蓝牙MP3与FM立体声耳机设计考虑

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简介：由于手机和笔记本的快速普及，更多的手机厂商将内嵌AV规格的蓝牙作为标准配置，笔记本厂商也将具备EDR规格的蓝牙作为标准配置，蓝牙产品基于AG的应用空间越来越广泛。蓝牙立体声耳机与FM和MP3的三合一方案将会是市场的一大增长点。本文就世健系统(ESPL)基于CSR芯片的FM蓝牙立体声耳机与MP3的系统设计做简要描述。

( {! z8 A% v: T如图1，整个系统可以独立或是整合设计，根据客户需求，可以形成：1，蓝牙立体声耳机(或带来电显示)；2，带FM的耳机(或带来电显示)； 3，耳机和SD卡MP3播放功能；4，耳机、FM和MP3，四大产品系列， 丰富产品线。
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: h  z/ K3 w7 ^1 W3 x2 N9 E5 t+ r图1 系统结构
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+ Q) ]$ t$ S! X( p- O0 F1 H+ @系统结构

世健提供三种蓝牙MP3方案，基于SIGMATEL 35/36xx/PHILIPS PNX0102+BC4ROM高性能和本文主要介绍的基于BC3MM EXT的低成本方案。
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该系统采用CSR BC3MM作为主芯片，实现蓝牙功能，支持蓝牙1.2。BC3MM-EXT高度集成了RF，BB，片上1v8电源，16位的音频CODEC(支持立体声)并支持外部CODEC提供I2S和SPDIF接口，支持8M外接FLASH。此外，还有KAILMA DSP负责语音通讯质量如回音的消除和SBC解码工作等。SD card和OTI CHIP做为MP3功能可选电路。鉴于立体声的STREAMING 和读卡两个通道，在SD card 和OTI CHIP用一MUX分开，在电路设计的时候应充分考虑其逻辑关系。FM 和OLED也作为产品系列的可选部分，通过I2C总线与系统相连。基于PHILIPS的TEA5761设计，最大限度优化了外围器件。世健提供两种选择，FM模组的方式和CHIP ON BOARD的设计。选用OLED显示的主流显示技术，OLED与传统的LCD显示方式不同，可以做到更薄更轻、响应快、能耗低，主动发光、高清晰、低温和抗震性能优异、柔性和环保设计等特别适合便携产品的设计。

1 l4 d' C3 g% G  \; OESPL提供功能完整的整合软件，包含Profile：1，A2DP (AVRCP)；2，Headset；3，Handfree。ESPL参考设计MMI Configuration预留了用户自行决定的各种USER Interface define。

电源管理
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鉴于人耳听到的20Hz~20kHz的频段范围，蓝牙工作的频段2.4GHz的开放频段，耳机应用对控制噪声的严格要求，系统对电源芯片都有很高的抑制噪声能力要求。 虽然片上集成了1V8线性电源，但便携设备通常将功耗作为硬性指标，建议采用外接的DC-DC，如Microchip的TC1303B，静态电流仅65UA。不仅如此，TC1303B还同时提供2.5V@300MA的LDO输出，用来给CSR BC3MM EXT FLASH 供电。在设计中如果注重特性，建议选择1V8的FLASH。功耗低，如注重价格，可用3V FLASH。在实际产品的测试中，采用TC1303B，3V3FLASH，则在系统进入SLEEP模式时候，功耗可达0.8MA，平均待机电流为1MA。如果换用TC1303A，则在系统进入SLEEP模式时候，功耗可达1.3MA。如果采用1V8的FLAH配合XCS9216(只输出1V8，不需要为FLASH单独提供3V电源)，则在系统进入SLEEP模式时候，功耗只有0.1MA，平均待机电流仅0.3-0.4MA。由此可见电路设计及其器件选型对产品的重要性。
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6 W  H: G0 h! @6 A电池充电管理IC 采用Microchip MCP73832，或是管脚兼容的LTC4054，实际测试对比两者性能对蓝牙产品的性能参数并无多大影响，建议采用MCP73832，因其具有较高的性价比。73832第一脚可直接控制充电状态指示，可节省蓝牙芯片PIO资源，在这里，有一点值得注意的是，如果是对于MP3功能的设计，使用USB的时候系统不能复位且必须能访问MENORY并同时充电，在设计电路时候应在充电IC的电池与负载之间加一CMOS管和二级管隔开，用以保证在电池电量非常小并在开机状态的时候依然能够充电完好。这跟电池的充电状态有关，在系统没有进入低功耗模式时需要更多的电流相对小电流充电状态。如果在此之前启动系统，则同时电池也会给负载供电，这样导致芯片无法进入快速充电模式。 事实上，如果仅仅是针对立体声耳机的设计，可以省掉这些器件换用RC复位电路以节省成本。CSR芯片底层的内在FIRMWARE设计，在复位状态后，系统检测电池电量以确定充电状态。如果低于某个门限电压如2.3V，那么系统将不能被启动。 直到系统认为充电状态已经到达快速模式，才启动系统。
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MIC偏压电路选用XCS6219A272 LDO，因其突出的抑制噪声能力(>75dB@1kHz、>70dB@10kHz)和小的封装，软件可以控制电源始能仅当通话状态的时候才打开该电源以降低功耗。该部分电源走线的不好或是MIC器件选型不好都会带来噪音，CSR建议采用灵敏度为-40DB到-60DB之间，通常采用-54DB，带有内部降噪功能，但通常这远不能满足设计指标要求。在通话状态下经常会有噪音，如果走线和灵敏度都OK依然存在噪音，与之有影响的因数还有RF部分电路，或是降低MIC的增益以达到期望品质。 另外MIC输出端的滤除GSM噪音的电感不应省略。能有效驱除通话噪音。在设计MIC 电路的时候，值得注意的是有的客户立体声的设计中MIC-L/R通道都接上，实际只需要接一个MIC通道，遇到MIC没有声音的问题，这是因为FIRMWARE内部PORT配置造成，软件修改或是硬件改动连接端口就可解决。如下图二，解释了通道的建立过程。
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- a7 c/ k( W" \  V% j图2 通话状态音频路径

当呼叫建立后，电话音源或TONES透过上图绿色通道PORT0输出到SPK，因为考虑到立体声耳塞，所以实际应用我们需要两耳同时听到对方说话声音。实现起来很简单，软件上只需要同时PORT到0和1即可实现一个真实的假立体声音效输出。
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# E+ L3 R+ S% f$ Econfigure PCM:
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PcmRateAndRoute(0，PCM_NO_SYNC，(uint32)8000，(uint32)8000，VM_PCM_INTERNAL_A_AND_B)
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9 s- ?8 ]/ \' U' d4 L* MMIC将声音透过红线传输给远端用户，这里我们可以看到MIC连接在PCM PORT0，即物理通道A。所以，系统的设计软硬件一定要匹配，否则就会出现MIC没声音输出。 在这里，值得一提的是，BC3MM 没有利用MIC侦测使用环境周围吵杂度，自动调整Speaker输出增益，让耳机自动保持最清晰且适当的输出。目前的设计阶段是将MIC的增益固化，SPK的增益自己手动调节。

4 U. h: v& w/ @! e- W如下图三，通过蓝牙STREAMING立体声音频路径。要欣赏音乐，SCO链路的质量就显得太差了。所以采用ACL链路来发送数据包，但ACL链路是为突发的数据设计的，不是音频，因此他会对数据包从发导致延迟，通过在接收方进行包缓冲，就可以向MP3解码器送入稳定的信息流。这就涉及到应用程序必须保证即使存在错误，所使用的压缩方法也要允许所有信息都必须通过信道。虽然理论上733.2KBPS，但实际需要额外占用带宽。所以MP3的编码必须压缩为小于这个理论的最大值，现有的设计中采用SBC的方式。DSP解码SBC，DAC将数字信号还原为模拟信号，该过程声音质量有极大的影响，凭借DSP快速且大量的数据运算能力及其多重算法支持，以及内置的16为DAC转化，在声音质量与噪声C处理能力上有着相当大的提升，SBC 解码支持Max 200kbps，48.000kHz。
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2 ]% q* _" M- j  X) r图3 蓝牙立体声音频路径
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路径配置如下:
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PcmRateAndRoute(0， PCM_NO_SYNC， SampleRate， SampleRate， VM_PCM_INTERNAL_A_)

) g2 R. z, I! T# Q4 ~$ s1 mPcmRateAndRoute(1， PCM_NO_SYNC， SampleRate， SampleRate， VM_PCM_INTERNAL_B_)
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耳机驱动功放采用TI的TPA6112A2，该器件提供150MW的立体声输出。它有三个主要的优点适合于蓝牙的应用，第一、支持全差分的输入，第二、内建POP REDUCE电路，第三、内部MID-RAIL 电路。设计中注意电源滤波的处理，过大的电容会影响启动的延时，反馈电组的取值以及并联电容的取值，如果过大直接影响噪音，通常建议1PF或是不接该电容。
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' `' ~0 V) C1 u( E) {/ K值得注意的是MIC的偏压电路，通常考虑用一个PIO来控制电源以节省电能，CSR的底层软件已经做好在语音呼叫与通话的过程中(既SCO/ACL链路建立)PIO输出高，

! _. T7 q- M7 Q- J5 t$ W; v用以控制偏压， 但同时，有的电路设计期望该电压又同时能给音频放大电路供电，通过控制电源供给以节省功耗。可是这里有一个问题，就是在SCO/ACL链路建立好后，用户按键接听或是按键响应上下首歌曲，会有噪音。这是因为CSR 底层FIRMWARE的控制，链路会有一个先断开在建立通道连接的过程，应用成的软件无法做到控制该进行时态的控制，而正是这个过程会让电源有个突变，这个突变往往很容易带来瞬时噪音，用户可以体验到接听电话或是播放歌曲按键过程的瞬时杂音。也可以用示波器捕捉到该过程，有几个可行的方法， 第一，在当前状态按键动作后用软件加以静音或是延时1-2S响应，去除该时段的瞬时噪音，但这样做很难保证软件设定时间的精确性，往往会造成一些错误的动作，比如，STREAM MP3的时候按播放下曲按键，用户可可能会听到静音—-当前歌曲(短暂)--下曲的过程。第二，硬件按键延时电路，实验证明可行，但同样存在准确性问题。第三，利用TPA6112A2的SHUTDOWN功能。音频功放提供不受控制的电源，利用PIO制SHUTDOWN引脚，这样避免了电源的切换产生的噪音。有的用户可能会提出功耗的质疑，在SHUTDOWN 状态，TPA6112A2的DATASHEET通常仅10UA耗电量。

耳机当作电话用，BUZZER的功能很必要，正是因为这个功能的完善让众多的消费者选择蓝牙耳机，因为你不带在耳朵上的时候你同样可以听到来电铃声提示。 CSR的芯片PIO口虽然能模拟出高低变化的脉冲，但是因为FIRMWAE设定PIO的输出优先级别最低，所以输出脉冲经常不准确，同时PIO也无法直接模拟提供用于驱动BUZZER的频率脉冲，所以，该部分的设计不像通常的MCU设计直接用GPIO模拟驱动(比如手机的BUZZER可以这样做得到)， 而是借助于PIO口的中断产生一个频率很低的脉冲，这个脉冲用于控制BUZZER的节奏，而驱动BUZZER所要的频率则选择硬件实现，比如555电路。
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" `/ f/ N+ `; }) PRF 电路

天线设计的好坏以及其匹配的程度，都对通话质量和距离起到很大的作用，对于对语音质量要求较高的客户建议选择MTCL天线。walsin和CSG都具备良好的性价比，而gigaant 的天线则提供了最佳性能，匹配的设计过程很简单，采用网络分析仪10分钟一般能搞定，这部分关键是要选择好天线厂家并获得技术支持。
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1 V. u6 }( u3 o0 f采用BC3MM EXT芯片CHIP ON BOARD的方式，外加DBF81F106 BALUN，实际测试RF最大功率可以大到4DB左右，完全满足要求。需要理解的是不是每个厂家都能做到
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) l0 U4 P* J7 j+ o3 ]( Y5 D7 L7 c这样好的RF特性，这跟布局，走线，器件的选择，电源的设计以及FIRMWARE的设定都有很大关系，尤其是RF 参数的优化设定。这就是为何有的优化只能达到0.5DB的提升，而同样的优化，在不同PCBA和不同FIRMWARE环境下却可以做到3 DB的提升。
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  g* p# L' v8 j7 H蓝牙产品的RF测试是个必须的环节，不仅仅是RF测试，蓝牙地址码的写入以及出于对产品和晶体一致性的考虑，晶体的调节都是必须的，世健系统提供完整的软硬件测试方案，该部分内容较多，限于篇幅，将另外详细介绍。
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结语
3 D6 k6 _1 r; G. Q
6 X# M% t5 H( s  O" ^# ^9 {ESPL不仅只提供的完整蓝牙立体声耳机+MP3+FM软硬件解决方案，并提供生产测试的建立， 从器件的选型到生产的全方位支持极大的加速了产品上市的速度。 (end)