藍(lán)牙耳機(jī)及其放大電路實(shí)用設(shè)計匯總
隨著越來越多的手機(jī)支持藍(lán)牙功能,藍(lán)牙耳機(jī)已成為手機(jī)的必備選件。同時,隨著支持MP3播放的立體聲藍(lán)牙耳機(jī)的推出,藍(lán)牙耳機(jī)已能夠同時連接到藍(lán)牙移動電話和音樂播放器,這必將給藍(lán)牙應(yīng)用帶來新的亮點(diǎn)。本文為大家介紹藍(lán)牙耳機(jī)及耳機(jī)放大器的方案設(shè)計。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/366957.htm藍(lán)牙耳機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計方案
引言
Bluetooth(藍(lán)牙技術(shù))是由愛立信、諾基亞、摩托羅拉、英特爾、IBM和日立等信息技術(shù)公司發(fā)起的一種短距離無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由于 Bluetooth技術(shù)具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、適用于多種通信場所以及集成電路相對簡單,因此藍(lán)牙技術(shù)作為一種替代有線電纜的無線接口技術(shù)具有廣闊的 市場前景。藍(lán)牙技術(shù)正成為移動電話、PDA、MP3player和電腦中的標(biāo)準(zhǔn)配置,藍(lán)牙技術(shù)主流應(yīng)用之一是通過藍(lán)牙耳機(jī)欣賞上述產(chǎn)品藍(lán)牙接口發(fā)送出來的 高品質(zhì)音樂和實(shí)現(xiàn)免提通話,然而技術(shù)的普及速度除了與技術(shù)本身的先進(jìn)與否有關(guān)外,還與實(shí)現(xiàn)成本的高低密切相關(guān),市場上的藍(lán)牙耳機(jī)價格少則幾百,多則上千 元,而移動電話本身價格大多也不過千元,藍(lán)牙耳機(jī)的相對高價位導(dǎo)致了它的市場普及速度和廣度遠(yuǎn)低于移動電話,本文正式根據(jù)這一 XIAN,基于CSR藍(lán)牙芯片BC358239A提出了一種低成本藍(lán)牙耳機(jī)電路設(shè)計方案,對藍(lán)牙耳機(jī)的普及必將起到重要作用。
一.藍(lán)牙耳機(jī)架構(gòu)和芯片介紹
圖一 藍(lán)牙耳機(jī)的結(jié)構(gòu)
應(yīng)用到藍(lán)牙耳機(jī)的芯片除了低成本、低功耗、外圍電路簡單以外,提供的軟件開發(fā)工具齊全以及芯片封裝小也很重要,下面對藍(lán)牙耳機(jī)的主要芯片作簡要介紹。
1.BC358239A介紹:
BC358239A芯片頻率范圍2.402~2.480Ghz,發(fā)射功率可高達(dá)+4dB,內(nèi)置有8比特DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)可自動調(diào)整發(fā)射功率,無需外 部 BALUN(平衡不平衡轉(zhuǎn)換器和功放即可符合藍(lán)牙V1.2規(guī)格;0.1%BER(比特誤碼率)時典型接收靈敏度-85dB;全集成的頻率合成器,可支持 8~40Mhz外部時鐘輸入又可外接CRISTAL(晶振);內(nèi)部集成DSP(數(shù)字信號處理器)速度可達(dá)32MIPS,32bit指令字,24bit數(shù)據(jù) 存儲器,內(nèi)置4K字程序存儲器,兩個8K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲器,足以支持耳機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計需要;片上LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器),支持u-law和A-law 語音代碼轉(zhuǎn)換,支持I2S又支持PCM語音接口, 深度睡眠模式功耗不超過10uA;10x10mm 的LFBGA封裝,只需較小的PCB尺寸。BC358239A內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖二。
圖二 BC358239A內(nèi)部結(jié)構(gòu)
此外BC358239A還有內(nèi)置LDO,其輸出電壓1.8V,其最大輸出電流可達(dá)70mA,完全可滿足藍(lán)牙芯片自身需要。
BC358239A的藍(lán)牙的軟件架構(gòu)具備相當(dāng)?shù)撵`活性,藍(lán)牙應(yīng)用程序可以運(yùn)行于BC358239A外部,也可由內(nèi)部RISC處理器處理。
2.WM8731介紹
WM8731是WOLFSON公司推出的一款適合于語音應(yīng)用的CODEC(編碼解碼器),它能為自身的MIC(麥克風(fēng))輸入提供偏置電壓,內(nèi)部有兩組 ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器),其抽樣頻率從8KHz到96KHz.串行控制接口可選擇為兩線制和三線制。其音頻接口可通過編程設(shè)置為 I2S或PCM接口形式。28Pin5x5x0.9mm的QFN封裝,特別適合對PCB面積有限制的應(yīng)用。功耗極低,應(yīng)用PCM接口通信時電流自由 20mA左右,寄存器的正確設(shè)置可使待機(jī)功耗保持在15uA以下。
3.充電芯片SC805和LDO RT9169-3.3
SEMTECH公司的SC805是一款功能強(qiáng)大的CCCV(恒流恒壓)充電芯片,可編程的預(yù)充、快充和中止充電電流,使得它既可和PMU(電源管理)芯 片組合成充電管理電路,也可單獨(dú)作為鋰電池充電控制芯片。熱保護(hù)、過流保護(hù)、電池充電電壓精度可達(dá)1%使得它安全可靠;輸入電壓范圍從3V到6V,充電電 流最大可達(dá)1A,3x3mmMLP封裝,適合消費(fèi)類電子使用。
RT9169-3.3是RICHTECH公司生產(chǎn)的100mA低噪聲3.3VLDO,它具有較低靜態(tài)電流(低達(dá)4uA),較高的紋波抑制比,符合藍(lán)牙耳機(jī) WM8731和藍(lán)牙芯片內(nèi)部LDO對電源的要求。
二.電路設(shè)計和軟件設(shè)計要點(diǎn)。
耳機(jī)電源的開關(guān)和音量調(diào)節(jié)可利用藍(lán)牙芯片BC358239A的PIO口;從RT9169輸出的3.3V電源送到藍(lán)牙內(nèi)置LDO輸入端時注意在輸入端加適 當(dāng)?shù)娜ヅ茧娙?,藍(lán)牙芯片的VDD_ANA(內(nèi)置LDO1.8V輸出端)須加上去偶電容,以防止送到藍(lán)牙芯片的電源引入干擾導(dǎo)致藍(lán)牙RF頻偏過大,與此同時 藍(lán)牙外接的Cristial(晶振)精度要求至少10PPM,否則也會影響藍(lán)牙RF指標(biāo)。
WM8731的電源輸入端HPVDD、 DCVDD、DBVDD和AVDD都可用LDORT9169的3.3V輸出,在WM8731的電源端加上適當(dāng)去偶可以改善WM8731輸出的音頻品 質(zhì);WM8731時鐘可利用藍(lán)牙芯片的AIO3引腳的可編程時鐘輸出。 WM8731與BC358239A的PCM接口相連時WM8731的ADCLRC和DACLRC同時連接藍(lán)牙PCM_SYNC。
BCHS(BluecoreHostSoftware)是CSR為客戶提供藍(lán)牙產(chǎn)品設(shè)計提供的開發(fā)軟件,BCHS和藍(lán)牙的協(xié)議棧共同組成了藍(lán)牙產(chǎn)品的軟件解決方案。藍(lán)牙耳機(jī)的軟件架構(gòu)可參考圖四
圖三 藍(lán)牙耳機(jī)軟件架構(gòu)
圖三中VMApplicationsoftware(虛擬機(jī)器應(yīng)用軟件)包括TCS(電話控制協(xié)議),它定義了藍(lán)牙耳機(jī)建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令, 定義了處理藍(lán)牙TCS設(shè)備群的移動管理進(jìn)程;應(yīng)用程序功能包括通過I2C總線寫WM8731寄存器控制耳機(jī)音量,電池低電壓報警等功能。
結(jié)論:
藍(lán)牙耳機(jī)的低成本解決方案總是與藍(lán)牙和語音解碼芯片的價格降低相伴而生,隨著藍(lán)牙接口在移動電話、PDA、MP3player和電腦中的迅速普及,藍(lán)牙耳機(jī)取代有線耳機(jī)已成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
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高清語音技術(shù)在手機(jī)和藍(lán)牙耳機(jī)中的應(yīng)用
高清語音也被稱為寬帶語音,是一種能為蜂窩網(wǎng)絡(luò)、移動電話和無線耳機(jī)傳輸高清、自然語音質(zhì)量的音頻技術(shù)。與傳統(tǒng)的窄帶電話相比,高清語音很大程度上提高了語音質(zhì)量,減少了聽覺負(fù)擔(dān)。
通信產(chǎn)業(yè)鏈上的所有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備都需支持高清語音才能體現(xiàn)出該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。到2011年6月為止,18個國家運(yùn)營的20種蜂窩網(wǎng)絡(luò),以及33家領(lǐng)先的手機(jī) 品牌都已支持高清語音。通過部署自適應(yīng)多速率寬帶(AMR-WB)語音編碼,GSM, WCDMA(UMTS)和LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)引入了高清語音。此外, 通過使用改良的子帶編碼(mSBC)語音編解碼技術(shù),無線藍(lán)牙耳機(jī)也開始支持高清語音,將免提通話與高語音質(zhì)量結(jié)合在了一起。
高清語音的優(yōu)點(diǎn)同樣可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中體現(xiàn)出來。隨著窄帶網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備向高清語音過渡,一種名為帶寬擴(kuò)展(BWE)的語音處理技術(shù)可以用來在接收終端設(shè)備上模擬類似于高清語音的通話質(zhì)量,為不支持高清語音的設(shè)備提供了一個折中的解決方案。
從窄帶到高清語音
傳統(tǒng)電話系統(tǒng)的帶寬被限制在大約300Hz到3.4kHz的音頻頻率范圍內(nèi)(圖表1),這一范圍通常被稱為窄帶語音。盡管現(xiàn)在的電話系統(tǒng)是數(shù)字式的,但 其還是傳承了與傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)相同的帶寬。從語音質(zhì)量的角度來看,窄帶語音缺乏自然語音保真度,常常被形容為單薄和模糊不清。盡管如此,窄帶頻率范圍內(nèi)完整 語句的語音辨別度大概是99%。
圖1:窄帶和寬帶語音的帶寬特點(diǎn)
高清語音在采樣頻率為16kHz時音頻帶寬大約為50Hz至7kHz,因此與窄帶語音相比具有更清晰的語音信號。雖然寬帶語音并沒有顯著提高語音清晰 度,但是窄帶范圍之外的3.4kHz至7kHz提高了單詞中的摩擦音(例如f、s和th) 的識別度。寬帶語音能夠提供更加自然真實(shí)的語音,在主觀音頻質(zhì)量方面比窄帶語音有了顯著的提高。高清語音擴(kuò)展出的50Hz至300Hz的低頻降低了窄帶語 音尖細(xì)的特點(diǎn),而擴(kuò)展出的高頻則提高了發(fā)音清晰度。
在主觀語音質(zhì)量聽力測試中,寬帶語音在平均意見得分(MOS)中得到4.5分,而窄 帶語音則為3.2分(1分為質(zhì)量差,5分為優(yōu)秀)。寬帶語音質(zhì)量的提高減少了聽力負(fù)擔(dān)和聽者的疲勞,特別是當(dāng)聽者處于嘈雜的環(huán)境下。移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 Orange在其網(wǎng)站上提供了一個音頻樣本作為高清語音優(yōu)點(diǎn)的例證。2010 年6月Orange公司所做的另一項調(diào)查進(jìn)一步向終端用戶證明了高清語音的價值:
* 96%的客戶對高清語音通話表示滿意;
* 86%的測試者表示,兼容高清語音將是他們未來購買手機(jī)時的一個選擇標(biāo)準(zhǔn);
* 76%的測試者愿意更換手機(jī)以獲得高清語音功能。
此外,2006年愛立信和T-Mobile進(jìn)行的用戶試用調(diào)查也證實(shí)了高清語音的優(yōu)點(diǎn)。在150個抽樣用戶中,超過70%的人認(rèn)為使用了高清語音手機(jī)后通話質(zhì)量更好,在嘈雜的環(huán)境中對話質(zhì)量有所提高。
使用高清語音需要語音通信系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)都支持寬帶語音頻率范圍。采用高清語音技術(shù)的關(guān)鍵是在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和手持電話中協(xié)同部署AMR-WB編解碼。做為 一種寬帶語音編碼,AMR-WB的有效音頻帶寬是窄帶編碼AMR-NB的兩倍。要完成一個高清語音通話,基站和手持電話之間協(xié)同傳輸以AMR-WB編碼的 語音,在這一過程中沒有進(jìn)行語音修改或從終端到終端的轉(zhuǎn)換編碼。如果高清語音連接無法實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)就會取而代之使用窄帶AMR-NB編碼。
擴(kuò)展語音帶寬
可以預(yù)計,在引入高清語音的過程中,通信系統(tǒng)中的某些環(huán)節(jié)會因無法支持而將語音轉(zhuǎn)換為窄帶頻率,這實(shí)際上是在降低語音質(zhì)量,增加聽力負(fù)擔(dān)。人工帶寬擴(kuò)展 (BWE)通過在通信系統(tǒng)的終端環(huán)節(jié)為窄帶語音信號加入人工生成的語音內(nèi)容,彌補(bǔ)在傳輸過程中損失的高頻和低頻語音內(nèi)容。通過這種方法,BWE將高清語音 的優(yōu)勢拓展到了窄帶和過渡的混合帶寬的語音通信系統(tǒng)中。
BWE算法使用產(chǎn)生語音的聲源過濾模型來估算和產(chǎn)生擴(kuò)展頻率范圍內(nèi)的語音內(nèi)容。 根據(jù)該模型,語音是由一個聲源(例如聲帶)再加上一個模擬聲道的模型產(chǎn)生的。BWE算法根據(jù)窄帶語音估算出一個寬帶聲源模型,然后利用該模型的參數(shù)估算出 其丟失的寬帶頻率內(nèi)容。在實(shí)際應(yīng)用中,BWE獨(dú)立于源編碼和發(fā)送路徑處理過程的,因此它可以與傳統(tǒng)的窄帶和混合帶寬的電話網(wǎng)絡(luò)共存。
BWE主要應(yīng)用于藍(lán)牙耳機(jī)和免提設(shè)備。在這些設(shè)備的接收終端上,窄帶CVSD編碼語音信號首先進(jìn)行解碼,然后經(jīng)過BWE的處理產(chǎn)生給受話方的擴(kuò)展帶寬語音信號。BWE也可以應(yīng)用在高清語音電話網(wǎng)絡(luò)上,將語音信號擴(kuò)展到帶寬為14kHz的超寬帶(SWB)頻率范圍。
高清語音和音效增強(qiáng)
將高清語音和音效增強(qiáng)處理方法(如噪聲抑制(NS),回聲消除(AEC) )結(jié)合在一起可以改善在噪聲環(huán)境下的語音清晰度,并可以提高整體通話質(zhì)量。噪聲抑制技術(shù)能夠分析摻雜了噪音的對話,并清除噪音,增加語音辨別度。噪聲抑制 算法通過大量頻點(diǎn)估算出噪聲功率譜密度,然后將噪聲從對話出抽取出來。與窄帶的處理相比,寬帶噪聲抑制在計算噪聲頻譜時包含了更多的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)來壓縮擴(kuò)展頻 率范圍內(nèi)的噪聲。除噪聲抑制外,回聲消除處理方法能消除發(fā)話者和麥克風(fēng)之間的聲音耦合所產(chǎn)生的回音信號?;芈曄墓ぷ髟硎菑柠溈孙L(fēng)接收到的信號中分離 出一個經(jīng)過過濾和延遲的副本。回聲消除技術(shù)能夠計算出寬帶語音中的自適應(yīng)過濾系數(shù)。
高集成度藍(lán)牙耳機(jī)電源管理方案
隨著越來越多的手機(jī)支持藍(lán)牙功能,藍(lán)牙耳機(jī)已成為手機(jī)的必備選件。同時,隨著支持MP3播放的立體聲藍(lán)牙耳機(jī)的推出,藍(lán)牙耳機(jī)已能夠同時連接到藍(lán)牙移動電話和音樂播放器,這必將給藍(lán)牙應(yīng)用帶來新的亮點(diǎn)。
藍(lán)牙耳機(jī)的核心是射頻和基帶處理兩部分,為適應(yīng)功能的集成和設(shè)計的小型化,CSR、Broadcom等公司已將射頻和基帶處理功能集成在一起,如CSR BlueCore4高集成的藍(lán)牙芯片,封裝最小為6×6mm。整個耳機(jī)的電源管理設(shè)計要求外圍組件少,集成度高,同時滿足藍(lán)牙芯片對負(fù)載響應(yīng)和噪聲抑制的 要求。
藍(lán)牙耳機(jī)多采用鋰電池供電,其電壓范圍為2.7V至4.2V。電池容量為90mAH至170mAH。為滿足更長時間通話及音樂播 放的需要,電池容量有逐漸增加的趨勢。另外,基于ARM或DSP內(nèi)核的藍(lán)牙芯片需要兩組電源(如1.8V和2.7V)分別對內(nèi)核和I/O供電。同時,麥克 風(fēng)也需要一個 “干凈”的偏置電壓。
基于上述系統(tǒng)電源的需求,Microchip推出了高度集成的、小尺寸的電源管理方案,包括 TC1303和MCP73855。其中,TC1303為高集成的電源轉(zhuǎn)換芯片,MCP73855為高集成的線性鋰電池充電芯片。TC1303在3×3mm 10引腳DFN封裝中集成了一個500mA同步降壓轉(zhuǎn)換器和一個300mA低壓差LDO,并具有電壓正常指示引腳(Power-Good)。其標(biāo)準(zhǔn)固定電 壓輸出組合,如1.8V/2.7V,恰好滿足BlueCore2對電源的要求。圖1為TC1303在藍(lán)牙耳機(jī)上的應(yīng)用電路。
圖1:TC1303在藍(lán)牙耳機(jī)上的應(yīng)用電路。
圖中500mA的同步DC/DC轉(zhuǎn)換器集成了P溝道和N溝道MOSFET,采用2MHz的開關(guān)頻率,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到92%以上。高開關(guān)頻率和 PWM/PFM自動切換技術(shù)可使工程師選擇低至2.2μH的表貼電感和陶瓷電容,即可滿足濾波和藍(lán)牙芯片對紋波的要求。TC1303內(nèi)集成的LDO可提供 300mA的輸出電流,且只有137mV電壓差。為了進(jìn)一步減小DC/DC開關(guān)噪聲對電路設(shè)計的影響,在芯片設(shè)計時將LDO的電源地引腳和DC/DC電源 地引腳分開,保證了LDO輸出可以給I/O部分和麥克風(fēng)提供“干凈”的電壓。
圖2:MCP73855在藍(lán)牙耳機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用電路。
TC1303提供的電壓正常指示引腳可以連接到藍(lán)牙芯片的I/O,以監(jiān)視供電電壓的狀態(tài)。電壓正常指示引腳可以檢測DC/DC輸出電壓(TC1303A)或LDO輸出電壓(TC1303B),甚至可分別檢測這兩路輸出,實(shí)現(xiàn)順序上電,滿足不同藍(lán)牙芯片對供電的要求。
MCP73855可提供鋰電池充電管理功能,片內(nèi)集成的MOSFET、電流檢測電阻和反向阻斷二極管可提供最大400mA的充電電流,并可通過外接電阻 或直接由I/O輸出設(shè)置所需的充電電流。MCP73855可自動完成鋰電池的預(yù)充、恒流、恒壓充電控制,并把充電狀態(tài)輸出到LED或藍(lán)牙芯片。配合適當(dāng)?shù)?外圍電路,充電狀態(tài)指示引腳可以驅(qū)動雙色LED,實(shí)現(xiàn)充電過程及充電結(jié)束的分別顯示。圖2為MCP73855在藍(lán)牙耳機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用電路。
TC1303和MCP73855的小尺寸封裝(3×3mm)以及簡單的外圍電路,構(gòu)成了一個低成本、高性能、高度集成的藍(lán)牙耳機(jī)電源管理方案,這個方案 也可適用于最新播放MP3的立體聲藍(lán)牙耳機(jī)設(shè)計。工程師利用它和藍(lán)牙芯片,可以設(shè)計更加舒適、時尚、易用,同時重量輕巧的藍(lán)牙立體聲耳機(jī),使用戶能夠在移 動時欣賞音樂,又永遠(yuǎn)不會漏接電話。
藍(lán)牙無線耳機(jī)設(shè)計及VxWorks移植方法
藍(lán)牙耳機(jī)是一種無線語音傳輸技術(shù),是基于耳機(jī)在無線技術(shù)方面的延伸。它是相配于藍(lán)牙技術(shù)而進(jìn)入多媒體個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的。隨著藍(lán)牙技術(shù)的日趨完善和藍(lán)牙產(chǎn)品 市場占有率逐漸提升,藍(lán)牙耳機(jī)在技術(shù)上也將不斷得到改進(jìn),使之成為個人多媒體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的主要配套產(chǎn)品。藍(lán)牙耳機(jī)的應(yīng)用范圍除了手機(jī)以外,PDA、無繩電話 應(yīng)用、汽車免提工具、電話終端等,也是藍(lán)牙耳機(jī)發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域。本文設(shè)計的藍(lán)牙耳機(jī)支持藍(lán)牙規(guī)范1.2版本,傳輸距離達(dá)10 m,傳輸速率達(dá)723.2 kb/s,并且具有低功耗和(幾乎)無輻射等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢。
1 藍(lán)牙技術(shù)
藍(lán)牙作為一種低成本、短距離的無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),是由 Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五家公司共同倡導(dǎo)的一種全球無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī) 范。它以低成本的短距離無線連接為基礎(chǔ),為固定設(shè)備與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接。其實(shí)質(zhì)是建立通用的無線空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)設(shè) 備問的電纜替代。
藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范包括協(xié)議和應(yīng)用規(guī)范兩個部分。協(xié)議定義了各功能元素各自的工作方式,整個藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)分為4層,即核 心協(xié)議層、線纜替代協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和采納的其他協(xié)議層;應(yīng)用規(guī)范則闡述了為了實(shí)現(xiàn)一個特定的應(yīng)用模型,各層協(xié)議間的運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)同機(jī)制。較典型的應(yīng)用規(guī) 范有撥號網(wǎng)絡(luò)、耳機(jī) (headset)、局域網(wǎng)訪問和文件傳輸?shù)取K{(lán)牙耳機(jī)的協(xié)議棧原理如圖1所示。
2 硬件設(shè)計
硬件電路信號處理與控制部分采用Zeevo公司的基于ARM7的音頻處理器ZV4301。ZV4301處理器是在一個單芯片收發(fā)器上加入一個集成 RF、數(shù)字信號處理、通信處理和運(yùn)算及控制處理功能的48 MHz APM7微處理器,片外擴(kuò)展閃存,以實(shí)現(xiàn)需要技術(shù)和高度最佳化的音頻處理。
編解碼芯片采用飛利浦公司的UDAl380音頻芯片。UDAl380是一顆專為便攜式產(chǎn)品所設(shè)計的單芯片立體聲音頻編解碼器,可以提供立即可用的先進(jìn)音 頻功能。這顆音頻編解碼器具有24位數(shù)據(jù)路徑、多重時鐘支持、DC偏移消除、支持多重數(shù)據(jù)格式以及數(shù)字靜音檢測等集成功能。本設(shè)計中,UDAl380利用 與微控器接口作音控處理.并利用L3接口來控制音量。
3 I2S總線
本設(shè)計在硬件電路上使用基于I2S總線的音頻系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。I2S(Inter-IC Sound bus)是飛利浦公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。
I2S總線只處理聲音數(shù)據(jù),其他信號(如控制信號)必須單獨(dú)傳輸。為了使芯片的引腳盡可能少,I2S只使用了三根串行總線。這三根線分別是:提供分時復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線(SD)、字段選擇線(聲道選擇WS)、時鐘信號線(SCK)。
此設(shè)計中采用電源統(tǒng)一供電,ZV4301作為主設(shè)備,UDAl380作為從設(shè)備。ZV4301使用3個通用I/O口來模擬I2S總線。其讀寫I2S總線的數(shù)據(jù)主要包括以下幾個函數(shù);
word_selection(); //字選擇函數(shù)
serial_clock(); //時鐘信號函數(shù)
serial_data(); // 串行數(shù)據(jù)函數(shù)
shift_register(); //寄存器移位函數(shù)
4 軟件設(shè)計
VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。良好的持續(xù)發(fā)展能力、支持多種硬件環(huán)境、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境,使之成為所有獨(dú)立于處理器實(shí)時系統(tǒng)中最具特色的操作系統(tǒng)。
在該設(shè)計中,軟件協(xié)議全部下載到藍(lán)牙設(shè)備內(nèi)核處理器的外置閃存中,操作通過人機(jī)接口控制?;赩xWorks的軟件編寫工作主要包括:BSP包的改動、 程序的編寫和操作系統(tǒng)的裁減。由于VxWorks的高度靈活性,可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開發(fā),來滿足系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要。BSP 包的改動指根據(jù)目標(biāo)硬件實(shí)際配置修改系統(tǒng)的配置參數(shù)宏(MAC-RO),主要修改config.h、makefile.h、bspname.h文件。
程序編寫函數(shù)主要包括以下7個。
?。?)系統(tǒng)引導(dǎo)函數(shù)
VxWorks操作系統(tǒng)在一些板級系統(tǒng)初始化后自動執(zhí)行tUsrRoot()函數(shù),以完成初始化。
tUsrRoot()
…… //必要初始化程序
vInitializeLmp(); //LMP初始化完成
vInitializeL2cap(); //L2CAP初始化完成
vInitializeSdp(); //SDP初始化完成
vInitializeRf(); //RFCOMM初始化完成
vInitializeHA(); //HeadsetApplication初始化完成
exit(); //退出
?。?)系統(tǒng)初始化函數(shù)(以L2CAP為例)
typedet
{MSG_IDSdpToL2cap;
MSG_ID L2capToSdp;
MSG_ID RfToL2cap;
MSG_ID L2capToRf;
MSG_lD HAToSdp;
MSG_ID SdpToHA;
MSG_ID HAToRf;
MSG_ID RfToHA;
}MSG_QUEUE_ID//定義消息隊列1D結(jié)構(gòu)體類型
MSG_QUEUE_ID MsgQueueld; //定義全局消息隊列ID結(jié)構(gòu)體,用于存放每個消息隊列的ID
vInitlalizeL2caD();//L2CAP初始化,包括初始化全局變量、創(chuàng)建定時器、創(chuàng)建消息
//隊列、創(chuàng)建并啟動任務(wù)
?。?)LMP軟件設(shè)計
基帶程序運(yùn)行在藍(lán)牙芯片的信號處理單元中,而LMP程序運(yùn)行在藍(lán)牙芯片的微處理器中,它們通過郵箱來交換信息。只要任何一方向郵箱發(fā)送了信息,郵箱就會產(chǎn)生中斷信號,另外一方可以在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行信息讀取和處理。其處理函數(shù)為;
vLmpDealFromBB()
//處理來自BaseBand層的消息以建立連接,對來自BaseBand層
//的操作碼
決定接受與否,并進(jìn)行鑒權(quán)、加密、處理或斷開等操作
?。?)L2CAP軟件的設(shè)計
tL2capDealMsgFromSdp()
//處理來自SDP層的消息SdpToL2eap,生成L2CAP數(shù)據(jù)包,把數(shù)據(jù)傳BaseBand層
tL2capDealMsgFromRf()
//處理來自RFCOMM層的消息RfToL2cap,生成L2CAP數(shù)據(jù)包,把數(shù)據(jù)傳BaseBand層
vL2capDealMsgFromBB()
//處理來自BaseBand層的消息,在處理器郵箱中斷程序被調(diào)用
(5)SDP軟件的設(shè)計
tSdpDealMsgFromL2cap()
//處理來自L2CAP的消息L2capToSdp,并上報搜索到的服務(wù)的屬性
tSdpDealMsgFromHA()
//處理來自HeadsetApplieation的消息HAToSdp,對上報信息進(jìn)行應(yīng)答
(6)RFOOMM軟件的設(shè)計
tRfDealMsgFromHA()
//處理來自HeadsetApplication的消息HAToRf,生成RFCOMM數(shù)據(jù)包,傳送給L2CAP
tRfDealMsgFromL2cap()
//處理來自L2CAP的消息L2capToRf,對不同的幀進(jìn)行處理
?。?)HeadsetApplication軟件的設(shè)計
tHADealMsgFronaSdp()
//處理來自SDP的消息SdpToHA,判斷是否正常并處理
tHADeaIMsgFromRf()
//處理來自RFCMM的消息RfToHA,對AT命令及其應(yīng)答作出處理
5 語音傳輸建立過程
藍(lán)牙耳機(jī)系統(tǒng)工作時總是藍(lán)牙語音網(wǎng)關(guān)(AG)和藍(lán)牙耳機(jī)(HS)成對出現(xiàn)的。其通信所用到的協(xié)議棧及實(shí)體如圖4所示。
藍(lán)牙設(shè)備連結(jié)的建立遵循底層到高層的原則,即搜索藍(lán)牙設(shè)備、建立鏈路、服務(wù)搜索、建立信道、建立連接和數(shù)據(jù)傳輸。
以下是音頻連接建立的全過程。(以AG主動發(fā)起連接請求為例。)
?、貯G首先發(fā)起查詢,通過查詢AG獲得HS的藍(lán)牙地址。
?、贏G在應(yīng)用層的驅(qū)動下向查詢到的HS發(fā)起一個page進(jìn)程。當(dāng)接收到HS返回的應(yīng)答信號時,AG與HS之間的ACL鏈接已經(jīng)成功建立。
?、垡坏〢CL鏈接建立,即可以被用來傳送振鈴信號。振鈴信號的發(fā)送是通過AT命令RING來完成的。
④ACL鏈接好后,接著建立L2CAP鏈路。AG首先在信令信道上發(fā)送一個鏈接請求信令L2CAP_req,要求建立信道標(biāo)號為0x0040的 L2CAP。當(dāng)HS返回鏈接響應(yīng)信號時,表明0x0040信道已經(jīng)建立好。然后對此信道進(jìn)行配置,配置完信道后,就可以利用此CID(信道標(biāo)識符)為 0x0040的L2CAP信道進(jìn)行SDP查詢。
⑤AG在L2CAP信道上發(fā)送一個SDP查詢包。SDP查詢包將查詢SDP服務(wù)器端HS 是否具有所需要的服務(wù)。若查詢成功,在ACL鏈路上,AG再建立一條標(biāo)號為0x0041的l.2CAP鏈路,用來傳輸RFCOMM數(shù)據(jù);同時,斷開用作 SDP查詢的標(biāo)號為0x0040的L2CAP鏈路。
⑥當(dāng)CID為0x004l的L2CAP信道建立好之后,首先建立控制信道 DICIO,AG在信道上發(fā)送一個SABM幀,即要求建立RFCOMM層上的 Channel O。如果響應(yīng)方HS希望建立鏈接,返回一個VA幀,表明已經(jīng)建立好了Channel 0這條RFCOMM信道。此信道為控制信道,用來傳送攜帶控制信息和命令的UIM幀。如果響應(yīng)方HS不希望建立鏈接,返回一個DM幀。其次建立數(shù)據(jù)信道, 先是對數(shù)據(jù)傳送信道的參數(shù)進(jìn)行協(xié)商,協(xié)商命令PN參數(shù)包括對將要建立的信道Channel 1的優(yōu)先級,最大幀長等,當(dāng)雙方協(xié)商好后建立傳輸數(shù)據(jù)的信道Channell。
?、咄ㄟ^RFooMM信道傳輸HS控制層的AT命令,即在RFCOMM數(shù)據(jù)傳送信道Channe1上利用UIH幀傳送AT+CKPD命令。當(dāng)接收到對方的響應(yīng)后,就可以開始建立SCO鏈接。
?、郒CI(主機(jī)控制接口)發(fā)一個WRITE_VOICE_SETTING命令,對音頻狀態(tài)進(jìn)行一些設(shè)置。當(dāng)接收到AG的建立SC0鏈接
的請求時,若HS允許,發(fā)送一個接收的HCI命令,在命令完成之后,傳輸音頻信號的SC0鏈路就建立好了,此時就可以進(jìn)行語音通信。
結(jié)語
本文給出了藍(lán)牙及藍(lán)牙耳機(jī)系統(tǒng)的基本概念及其在軟硬件方面的具體實(shí)現(xiàn)。藍(lán)牙耳機(jī)使用戶擺脫線纜的束縛,能夠在較大的自由空間內(nèi)通話。由于采用專用的聲音 編解碼芯片和標(biāo)準(zhǔn)音頻取樣率44.1 kHz,并經(jīng)過先進(jìn)的信號處理技術(shù),能夠使聲音效果接近CD音質(zhì),這樣也使藍(lán)牙耳機(jī)真正取代有線耳機(jī)成為可能。
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耳機(jī)放大電路
雙三極管ECC822電子管組成的OTL耳機(jī)放大器電路
本文用雙三極管ECC82(相當(dāng)于E802C、E82CC、與北美12AU7、國產(chǎn)6N10型)作為放大器。此類管子有指標(biāo)優(yōu)良和使用壽命長的特點(diǎn)。
如圖所示電路,用雙三極管ECC82(相當(dāng)于E802C、E82CC、與北美12AU7、國產(chǎn)6N10型)作為放大器。此類管子l有指標(biāo)優(yōu)良和使用壽命 長的特點(diǎn)。前置放大器要產(chǎn)生足夠的信號幅度去驅(qū)動耳機(jī)。管腳1、2、3、的三極管部分放大信號。輸入信號通過50kΩ音量控制對數(shù)式電位器P1(P1不在 圖 I中表示)到達(dá)電路板,再經(jīng)過C1、R1直接輸給前置放大級,而R1、C1l提供必需負(fù)柵偏壓。增益實(shí)質(zhì)上由R8決定。而最大輸入電壓由R2決定。R9是 這樣確定.即把靜態(tài)陽極電流選在特性曲線最大可能的線性部分。在陽極上被倒相和放大的輸入信號通過C2耦合到第二級柵極。第二級陰極電阻被分成R5和R6 兩部分。R5和R6串聯(lián)形成負(fù)載電阻。其分壓作用為柵偏壓選擇一個正確值。柵偏壓加到柵極之前經(jīng)R4和C3退耦和穩(wěn)定。由柵偏壓和相應(yīng)特性曲線決定的陽極 電流在R5和R6上形成壓降,嚴(yán)格地與電流成比例關(guān)系。此電壓接著經(jīng)過耦合電容C4饋給耳機(jī)。為避免耳機(jī)插入時產(chǎn)生喀啦噪聲,接入R7保持輸出在DC信號 地電位。上述僅介紹L(左)聲道電路工作原理。右聲道與此相同。
分立元件耳機(jī)放大電路以及差分功放仿真電路
分立元件耳機(jī)放大電路
電路圖OPA2134和三極管等元件組成。
差分功放仿真電路
三極管耳機(jī)兼線路放大器
本文介紹用3只電子管組裝的低阻抗線路放大器兼32Ω耳機(jī)放大器,它采用差動推挽放大和變壓器輸出,電路簡單容易制作,又可一機(jī)二用,值得有興趣的耳機(jī)愛好者仿制。
高保真立體聲耳機(jī)的電聲性能越來越好。它的聲音不受房間聲學(xué)條件的影響,也不會影響旁人的工作或休息,更有利于聆聽者全神貫注地領(lǐng)略音樂的旋律、節(jié)奏和 感人的氣氛。再加上耳機(jī)聽音系統(tǒng)的成本低、音質(zhì)好,日益受到發(fā)燒友的青睞。不過,利用一般功放的耳機(jī)插口聆聽音樂的效果還不夠理想,比較好的辦法是為耳機(jī) 專門定制一臺耳機(jī)放大器,現(xiàn)在已成為用耳機(jī)欣賞音樂的共識。
本文介紹用3只電子管組裝的低阻抗線路放大器兼32Ω耳機(jī)放大器,它采用差動推挽放大和變壓器輸出,電路簡單容易制作,又可一機(jī)二用,值得有興趣的耳機(jī)愛好者仿制。
一.電路和原理
圖1為本機(jī)電原理圖(只畫出左聲道,電源則為左右聲道共用)。整機(jī)放大部分只用3只MT電子管。一只12AT7/ECC81雙三極管作左、右聲道的輸入 級,一只12Au7/ECC82雙三極管作一個聲道的差動推挽輸出級。由于這個電路本身具有倒相作用,因而可省去一級倒相電路,簡化了電路結(jié)構(gòu)。
輸入端設(shè)有兩組輸入端子A、B,可用開關(guān)切換。為了改善整機(jī)特性,輸入級加有來自輸出級的負(fù)反饋。反饋量取lOdB比較適中。該管也可選用12AU7,不過增益略低,本電路選用12AT7,以保證增益和必要的負(fù)反饋量。
輸出級采用12AU7作推挽放大,如前所述它兼有倒相作用,故它無需輸入反相信號而只有一個信號輸入端。這個電路初看起來不太容易理解,其實(shí)它就是我們 熟悉的差分放大器。在晶體管電路中,差分放大器是司空見慣的,在電子管電路中差分放大器的使用相對比較少見。下面稍微說明一下。
這個電路結(jié)構(gòu)與晶體管差分放大器完全相同。它有兩個信號輸入端子,兩個信號輸出端子,陰極共用一個電阻。屏極采用電阻作負(fù)載。差放的運(yùn)用相當(dāng)靈活。它可 以在兩個輸入端子上都加信號,也可以只在一個輸入端子上加信號。而輸出信號可從兩個輸出端子上得到,也可從一個輸出端子上獲得。
下面為常見的3種工作方式。
?。?)當(dāng)兩個輸入端加上同相位、同幅度的信號時。在兩個輸出端子上得到同相位、同幅度的輸出信號。如作推挽輸出時,則兩者信號相互抵消,這對抑止輸入噪聲的輸出十分有利。
?。?)當(dāng)兩個輸入端加上反相的同幅度信號時,輸出端則得到兩個幅度相同的反相輸出信號。
?。?)當(dāng)僅在一個輸入端加上信號時,兩個輸出端上將獲得幅度相同、相位相反的輸出信號。
本機(jī)輸出級采用單端輸入信號(另一輸入端接地)、雙端輸出信號的工作方式(屏極用一輸出變壓器代替兩個負(fù)載電阻)。它既有(3)點(diǎn)的倒相作用,又有(1)點(diǎn)的抑噪作用,電路又簡單。
為了提高差分放大電路的對稱性及其特性,圖1輸出級兩只三極管陰極采用了恒流源電路,為此使用了一塊LM317穩(wěn)壓IC.作為耳機(jī)放大器,額定輸出功率 有100mW已經(jīng)足夠,本機(jī)采用12AU7作差分推挽放大,屏極電壓取180V,屏極電流約7.5mA,柵偏壓約一6V,采用輸出變壓器的初級阻抗為。 10kΩ時的A類最大輸出功率約150roW.此時屏極功耗為180V×7.5mA=1.35W,不到12Au7最大屏極損耗的一半,是相當(dāng)安全的。
最后要說明,本機(jī)作耳機(jī)放大器使用時,供阻抗為32Ω的耳機(jī)配合16Ω端子使用,此時輸出級的實(shí)際負(fù)載阻抗為20kQ.當(dāng)作線路放大器使用時,同樣使用 16 Q端子。不過為了避免因配接的后級功放輸入阻抗不同而造成本機(jī)輸出級的負(fù)載阻抗大幅度變動,16 Ω端子應(yīng)并聯(lián)一只33 n(2W)電阻到地。另外,本機(jī)的增益約3.2倍,作為線路放大器且與CD機(jī)直駁使用時,本機(jī)顯得增益過大,此時最好在輸出端接入圖3所示的衰減網(wǎng)絡(luò)。選 擇適當(dāng)?shù)乃p量;使系統(tǒng)正常聆聽時本機(jī)的音量電位器的轉(zhuǎn)角行程為一半左右,這樣可使本機(jī)工作在最佳狀態(tài)下。至于作為耳機(jī)放大器,線路放大器以及配接衰減網(wǎng) 絡(luò)之間如何實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換(用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換開關(guān)等),請制作者根據(jù)自己的實(shí)際需要自行設(shè)計,這里不再贅述。
二.元件和制作
本機(jī)大部分元件都很一般,圖1中已注明了要求,未注明要求的電阻均選用1/2 w的。穩(wěn)流源所用的電阻(50 Q、82 Q)和燈絲穩(wěn)壓IC所用的電阻(240t2、100t2、2k Ω)宜用1%誤差的電阻。高頻相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(200pF‘、30kΩ)中的電容可選用一般的云母電容器。
輸出變壓器采用日本平田電機(jī)制作所的FE—10一lO,其外形尺寸和接線端子如圖4所示。主要特性如下:(1)輸出功率:10W(50Hz)
(2)頻率響應(yīng):20Hz~50kHz(一ldB,輸入4v,2rn=ZP)
(3)一次側(cè)電感:l 0 0 H(1mW),最大50H(50Hz)
?。?)一次側(cè)容許DC電流:雙管90mA(不平衡電流4mA)
?。?)功率損耗:0.41dB(16 Ω)
(6)一次側(cè)DC電阻:410Ω輸出級陰極恒流源采用可調(diào)三端穩(wěn)壓IC接成恒流電路,采用LM31 7T可安裝在小型散熱片上,并注意與底盤之間的絕緣要可靠。為使穩(wěn)壓Ic作為恒流器件使用,只需在L=M317T輸出端接一電阻即可達(dá)到規(guī)定的恒流值。該 電阻可用1.25(v)/I(A)來求得。本機(jī)輸出級每管電流為7.5mA,兩管為15mA即O.015A,故R=1.25V/O.015A=83 Q,圖l中選用82 Ω。LM317T正常工作時要求其輸入至輸出端之間的壓降大于3V.本機(jī)輸出級陰極對地電壓約6v,其輸出端子對地電壓為1.2 5V,輸入端子電壓則可在4.25V以上,能滿足正常工作要求。在LM 3l 7T輸入端子和12AU7陰極之間的50Ω電阻是用來檢測陰極電流所設(shè)。燈絲供電采用LM3 50T穩(wěn)壓(也可采用LM317T),安裝時應(yīng)加小型散熱片。安裝時無論LM 3l 7還是LM350其3個端子切勿搞錯。
圖5為本機(jī)面板、底盤上下主要元件布置示意圖。電源和輸出變壓器均安裝于底盤上面,其中輸出變壓器臥式安裝。所有大電解電容器均臥式安裝在底盤下面。電子管及上述電解電容附近都設(shè)置了支架,以便直接搭接相關(guān)元件。
信號輸入端引線采用雙芯屏蔽線。圖6為雙芯屏蔽線的使用圖示。雙芯屏蔽線中的兩根芯線分別為信號線的“熱端”和“冷端”,屏蔽層則接地。也就是說在屏蔽層中沒有流過信號,因而信號不易受到其他雜散電流的干擾。
三.調(diào)蔓和性能
配線完成且檢查無誤之后可通電試驗(yàn)。首先斷開電源二次側(cè)高壓接線,然后在不插入電子管的情況下接通電源,檢查各管燈絲電壓是否正常。該電壓約為12.3V.如偏差過大,可微調(diào)LM350調(diào)整端對地的電阻值(100Ω)。
燈絲電壓正常后,可斷開電源并恢復(fù)電源高壓接線。然后插好各電子管再次接通電源,聽和看整機(jī)有無異常聲響或其他情況。如無異常情況,可用萬用表測試各管 陰極電壓。通常,只要陰極電壓正常,管子的工作狀態(tài)就多半沒有什么問題。 輸出級的有效屏極電壓約180V,陰極電壓約一5.6V.屏極電流可測量陰極50Ω電阻上的壓降得知。實(shí)測為1 5.6mA,每管電流為7.8mA.三端穩(wěn)壓IC上有3V壓降就能進(jìn)行正常的穩(wěn)流工作。
現(xiàn)在來看一下本機(jī)的各項實(shí)測性能。
四.輸入/輸出特性
本機(jī)增益為3.2倍,削波前的輸出電壓為2.6V,因此在33Ω耳機(jī)上輸出功率可達(dá)205mw,是設(shè)計值的1.3倍以上。這對耳放來說功率已十分充裕。 圖7為本機(jī)輸入/輸出特性,隨著輸入信號增加,在削波之前出現(xiàn)“圓頂”失真,能看到真正削波時的輸出功率實(shí)際上達(dá)到270mW。
?。?)頻響特性
圖8為本機(jī)頻響特性。作為耳機(jī)放大器,測試時功率取30mW.由圖可見lOHz時為一0.3dB,100kHz時為一1.3dB,無疑是一款寬頻帶耳 放。圖中還給出了10mV時的特性,這是推挽輸出變壓器在小輸出下工作時初級電感有所降低所引起的。不過低頻的下降也僅0.8dB,仍是相當(dāng)優(yōu)秀。
(3)失真特性圖9為本機(jī)的失真特性。10mw輸出時100Hz的失真為O.15%,1kHz失真為0.1%,10kHz為O.12%,應(yīng)該說還算不錯。
其他特性方面,也都不錯。阻尼系數(shù)在33 n負(fù)載下,20Hz~20kHz全頻段范圍內(nèi)達(dá)到8.3.這對獲得良好的低音重放是很重要的。左右聲道的分離度lkHz時達(dá)到一70dB.高頻20kHz 一般不超過一60dB,完全沒有什么問題。用耳機(jī)欣賞音樂時,殘留噪聲也是一項重要指標(biāo)。本機(jī)低達(dá)0.03~0.0 41“12V,這對于靈敏度為lOOdB/mW的耳機(jī),即使音量置于最大位置,也完全聽不到任何噪聲。本機(jī)方波響應(yīng)也很好,接上0.1 u F純電容負(fù)載也不必?fù)?dān)心電路會產(chǎn)生振蕩。
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