市場(chǎng)對(duì)更大移動(dòng)性的需求導(dǎo)致傳統(tǒng)有線音頻娛樂產(chǎn)品向無線遷移。由于產(chǎn)品制造商希望切斷娛樂電子產(chǎn)品的電源線，工程師在保持電池供電無線音頻設(shè)計(jì)的信號(hào)范圍、音質(zhì)和最長(zhǎng)播放時(shí)間方面面臨著重大挑戰(zhàn)。為滿足這些要求，工程師可以利用來自多家制造商的大量可用產(chǎn)品，包括（按字母順序）Analog Devices、Cirrus Logic、CSR、飛思卡爾半導(dǎo)體、凌力爾特技術(shù)、Linx Technologies、Maxim Integrated Products、Microchip Technology、NXP Semiconductors、Quickfilter Technologies 和Texas Instruments等。
在典型的無線娛樂系統(tǒng)（圖 1）中，源信號(hào)通過帶有可選范圍擴(kuò)展器的無線射頻接口傳輸?shù)讲シ牌飨到y(tǒng)，例如立體聲耳機(jī)或揚(yáng)聲器。在播放器內(nèi)，相應(yīng)的無線射頻接口接收信號(hào)以供編解碼器、音頻處理器或 DSP 處理，以創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)到揚(yáng)聲器的最終模擬信號(hào)。一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娫�，通常包括一個(gè)電池和充電管理電路，完成了系統(tǒng)。
圖 1：典型的無線音頻系統(tǒng)依賴于發(fā)射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。（德州儀器提供。）
在創(chuàng)建無線娛樂設(shè)計(jì)時(shí)，工程師面臨著無線通信和音頻處理方面的特殊挑戰(zhàn)。具有高吞吐量和信號(hào)完整性的可靠射頻通信對(duì)于確保用戶即使在距離音頻源的擴(kuò)展范圍內(nèi)也能獲得不間斷的音頻體驗(yàn)至關(guān)重要。同時(shí)，強(qiáng)大的音頻信號(hào)處理對(duì)于保持音頻保真度和提供市場(chǎng)預(yù)期的音頻功能范圍至關(guān)重要。針對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的可用集成解決方案可以幫助工程師滿足這些要求，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。
頻帶
遺留問題、市場(chǎng)接受度和未授權(quán)帶寬的可用性通常會(huì)推動(dòng)無線電通信頻率的選擇。同時(shí)，滿足增加操作范圍和延長(zhǎng)電池壽命的要求為有用頻段設(shè)置了界限。
對(duì)增加功率的需求是對(duì)更遠(yuǎn)距離操作的渴望的自然結(jié)果，但射頻波長(zhǎng)的選擇在平衡范圍和功率方面起著至關(guān)重要的作用。射頻波長(zhǎng)和范圍之間的關(guān)系在 Friis 傳輸方程中進(jìn)行了描述：
其中
Pt = 發(fā)射功率
Pr = 接收功率
Gt = 發(fā)射器天線增益
Gr = 接收器天線增益
λ = 波長(zhǎng)
d = 發(fā)射器和接收器之間的距離
對(duì)于統(tǒng)一參數(shù)，距離成為波長(zhǎng)的簡(jiǎn)單線性函數(shù)，因此更長(zhǎng)波長(zhǎng)的無線電通信等同于更大的范圍。當(dāng)然，更長(zhǎng)的波段面臨著包括干擾和有效載荷帶寬在內(nèi)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 解決方案的吸引力在于它們能夠以低功耗提供有用的有效范圍，以及它們的全球可用性。在藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)中使用的基于跳頻擴(kuò)頻 （FHSS） 的 2.4 GHz 設(shè)計(jì)具有在高度活躍的無線電環(huán)境中相對(duì)不受干擾信號(hào)影響的優(yōu)勢(shì)。與較低的 ISM 頻段相比，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，后者通常僅限于模擬或較低數(shù)據(jù)速率的數(shù)字音頻。
藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為 2.4 GHz，非常適合消費(fèi)者的連接要求。它的廣泛使用使得基于藍(lán)牙的無線音頻播放器很可能會(huì)找到兼容的音頻主機(jī)，例如計(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，這些設(shè)備以雙模式運(yùn)行，同時(shí)支持經(jīng)典藍(lán)牙和低帶寬藍(lán)牙低功耗 （LE）。低功耗藍(lán)牙旨在提供來自低功耗設(shè)備的短暫數(shù)據(jù)突發(fā)，并非旨在提供經(jīng)典藍(lán)牙支持和無線數(shù)字音頻所需的那種持續(xù)數(shù)據(jù)流。
工程師可以通過在嵌入式處理器（例如 Freescale Semiconductor KineTIs系列、Microchip Technology PIC24系列和 Texas Instruments Stellaris系列等）上運(yùn)行適當(dāng)配置的藍(lán)牙軟件堆棧來實(shí)施經(jīng)典藍(lán)牙。這種嵌入式軟件方法提供各種藍(lán)牙服務(wù)，包括高級(jí)音頻分發(fā)規(guī)范 （A2DP），它提供了流式立體聲音頻的標(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)，它提供的音頻被大多數(shù)聽眾認(rèn)為是心理聲學(xué)上可接受的。
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(hào)電路，以減少組件數(shù)量并提高電源效率。CSR BlueCore5-MulTImedia 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(chǔ)器相結(jié)合（圖 2）。該設(shè)備的藍(lán)牙調(diào)制解調(diào)器完善了這種無線解決方案。
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)用中使用的廣泛片上處理功能相結(jié)合。（由 CSR 提供。）
Sub-GHz 替代品
藍(lán)牙對(duì)用戶和大多數(shù)設(shè)計(jì)人員的普遍性和熟悉性賦予它作為無線音頻解決方案的明顯優(yōu)勢(shì)。然而，旨在支持任意產(chǎn)品之間連接的藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)在通信中施加了開銷，以確保異構(gòu)無線節(jié)點(diǎn)之間的授權(quán)、可靠通信。對(duì)于尋求更大范圍或更大音頻吞吐量的工程師來說，其他選項(xiàng)具有自己的優(yōu)勢(shì)。
雖然首選通常是 2.4 或 5.8 GHz ISM 頻段，但 sub-GHz 頻段仍然是一個(gè)可行的選擇。調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)增強(qiáng)了抗干擾能力，緩解了早期 sub-GHz 方法中存在的共存問題。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 方程所示，低頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)更長(zhǎng)的范圍。鑒于此，sub-GHz 無線通信對(duì)于最大范圍是首要關(guān)注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 引用其TXM-900-HP3之間的通信距離為 1，000 英尺。發(fā)射器模塊和RXM-900-HP3接收器模塊。這些模塊設(shè)計(jì)為無線應(yīng)用的嵌入式解決方案，只需一根天線即可完成能夠傳輸模擬 FM 和數(shù)字 FSK 信息的 900 MHz 多通道射頻設(shè)計(jì)。TXM-900-HP3 發(fā)射器使用其精密的 12 MHz 壓控晶體振蕩器 （VCXO） 來驅(qū)動(dòng) PLL，以形成由板載微控制器管理的頻率合成器，從而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(hào)以提供模擬和數(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)射器信號(hào)路徑使用 MCU 控制的 PLL 在 900 MHz 頻帶中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)建在 900 MHz 頻段運(yùn)行的定制無線音頻解決方案。例如，ADI公司的ADF7025是一款 ISM 收發(fā)器 IC，可在包括 900 MHz ISM 頻段在內(nèi)的多個(gè)頻段中運(yùn)行。ADF7025 包括一個(gè)片上 ADC，無需單獨(dú)的 ADC 即可采集溫度、電池狀態(tài)或 RSSI 等基本數(shù)據(jù)。因此，該設(shè)備只需要很少的外部組件即可提供具有成本效益的解決方案。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(hào)鏈包括接收器線性度、靈敏度和濾波器帶寬的多個(gè)可編程選項(xiàng)（圖 4）。
圖 4：工程師可以在 ADF7025 前端設(shè)置多個(gè)可編程選項(xiàng)，以權(quán)衡對(duì)功率、線性度、靈敏度和濾波器帶寬的要求。（由 Analog Devices 提供。）
專有的 2.4-GHz 解決方案
雖然經(jīng)典藍(lán)牙無處不在，sub-GHz 提供擴(kuò)展范圍，但使用 2.4 GHz ISM 和專有通信協(xié)議為在可接受的范圍和功率下獲得最高質(zhì)量的多通道音頻打開了大門。憑借其輕量級(jí)、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(duì)于無線音頻系統(tǒng)，專門的橋接設(shè)備可以簡(jiǎn)單地內(nèi)置到播放器設(shè)備和主機(jī)“控制臺(tái)”單元中，例如，在任何情況下，它都可以用于揚(yáng)聲器狀態(tài)的用戶顯示。
德州儀器 PurePath 無線平臺(tái)專為高質(zhì)量多通道音頻的無線流式傳輸而設(shè)計(jì)，在其收發(fā)器和范圍擴(kuò)展器組中使用了這種專有方法。TI PurePath 器件包括兩通道CC8520和四通道CC8530以及CC8521和CC8531版本，它們還提供 USB 音頻支持。CC85xx SoC 集成了從 RF 到數(shù)字輸出的完整信號(hào)路徑，使工程師能夠用很少的附加組件構(gòu)建無線音頻設(shè)計(jì)（圖 5）。
圖 5：在 TI PurePath 平臺(tái)中，CC85xx 器件為無線多通道數(shù)字音頻提供單芯片解決方案。工程師可以通過附加芯片來擴(kuò)大范圍和音質(zhì)，以進(jìn)行范圍擴(kuò)展和音頻處理。（德州儀器提供。）
PurePath 系統(tǒng)充分利用專有協(xié)議的靈活性來提供 16 位 44.1 或 48 kHz 未壓縮音頻，不會(huì)產(chǎn)生不必要的噪音或丟失。為了防止射頻干擾或多路徑衰落效應(yīng)造成的音頻問題，該系統(tǒng)允許工程師將每個(gè)單獨(dú)采樣率的音頻延遲配置為 768 到 2，048 個(gè)樣本之間的值。這種音頻延遲會(huì)導(dǎo)致音頻流中的系統(tǒng)延遲，從而允許識(shí)別和重新傳輸無法通過系統(tǒng)內(nèi)置插值算法糾正的數(shù)據(jù)。
除了自適應(yīng)的先聽后說機(jī)制外，PurePath 平臺(tái)還使用專有的跳頻方案來增強(qiáng)系統(tǒng)在活動(dòng)環(huán)境中與其他 2.4 GHz 信號(hào)源共存的能力。通過這種方案，片上控制器可以在幾十毫秒內(nèi)動(dòng)態(tài)切換到更清晰的射頻通道。在這種方法中，設(shè)備將 2.4 GHz 頻段分成 18 個(gè)射頻通道，隨時(shí)使用四個(gè)最佳通道進(jìn)行主動(dòng)傳輸。在使用四個(gè)活動(dòng)通道的實(shí)際傳輸過程中，設(shè)備還會(huì)掃描 14 個(gè)不活動(dòng)通道中的每一個(gè)，計(jì)算每個(gè)通道的服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 估計(jì)值，并將任何活動(dòng)通道替換為顯示更高 QoS 的任何通道。
為了進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量和范圍，工程師可以利用 CC85xx 的天線分集功能。在這里，該設(shè)備使用外部天線開關(guān)在兩個(gè)天線之間動(dòng)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)，其中包括一個(gè)用于更高發(fā)射器輸出的 PA 和一個(gè)用于更高接收器靈敏度的 LNA。
除了相關(guān)軟件，PurePath 平臺(tái)還包括 PurePath Wireless Configurator，這是一種基于 PC 的免費(fèi)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），以及使用 465 mAh 電池實(shí)現(xiàn) 22 小時(shí)使用壽命的無線耳機(jī)參考設(shè)計(jì)。
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一定量的信號(hào)處理。在這里，工程師可以選擇從相對(duì)簡(jiǎn)單的編解碼器設(shè)備到完整的音頻處理 SoC 的各種設(shè)備。Analog Devices AD1835A、Cirrus Logic CS4265、NXP UDA1344TS和 Texas Instruments 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(hào)處理和音頻效果。例如，NXP UDA1344TS 音頻處理管道（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(hào)處理功能，支持高音、低音和音量控制等基本音頻功能。（由 NXP Semiconductors 提供。）
對(duì)于更廣泛的信號(hào)處理和特殊音頻效果，工程師可以集成音頻處理器，例如 Analog Devices ADAU1702、Cirrus Logic CS47048和 Quickfilter QF3DFX，等等。此類設(shè)備提供完整的片上音頻系統(tǒng)解決方案，帶有高分辨率 ADC、DAC、DSP 和控制器。例如，Quickfilter QF3DFX 音頻處理器 SoC 提供了一個(gè)全面的音頻處理管道（圖 7），使音頻工程師能夠支持從高頻恢復(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，可自啟動(dòng)，并且通過在不存在音頻時(shí)關(guān)閉電源來幫助節(jié)省電池操作系統(tǒng)的電量，待機(jī)模式下僅需要約 50 µW。
圖 7：Quickfilter QF3DFX 等高級(jí)音頻處理 SoC 提供專門的音頻處理功能，以提供更復(fù)雜的心理聲學(xué)效果，例如高頻恢復(fù)、空間效果和虛擬低音。（由 Quickfilter Technologies 提供。）
電池管理
在任何由電池供電的低壓設(shè)計(jì)中，對(duì)電池故障（包括欠壓、過流和過熱）的保護(hù)對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行和產(chǎn)品壽命都至關(guān)重要。對(duì)于無線音頻設(shè)備而言，延長(zhǎng)電池壽命對(duì)消費(fèi)者滿意度至關(guān)重要，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設(shè)備中找到廣泛的功能和選項(xiàng)，包括 Analog Devices ADP2291、凌力爾特LTC1734和 Maxim Integrated Products的MAX1501等眾多替代產(chǎn)品。
此類設(shè)備可用作恒流/恒壓充電控制器，并提供大量附加功能。Analog Devices ADP2291 支持從深度放電到涓流充電的多步充電模式，具有全方位的保護(hù)功能，包括在檢測(cè)到電池故障時(shí)停止充電模式。凌力爾特 LTC1734 不僅可以直接為鋰離子電池充電，還可以用作為鎳鎘 （NiCd） 和鎳氫 （NiMH） 電池充電的電流源，并且在停機(jī)和睡眠模式下，功耗接近于零。 Maxim MAX1501 集成了典型的電流檢測(cè)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一個(gè)非常簡(jiǎn)單的解決方案（圖 8）。
圖 8：Maxim MAX1501 等電池充電 IC 只需很少的組件即可為鋰離子、NiCd 和 NiMH 電池實(shí)現(xiàn)高效充電解決方案。對(duì)于此設(shè)備，只需簡(jiǎn)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(duì)于消費(fèi)者來說，便攜產(chǎn)品的工作范圍和延長(zhǎng)電池使用時(shí)間只是給定的，而在更短的范圍內(nèi)或在比預(yù)期更短的時(shí)間內(nèi)停止播放的無線音頻產(chǎn)品很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己在退貨貨架上。對(duì)于工程師而言，在提供最大工作范圍和延長(zhǎng)播放時(shí)間的同時(shí)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 器件和嵌入式模塊提供了有效滿足無線通信、音頻處理和電池管理要求的必要構(gòu)建塊。 |
