同时满足音频功能与播放时间的功能模块介绍

卞祥

同时满足音频功能与播放时间的功能模块介绍

市场对更大移动性的需求导致传统有线音频娱乐产品向无线传输。随着产品制造商希望切断娱乐电子产品线，工程师在维持电池供电的无线音频设计的信号范围，音质和最长播放时间方面面临重大挑战。为了满足这些要求，工程师可以利用来自多个制造商的大量可用产品，包括（按字母顺序）Analog Devices，Cirrus Logic，CSR，Freescale Semiconductor，Linear Technology，Linx Technologies，Maxim Integrated Products，Microchip Technology，NXP Semiconductors，Quickfilter技术，德州仪器等众多公司。

在典型的无线娱乐系统（图1）中，源信号通过无线射频接口传输，可选范围扩展器连接到播放器系统，如立体声耳机或扬声器。在播放器内，相应的无线RF接口接收信号以供编解码器，音频处理器或DSP处理，以产生驱动到扬声器的最终模拟信号。通常包括电池和充电管理电路的适当电源完善了该系统。

图1：典型的无线音频系统依赖于发送器和接收器之间可靠的无线通信，以及接收端的高效音频处理。 （德州仪器公司提供。）

在创建无线娱乐设计时，工程师在无线通信和音频处理方面面临着特殊的挑战。具有高吞吐量和信号完整性的可靠RF通信对于确保用户即使在远离音频源的范围内的不间断音频体验也是至关重要的。同时，强大的音频信号处理对于保持音频保真度和提供市场预期的音频功能至关重要。针对每个子系统的可用集成解决方案可帮助工程师满足这些要求，同时降低设计复杂性和成本。

频段

传统问题，市场接受度以及未许可带宽的可用性通常会推动无线电通信频率的选择。同时，满足增加操作范围和长时间播放电池寿命的要求设定了有用频带的边界。

对增加功率的需求是长距离操作需求的自然结果，但RF波长的选择在平衡范围和功率方面起着关键作用。 RF波长和范围之间的关系在Friis传输方程中描述：



Pt =发射功率

Pr =接收功率

Gt =发射机天线增益

Gr =接收机天线增益

λ=波长

d =发射机和接收机之间的距离

对于单位参数，距离成为波长的简单线性函数，因此较长波长的无线电通信等于更大的范围。当然，较长波段面临包括干扰和有效载荷带宽的问题。在这种情况下，2.4 GHz ISM频段在实际范围限制和有用带宽之间提供了良好的平衡。

2.4 GHz解决方案因其在低功耗和全球可用性方面提供有用的有效范围的能力而具有吸引力。用于蓝牙等标准，基于跳频扩频（FHSS）的2.4 GHz设计提供了在高度活跃的无线电环境中保持相对不受干扰信号影响的优点。与较低的ISM频带相比，这些系统还提供足够的数据带宽以允许高质量立体声的数字传输，较低的ISM频带通常限于模拟或较低数据速率的数字音频。

蓝牙标准工作在2.4 GHz，非常适合消费者连接要求。它的广泛使用使得基于蓝牙的无线音频播放器可能会找到兼容的音频主机，如计算机，笔记本电脑，平板电脑和智能手机。但是，使用蓝牙需要使用支持双模式的经典蓝牙或蓝牙智能就绪设备支持的数据吞吐率，支持经典蓝牙和低带宽蓝牙低功耗（LE）。对于来自低功率设备的短暂数据突发，蓝牙LE无意提供经典蓝牙支持的无线数字音频所需的持续数据流。

工程师可以通过在嵌入式处理器上运行经过适当配置的蓝牙软件堆栈来实现经典蓝牙，例如飞思卡尔半导体Kinetis系列，Microchip Technology PIC24系列和德州仪器Stellaris系列等。这种嵌入式软件方法提供各种蓝牙服务，包括高级音频分发配置文件（A2DP），它为流式立体声音频提供标准。在大多数经典蓝牙设备中，A2DP是一种熟悉的选项，它可以为大多数听众提供心理声学上可接受的音频。

除了通用嵌入式处理器解决方案外，CSR BC57G687C等专用设备还集成了音频信号电路，以减少元件数量并提高电源效率。作为CSR BlueCore5-多媒体系列的成员，BC57G687C将蓝牙堆栈16位RISC MCU与Kalimba 64 MIPS 24位DSP协处理器和片上存储器相结合（图2）。该设备的蓝牙调制解调器完善了这一无线解决方案。



图2：CSR BlueCore5系列等集成多媒体SoC将蓝牙无线电功能与无线音频应用中广泛的片上处理功能相结合。 （由CSR提供。）

Sub-GHz替代品

蓝牙无处不在，对用户和大多数设计师的熟悉程度使其成为无线音频解决方案的独特优势。然而，诸如蓝牙之类的标准旨在支持任意产品之间的连接，在通信中施加开销以确保异构无线节点之间的授权，可靠通信。对于寻求更大范围或更高音频吞吐量的工程师而言，其他选项提供了自己的优势。

虽然第一选择通常是2.4或5.8 GHz ISM频段，但是sub-GHz频段仍然是可行的选择。调制技术的改进加强了对早期sub-GHz方法中的干扰和共存的松弛问题的抗扰性。最重要的是，使用sub-GHz ISM频段意味着更宽的范围和更低的功率要求，这两者当然是无线音频设计的核心问题。

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正如Friis方程式所示，低频信号转换为相应更长的范围。有了这种观点，sub-GHz无线通信对于首先考虑最大范围且音频要求不那么密集的应用仍然具有吸引力。

例如，Linx Technologies引用了一个1000英尺范围的TXM-900-HP3发射器模块和RXM-900-HP3接收器模块之间的通信。这些模块设计为无线应用的插入式解决方案，仅需要一根天线即可完成900 MHz多通道RF设计，能够传输模拟FM和数字FSK信息。 TXM-900-HP3发送器使用其精密的12 MHz压控晶体振荡器（VCXO）驱动PLL，形成由板载微控制器管理的频率合成器，允许基于软件的通道选择（图3）。 RXM-900-HP3中的互补接收器模块解调信号，提供模拟和数字数据，以及可用于用户范围显示指示器的RSSI值。



图3：TXM-900-HP3发送器信号路径使用MCU控制的PLL在900 MHz频段内提供软件控制的通道选择。 （由Linx Technologies提供。）工程师还可以找到各种RF IC来构建工作在900 MHz频段的定制无线音频解决方案。例如，ADI公司的ADF7025是一个ISM收发器IC，工作在多个频段，包括900 MHz ISM频段。 ADF7025内置一个片内ADC，无需单独的ADC即可获取温度，电池状态或RSSI等基本数据。因此，该设备只需要少量外部组件即可提供经济高效的解决方案。此外，工程师可以调整设备以平衡功率和灵敏度要求。 ADF7025的信号链包括多个可编程选项，用于接收器线性度，灵敏度和滤波器带宽（图4）。



图4：工程师可以在ADF7025前端设置多个可编程选项，以权衡功耗，线性度，灵敏度和滤波器带宽的要求。 （由Analog Devices提供。）

Propriety 2.4-GHz解决方案

虽然经典蓝牙提供无处不在，而sub-GHz提供扩展范围，但2.4 GHz ISM与专有通信协议的使用为最高质量的多通道打开了大门音频在可接受的范围和功率。凭借其轻量级，特定于应用程序的堆栈，专有协议可减少开销并为有效负载节省最大带宽。另一方面，专有协议也意味着主机也需要桥接设备。然而，对于无线音频系统，专用桥接设备可以简单地构建到播放器设备和主机“控制台”单元中，例如，其可以在任何情况下用于用户显示扬声器状态。

专为高质量多声道音频的无线流媒体设计，德州仪器PurePath无线平台在其收发器和范围扩展器中使用这种专有方法。 TI PurePath器件包括双通道CC8520和四通道CC8530以及CC8521和CC8531版本，还提供USB音频支持。 CC85xx SoC集成了从RF到数字输出的完整信号路径，使工程师能够使用少量附加组件构建无线音频设计（图5）。



图5：在TI PurePath平台中，CC85xx器件为无线多声道数字音频提供单芯片解决方案。工程师可以通过额外的芯片扩展范围和声音质量，用于范围扩展和音频处理。 （由Texas Instruments提供。）

PurePath系统充分利用专有协议的灵活性，提供16位44.1或48 kHz无压缩音频，不会产生不必要的噪声或丢失。为了防止RF干扰或多径衰落效应引起的音频问题，该系统允许工程师将每个采样率的音频延迟配置为768到2，048个样本之间的值。这种音频延迟导致音频流中的系统延迟，这允许识别和重传数据，这些数据无法通过系统的内置插值算法进行校正。

除了自适应的先听后听机制外，PurePath平台还采用专有的跳频方案，以增强系统与活动环境中其他2.4 GHz信号源共存的能力。利用这种方案，片上控制器可以在几十毫秒内动态切换到更清晰的RF信道。在这种方法中，设备将2.4 GHz频段分成18个RF信道，在任何时候使用四个最佳信道进行有源传输。在使用四个活动信道的实际传输期间，设备还扫描14个非活动信道中的每一个，计算每个信道的服务质量（QoS）估计，并用任何显示更高QoS的信道替换任何活动信道。

为了进一步改善信号质量和范围，工程师可以利用CC85xx的天线分集能力。这里，该设备使用外部天线开关在两个天线之间动态切换，以减少多径衰落效应。此外，工程师可以在可选的CC2590范围扩展器中进行设计，其中包括用于更高发射器输出的PA和用于更高接收器灵敏度的LNA。

PurePath平台与相关软件一起，包括PurePath无线配置器，这是一款免费的基于PC的软件工具，用于配置设备的操作参数。 TI还提供USB加密狗参考设计（适用于CC85x1），以及无线耳机参考设计，可在465 mAh电池上实现22小时的使用寿命。

音频处理器

为了增强音频效果和音质，无线音频系统的最后阶段通常需要进行一些信号处理。在这里，工程师可以选择从相对简单的编解码器设备到完整的音频处理SoC的设备。 ADI公司的AD1835A，Cirrus Logic CS4265，NXP UDA1344TS和德州仪器TLV320AIC3204等编解码器可为各种音频通道和采样率提供低功耗信号处理和音频效果。例如，恩智浦UDA1344TS音频处理流水线（图6）支持多种播放功能，包括去加重，音量控制，低音增强，高音和软静音。



图6：NXP UDA1344TS等音频编解码器提供丰富的信号处理功能，可实现高音，低音和音量控制等基本音频功能。 （由NXP Semiconductors提供。）

对于更广泛的信号处理和特殊音频效果，工程师可以采用ADI公司的ADAU1702，Cirrus Logic CS47048和Quickfilter QF3DFX等音频处理器。该类器件提供完整的片上音频系统解决方案，包括高分辨率ADC，DAC，DSP和控制器。例如，Quickfilter QF3DFX音频处理器SoC提供了一个全面的音频处理流程（图7），允许音频工程师支持从高频恢复（HFR）到空间效果和虚拟低音效果的各种心理声学效果。 QF3DFX能够在没有微控制器的情况下运行，具有自启动功能，还可以在不存在音频时关闭电源，从而有助于节省电池操作系统的电量，待机模式下仅需要约50μW。



图7：高级音频处理SoC，例如Quickfilter QF3DFX，提供专业的音频处理功能，可提供更复杂的心理声学效果，如高频恢复，空间效果和虚拟低音。 （由Quickfilter Technologies提供。）

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电池管理

在任何低压电池供电设计中，防止电池故障（包括欠压，过流和过热）对系统运行和产品使用寿命至关重要。对于延长电池寿命对消费者满意度至关重要的无线音频设备，电池充电管理起着关键作用。

工程师可以在电池充电管理器件中找到各种功能和选项，包括ADI公司的ADP2291，凌力尔特公司的LTC1734和Maxim Integrated Products MAX1501，以及众多替代产品。

此类设备用作恒流/恒压充电控制器，并提供无数额外功能。 ADI公司的ADP2291支持从深度放电到涓流充电的多步充电模式，具有全面的保护功能，包括检测到电池故障时的停止充电模式。凌力尔特公司的LTC1734不仅可以直接为锂离子电池充电，还可以作为镍镉（NiCd）和镍氢（NiMH）电池充电的电流源，在关机和睡眠模式下，功耗几乎为零。 Maxim MAX1501集成了典型的电流检测电阻，传输晶体管和热调节电路，为锂离子，镍镉和镍氢电池充电提供了非常简单的解决方案（图8）。



图8：Maxim MAX1501等电池充电IC需要很少的元件来为锂离子，镍镉电池和镍氢电池实现高效的充电解决方案。对于此器件，只需要简单更改引脚连接即可支持NiCd和NiMH电池。 （由Maxim Integrated Products提供。）

结论

对于消费者而言，便携式产品和无线音频产品只能在短时间内或在比预期更短的时间内停止播放发现自己在回程货架上。对于工程师而言，在满足最大工作范围和延长播放时间的同时满足音频功能要求是一项持续的挑战。解决这些问题需要优化频带，通信协议和音频处理能力。幸运的是，各种IC器件和插入式模块为有效满足无线通信，音频处理和电池管理要求提供了必要的构建模块。