果。例如，恩智浦UDA1344TS音頻處理流水線（圖6）支持多種播放功能，包括去加重，音量控制，低音增強(qiáng)，高音和軟靜音。

圖6：NXP UDA1344TS等音頻編解碼器提供豐富的信號處理功能，可實(shí)現(xiàn)高音，低音和音量控制等基本音頻功能。 （由NXP Semiconductors提供。）

對于更廣泛的信號處理和特殊音頻效果，工程師可以采用ADI公司的ADAU1702，Cirrus Logic CS47048和Quickfilter QF3DFX等音頻處理器。該類器件提供完整的片上音頻系統(tǒng)解決方案，包括高分辨率ADC，DAC，DSP和控制器。例如，Quickfilter QF3DFX音頻處理器SoC提供了一個全面的音頻處理流程（圖7），允許音頻工程師支持從高頻恢復(fù)（HFR）到空間效果和虛擬低音效果的各種心理聲學(xué)效果。 QF3DFX能夠在沒有微控制器的情況下運(yùn)行，具有自啟動功能，還可以在不存在音頻時關(guān)閉電源，從而有助于節(jié)省電池操作系統(tǒng)的電量，待機(jī)模式下僅需要約50μW。

圖7：高級音頻處理SoC，例如Quickfilter QF3DFX，提供專業(yè)的音頻處理功能，可提供更復(fù)雜的心理聲學(xué)效果，如高頻恢復(fù)，空間效果和虛擬低音。 （由Quickfilter Technologies提供。）

電池管理

在任何低壓電池供電設(shè)計(jì)中，防止電池故障（包括欠壓，過流和過熱）對系統(tǒng)運(yùn)行和產(chǎn)品使用壽命至關(guān)重要。對于延長電池壽命對消費(fèi)者滿意度至關(guān)重要的無線音頻設(shè)備，電池充電管理起著關(guān)鍵作用。

工程師可以在電池充電管理器件中找到各種功能和選項(xiàng)，包括ADI公司的ADP2291，凌力爾特公司的LTC1734和Maxim Integrated Products MAX1501，以及眾多替代產(chǎn)品。

此類設(shè)備用作恒流/恒壓充電控制器，并提供無數(shù)額外功能。 ADI公司的ADP2291支持從深度放電到涓流充電的多步充電模式，具有全面的保護(hù)功能，包括檢測到電池故障時的停止充電模式。凌力爾特公司的LTC1734不僅可以直接為鋰離子電池充電，還可以作為鎳鎘（NiCd）和鎳氫（NiMH）電池充電的電流源，在關(guān)機(jī)和睡眠模式下，功耗幾乎為零。 Maxim MAX1501集成了典型的電流檢測電阻，傳輸晶體管和熱調(diào)節(jié)電路，為鋰離子，鎳鎘和鎳氫電池充電提供了非常簡單的解決方案（圖8）。

圖8：Maxim MAX1501等電池充電IC需要很少的元件來為鋰離子，鎳鎘電池和鎳氫電池實(shí)現(xiàn)高效的充電解決方案。對于此器件，只需要簡單更改引腳連接即可支持NiCd和NiMH電池。 （由Maxim Integrated Products提供。）

結(jié)論

對于消費(fèi)者而言，便攜式產(chǎn)品和無線音頻產(chǎn)品只能在短時間內(nèi)或在比預(yù)期更短的時間內(nèi)停止播放發(fā)現(xiàn)自己在回程貨架上。對于工程師而言，在滿足最大工作范圍和延長播放時間的同時滿足音頻功能要求是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)。解決這些問題需要優(yōu)化頻帶，通信協(xié)議和音頻處理能力。幸運(yùn)的是，各種IC器件和插入式模塊為有效滿足無線通信，音頻處理和電池管理要求提供了必要的構(gòu)建模塊。