基于CC8520嵌入式無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)方案

　摘 要：為了解決目前無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)普遍存在的成本高、功耗大、音質(zhì)差，以及研發(fā)工程師關(guān)心的產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)、可靠性低的問(wèn)題。提出了基于TI 最新芯片CC8520 無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案采用2.4GHz無(wú)線技術(shù)；無(wú)需進(jìn)行繁瑣的軟件開(kāi)發(fā)，由配置器配置靈活、多樣以及所期望的功能；且芯片內(nèi)部集成微控制 器，無(wú)需額外的微控制器或DSP.論述了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及PuthPath 無(wú)線適配器的設(shè)置方法。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明：可以有效地提高音質(zhì)，降低功耗，可持續(xù)使用22 小時(shí)，傳輸距離130 米，滿足設(shè)計(jì)要求。該方案減少了產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，為設(shè)計(jì)音頻無(wú)線傳輸產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了一種新的思路。

　　近年來(lái)，無(wú)線技術(shù)在音頻傳輸領(lǐng)域得到越來(lái)越多的關(guān)注，包括藍(lán)牙、WIFI 以及2.4GHz 技術(shù)等得到了迅猛的發(fā)展。在眾多無(wú)線音頻傳輸技術(shù)中，目前被看好的，而且最有可能在普通音頻設(shè)備中、大面積使用的是2.4GHz 技術(shù)。2.4GHz，全名叫做“2.4GHz 非聯(lián)網(wǎng)解決方案”。它和藍(lán)牙、WiFi 一樣，都是工作在2.4-2.485GHz ISM 無(wú)線頻段上。而該頻段在全世界幾乎都是免費(fèi)授權(quán)使用的。因此，在產(chǎn)品成本上面天生會(huì)有一些優(yōu)勢(shì)，有助于產(chǎn)品的大面積普及。目前，藍(lán)牙技術(shù)在無(wú)線音頻產(chǎn)品中 使用的最多，技術(shù)也最成熟，但它具有先天性的缺點(diǎn)，比如說(shuō)：帶寬窄，達(dá)不到傳輸高品質(zhì)音頻信號(hào)的要求；傳輸距離近，10 米左右；還有被人們廣為詬病的抗干擾問(wèn)題。WIFI 技術(shù)具有帶寬寬，傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，具有相當(dāng)不錯(cuò)的前景，但其弊病還是在于抗干擾且技術(shù)相對(duì)不成熟。2.4GHz 技術(shù)在對(duì)比與藍(lán)牙、Wifi 的優(yōu)勢(shì)在于1） 帶寬寬，能夠傳輸CD 品質(zhì)的無(wú)線信號(hào)。2） 抗干擾強(qiáng)，2.4G 技術(shù)使用的是自動(dòng)調(diào)頻技術(shù)，設(shè)備在工作時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)頻段被占用，它就會(huì)自動(dòng)跳到一個(gè)無(wú)人使用的頻段。3） 功耗低，2.4GHz 技術(shù)在發(fā)射和接收時(shí)不需要連續(xù)工作。

　　本文提出了基于TI 公司CC8520 系列芯片無(wú)線音頻傳輸方案，該方案采用目前最熱門且有發(fā)展前景的2.4GHz 短距離無(wú)線傳輸技術(shù)；無(wú)需進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，只需通過(guò)TI 提供的免費(fèi)PurePath 無(wú)線配置器設(shè)置目標(biāo)系統(tǒng)的期望功能及參數(shù)，顯著減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)難度，并且提高了系統(tǒng)的可靠性。CC8520內(nèi)部集成了微控制器，無(wú)需額外的控制器或 DSP 即可完成對(duì)系統(tǒng)的控制，如音量調(diào)節(jié)、網(wǎng)絡(luò)配對(duì)等操作，并且提供數(shù)據(jù)旁路通道，即可以在傳輸音頻的同時(shí)，對(duì)接受端發(fā)送額外數(shù)據(jù)，降低了整體的成本。

　　經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該方案在使用9V 干電池的情況下可持續(xù)工作22 小時(shí)；可傳輸多路采樣率達(dá)（44.1/48KHz）及采樣位數(shù)（16/24 位）的高品質(zhì)立體聲；無(wú)障礙開(kāi)闊地傳輸距離達(dá)130 米，在擁擠、多障礙的環(huán)境下傳輸半徑仍可達(dá)35 米。

　1 系統(tǒng)概述

　　1.1 CC8520 芯片介紹

　　CC8520 芯片采用TI 公司“PurePath Wireless”的專有技術(shù)1.該芯片可以在各種復(fù)雜環(huán)境中提供無(wú)縫和可靠的音頻流式傳輸。運(yùn)用先進(jìn)的誤差校正及隱藏技術(shù)的嵌入式音頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，CD 品質(zhì)未壓縮音頻品質(zhì)采樣，采用I2S 和I2C 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與音頻編解碼器、DAC/ADC 和數(shù)字音頻放大器的無(wú)縫連接和控制，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率5Mbps，音頻延遲小于16ms，具有高達(dá)+4dBm 的可編程功率輸出和-83dBm的靈敏度）。需要很少的外圍器件，故CC8520 完全適合于無(wú)線音頻系統(tǒng)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)。

　　1.2 工作原理

　　如圖1 所示，在發(fā)送端，通過(guò)傳聲器（俗稱話筒、麥克風(fēng)）或模擬音頻接口將聲音或音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)；將模擬電信號(hào)傳送到音頻編解碼芯片 TLV320AIC3204 的音頻接口IN1_L、IN2_R 端，模擬電信號(hào)通過(guò)芯片內(nèi)部的前置放大，A/D 處理后轉(zhuǎn)換為I2S 格式的數(shù)字音頻信號(hào)，并傳送至CC8520的I2S 接口；CC8520 將接收到的數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行載波發(fā)射，通過(guò)與射頻擴(kuò)展器CC2590 的RF_N 和RF_P 端連接，將射頻信號(hào)通過(guò)芯片并經(jīng)由天線將音頻信號(hào)發(fā)射出去。

　　圖1 系統(tǒng)發(fā)射端原理框圖。

　　如圖2 所示，在接收端另一CC8520 芯片通過(guò)CC2590 將接收到載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，將解調(diào)的數(shù)字音頻信號(hào)傳送至音頻編解碼芯片TLV320AIC3204 進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換，輸出模擬音頻信號(hào)。因該芯片內(nèi)部的音頻放大增益較小，所以將模擬信號(hào)通過(guò)方向放大器進(jìn)行放大，通過(guò)功放或耳機(jī)輸出。

　　圖2 系統(tǒng)接收端原理框圖。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及PurePath無(wú)線適配器設(shè)置

　　2.1 發(fā)射部分設(shè)計(jì)

　　無(wú)線音頻發(fā)射端可采取便攜式手持設(shè)計(jì)，主要由無(wú)線數(shù)字音頻芯片CC8520 、音頻編解碼芯片TLV320AIC3204、射頻擴(kuò)展芯片CC2590 等低功耗微型貼片芯片組成，可全部裝配在便攜式設(shè)備狹小空間的電路板內(nèi)，其發(fā)射端電路原理如圖1 所示，當(dāng)CC8520 和TLV320AIC3204 作為發(fā)射端時(shí)，首先在PurePath 無(wú)線適配器Projects 中選擇“CC85XXDKdemo AIC3204 ”， 打開(kāi)后， 選擇“ Analog Inputmaster（AIC3204）”作為發(fā)射端配置。

　　考慮到在其在室內(nèi)使用，并且要發(fā)揮CC8520 高品質(zhì)CD 音質(zhì)的性能，音頻傳輸系統(tǒng)的主信號(hào)源1）選用良好聲學(xué)性能的麥克風(fēng)，連接至TLV320AIC3204的IN1_L 和IN1_R 端，進(jìn)行前置放大與A/D 轉(zhuǎn)換：

　　2）自帶CD 機(jī)或通過(guò)電腦播放的音樂(lè)等其他任何標(biāo)準(zhǔn)的立體聲音源可由TLV320AIC3204 的IN2_L 和IN2_R 端進(jìn)行前置放大和A/D 轉(zhuǎn)換， 因?yàn)門LV320AIC3204 支持麥克風(fēng)輸入和立體聲輸入兩種模式。

　　音頻編解碼芯片TLV320AIC3204 的I2S 接口與主芯片CC8520 相連接，并根據(jù)本系統(tǒng)傳輸音頻的特點(diǎn)，在PurePath 無(wú)線適配器設(shè)置，如圖3 所示。

　　圖3 PurePath 無(wú)線適配器音頻接口設(shè)置

　　接口形式：選擇I2S;最大處理位數(shù)：選擇16 位。

　　在本設(shè)計(jì)中TLV320AIC3204 使用CC8520 的 MCLK作為自己的系統(tǒng)時(shí)鐘，因此在時(shí)鐘源的選擇上使用“Internal with MCLK”。選擇完成后，系統(tǒng) 自動(dòng)生成控制指令，不需用戶進(jìn)行編程。

　　CC8520 內(nèi)置了微控制器，因此系統(tǒng)不需要額外的微控制器， 將芯片CC8520 通過(guò)I2C 接口與與TLV320AIC3204 連接，對(duì)TLV320AIC3204 進(jìn)行初始化和發(fā)送控制命令。

　　偏置電壓設(shè)置：音源的輸入在采用麥克風(fēng)輸入或立體聲輸時(shí)入，需設(shè)置偏置電壓。在硬件中，由R1和 R2 構(gòu)成偏置網(wǎng)絡(luò)；在PurePath 無(wú)線適配器“AudioDevice Customization”中進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)和本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，選擇2.5V 偏置電壓，故在該設(shè)置框中輸入“W 51 05”。

　　按鍵輸入：PurePath 無(wú)線適配器提供以下事件發(fā)生方式1.click 2.hold 3.repeat 4.click+repeat.這樣的好處是使設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶的需求或者是產(chǎn)品的需要靈活地選擇按鍵樣式，比如推拉式、觸發(fā)式、自鎖式等。

　　本次設(shè)計(jì)中在發(fā)射端，使用了三個(gè)按鍵，分別是網(wǎng)絡(luò)配對(duì)鍵、遠(yuǎn)程音量控制+鍵、遠(yuǎn)程音量控制-鍵。網(wǎng)絡(luò)配對(duì)鍵采用“hold”方式，即“按住”方式，音量控制鍵采用“hold+repeat”方式，即“可按住可輕點(diǎn)”。

　　網(wǎng)絡(luò)配對(duì)，音量+和-分別端接至CC8520 的CSN 端、GIO1 端、GIO3 端。這些均可在PurePath 無(wú)線適配器進(jìn)行簡(jiǎn)單的選擇。

　　狀態(tài)燈提示：在PurePath 無(wú)線適配器中設(shè)置的狀態(tài)顯示方式，在本設(shè)計(jì)中，選擇閃爍為網(wǎng)絡(luò)配對(duì)進(jìn)行，常亮為配對(duì)完成，如圖4 所示，為設(shè)置好的I/O 映射圖。

　　圖4 設(shè)置完的CC8520 的I/O 端口映射圖。

2.2 接收部分設(shè)計(jì)

　　無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)的接收端為固定形式，與發(fā)送端相類似，由無(wú)線數(shù)字音頻芯片CC8520、音頻編解碼芯片TLV320AIC3204、射頻擴(kuò)展芯片 CC2590，功率放大電路組成，接收端的電路主體部分與接收端相似，芯片CC8520 的I2C 接口與TLV320AIC3204 的I2C端連接，對(duì)其進(jìn)行初始化和發(fā)送控制命令。在PurePath無(wú)線適配器中選擇“Analog Output Slave（AIC3204）”作為接收端配置。

　　音頻編解碼芯片TLV320AIC3204 的I2S 接口與主芯片CC8520 相連接，將接收到的模擬音頻信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、后置放大等一系列處理，將數(shù)字音頻信號(hào)通過(guò) 1.送至功放從LOL、LOR 輸出 2.耳機(jī)或小型擴(kuò)音設(shè)備從HPL、HPR 輸出?？紤]到音頻編解碼芯片TLV320AIC3204 音頻放大作用有限，故在LOL、LOR模擬音頻信號(hào)輸出端設(shè)計(jì)放大器，將音頻信號(hào)再次放大，以便于連接至功放設(shè)備，原理如圖5 所示，設(shè)計(jì)采用性價(jià)比較高的4558 功放芯片作為主體，由+、-9伏電源進(jìn)行供電。放大后，通過(guò)卡儂接口，可連接至功放進(jìn)行進(jìn)一步的放大處理。

　　圖5 模擬信號(hào)放大電路原理圖。

　　3 系統(tǒng)配置流程

　　圖6 給出了在PurePath 無(wú)線配置器中的配置流程，工程師可根據(jù)硬件電路的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行配置。定制方式，當(dāng)設(shè)計(jì)者認(rèn)為默認(rèn)設(shè)置不滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)品的要求，如：需要更高級(jí) 的功能時(shí)；需要改變外部音頻接口的形式時(shí)，比如原本音頻接口是I2s，現(xiàn)在要以I2C 作為音頻傳輸接口；降低設(shè)備功耗，關(guān)閉在默認(rèn)設(shè)置中不需要的功能。

　　圖6 設(shè)計(jì)配置流程圖。

　　4 網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)及設(shè)備識(shí)別

　　在建立網(wǎng)絡(luò)配對(duì)時(shí)，由發(fā)送端的CC8520 建立網(wǎng)絡(luò)，作為該網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，如圖7 所示。這里需要注意到的是，該片CC8520 的設(shè)備ID 號(hào)就是所建立網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)，因此需要自動(dòng)固定配對(duì)時(shí)，需在PurePath 無(wú)線適配器“Netwok pairing”中“Default network ID”選項(xiàng)里將設(shè)備ID 號(hào)輸入。設(shè)備ID 號(hào)是獨(dú)一無(wú)二的，不能改變，這點(diǎn)與廠商ID 和產(chǎn)品ID 可自行定義不同。

　　本設(shè)計(jì)中音頻發(fā)射端（主機(jī)）可掛接多個(gè)接收端（從機(jī)），其音頻數(shù)據(jù)流向、旁路數(shù)據(jù)通道、建立網(wǎng)絡(luò)信號(hào)流如圖7 所示。

　　PurePath 無(wú)線適配器提供兩種自定義設(shè)備識(shí)別方式：1）廠商ID 2）產(chǎn)品ID.廠商ID 作用是設(shè)備自動(dòng)識(shí)別同一廠商生產(chǎn)的設(shè)備并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配對(duì)，當(dāng)其他廠商也采用CC8520 系列產(chǎn)品時(shí)，進(jìn)行過(guò)濾，不與之進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配對(duì)。產(chǎn)品ID 是同一家廠商有不同的 “CC8520”的產(chǎn)品時(shí)，比如：該廠商同時(shí)有無(wú)線耳機(jī)和無(wú)線話筒等產(chǎn)品時(shí)，防止不同產(chǎn)品間產(chǎn)生配對(duì)串?dāng)_。

　　圖7 網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了基于TI 最新芯片CC8520 無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用當(dāng)今熱門的2.4GHz 無(wú)線技術(shù)，無(wú)需進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，提高了系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明：可以有效地提高音質(zhì)，降低功耗，可持續(xù)使用22 小時(shí)，傳輸距離130 米，滿足設(shè)計(jì)要求，為設(shè)計(jì)無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)提供了一種新的思路。