高質(zhì)量便攜式無線音頻

摘要： 雖然藍(lán)牙技術(shù)非常適合定期的短距離無線連接，但對于音頻流應(yīng)用而言并非是保證音質(zhì)的最佳技術(shù)。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在有各種經(jīng)過驗(yàn)證的2.4GHz技術(shù)替代方案，它們可以通過無線連接傳送CD品質(zhì)的音頻，并具有長電池壽命的好處。

關(guān)鍵詞： 藍(lán)牙；射頻；EDR；nRF24Z1

多年來，藍(lán)牙技術(shù)一直是其他無線技術(shù)要替代的目標(biāo)，SIG堅(jiān)定地對來自ZigBee、Wi-Fi和專有RF器件回潮所帶來的競爭壓力做出反應(yīng)，通過修改協(xié)議來提高帶寬以及將藍(lán)牙和超寬帶技術(shù)(UWB)結(jié)盟的計(jì)劃。后一個動向勢必將會把藍(lán)牙的無線個人局域網(wǎng)(WPAN)的優(yōu)點(diǎn)和UWB高達(dá)100Mbit/s(以上)的數(shù)據(jù)傳輸速率結(jié)合起來。

但是從射頻硅集成電路的角度，藍(lán)牙的帶寬很窄并迅速耗盡電池，能充分展現(xiàn)此缺陷的例子是無線立體聲耳機(jī)。現(xiàn)在市場上具備藍(lán)牙1.2功能的耳機(jī)由于必須攜帶很大的電池以至體積笨重、聲音深度不足，并且?guī)仔r就會耗盡電池。有幾種替代方法能夠把工作做更好，比如Nordic專門為音頻流應(yīng)用而開發(fā)的RF芯片——nRF24Z1,具有4Mbit/s的速率，而功耗僅為藍(lán)牙1.2芯片組的一半。用nRF24Z1構(gòu)建無線連接的一個附加好處是無需經(jīng)過IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，但它仍必須滿足諸如美國FCC和歐洲ETSI規(guī)范等相關(guān)的本地法規(guī)的要求。然而，因其收發(fā)器在全球的極為流行也極為擁擠的2.4GHz ISM頻段工作。因此，nRF24Z1擁有其自己的自適應(yīng)跳頻形式(adaptive frequency hopping)以避免干擾其他2.4GHz設(shè)備。

無線設(shè)計(jì)

為便攜式設(shè)備增加無線連接的工作中存在四個關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題：成本、復(fù)雜性、體積和功耗。成本問題至關(guān)重要，同樣由于當(dāng)今消費(fèi)類產(chǎn)品的生命周期很短，無線連接的設(shè)計(jì)必須非常簡單，以便讓產(chǎn)品能迅速進(jìn)入市場。無線設(shè)計(jì)仍然不是一件簡單地把芯片組安裝到印制電路板上的事情。畢竟，射頻集成電路集RF、模擬和數(shù)字等多種功能于一身，本身即具有很高的復(fù)雜性。作為便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)師，擁擠的印制電路板上幾乎再也沒有多余空間來安置笨拙的收發(fā)器和外設(shè)元件，這些芯片還是需要MCU和其他外設(shè)元件。nRF24xx CMOS收發(fā)器集成了RF收發(fā)器、8051 MCU、4通道12bit ADC和各種標(biāo)準(zhǔn)接口電路。只要再添加一個音頻ADC或DAC芯片和一、兩個無源外設(shè)元件，就可以增加無線連接功能。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

所有無線連接都容易受到工作在相同頻率的其他設(shè)備干擾，特別是2.4GHzISM頻段。   為此，藍(lán)牙和nRF24Z1都采用自適應(yīng)跳頻技術(shù)將干擾降到最低。藍(lán)牙使用79個信道，而nRF24Z1具有包括38條目的可配置信道跳轉(zhuǎn)表(channel-hopping table)，并且在發(fā)現(xiàn)干擾的地方用自適應(yīng)跳頻為信道入口做出標(biāo)記，最多可以將38個信道中的18個標(biāo)記為壞信道。所有這些屏蔽標(biāo)記(例如本地Wi-Fi頻段)都在芯片內(nèi)完成，而無需與主MCU或者用戶的參與。nRF24Z1的自適應(yīng)跳頻功能能在110ms的時間內(nèi)對整個2.4GHz頻段進(jìn)行掃描，以尋找好的信道(方法是每個信道使用2.9ms，然后轉(zhuǎn)到下一個信道)。這就解決了與常見的干擾丟失音頻包再傳輸有關(guān)的很多問題，同時還用來屏蔽掉與藍(lán)牙或其他2.4GHz設(shè)備偶然發(fā)生的沖突。如果頻段掃描程序發(fā)現(xiàn)了一個壞的頻率，那么丟失的音頻信息將會在另一不同的頻率上重新傳輸，而不會為最終用戶所注意。

延長電池的壽命

讓我們進(jìn)一步考察圖1里“通過RF連接傳送音頻流”中介紹的MP3播放器到無線耳機(jī)音頻流應(yīng)用中的藍(lán)牙1.2和專有芯片的功率耗損問題。藍(lán)牙必須保持同步(支持多達(dá)7個從設(shè)備的要求所造成的)以避免再連接延時，芯片即使在“空閑” 模式下也要以8mA電流連續(xù)工作。雖然藍(lán)牙技術(shù)允許芯片進(jìn)入“睡眠”模式以節(jié)省功耗，但是重新建立連接需要3s，這種“反應(yīng)遲鈍(unresponsiveness)”使很多用戶感到沮喪。nRF24Z1則采用不同的技術(shù)。當(dāng)音頻流為44.1kHz時，收發(fā)器保持給定的載波頻率2.9ms。在這個期間，音頻內(nèi)容和控制信息將發(fā)送到接收端(音頻接收器-ARX)，任何丟失的音頻內(nèi)容將重新發(fā)送，并接收ARX端的應(yīng)答和控制信息。然后，系統(tǒng)跳到另一個不同的頻率并重復(fù)此過程。當(dāng)沒有內(nèi)容要傳送時，芯片可以進(jìn)入多種不同的睡眠模式。在“深睡眠”模式下，芯片只需5mA的小電流來保持存儲器的內(nèi)容。在“輕”睡眠模式下，芯片以固定的間隔喚醒來尋找對方。當(dāng)系統(tǒng)處在睡眠模式時，還必須考慮系統(tǒng)中所有變換器和微控制器的功率耗損。在音頻源和DAC/放大器之間添加RF連接不再需要MP3播放器和耳機(jī)之間的有線連接。這就是說，RF連接的一邊放在播放器中，而另一邊在耳機(jī)中。與有線系統(tǒng)MCU和DAC/放大器之間固定的連接方法不同，無線系統(tǒng)中除了音頻通道之外，還需要一個附加的控制數(shù)據(jù)通道(否則音量控制只能放在耳機(jī)上，而其它的按鍵仍然放在播放器上)。MP3播放器和耳機(jī)都需要使用電池。

為了方便計(jì)算電池的壽命，我們假定電池保持中等放電速率并且電池的容量隨時間線性地下降。發(fā)送或接收藍(lán)牙1.2音頻芯片運(yùn)行時大約消耗60mA電流，因此，工作在2V時，器件要消耗120mW。假定電源是一個工作在3.7V的鋰電池，并經(jīng)過一個效率為90%的DC-DC變換器，于是從電池吸取的功率為133mW。安裝在耳機(jī)上的DAC/放大器工作時要吸取大約4mA電流。假定DAC/放大器直接在變換器輸出的3.7V電壓上運(yùn)行，那么它所吸取的功率為14.8mW。典型3.7V鋰電池的容量為900mAh，能夠供給3330mWh。在回放時總功率耗損為147.8mW，電池壽命為3330 mWh/147.8mW=22.5小時。

表1 采用藍(lán)牙和nRF24Z1的功耗比較

nRF24Z1的平均ARX電流為22.9mA，而平均ATX電流為17.8mA。聰明的硅片設(shè)計(jì)保證這種專有解決方案的“極”低功耗。注意，這些數(shù)字適用于良好的無線連接環(huán)境，發(fā)送和接收以44.1kHz采樣的16比特?zé)o壓縮音頻流。在2V電壓下運(yùn)行時(和藍(lán)牙器件的條件相同)，Nordic的解決方案從DC-DC變換器吸取45.8 mW，從電池耗用50.9mW。再加上DAC/放大器的消耗，得到65.7mW。使用3.7V的鋰電池，電池壽命為3330mWh/65.7mW=50.7小時，是藍(lán)牙芯片方案22.5小時電池壽命的兩倍多。表1概括了上述結(jié)果，為了進(jìn)行比較, 還包括了采用兩個串連的1.5V AAA電池供電時的數(shù)據(jù)。AAA電池的容量為900mAh，兩個AAA電池可以提供2