市場(chǎng)對更大移動(dòng)性的需求導致傳統有線(xiàn)音頻娛樂(lè )產(chǎn)品向無(wú)線(xiàn)遷移。由于產(chǎn)品制造商希望切斷娛樂(lè )電子產(chǎn)品的電源線(xiàn)，工程師在保持電池供電無(wú)線(xiàn)音頻設計的信號范圍、音質(zhì)和最長(cháng)播放時(shí)間方面面臨著(zhù)重大挑戰。為滿(mǎn)足這些要求，工程師可以利用來(lái)自多家制造商的大量可用產(chǎn)品，包括（按字母順序）Analog Devices、Cirrus Logic、CSR、飛思卡爾半導體、凌力爾特技術(shù)、Linx Technologies、Maxim Integrated Products、Microchip Technology、NXP Semiconductors、Quickfilter Technologies 和Texas Instruments等。

在典型的無(wú)線(xiàn)娛樂(lè )系統（圖 1）中，源信號通過(guò)帶有可選范圍擴展器的無(wú)線(xiàn)射頻接口傳輸到播放器系統，例如立體聲耳機或揚聲器。在播放器內，相應的無(wú)線(xiàn)射頻接口接收信號以供編解碼器、音頻處理器或 DSP 處理，以創(chuàng )建驅動(dòng)到揚聲器的最終模擬信號。一個(gè)適當的電源，通常包括一個(gè)電池和充電管理電路，完成了系統。

圖 1：典型的無(wú)線(xiàn)音頻系統依賴(lài)于發(fā)射器和接收器之間可靠的無(wú)線(xiàn)通信，
以及接收端的高效音頻處理。（德州儀器提供。）

在創(chuàng )建無(wú)線(xiàn)娛樂(lè )設計時(shí)，工程師面臨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信和音頻處理方面的特殊挑戰。具有高吞吐量和信號完整性的可靠射頻通信對于確保用戶(hù)即使在距離音頻源的擴展范圍內也能獲得不間斷的音頻體驗至關(guān)重要。同時(shí)，強大的音頻信號處理對于保持音頻保真度和提供市場(chǎng)預期的音頻功能范圍至關(guān)重要。針對每個(gè)子系統的可用集成解決方案可以幫助工程師滿(mǎn)足這些要求，同時(shí)降低設計復雜性和成本。

頻帶

遺留問(wèn)題、市場(chǎng)接受度和未授權帶寬的可用性通常會(huì )推動(dòng)無(wú)線(xiàn)電通信頻率的選擇。同時(shí)，滿(mǎn)足增加操作范圍和延長(cháng)電池壽命的要求為有用頻段設置了界限。

對增加功率的需求是對更遠距離操作的渴望的自然結果，但射頻波長(cháng)的選擇在平衡范圍和功率方面起著(zhù)至關(guān)重要的作用。射頻波長(cháng)和范圍之間的關(guān)系在 Friis 傳輸方程中進(jìn)行了描述：

其中

Pt = 發(fā)射功率
Pr = 接收功率
Gt = 發(fā)射器天線(xiàn)增益
Gr = 接收器天線(xiàn)增益
λ = 波長(cháng)
d = 發(fā)射器和接收器之間的距離

對于統一參數，距離成為波長(cháng)的簡(jiǎn)單線(xiàn)性函數，因此更長(cháng)波長(cháng)的無(wú)線(xiàn)電通信等同于更大的范圍。當然，更長(cháng)的波段面臨著(zhù)包括干擾和有效載荷帶寬在內的問(wèn)題。在這種情況下，2.4 GHz ISM 頻段在實(shí)際范圍限制和有用帶寬之間提供了良好的平衡。

2.4 GHz 解決方案的吸引力在于它們能夠以低功耗提供有用的有效范圍，以及它們的全球可用性。在藍牙等標準中使用的基于跳頻擴頻 （FHSS） 的 2.4 GHz 設計具有在高度活躍的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境中相對不受干擾信號影響的優(yōu)勢。與較低的 ISM 頻段相比，這些系統還提供足夠的數據帶寬，以允許高質(zhì)量立體聲的數字傳輸，后者通常僅限于模擬或較低數據速率的數字音頻。

藍牙標準工作頻率為 2.4 GHz，非常適合消費者的連接要求。它的廣泛使用使得基于藍牙的無(wú)線(xiàn)音頻播放器很可能會(huì )找到兼容的音頻主機，例如計算機、筆記本電腦、平板電腦和智能手機。但是，使用藍牙需要使用經(jīng)典藍牙或藍牙智能就緒設備支持的數據吞吐率，這些設備以雙模式運行，同時(shí)支持經(jīng)典藍牙和低帶寬藍牙低功耗 （LE）。低功耗藍牙旨在提供來(lái)自低功耗設備的短暫數據突發(fā)，并非旨在提供經(jīng)典藍牙支持和無(wú)線(xiàn)數字音頻所需的那種持續數據流。

工程師可以通過(guò)在嵌入式處理器（例如 Freescale Semiconductor KineTIs系列、Microchip Technology PIC24系列和 Texas Instruments Stellaris系列等）上運行適當配置的藍牙軟件堆棧來(lái)實(shí)施經(jīng)典藍牙。這種嵌入式軟件方法提供各種藍牙服務(wù)，包括高級音頻分發(fā)規范 （A2DP），它提供了流式立體聲音頻的標準。在大多數經(jīng)典藍牙設備中，A2DP 是一種熟悉的選項，它提供的音頻被大多數聽(tīng)眾認為是心理聲學(xué)上可接受的。

除了通用嵌入式處理器解決方案外，CSR BC57G687C 等專(zhuān)用設備還集成了音頻信號電路，以減少組件數量并提高電源效率。CSR BlueCore5-MulTImedia 系列的成員 BC57G687C 將藍牙堆棧 16 位 RISC MCU 與 Kalimba 64 MIPS 24 位 DSP 協(xié)處理器和片上存儲器相結合（圖 2）。該設備的藍牙調制解調器完善了這種無(wú)線(xiàn)解決方案。

圖 2：CSR BlueCore5 系列等集成多媒體 SoC 將藍牙無(wú)線(xiàn)電功能與無(wú)線(xiàn)音頻應用中使用的廣泛片上處理功能相結合。（由 CSR 提供。）

Sub-GHz 替代品

藍牙對用戶(hù)和大多數設計人員的普遍性和熟悉性賦予它作為無(wú)線(xiàn)音頻解決方案的明顯優(yōu)勢。然而，旨在支持任意產(chǎn)品之間連接的藍牙等標準在通信中施加了開(kāi)銷(xiāo)，以確保異構無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)之間的授權、可靠通信。對于尋求更大范圍或更大音頻吞吐量的工程師來(lái)說(shuō)，其他選項具有自己的優(yōu)勢。

雖然首選通常是 2.4 或 5.8 GHz ISM 頻段，但 sub-GHz 頻段仍然是一個(gè)可行的選擇。調制技術(shù)的改進(jìn)增強了抗干擾能力，緩解了早期 sub-GHz 方法中存在的共存問(wèn)題。最重要的是，使用 sub-GHz ISM 頻段意味著(zhù)更寬的范圍和更低的功率要求，這兩者當然是無(wú)線(xiàn)音頻設計的核心問(wèn)題。

正如 Friis 方程所示，低頻信號轉化為相應更長(cháng)的范圍。鑒于此，sub-GHz 無(wú)線(xiàn)通信對于最大范圍是首要關(guān)注且音頻要求不那么密集的應用仍然具有吸引力。

例如，Linx Technologies 引用其TXM-900-HP3之間的通信距離為 1，000 英尺。發(fā)射器模塊和RXM-900-HP3接收器模塊。這些模塊設計為無(wú)線(xiàn)應用的嵌入式解決方案，只需一根天線(xiàn)即可完成能夠傳輸模擬 FM 和數字 FSK 信息的 900 MHz 多通道射頻設計。TXM-900-HP3 發(fā)射器使用其精密的 12 MHz 壓控晶體振蕩器 （VCXO） 來(lái)驅動(dòng) PLL，以形成由板載微控制器管理的頻率合成器，從而允許基于軟件的通道選擇（圖 3）。RXM-900-HP3 中的互補接收器模塊解調信號以提供模擬和數字數據，以及可用于用戶(hù)范圍顯示指示器的 RSSI 值。

圖 3：TXM-900-HP3 發(fā)射器信號路徑使用 MCU 控制的 PLL 在 900 MHz 頻帶中提供軟件控制的通道選擇。（由 Linx Technologies 提供。）

工程師還可以找到各種 RF IC 來(lái)構建在 900 MHz 頻段運行的定制無(wú)線(xiàn)音頻解決方案。例如，ADI公司的ADF7025是一款 ISM 收發(fā)器 IC，可在包括 900 MHz ISM 頻段在內的多個(gè)頻段中運行。ADF7025 包括一個(gè)片上 ADC，無(wú)需單獨的 ADC 即可采集溫度、電池狀態(tài)或 RSSI 等基本數據。因此，該設備只需要很少的外部組件即可提供具有成本效益的解決方案。此外，工程師可以調整設備以平衡功率和靈敏度要求。ADF7025 的信號鏈包括接收器線(xiàn)性度、靈敏度和濾波器帶寬的多個(gè)可編程選項（圖 4）。

圖 4：工程師可以在 ADF7025 前端設置多個(gè)可編程選項，以權衡對功率、線(xiàn)性度、靈敏度和濾波器帶寬的要求。（由 Analog Devices 提供。）

專(zhuān)有的 2.4-GHz 解決方案

雖然經(jīng)典藍牙無(wú)處不在，sub-GHz 提供擴展范圍，但使用 2.4 GHz ISM 和專(zhuān)有通信協(xié)議為在可接受的范圍和功率下獲得最高質(zhì)量的多通道音頻打開(kāi)了大門(mén)。憑借其輕量級、特定于應用程序的堆棧，專(zhuān)有協(xié)議可減少開(kāi)銷(xiāo)并為有效負載節省最大帶寬。另一方面，專(zhuān)有協(xié)議也意味著(zhù)主機也需要橋接設備。然而，對于無(wú)線(xiàn)音頻系統，專(zhuān)門(mén)的橋接設備可以簡(jiǎn)單地內置到播放器設備和主機“控制臺”單元中，例如，在任何情況下，它都可以用于揚聲器狀態(tài)的用戶(hù)顯示。

德州儀器 PurePath 無(wú)線(xiàn)平臺專(zhuān)為高質(zhì)量多通道音頻的無(wú)線(xiàn)流式傳輸而設計，在其收發(fā)器和范圍擴展器組中使用了這種專(zhuān)有方法。TI PurePath 器件包括兩通道CC8520和四通道CC8530以及CC8521和CC8531版本，它們還提供 USB 音頻支持。CC85xx SoC 集成了從 RF 到數字輸出的完整信號路徑，使工程師能夠用很少的附加組件構建無(wú)線(xiàn)音頻設計（圖 5）。

圖 5：在 TI PurePath 平臺中，CC85xx 器件為無(wú)線(xiàn)多通道數字音頻提供單芯片解決方案。工程師可以通過(guò)附加芯片來(lái)擴大范圍和音質(zhì)，以進(jìn)行范圍擴展和音頻處理。（德州儀器提供。）

PurePath 系統充分利用專(zhuān)有協(xié)議的靈活性來(lái)提供 16 位 44.1 或 48 kHz 未壓縮音頻，不會(huì )產(chǎn)生不必要的噪音或丟失。為了防止射頻干擾或多路徑衰落效應造成的音頻問(wèn)題，該系統允許工程師將每個(gè)單獨采樣率的音頻延遲配置為 768 到 2，048 個(gè)樣本之間的值。這種音頻延遲會(huì )導致音頻流中的系統延遲，從而允許識別和重新傳輸無(wú)法通過(guò)系統內置插值算法糾正的數據。

除了自適應的先聽(tīng)后說(shuō)機制外，PurePath 平臺還使用專(zhuān)有的跳頻方案來(lái)增強系統在活動(dòng)環(huán)境中與其他 2.4 GHz 信號源共存的能力。通過(guò)這種方案，片上控制器可以在幾十毫秒內動(dòng)態(tài)切換到更清晰的射頻通道。在這種方法中，設備將 2.4 GHz 頻段分成 18 個(gè)射頻通道，隨時(shí)使用四個(gè)最佳通道進(jìn)行主動(dòng)傳輸。在使用四個(gè)活動(dòng)通道的實(shí)際傳輸過(guò)程中，設備還會(huì )掃描 14 個(gè)不活動(dòng)通道中的每一個(gè)，計算每個(gè)通道的服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 估計值，并將任何活動(dòng)通道替換為顯示更高 QoS 的任何通道。

為了進(jìn)一步提高信號質(zhì)量和范圍，工程師可以利用 CC85xx 的天線(xiàn)分集功能。在這里，該設備使用外部天線(xiàn)開(kāi)關(guān)在兩個(gè)天線(xiàn)之間動(dòng)態(tài)切換，以減少多徑衰落效應。此外，工程師可以在可選的CC2590范圍擴展器中進(jìn)行設計，其中包括一個(gè)用于更高發(fā)射器輸出的 PA 和一個(gè)用于更高接收器靈敏度的 LNA。

除了相關(guān)軟件，PurePath 平臺還包括 PurePath Wireless Configurator，這是一種基于 PC 的免費軟件工具，用于配置設備的操作參數。TI 還提供 USB 加密狗參考設計（適用于 CC85x1），以及使用 465 mAh 電池實(shí)現 22 小時(shí)使用壽命的無(wú)線(xiàn)耳機參考設計。

音頻處理器

為了增強音頻效果和音質(zhì)，無(wú)線(xiàn)音頻系統的最后階段通常需要一定量的信號處理。在這里，工程師可以選擇從相對簡(jiǎn)單的編解碼器設備到完整的音頻處理 SoC 的各種設備。Analog Devices AD1835A、Cirrus Logic CS4265、NXP UDA1344TS和 Texas Instruments TLV320AIC3204等編解碼器可為各種音頻通道和采樣率提供低功耗信號處理和音頻效果。例如，NXP UDA1344TS 音頻處理管道（圖 6）支持多種播放功能，包括去加重、音量控制、低音增強、高音和軟靜音。

圖 6：NXP UDA1344TS 等音頻編解碼器提供豐富的信號處理功能，支持高音、低音和音量控制等基本音頻功能。（由 NXP Semiconductors 提供。）

對于更廣泛的信號處理和特殊音頻效果，工程師可以集成音頻處理器，例如 Analog Devices ADAU1702、Cirrus Logic CS47048和 Quickfilter QF3DFX，等等。此類(lèi)設備提供完整的片上音頻系統解決方案，帶有高分辨率 ADC、DAC、DSP 和控制器。例如，Quickfilter QF3DFX 音頻處理器 SoC 提供了一個(gè)全面的音頻處理管道（圖 7），使音頻工程師能夠支持從高頻恢復 （HFR） 到空間效果和虛擬低音效果的各種心理聲學(xué)效果。QF3DFX 能夠在沒(méi)有微控制器的情況下運行，可自啟動(dòng)，并且通過(guò)在不存在音頻時(shí)關(guān)閉電源來(lái)幫助節省電池操作系統的電量，待機模式下僅需要約 50 µW。

圖 7：Quickfilter QF3DFX 等高級音頻處理 SoC 提供專(zhuān)門(mén)的音頻處理功能，以提供更復雜的心理聲學(xué)效果，例如高頻恢復、空間效果和虛擬低音。（由 Quickfilter Technologies 提供。）

電池管理

在任何由電池供電的低壓設計中，對電池故障（包括欠壓、過(guò)流和過(guò)熱）的保護對于系統運行和產(chǎn)品壽命都至關(guān)重要。對于無(wú)線(xiàn)音頻設備而言，延長(cháng)電池壽命對消費者滿(mǎn)意度至關(guān)重要，電池充電管理起著(zhù)關(guān)鍵作用。

工程師可以在電池充電管理設備中找到廣泛的功能和選項，包括 Analog Devices ADP2291、凌力爾特LTC1734和 Maxim Integrated Products的MAX1501等眾多替代產(chǎn)品。

此類(lèi)設備可用作恒流/恒壓充電控制器，并提供大量附加功能。Analog Devices ADP2291 支持從深度放電到涓流充電的多步充電模式，具有全方位的保護功能，包括在檢測到電池故障時(shí)停止充電模式。凌力爾特 LTC1734 不僅可以直接為鋰離子電池充電，還可以用作為鎳鎘 （NiCd） 和鎳氫 （NiMH） 電池充電的電流源，并且在停機和睡眠模式下，功耗接近于零。 Maxim MAX1501 集成了典型的電流檢測電阻、傳輸晶體管和熱調節電路，為鋰離子、鎳鎘和鎳氫電池充電提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的解決方案（圖 8）。

圖 8：Maxim MAX1501 等電池充電 IC 只需很少的組件即可為鋰離子、NiCd 和 NiMH 電池實(shí)現高效充電解決方案。對于此設備，只需簡(jiǎn)單更改引腳連接即可支持 NiCd 和 NiMH 電池。（由 Maxim Integrated Products 提供。）

結論

對于消費者來(lái)說(shuō)，便攜產(chǎn)品的工作范圍和延長(cháng)電池使用時(shí)間只是給定的，而在更短的范圍內或在比預期更短的時(shí)間內停止播放的無(wú)線(xiàn)音頻產(chǎn)品很快就會(huì )發(fā)現自己在退貨貨架上。對于工程師而言，在提供最大工作范圍和延長(cháng)播放時(shí)間的同時(shí)滿(mǎn)足音頻功能要求是一項持續的挑戰。解決這些問(wèn)題需要優(yōu)化頻帶、通信協(xié)議和音頻處理能力。幸運的是，各種 IC 器件和嵌入式模塊提供了有效滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信、音頻處理和電池管理要求的必要構建塊。