藍牙MP3與FM立體聲耳機設(shè)計考慮

簡介: 由于手機和筆記本的快速普及，更多的手機廠商將內(nèi)嵌AV規(guī)格的藍牙作為標準配置，筆記本廠商也將具備EDR規(guī)格的藍牙作為標準配置，藍牙產(chǎn)品基于AG的應(yīng)用空間越來越廣泛。藍牙立體聲耳機與FM和MP3的三合一方案將會是市場的一大增長點。本文就世健系統(tǒng)(ESPL)基于CSR芯片的FM藍牙立體聲耳機與MP3的系統(tǒng)設(shè)計做簡要描述。

如圖1，整個系統(tǒng)可以獨立或是整合設(shè)計，根據(jù)客戶需求，可以形成：1，藍牙立體聲耳機(或帶來電顯示)；2，帶FM的耳機(或帶來電顯示)； 3，耳機和SD卡MP3播放功能；4，耳機、FM和MP3，四大產(chǎn)品系列， 豐富產(chǎn)品線。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

世健提供三種藍牙MP3方案，基于SIGMATEL 35/36xx/PHILIPS PNX0102+BC4ROM高性能和本文主要介紹的基于BC3MM EXT的低成本方案。

該系統(tǒng)采用CSR BC3MM作為主芯片，實現(xiàn)藍牙功能，支持藍牙1.2。BC3MM-EXT高度集成了RF，BB，片上1v8電源，16位的音頻CODEC(支持立體聲)并支持外部CODEC提供I2S和SPDIF接口，支持8M外接FLASH。此外，還有KAILMA DSP負責語音通訊質(zhì)量如回音的消除和SBC解碼工作等。SD card和OTI CHIP做為MP3功能可選電路。鑒于立體聲的STREAMING 和讀卡兩個通道，在SD card 和OTI CHIP用一MUX分開，在電路設(shè)計的時候應(yīng)充分考慮其邏輯關(guān)系。FM 和OLED也作為產(chǎn)品系列的可選部分，通過I2C總線與系統(tǒng)相連。基于PHILIPS的TEA5761設(shè)計，最大限度優(yōu)化了外圍器件。世健提供兩種選擇，F(xiàn)M模組的方式和CHIP ON BOARD的設(shè)計。選用OLED顯示的主流顯示技術(shù)，OLED與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，可以做到更薄更輕、響應(yīng)快、能耗低，主動發(fā)光、高清晰、低溫和抗震性能優(yōu)異、柔性和環(huán)保設(shè)計等特別適合便攜產(chǎn)品的設(shè)計。

ESPL提供功能完整的整合軟件，包含Profile：1，A2DP (AVRCP)；2，Headset；3，Handfree。ESPL參考設(shè)計MMI Configuration預(yù)留了用戶自行決定的各種USER Interface define。

電源管理

鑒于人耳聽到的20Hz~20kHz的頻段范圍，藍牙工作的頻段2.4GHz的開放頻段，耳機應(yīng)用對控制噪聲的嚴格要求，系統(tǒng)對電源芯片都有很高的抑制噪聲能力要求。 雖然片上集成了1V8線性電源，但便攜設(shè)備通常將功耗作為硬性指標，建議采用外接的DC-DC，如Microchip的TC1303B，靜態(tài)電流僅65UA。不僅如此，TC1303B還同時提供2.5V@300MA的LDO輸出，用來給CSR BC3MM EXT FLASH 供電。在設(shè)計中如果注重特性，建議選擇1V8的FLASH。功耗低，如注重價格，可用3V FLASH。在實際產(chǎn)品的測試中，采用TC1303B，3V3FLASH，則在系統(tǒng)進入SLEEP模式時候，功耗可達0.8MA，平均待機電流為1MA。如果換用TC1303A，則在系統(tǒng)進入SLEEP模式時候，功耗可達1.3MA。如果采用1V8的FLAH配合XCS9216(只輸出1V8，不需要為FLASH單獨提供3V電源)，則在系統(tǒng)進入SLEEP模式時候，功耗只有0.1MA，平均待機電流僅0.3-0.4MA。由此可見電路設(shè)計及其器件選型對產(chǎn)品的重要性。

電池充電管理IC 采用Microchip MCP73832，或是管腳兼容的LTC4054，實際測試對比兩者性能對藍牙產(chǎn)品的性能參數(shù)并無多大影響，建議采用MCP73832，因其具有較高的性價比。73832第一腳可直接控制充電狀態(tài)指示，可節(jié)省藍牙芯片PIO資源，在這里，有一點值得注意的是，如果是對于MP3功能的設(shè)計，使用USB的時候系統(tǒng)不能復(fù)位且必須能訪問MENORY并同時充電，在設(shè)計電路時候應(yīng)在充電IC的電池與負載之間加一CMOS管和二級管隔開，用以保證在電池電量非常小并在開機狀態(tài)的時候依然能夠充電完好。這跟電池的充電狀態(tài)有關(guān)，在系統(tǒng)沒有進入低功耗模式時需要更多的電流相對小電流充電狀態(tài)。如果在此之前啟動系統(tǒng)，則同時電池也會給負載供電，這樣導致芯片無法進入快速充電模式。 事實上，如果僅僅是針對立體聲耳機的設(shè)計，可以省掉這些器件換用RC復(fù)位電路以節(jié)省成本。CSR芯片底層的內(nèi)在FIRMWARE設(shè)計，在復(fù)位狀態(tài)后，系統(tǒng)檢測電池電量以確定充電狀態(tài)。如果低于某個門限電壓如2.3V，那么系統(tǒng)將不能被啟動。 直到系統(tǒng)認為充電狀態(tài)已經(jīng)到達快速模式，才啟動系統(tǒng)。

音頻電路

MIC偏壓電路選用XCS6219A272 LDO，因其突出的抑制噪聲能力(>75dB@1kHz、>70dB@10kHz)和小的封裝，軟件可以控制電源始能僅當通話狀態(tài)的時候才打開該電源以降低功耗。該部分電源走線的不好或是MIC器件選型不好都會帶來噪音，CSR建議采用靈敏度為-40DB到-60DB之間，通常采用-54DB，帶有內(nèi)部降噪功能，但通常這遠不能滿足設(shè)計指標要求。在通話狀態(tài)下經(jīng)常會有噪音，如果走線和靈敏度都OK依然存在噪音，與之有影響的因數(shù)還有RF部分電路，或是降低MIC的增益以達到期望品質(zhì)。 另外MIC輸出端的濾除GSM噪音的電感不應(yīng)省略。能有效驅(qū)除通話噪音。在設(shè)計MIC 電路的時候，值得注意的是有的客戶立體聲的設(shè)計中MIC-L/R通道都接上，實際只需要接一個MIC通道，遇到MIC沒有聲音的問題，這是因為FIRMWARE內(nèi)部PORT配置造成，軟件修改或是硬件改動連接端口就可解決。如下圖二，解釋了通道的建立過程。

圖2 通話狀態(tài)音頻路徑

當呼叫建立后，電話音源或TONES透過上圖綠色通道PORT0輸出到SPK，因為考慮到立體聲耳塞，所以實際應(yīng)用我們需要兩耳同時聽到對方說話聲音。實現(xiàn)起來很簡單，軟件上只需要同時PORT到0和1即可實現(xiàn)一個真實的假立體聲音效輸出。

configure PCM:

PcmRateAndRoute(0，PCM_NO_SYNC，(uint32)8000，(uint32)8000，VM_PCM_INTERNAL_A_AND_B)

MIC將聲音透過紅線傳輸給遠端用戶，這里我們可以看到MIC連接在PCM PORT0，即物理通道A。所以，系統(tǒng)的設(shè)計軟硬件一定要匹配，否則就會出現(xiàn)MIC沒聲音輸出。 在這里，值得一提的是，BC3MM 沒有利用MIC偵測使用環(huán)境周圍吵雜度，自動調(diào)整Speaker輸出增益，讓耳機自動保持最清晰且適當?shù)妮敵?。目前的設(shè)計階段是將MIC的增益固化，SPK的增益自己手動調(diào)節(jié)。

如下圖三，通過藍牙STREAMING立體聲音頻路徑。要欣賞音樂，SCO鏈路的質(zhì)量就顯得太差了。所以采用ACL鏈路來發(fā)送數(shù)據(jù)包，但ACL鏈路是為突發(fā)的數(shù)據(jù)設(shè)計的，不是音頻，因此他會對數(shù)據(jù)包從發(fā)導致延遲，通過在接收方進行包緩沖，就可以向MP3解碼器送入穩(wěn)定的信息流。這就涉及到應(yīng)用程序必須保證即使存在錯誤，所使用的壓縮方法也要允許所有信息都必須通過信道。雖然理論上733.2KBPS，但實際需要額外占用帶寬。所以MP3的編碼必須壓縮為小于這個理論的最大值，現(xiàn)有的設(shè)計中采用SBC的方式。DSP解碼SBC，DAC將數(shù)字信號還原為模擬信號，該過程聲音質(zhì)量有極大的影響，憑借DSP快速且大量的數(shù)據(jù)運算能力及其多重算法支持，以及內(nèi)置的16為DAC轉(zhuǎn)化，在聲音質(zhì)量與噪聲C處理能力上有著相當大的提升，SBC 解碼支持Max 200kbps，48.000kHz。

路徑配置如下:

PcmRateAndRoute(0， PCM_NO_SYNC， SampleRate， SampleRate， VM_PCM_INTERNAL_A_)

PcmRateAndRoute(1， PCM_NO_SYNC， SampleRate， SampleRate， VM_PCM_INTERNAL_B_)

圖3 藍牙立體聲音頻路徑

耳機驅(qū)動功放采用TI的TPA6112A2，該器件提供150MW的立體聲輸出。它有三個主要的優(yōu)點適合于藍牙的應(yīng)用，第一、支持全差分的輸入，第二、內(nèi)建POP REDUCE電路，第三、內(nèi)部MID-RAIL 電路。設(shè)計中注意電源濾波的處理，過大的電容會影響啟動的延時，反饋電組的取值以及并聯(lián)電容的取值，如果過大直接影響噪音，通常建議1PF或是不接該電容。

值得注意的是MIC的偏壓電路，通常考慮用一個PIO來控制電源以節(jié)省電能，CSR的底層軟件已經(jīng)做好在語音呼叫與通話的過程中(既SCO/ACL鏈路建立)PIO輸出高，

用以控制偏壓， 但同時，有的電路設(shè)計期望該電壓又同時能給音頻放大電路供電，通過控制電源供給以節(jié)省功耗?？墒沁@里有一個問題，就是在SCO/ACL鏈路建立好后，用戶按鍵接聽或是按鍵響應(yīng)上下首歌曲，會有噪音。這是因為CSR 底層FIRMWARE的控制，鏈路會有一個先斷開在建立通道連接的過程，應(yīng)用成的軟件無法做到控制該進行時態(tài)的控制，而正是這個過程會讓電源有個突變，這個突變往往很容易帶來瞬時噪音，用戶可以體驗到接聽電話或是播放歌曲按鍵過程的瞬時雜音。也可以用示波器捕捉到該過程，有幾個可行的方法， 第一，在當前狀態(tài)按鍵動作后用軟件加以靜音或是延時1-2S響應(yīng)，去除該時段的瞬時噪音，但這樣做很難保證軟件設(shè)定時間的精確性，往往會造成一些錯誤的動作，比如，STREAM MP3的時候按播放下曲按鍵，用戶可可能會聽到靜音―-當前歌曲(短暫)--下曲的過程。第二，硬件按鍵延時電路，實驗證明可行，但同樣存在準確性問題。第三，利用TPA6112A2的SHUTDOWN功能。音頻功放提供不受控制的電源，利用PIO制SHUTDOWN引腳，這樣避免了電源的切換產(chǎn)生的噪音。有的用戶可能會提出功耗的質(zhì)疑，在SHUTDOWN 狀態(tài)，TPA6112A2的DATASHEET通常僅10UA耗電量。

耳機當作電話用，BUZZER的功能很必要，正是因為這個功能的完善讓眾多的消費者選擇藍牙耳機，因為你不帶在耳朵上的時候你同樣可以聽到來電鈴聲提示。 CSR的芯片PIO口雖然能模擬出高低變化的脈沖，但是因為FIRMWAE設(shè)定PIO的輸出優(yōu)先級別最低，所以輸出脈沖經(jīng)常不準確，同時PIO也無法直接模擬提供用于驅(qū)動BUZZER的頻率脈沖，所以，該部分的設(shè)計不像通常的MCU設(shè)計直接用GPIO模擬驅(qū)動(比如手機的BUZZER可以這樣做得到)， 而是借助于PIO口的中斷產(chǎn)生一個頻率很低的脈沖，這個脈沖用于控制BUZZER的節(jié)奏，而驅(qū)動BUZZER所要的頻率則選擇硬件實現(xiàn)，比如555電路。

RF 電路

天線設(shè)計的好壞以及其匹配的程度，都對通話質(zhì)量和距離起到很大的作用，對于對語音質(zhì)量要求較高的客戶建議選擇MTCL天線。walsin和CSG都具備良好的性價比，而gigaant 的天線則提供了最佳性能，匹配的設(shè)計過程很簡單，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀10分鐘一般能搞定，這部分關(guān)鍵是要選擇好天線廠家并獲得技術(shù)支持。

采用BC3MM EXT芯片CHIP ON BOARD的方式，外加DBF81F106 BALUN，實際測試RF最大功率可以大到4DB左右，完全滿足要求。需要理解的是不是每個廠家都能做到

這樣好的RF特性，這跟布局，走線，器件的選擇，電源的設(shè)計以及FIRMWARE的設(shè)定都有很大關(guān)系，尤其是RF 參數(shù)的優(yōu)化設(shè)定。這就是為何有的優(yōu)化只能達到0.5DB的提升，而同樣的優(yōu)化，在不同PCBA和不同F(xiàn)IRMWARE環(huán)境下卻可以做到3 DB的提升。

藍牙產(chǎn)品的RF測試是個必須的環(huán)節(jié)，不僅僅是RF測試，藍牙地址碼的寫入以及出于對產(chǎn)品和晶體一致性的考慮，晶體的調(diào)節(jié)都是必須的，世健系統(tǒng)提供完整的軟硬件測試方案，該部分內(nèi)容較多，限于篇幅，將另外詳細介紹。

結(jié)語

ESPL不僅只提供的完整藍牙立體聲耳機+MP3+FM軟硬件解決方案，并提供生產(chǎn)測試的建立， 從器件的選型到生產(chǎn)的全方位支持極大的加速了產(chǎn)品上市的速度。