藍(lán)牙MP3與FM立體聲耳機(jī)設(shè)計(jì)考慮

簡(jiǎn)介: 由于手機(jī)和筆記本的快速普及，更多的手機(jī)廠商將內(nèi)嵌AV規(guī)格的藍(lán)牙作為標(biāo)準(zhǔn)配置，筆記本廠商也將具備EDR規(guī)格的藍(lán)牙作為標(biāo)準(zhǔn)配置，藍(lán)牙產(chǎn)品基于AG的應(yīng)用空間越來(lái)越廣泛。藍(lán)牙立體聲耳機(jī)與FM和MP3的三合一方案將會(huì)是市場(chǎng)的一大增長(zhǎng)點(diǎn)。本文就世健系統(tǒng)(ESPL)基于CSR芯片的FM藍(lán)牙立體聲耳機(jī)與MP3的系統(tǒng)設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要描述。

    如圖1，整個(gè)系統(tǒng)可以獨(dú)立或是整合設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶需求，可以形成：1，藍(lán)牙立體聲耳機(jī)(或帶來(lái)電顯示)；2，帶FM的耳機(jī)(或帶來(lái)電顯示)； 3，耳機(jī)和SD卡MP3播放功能；4，耳機(jī)、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(lán)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(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能，支持藍(lán)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(fù)責(zé)語(yǔ)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(gè)通道，在SD card 和OTI CHIP用一MUX分開(kāi)，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)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(guò)I2C總線與系統(tǒng)相連?；赑HILIPS的TEA5761設(shè)計(jì)，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(jì)。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(dòng)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(jì)等特別適合便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

    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(jì)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(tīng)到的20Hz~20kHz的頻段范圍，藍(lán)牙工作的頻段2.4GHz的開(kāi)放頻段，耳機(jī)應(yīng)用對(duì)控制噪聲的嚴(yán)格要求，系統(tǒng)對(duì)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(biāo)，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(shí)提供2.5V@300MA的LDO輸出，用來(lái)給CSR BC3MM EXT FLASH 供電。在設(shè)計(jì)中如果注重特性，建議選擇1V8的FLASH。功耗低，如注重價(jià)格，可用3V FLASH。在實(shí)際產(chǎn)品的測(cè)試中，采用TC1303B，3V3FLASH，則在系統(tǒng)進(jìn)入SLEEP模式時(shí)候，功耗可達(dá)0.8MA，平均待機(jī)電流為1MA。如果換用TC1303A，則在系統(tǒng)進(jìn)入SLEEP模式時(shí)候，功耗可達(dá)1.3MA。如果采用1V8的FLAH配合XCS9216(只輸出1V8，不需要為FLASH單獨(dú)提供3V電源)，則在系統(tǒng)進(jìn)入SLEEP模式時(shí)候，功耗只有0.1MA，平均待機(jī)電流僅0.3-0.4MA。由此可見(jiàn)電路設(shè)計(jì)及其器件選型對(duì)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(shí)際測(cè)試對(duì)比兩者性能對(duì)藍(lán)牙產(chǎn)品的性能參數(shù)并無(wú)多大影響，建議采用MCP73832，因其具有較高的性價(jià)比。73832第一腳可直接控制充電狀態(tài)指示，可節(jié)省藍(lán)牙芯片PIO資源，在這里，有一點(diǎn)值得注意的是，如果是對(duì)于MP3功能的設(shè)計(jì)，使用USB的時(shí)候系統(tǒng)不能復(fù)位且必須能訪問(wèn)MENORY并同時(shí)充電，在設(shè)計(jì)電路時(shí)候應(yīng)在充電IC的電池與負(fù)載之間加一CMOS管和二級(jí)管隔開(kāi)，用以保證在電池電量非常小并在開(kāi)機(jī)狀態(tài)的時(shí)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(méi)有進(jìn)入低功耗模式時(shí)需要更多的電流相對(duì)小電流充電狀態(tài)。如果在此之前啟動(dòng)系統(tǒng)，則同時(shí)電池也會(huì)給負(fù)載供電，這樣導(dǎo)致芯片無(wú)法進(jìn)入快速充電模式。 事實(shí)上，如果僅僅是針對(duì)立體聲耳機(jī)的設(shè)計(jì)，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(jì)，在復(fù)位狀態(tài)后，系統(tǒng)檢測(cè)電池電量以確定充電狀態(tài)。如果低于某個(gè)門(mén)限電壓如2.3V，那么系統(tǒng)將不能被啟動(dòng)。 直到系統(tǒng)認(rèn)為充電狀態(tài)已經(jīng)到達(dá)快速模式，才啟動(dòng)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(dāng)通話狀態(tài)的時(shí)候才打開(kāi)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(huì)帶來(lái)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(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在通話狀態(tài)下經(jīng)常會(huì)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(dá)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(jì)MIC 電路的時(shí)候，值得注意的是有的客戶立體聲的設(shè)計(jì)中MIC-L/R通道都接上，實(shí)際只需要接一個(gè)MIC通道，遇到MIC沒(méi)有聲音的問(wèn)題，這是因?yàn)镕IRMWARE內(nèi)部PORT配置造成，軟件修改或是硬件改動(dòng)連接端口就可解決。如下圖二，解釋了通道的建立過(guò)程。

圖2 通話狀態(tài)音頻路徑

    當(dāng)呼叫建立后，電話音源或TONES透過(guò)上圖綠色通道PORT0輸出到SPK，因?yàn)榭紤]到立體聲耳塞，所以實(shí)際應(yīng)用我們需要兩耳同時(shí)聽(tīng)到對(duì)方說(shuō)話聲音。實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單，軟件上只需要同時(shí)PORT到0和1即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)真實(shí)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(guò)紅線傳輸給遠(yuǎn)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(jì)軟硬件一定要匹配，否則就會(huì)出現(xiàn)MIC沒(méi)聲音輸出。 在這里，值得一提的是，BC3MM 沒(méi)有利用MIC偵測(cè)使用環(huán)境周?chē)畴s度，自動(dòng)調(diào)整Speaker輸出增益，讓耳機(jī)自動(dòng)保持最清晰且適當(dāng)?shù)妮敵觥Ｄ壳暗脑O(shè)計(jì)階段是將MIC的增益固化，SPK的增益自己手動(dòng)調(diào)節(jié)。

    如下圖三，通過(guò)藍(lán)牙STREAMING立體聲音頻路徑。要欣賞音樂(lè)，SCO鏈路的質(zhì)量就顯得太差了。所以采用ACL鏈路來(lái)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(jì)的，不是音頻，因此他會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包從發(fā)導(dǎo)致延遲，通過(guò)在接收方進(jìn)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(cuò)誤，所使用的壓縮方法也要允許所有信息都必須通過(guò)信道。雖然理論上733.2KBPS，但實(shí)際需要額外占用帶寬。所以MP3的編碼必須壓縮為小于這個(gè)理論的最大值，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中采用SBC的方式。DSP解碼SBC，DAC將數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)，該過(guò)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(yùn)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(dāng)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(lán)牙立體聲音頻路徑

    耳機(jī)驅(qū)動(dòng)功放采用TI的TPA6112A2，該器件提供150MW的立體聲輸出。它有三個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)適合于藍(lán)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(jì)中注意電源濾波的處理，過(guò)大的電容會(huì)影響啟動(dòng)的延時(shí)，反饋電組的取值以及并聯(lián)電容的取值，如果過(guò)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?？紤]用一個(gè)PIO來(lái)控制電源以節(jié)省電能，CSR的底層軟件已經(jīng)做好在語(yǔ)音呼叫與通話的過(guò)程中(既SCO/ACL鏈路建立)PIO輸出高，

    用以控制偏壓， 但同時(shí)，有的電路設(shè)計(jì)期望該電壓又同時(shí)能給音頻放大電路供電，通過(guò)控制電源供給以節(jié)省功耗。可是這里有一個(gè)問(wèn)題，就是在SCO/ACL鏈路建立好后，用戶按鍵接聽(tīng)或是按鍵響應(yīng)上下首歌曲，會(huì)有噪音。這是因?yàn)镃SR 底層FIRMWARE的控制，鏈路會(huì)有一個(gè)先斷開(kāi)在建立通道連接的過(guò)程，應(yīng)用成的軟件無(wú)法做到控制該進(jìn)行時(shí)態(tài)的控制，而正是這個(gè)過(guò)程會(huì)讓電源有個(gè)突變，這個(gè)突變往往很容易帶來(lái)瞬時(shí)噪音，用戶可以體驗(yàn)到接聽(tīng)電話或是播放歌曲按鍵過(guò)程的瞬時(shí)雜音。也可以用示波器捕捉到該過(guò)程，有幾個(gè)可行的方法， 第一，在當(dāng)前狀態(tài)按鍵動(dòng)作后用軟件加以靜音或是延時(shí)1-2S響應(yīng)，去除該時(shí)段的瞬時(shí)噪音，但這樣做很難保證軟件設(shè)定時(shí)間的精確性，往往會(huì)造成一些錯(cuò)誤的動(dòng)作，比如，STREAM MP3的時(shí)候按播放下曲按鍵，用戶可可能會(huì)聽(tīng)到靜音—-當(dāng)前歌曲(短暫)--下曲的過(guò)程。第二，硬件按鍵延時(shí)電路，實(shí)驗(yàn)證明可行，但同樣存在準(zhǔn)確性問(wèn)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(huì)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(jī)當(dāng)作電話用，BUZZER的功能很必要，正是因?yàn)檫@個(gè)功能的完善讓眾多的消費(fèi)者選擇藍(lán)牙耳機(jī)，因?yàn)槟悴粠г诙渖系臅r(shí)候你同樣可以聽(tīng)到來(lái)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?yàn)镕IRMWAE設(shè)定PIO的輸出優(yōu)先級(jí)別最低，所以輸出脈沖經(jīng)常不準(zhǔn)確，同時(shí)PIO也無(wú)法直接模擬提供用于驅(qū)動(dòng)BUZZER的頻率脈沖，所以，該部分的設(shè)計(jì)不像通常的MCU設(shè)計(jì)直接用GPIO模擬驅(qū)動(dòng)(比如手機(jī)的BUZZER可以這樣做得到)， 而是借助于PIO口的中斷產(chǎn)生一個(gè)頻率很低的脈沖，這個(gè)脈沖用于控制BUZZER的節(jié)奏，而驅(qū)動(dòng)BUZZER所要的頻率則選擇硬件實(shí)現(xiàn)，比如555電路。

RF 電路

    天線設(shè)計(jì)的好壞以及其匹配的程度，都對(duì)通話質(zhì)量和距離起到很大的作用，對(duì)于對(duì)語(yǔ)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(jià)比，而gigaant 的天線則提供了最佳性能，匹配的設(shè)計(jì)過(guò)程很簡(jiǎn)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(shí)際測(cè)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(gè)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(jì)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(dá)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(lán)牙產(chǎn)品的RF測(cè)試是個(gè)必須的環(huán)節(jié)，不僅僅是RF測(cè)試，藍(lán)牙地址碼的寫(xiě)入以及出于對(duì)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(cè)試方案，該部分內(nèi)容較多，限于篇幅，將另外詳細(xì)介紹。

結(jié)語(yǔ)

    ESPL不僅只提供的完整藍(lán)牙立體聲耳機(jī)+MP3+FM軟硬件解決方案，并提供生產(chǎn)測(cè)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。