专有2.4-GHz的无线音频设计方案

　　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迁移。由于产品制造商希望切断娱乐电子产品的电源线，工程师在保持电池供电无线音频设计的信号范围、音质和最长播放时间方面面临着重大挑战。为满足这些要求，工程师可以利用来自多家制造商的大量可用产品，包括（按字母顺序）Analog Devices、Cirrus Logic、CSR、飞思卡尔半导体、凌力尔特技术、Linx Technologies、Maxim Integrated Products、Microchip Technology、NXP Semiconductors、Quickfilter Technologies 和Texas Instruments等。

　　在典型的无线娱乐系统（图 1）中，源信号通过带有可选范围扩展器的无线射频接口传输到播放器系统，例如立体声耳机或扬声器。在播放器内，相应的无线射频接口接收信号以供编解码器、音频处理器或 DSP 处理，以创建驱动到扬声器的最终模拟信号。一个适当的电源，通常包括一个电池和充电管理电路，完成了系统。

　　

　　图 1：典型的无线音频系统依赖于发射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。（德州仪器提供。）

　　在创建无线娱乐设计时，工程师面临着无线通信和音频处理方面的特殊挑战。具有高吞吐量和信号完整性的可靠射频通信对于确保用户即使在距离音频源的扩展范围内也能获得不间断的音频体验至关重要。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范围至关重要。针对每个子系统的可用集成解决方案可以帮助工程师满足这些要求，同时降低设计复杂性和成本。

　　频带

　　遗留问题、市场接受度和未授权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延长电池寿命的要求为有用频段设置了界限。

　　对增加功率的需求是对更远距离操作的渴望的自然结果，但射频波长的选择在平衡范围和功率方面起着至关重要的作用。射频波长和范围之间的关系在 Friis 传输方程中进行了描述：

　　其中

　　Pt = 发射功率

　　Pr = 接收功率

　　Gt = 发射器天线增益

　　Gr = 接收器天线增益

　　λ = 波长

　　d = 发射器和接收器之间的距离

　　对于统一参数，距离成为波长的简单线性函数，因此更长波长的无线电通信等同于更大的范围。当然，更长的波段面临着包括干扰和有效载荷带宽在内的问题。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 解决方案的吸引力在于它们能够以低功耗提供有用的有效范围，以及它们的全球可用性。在蓝牙等标准中使用的基于跳频扩频 （FHSS） 的 2.4 GHz 设计具有在高度活跃的无线电环境中相对不受干扰信号影响的优势。与较低的 ISM 频段相比，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，后者通常仅限于模拟或较低数据速率的数字音频。

　　蓝牙标准工作频率为 2.4 GHz，非常适合消费者的连接要求。它的广泛使用使得基于蓝牙的无线音频播放器很可能会找到兼容的音频主机，例如计算机、笔记本电脑、平板电脑和智能手机。但是，使用蓝牙需要使用经典蓝牙或蓝牙智能就绪设备支持的数据吞吐率，这些设备以双模式运行，同时支持经典蓝牙和低带宽蓝牙低功耗 （LE）。低功耗蓝牙旨在提供来自低功耗设备的短暂数据突发，并非旨在提供经典蓝牙支持和无线数字音频所需的那种持续数据流。

　　工程师可以通过在嵌入式处理器（例如 Freescale Semiconductor Kinetis系列、Microchip Technology PIC24系列和 Texas Instruments Stellaris系列等）上运行适当配置的蓝牙软件堆栈来实施经典蓝牙。这种嵌入式软件方法提供各种蓝牙服务，包括高级音频分发规范 （A2DP），它提供了流式立体声音频的标准。在大多数经典蓝牙设备中，A2DP 是一种熟悉的选项，它提供的音频被大多数听众认为是心理声学上可接受的。

　　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，以减少组件数量并提高电源效率。CSR BlueCore5-Multimedia 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种无线解决方案。

　　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使用的广泛片上处理功能相结合。（由 CSR 提供​​。）

　　Sub-GHz 替代品

　　蓝牙对用户和大多数设计人员的普遍性和熟悉性赋予它作为无线音频解决方案的明显优势。然而，旨在支持任意产品之间连接的蓝牙等标准在通信中施加了开销，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大音频吞吐量的工程师来说，其他选项具有自己的优势。

　　虽然首选通常是 2.4 或 5.8 GHz ISM 频段，但 sub-GHz 频段仍然是一个可行的选择。调制技术的改进增强了抗干扰能力，缓解了早期 sub-GHz 方法中存在的共存问题。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。

　　正如 Friis 方程所示，低频信号转化为相应更长的范围。鉴于此，sub-GHz 无线通信对于最大范围是首要关注且音频要求不那么密集的应用仍然具有吸引力。

　　例如，Linx Technologies 引用其TXM-900-HP3之间的通信距离为 1，000 英尺。发射器模块和RXM-900-HP3接收器模块。这些模块设计为无线应用的嵌入式解决方案，只需一根天线即可完成能够传输模拟 FM 和数字 FSK 信息的 900 MHz 多通道射频设计。TXM-900-HP3 发射器使用其精密的 12 MHz 压控晶体振荡器 （VCXO） 来驱动 PLL，以形成由板载微控制器管理的频率合成器，从而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以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 发射器信号路径使用 MCU 控制的 PLL 在 900 MHz 频带中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 来构建在 900 MHz 频段运行的定制无线音频解决方案。例如，ADI公司的ADF7025是一款 ISM 收发器 IC，可在包括 900 MHz ISM 频段在内的多个频段中运行。ADF7025 包括一个片上 ADC，无需单独的 ADC 即可采集温度、电池状态或 RSSI 等基本数据。因此，该设备只需要很少的外部组件即可提供具有成本效益的解决方案。此外，工程师可以调整设备以平衡功率和灵敏度要求。ADF7025 的信号链包括接收器线性度、灵敏度和滤波器带宽的多个可编程选项（图 4）。

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

　　专有的 2.4-GHz 解决方案

　　虽然经典蓝牙无处不在，sub-GHz 提供扩展范围，但使用 2.4 GHz ISM 和专有通信协议为在可接受的范围和功率下获得最高质量的多通道音频打开了大门。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，专门的桥接设备可以简单地内置到播放器设备和主机“控制台”单元中，例如，在任何情况下，它都可以用于扬声器状态的用户显示。

　　德州仪器 PurePath 无线平台专为高质量多通道音频的无线流式传输而设计，在其收发器和范围扩展器组中使用了这种专有方法。TI PurePath 器件包括两通道CC8520和四通道CC8530以及CC8521和CC8531版本，它们还提供 USB 音频支持。CC85xx SoC 集成了从 RF 到数字输出的完整信号路径，使工程师能够用很少的附加组件构建无线音频设计（图 5）。

　　图 5：在 TI PurePath 平台中，CC85xx 器件为无线多通道数字音频提供单芯片解决方案。工程师可以通过附加芯片来扩大范围和音质，以进行范围扩展和音频处理。（德州仪器提供。）

　　PurePath 系统充分利用专有协议的灵活性来提供 16 位 44.1 或 48 kHz 未压缩音频，不会产生不必要的噪音或丢失。为了防止射频干扰或多路径衰落效应造成的音频问题，该系统允许工程师将每个单独采样率的音频延迟配置为 768 到 2，048 个样本之间的值。这种音频延迟会导致音频流中的系统延迟，从而允许识别和重新传输无法通过系统内置插值算法纠正的数据。

　　除了自适应的先听后说机制外，PurePath 平台还使用专有的跳频方案来增强系统在活动环境中与其他 2.4 GHz 信号源共存的能力。通过这种方案，片上控制器可以在几十毫秒内动态切换到更清晰的射频通道。在这种方法中，设备将 2.4 GHz 频段分成 18 个射频通道，随时使用四个最佳通道进行主动传输。在使用四个活动通道的实际传输过程中，设备还会扫描 14 个不活动通道中的每一个，计算每个通道的服务质量 （QoS） 估计值，并将任何活动通道替换为显示更高 QoS 的任何通道。

　　为了进一步提高信号质量和范围，工程师可以利用 CC85xx 的天线分集功能。在这里，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，其中包括一个用于更高发射器输出的 PA 和一个用于更高接收器灵敏度的 LNA。

　　除了相关软件，PurePath 平台还包括 PurePath Wireless Configurator，这是一种基于 PC 的免费软件工具，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），以及使用 465 mAh 电池实现 22 小时使用寿命的无线耳机参考设计。

　　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一定量的信号处理。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 的各种设备。Analog Devices AD1835A、Cirrus Logic CS4265、NXP UDA1344TS和 Texas Instruments 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，NXP UDA1344TS 音频处理管道（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，支持高音、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，工程师可以集成音频处理器，例如 Analog Devices ADAU1702、Cirrus Logic CS47048和 Quickfilter QF3DFX，等等。此类设备提供完整的片上音频系统解决方案，带有高分辨率 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管道（图 7），使音频工程师能够支持从高频恢复 （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，可自启动，并且通过在不存在音频时关闭电源来帮助节省电池操作系统的电量，待机模式下仅需要约 50 µW。

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

　　电池管理

　　在任何由电池供电的低压设计中，对电池故障（包括欠压、过流和过热）的保护对于系统运行和产品寿命都至关重要。对于无线音频设备而言，延长电池寿命对消费者满意度至关重要，电池充电管理起着关键作用。

　　工程师可以在电池充电管理设备中找到广泛的功能和选项，包括 Analog Devices ADP2291、凌力尔特LTC1734和 Maxim Integrated Products的MAX1501等众多替代产品。

　　此类设备可用作恒流/恒压充电控制器，并提供大量附加功能。Analog Devices ADP2291 支持从深度放电到涓流充电的多步充电模式，具有全方位的保护功能，包括在检测到电池故障时停止充电模式。凌力尔特 LTC1734 不仅可以直接为锂离子电池充电，还可以用作为镍镉 （NiCd） 和镍氢 （NiMH） 电池充电的电流源，并且在停机和睡眠模式下，功耗接近于零。 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一个非常简单的解决方案（图 8）。

　　图 8：Maxim MAX1501 等电池充电 IC 只需很少的组件即可为锂离子、NiCd 和 NiMH 电池实现高效充电解决方案。对于此设备，只需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

　　对于消费者来说，便携产品的工作范围和延长电池使用时间只是给定的，而在更短的范围内或在比预期更短的时间内停止播放的无线音频产品很快就会发现自己在退货货架上。对于工程师而言，在提供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 器件和嵌入式模块提供了有效满足无线通信、音频处理和电池管理要求的必要构建块。