藍牙耳機及其放大電路實(shí)用設計匯總

　　隨著(zhù)越來(lái)越多的手機支持藍牙功能，藍牙耳機已成為手機的必備選件。同時(shí)，隨著(zhù)支持MP3播放的立體聲藍牙耳機的推出，藍牙耳機已能夠同時(shí)連接到藍牙移動(dòng)電話(huà)和音樂(lè )播放器，這必將給藍牙應用帶來(lái)新的亮點(diǎn)。本文為大家介紹藍牙耳機及耳機放大器的方案設計。

　　藍牙耳機系統電路設計方案

　　引言

　 　Bluetooth（藍牙技術(shù)）是由愛(ài)立信、諾基亞、摩托羅拉、英特爾、IBM和日立等信息技術(shù)公司發(fā)起的一種短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議標準。由于 Bluetooth技術(shù)具有低功耗、抗干擾能力強、適用于多種通信場(chǎng)所以及集成電路相對簡(jiǎn)單，因此藍牙技術(shù)作為一種替代有線(xiàn)電纜的無(wú)線(xiàn)接口技術(shù)具有廣闊的 市場(chǎng)前景。藍牙技術(shù)正成為移動(dòng)電話(huà)、PDA、MP3player和電腦中的標準配置，藍牙技術(shù)主流應用之一是通過(guò)藍牙耳機欣賞上述產(chǎn)品藍牙接口發(fā)送出來(lái)的 高品質(zhì)音樂(lè )和實(shí)現免提通話(huà)，然而技術(shù)的普及速度除了與技術(shù)本身的先進(jìn)與否有關(guān)外，還與實(shí)現成本的高低密切相關(guān)，市場(chǎng)上的藍牙耳機價(jià)格少則幾百，多則上千 元，而移動(dòng)電話(huà)本身價(jià)格大多也不過(guò)千元，藍牙耳機的相對高價(jià)位導致了它的市場(chǎng)普及速度和廣度遠低于移動(dòng)電話(huà)，本文正式根據這一 XIAN，基于CSR藍牙芯片BC358239A提出了一種低成本藍牙耳機電路設計方案，對藍牙耳機的普及必將起到重要作用。

　　一．藍牙耳機架構和芯片介紹

　　圖一 藍牙耳機的結構

　　應用到藍牙耳機的芯片除了低成本、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單以外，提供的軟件開(kāi)發(fā)工具齊全以及芯片封裝小也很重要，下面對藍牙耳機的主要芯片作簡(jiǎn)要介紹。

　　1．BC358239A介紹：

　 　BC358239A芯片頻率范圍2.402～2.480Ghz，發(fā)射功率可高達＋4dB，內置有8比特DAC（數模轉換器）可自動(dòng)調整發(fā)射功率，無(wú)需外 部 BALUN（平衡不平衡轉換器和功放即可符合藍牙V1.2規格；0.1%BER（比特誤碼率）時(shí)典型接收靈敏度－85dB；全集成的頻率合成器，可支持 8～40Mhz外部時(shí)鐘輸入又可外接CRISTAL（晶振）；內部集成DSP（數字信號處理器）速度可達32MIPS，32bit指令字，24bit數據 存儲器，內置4K字程序存儲器，兩個(gè)8K字數據存儲器，足以支持耳機應用軟件設計需要；片上LDO（低壓差線(xiàn)性穩壓器），支持u-law和A-law 語(yǔ)音代碼轉換，支持I2S又支持PCM語(yǔ)音接口， 深度睡眠模式功耗不超過(guò)10uA；10x10mm 的LFBGA封裝，只需較小的PCB尺寸。BC358239A內部結構見(jiàn)圖二。

　　圖二 BC358239A內部結構

　　此外BC358239A還有內置LDO，其輸出電壓1.8V，其最大輸出電流可達70mA，完全可滿(mǎn)足藍牙芯片自身需要。

　　BC358239A的藍牙的軟件架構具備相當的靈活性，藍牙應用程序可以運行于BC358239A外部，也可由內部RISC處理器處理。

　　2．WM8731介紹

　 　WM8731是WOLFSON公司推出的一款適合于語(yǔ)音應用的CODEC（編碼解碼器），它能為自身的MIC（麥克風(fēng)）輸入提供偏置電壓，內部有兩組 ADC（模數轉換器）和DAC（數模轉換器），其抽樣頻率從8KHz到96KHz.串行控制接口可選擇為兩線(xiàn)制和三線(xiàn)制。其音頻接口可通過(guò)編程設置為 I2S或PCM接口形式。28Pin5x5x0.9mm的QFN封裝，特別適合對PCB面積有限制的應用。功耗極低，應用PCM接口通信時(shí)電流自由 20mA左右，寄存器的正確設置可使待機功耗保持在15uA以下。

　　3．充電芯片SC805和LDO RT9169-3.3

　 　SEMTECH公司的SC805是一款功能強大的CCCV（恒流恒壓）充電芯片，可編程的預充、快充和中止充電電流，使得它既可和PMU（電源管理）芯 片組合成充電管理電路，也可單獨作為鋰電池充電控制芯片。熱保護、過(guò)流保護、電池充電電壓精度可達1％使得它安全可靠；輸入電壓范圍從3V到6V，充電電 流最大可達1A，3x3mmMLP封裝，適合消費類(lèi)電子使用。

　　RT9169-3.3是RICHTECH公司生產(chǎn)的100mA低噪聲3.3VLDO，它具有較低靜態(tài)電流（低達4uA），較高的紋波抑制比，符合藍牙耳機 WM8731和藍牙芯片內部LDO對電源的要求。

　　二．電路設計和軟件設計要點(diǎn)。

　 　耳機電源的開(kāi)關(guān)和音量調節可利用藍牙芯片BC358239A的PIO口；從RT9169輸出的3.3V電源送到藍牙內置LDO輸入端時(shí)注意在輸入端加適 當的去偶電容，藍牙芯片的VDD_ANA（內置LDO1.8V輸出端）須加上去偶電容，以防止送到藍牙芯片的電源引入干擾導致藍牙RF頻偏過(guò)大，與此同時(shí) 藍牙外接的Cristial（晶振）精度要求至少10PPM，否則也會(huì )影響藍牙RF指標。

　　WM8731的電源輸入端HPVDD、 DCVDD、DBVDD和AVDD都可用LDORT9169的3.3V輸出，在WM8731的電源端加上適當去偶可以改善WM8731輸出的音頻品 質(zhì)；WM8731時(shí)鐘可利用藍牙芯片的AIO3引腳的可編程時(shí)鐘輸出。 WM8731與BC358239A的PCM接口相連時(shí)WM8731的ADCLRC和DACLRC同時(shí)連接藍牙PCM_SYNC。

　　BCHS（BluecoreHostSoftware）是CSR為客戶(hù)提供藍牙產(chǎn)品設計提供的開(kāi)發(fā)軟件，BCHS和藍牙的協(xié)議棧共同組成了藍牙產(chǎn)品的軟件解決方案。藍牙耳機的軟件架構可參考圖四

　　圖三 藍牙耳機軟件架構

　 　圖三中VMApplicationsoftware（虛擬機器應用軟件）包括TCS（電話(huà)控制協(xié)議），它定義了藍牙耳機建立語(yǔ)音和數據呼叫的控制信令， 定義了處理藍牙TCS設備群的移動(dòng)管理進(jìn)程；應用程序功能包括通過(guò)I2C總線(xiàn)寫(xiě)WM8731寄存器控制耳機音量，電池低電壓報警等功能。

　　結論：

　　藍牙耳機的低成本解決方案總是與藍牙和語(yǔ)音解碼芯片的價(jià)格降低相伴而生，隨著(zhù)藍牙接口在移動(dòng)電話(huà)、PDA、MP3player和電腦中的迅速普及，藍牙耳機取代有線(xiàn)耳機已成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

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　　高清語(yǔ)音技術(shù)在手機和藍牙耳機中的應用

　　高清語(yǔ)音也被稱(chēng)為寬帶語(yǔ)音，是一種能為蜂窩網(wǎng)絡(luò )、移動(dòng)電話(huà)和無(wú)線(xiàn)耳機傳輸高清、自然語(yǔ)音質(zhì)量的音頻技術(shù)。與傳統的窄帶電話(huà)相比，高清語(yǔ)音很大程度上提高了語(yǔ)音質(zhì)量，減少了聽(tīng)覺(jué)負擔。

　 　通信產(chǎn)業(yè)鏈上的所有網(wǎng)絡(luò )和設備都需支持高清語(yǔ)音才能體現出該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。到2011年6月為止，18個(gè)國家運營(yíng)的20種蜂窩網(wǎng)絡(luò )，以及33家領(lǐng)先的手機 品牌都已支持高清語(yǔ)音。通過(guò)部署自適應多速率寬帶（AMR-WB）語(yǔ)音編碼，GSM， WCDMA（UMTS）和LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò )中已經(jīng)引入了高清語(yǔ)音。此外， 通過(guò)使用改良的子帶編碼（mSBC）語(yǔ)音編解碼技術(shù)，無(wú)線(xiàn)藍牙耳機也開(kāi)始支持高清語(yǔ)音，將免提通話(huà)與高語(yǔ)音質(zhì)量結合在了一起。

　　高清語(yǔ)音的優(yōu)點(diǎn)同樣可以在現有網(wǎng)絡(luò )中體現出來(lái)。隨著(zhù)窄帶網(wǎng)絡(luò )和設備向高清語(yǔ)音過(guò)渡，一種名為帶寬擴展（BWE）的語(yǔ)音處理技術(shù)可以用來(lái)在接收終端設備上模擬類(lèi)似于高清語(yǔ)音的通話(huà)質(zhì)量，為不支持高清語(yǔ)音的設備提供了一個(gè)折中的解決方案。

　　從窄帶到高清語(yǔ)音

　 　傳統電話(huà)系統的帶寬被限制在大約300Hz到3.4kHz的音頻頻率范圍內（圖表1），這一范圍通常被稱(chēng)為窄帶語(yǔ)音。盡管現在的電話(huà)系統是數字式的，但 其還是傳承了與傳統模擬系統相同的帶寬。從語(yǔ)音質(zhì)量的角度來(lái)看，窄帶語(yǔ)音缺乏自然語(yǔ)音保真度，常常被形容為單薄和模糊不清。盡管如此，窄帶頻率范圍內完整 語(yǔ)句的語(yǔ)音辨別度大概是99%。

　　圖1：窄帶和寬帶語(yǔ)音的帶寬特點(diǎn)

　 　高清語(yǔ)音在采樣頻率為16kHz時(shí)音頻帶寬大約為50Hz至7kHz，因此與窄帶語(yǔ)音相比具有更清晰的語(yǔ)音信號。雖然寬帶語(yǔ)音并沒(méi)有顯著(zhù)提高語(yǔ)音清晰 度，但是窄帶范圍之外的3.4kHz至7kHz提高了單詞中的摩擦音（例如f、s和th） 的識別度。寬帶語(yǔ)音能夠提供更加自然真實(shí)的語(yǔ)音，在主觀(guān)音頻質(zhì)量方面比窄帶語(yǔ)音有了顯著(zhù)的提高。高清語(yǔ)音擴展出的50Hz至300Hz的低頻降低了窄帶語(yǔ) 音尖細的特點(diǎn)，而擴展出的高頻則提高了發(fā)音清晰度。

　　在主觀(guān)語(yǔ)音質(zhì)量聽(tīng)力測試中，寬帶語(yǔ)音在平均意見(jiàn)得分（MOS）中得到4.5分，而窄 帶語(yǔ)音則為3.2分（1分為質(zhì)量差，5分為優(yōu)秀）。寬帶語(yǔ)音質(zhì)量的提高減少了聽(tīng)力負擔和聽(tīng)者的疲勞，特別是當聽(tīng)者處于嘈雜的環(huán)境下。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商 Orange在其網(wǎng)站上提供了一個(gè)音頻樣本作為高清語(yǔ)音優(yōu)點(diǎn)的例證。2010 年6月Orange公司所做的另一項調查進(jìn)一步向終端用戶(hù)證明了高清語(yǔ)音的價(jià)值：

　　* 96%的客戶(hù)對高清語(yǔ)音通話(huà)表示滿(mǎn)意；

　　* 86%的測試者表示，兼容高清語(yǔ)音將是他們未來(lái)購買(mǎi)手機時(shí)的一個(gè)選擇標準；

　　* 76%的測試者愿意更換手機以獲得高清語(yǔ)音功能。

　　此外，2006年愛(ài)立信和T-Mobile進(jìn)行的用戶(hù)試用調查也證實(shí)了高清語(yǔ)音的優(yōu)點(diǎn)。在150個(gè)抽樣用戶(hù)中，超過(guò)70%的人認為使用了高清語(yǔ)音手機后通話(huà)質(zhì)量更好，在嘈雜的環(huán)境中對話(huà)質(zhì)量有所提高。

　 　使用高清語(yǔ)音需要語(yǔ)音通信系統中的所有環(huán)節都支持寬帶語(yǔ)音頻率范圍。采用高清語(yǔ)音技術(shù)的關(guān)鍵是在蜂窩網(wǎng)絡(luò )和手持電話(huà)中協(xié)同部署AMR-WB編解碼。做為 一種寬帶語(yǔ)音編碼，AMR-WB的有效音頻帶寬是窄帶編碼AMR-NB的兩倍。要完成一個(gè)高清語(yǔ)音通話(huà)，基站和手持電話(huà)之間協(xié)同傳輸以AMR-WB編碼的 語(yǔ)音，在這一過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行語(yǔ)音修改或從終端到終端的轉換編碼。如果高清語(yǔ)音連接無(wú)法實(shí)現，系統就會(huì )取而代之使用窄帶AMR-NB編碼。

　　擴展語(yǔ)音帶寬

　 　可以預計，在引入高清語(yǔ)音的過(guò)程中，通信系統中的某些環(huán)節會(huì )因無(wú)法支持而將語(yǔ)音轉換為窄帶頻率，這實(shí)際上是在降低語(yǔ)音質(zhì)量，增加聽(tīng)力負擔。人工帶寬擴展 （BWE）通過(guò)在通信系統的終端環(huán)節為窄帶語(yǔ)音信號加入人工生成的語(yǔ)音內容，彌補在傳輸過(guò)程中損失的高頻和低頻語(yǔ)音內容。通過(guò)這種方法，BWE將高清語(yǔ)音 的優(yōu)勢拓展到了窄帶和過(guò)渡的混合帶寬的語(yǔ)音通信系統中。

　　BWE算法使用產(chǎn)生語(yǔ)音的聲源過(guò)濾模型來(lái)估算和產(chǎn)生擴展頻率范圍內的語(yǔ)音內容。 根據該模型，語(yǔ)音是由一個(gè)聲源（例如聲帶）再加上一個(gè)模擬聲道的模型產(chǎn)生的。BWE算法根據窄帶語(yǔ)音估算出一個(gè)寬帶聲源模型，然后利用該模型的參數估算出 其丟失的寬帶頻率內容。在實(shí)際應用中，BWE獨立于源編碼和發(fā)送路徑處理過(guò)程的，因此它可以與傳統的窄帶和混合帶寬的電話(huà)網(wǎng)絡(luò )共存。

　　BWE主要應用于藍牙耳機和免提設備。在這些設備的接收終端上，窄帶CVSD編碼語(yǔ)音信號首先進(jìn)行解碼，然后經(jīng)過(guò)BWE的處理產(chǎn)生給受話(huà)方的擴展帶寬語(yǔ)音信號。BWE也可以應用在高清語(yǔ)音電話(huà)網(wǎng)絡(luò )上，將語(yǔ)音信號擴展到帶寬為14kHz的超寬帶（SWB）頻率范圍。

　　高清語(yǔ)音和音效增強

　 　將高清語(yǔ)音和音效增強處理方法（如噪聲抑制（NS），回聲消除（AEC） ）結合在一起可以改善在噪聲環(huán)境下的語(yǔ)音清晰度，并可以提高整體通話(huà)質(zhì)量。噪聲抑制技術(shù)能夠分析摻雜了噪音的對話(huà)，并清除噪音，增加語(yǔ)音辨別度。噪聲抑制 算法通過(guò)大量頻點(diǎn)估算出噪聲功率譜密度，然后將噪聲從對話(huà)出抽取出來(lái)。與窄帶的處理相比，寬帶噪聲抑制在計算噪聲頻譜時(shí)包含了更多的頻點(diǎn)數據來(lái)壓縮擴展頻 率范圍內的噪聲。除噪聲抑制外，回聲消除處理方法能消除發(fā)話(huà)者和麥克風(fēng)之間的聲音耦合所產(chǎn)生的回音信號?；芈曄墓ぷ髟硎菑柠溈孙L(fēng)接收到的信號中分離 出一個(gè)經(jīng)過(guò)過(guò)濾和延遲的副本?；芈曄夹g(shù)能夠計算出寬帶語(yǔ)音中的自適應過(guò)濾系數。

　　高集成度藍牙耳機電源管理方案

　　隨著(zhù)越來(lái)越多的手機支持藍牙功能，藍牙耳機已成為手機的必備選件。同時(shí)，隨著(zhù)支持MP3播放的立體聲藍牙耳機的推出，藍牙耳機已能夠同時(shí)連接到藍牙移動(dòng)電話(huà)和音樂(lè )播放器，這必將給藍牙應用帶來(lái)新的亮點(diǎn)。

　 　藍牙耳機的核心是射頻和基帶處理兩部分，為適應功能的集成和設計的小型化，CSR、Broadcom等公司已將射頻和基帶處理功能集成在一起，如CSR BlueCore4高集成的藍牙芯片，封裝最小為6×6mm。整個(gè)耳機的電源管理設計要求外圍組件少，集成度高，同時(shí)滿(mǎn)足藍牙芯片對負載響應和噪聲抑制的 要求。

　　藍牙耳機多采用鋰電池供電，其電壓范圍為2.7V至4.2V。電池容量為90mAH至170mAH。為滿(mǎn)足更長(cháng)時(shí)間通話(huà)及音樂(lè )播 放的需要，電池容量有逐漸增加的趨勢。另外，基于A(yíng)RM或DSP內核的藍牙芯片需要兩組電源（如1.8V和2.7V）分別對內核和I/O供電。同時(shí)，麥克 風(fēng)也需要一個(gè) “干凈”的偏置電壓。

　　基于上述系統電源的需求，Microchip推出了高度集成的、小尺寸的電源管理方案，包括 TC1303和MCP73855。其中，TC1303為高集成的電源轉換芯片，MCP73855為高集成的線(xiàn)性鋰電池充電芯片。TC1303在3×3mm 10引腳DFN封裝中集成了一個(gè)500mA同步降壓轉換器和一個(gè)300mA低壓差LDO，并具有電壓正常指示引腳（Power-Good）。其標準固定電 壓輸出組合，如1.8V/2.7V，恰好滿(mǎn)足BlueCore2對電源的要求。圖1為T(mén)C1303在藍牙耳機上的應用電路。

　　圖1：TC1303在藍牙耳機上的應用電路。

　 　圖中500mA的同步DC/DC轉換器集成了P溝道和N溝道MOSFET，采用2MHz的開(kāi)關(guān)頻率，轉換效率達到92%以上。高開(kāi)關(guān)頻率和 PWM/PFM自動(dòng)切換技術(shù)可使工程師選擇低至2.2μH的表貼電感和陶瓷電容，即可滿(mǎn)足濾波和藍牙芯片對紋波的要求。TC1303內集成的LDO可提供 300mA的輸出電流，且只有137mV電壓差。為了進(jìn)一步減小DC/DC開(kāi)關(guān)噪聲對電路設計的影響，在芯片設計時(shí)將LDO的電源地引腳和DC/DC電源 地引腳分開(kāi)，保證了LDO輸出可以給I/O部分和麥克風(fēng)提供“干凈”的電壓。

　　圖2：MCP73855在藍牙耳機設計中的應用電路。

　　TC1303提供的電壓正常指示引腳可以連接到藍牙芯片的I/O，以監視供電電壓的狀態(tài)。電壓正常指示引腳可以檢測DC/DC輸出電壓（TC1303A）或LDO輸出電壓（TC1303B），甚至可分別檢測這兩路輸出，實(shí)現順序上電，滿(mǎn)足不同藍牙芯片對供電的要求。

　 　MCP73855可提供鋰電池充電管理功能，片內集成的MOSFET、電流檢測電阻和反向阻斷二極管可提供最大400mA的充電電流，并可通過(guò)外接電阻 或直接由I/O輸出設置所需的充電電流。MCP73855可自動(dòng)完成鋰電池的預充、恒流、恒壓充電控制，并把充電狀態(tài)輸出到LED或藍牙芯片。配合適當的 外圍電路，充電狀態(tài)指示引腳可以驅動(dòng)雙色LED，實(shí)現充電過(guò)程及充電結束的分別顯示。圖2為MCP73855在藍牙耳機設計中的應用電路。

　 　TC1303和MCP73855的小尺寸封裝（3×3mm）以及簡(jiǎn)單的外圍電路，構成了一個(gè)低成本、高性能、高度集成的藍牙耳機電源管理方案，這個(gè)方案 也可適用于最新播放MP3的立體聲藍牙耳機設計。工程師利用它和藍牙芯片，可以設計更加舒適、時(shí)尚、易用，同時(shí)重量輕巧的藍牙立體聲耳機，使用戶(hù)能夠在移 動(dòng)時(shí)欣賞音樂(lè )，又永遠不會(huì )漏接電話(huà)。

　　藍牙無(wú)線(xiàn)耳機設計及VxWorks移植方法

　 　藍牙耳機是一種無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音傳輸技術(shù)，是基于耳機在無(wú)線(xiàn)技術(shù)方面的延伸。它是相配于藍牙技術(shù)而進(jìn)入多媒體個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )的。隨著(zhù)藍牙技術(shù)的日趨完善和藍牙產(chǎn)品 市場(chǎng)占有率逐漸提升，藍牙耳機在技術(shù)上也將不斷得到改進(jìn)，使之成為個(gè)人多媒體區域網(wǎng)絡(luò )的主要配套產(chǎn)品。藍牙耳機的應用范圍除了手機以外，PDA、無(wú)繩電話(huà) 應用、汽車(chē)免提工具、電話(huà)終端等，也是藍牙耳機發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢的應用領(lǐng)域。本文設計的藍牙耳機支持藍牙規范1．2版本，傳輸距離達10 m，傳輸速率達723．2 kb/s，并且具有低功耗和（幾乎）無(wú)輻射等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢。

　　1 藍牙技術(shù)

　 　藍牙作為一種低成本、短距離的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)標準，是由 Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五家公司共同倡導的一種全球無(wú)線(xiàn)技術(shù)標準，是一種無(wú)線(xiàn)數據與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規 范。它以低成本的短距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎，為固定設備與移動(dòng)設備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。其實(shí)質(zhì)是建立通用的無(wú)線(xiàn)空中接口及其控制軟件的公開(kāi)標準，實(shí)現設 備問(wèn)的電纜替代。

　　藍牙技術(shù)規范包括協(xié)議和應用規范兩個(gè)部分。協(xié)議定義了各功能元素各自的工作方式，整個(gè)藍牙協(xié)議體系結構分為4層，即核 心協(xié)議層、線(xiàn)纜替代協(xié)議層、電話(huà)控制協(xié)議層和采納的其他協(xié)議層；應用規范則闡述了為了實(shí)現一個(gè)特定的應用模型，各層協(xié)議間的運轉協(xié)同機制。較典型的應用規 范有撥號網(wǎng)絡(luò )、耳機 （headset）、局域網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)和文件傳輸等。藍牙耳機的協(xié)議棧原理如圖1所示。

　　2 硬件設計

　 　硬件電路信號處理與控制部分采用Zeevo公司的基于A(yíng)RM7的音頻處理器ZV4301。ZV4301處理器是在一個(gè)單芯片收發(fā)器上加入一個(gè)集成 RF、數字信號處理、通信處理和運算及控制處理功能的48 MHz APM7微處理器，片外擴展閃存，以實(shí)現需要技術(shù)和高度最佳化的音頻處理。

　 　編解碼芯片采用飛利浦公司的UDAl380音頻芯片。UDAl380是一顆專(zhuān)為便攜式產(chǎn)品所設計的單芯片立體聲音頻編解碼器，可以提供立即可用的先進(jìn)音 頻功能。這顆音頻編解碼器具有24位數據路徑、多重時(shí)鐘支持、DC偏移消除、支持多重數據格式以及數字靜音檢測等集成功能。本設計中，UDAl380利用 與微控器接口作音控處理．并利用L3接口來(lái)控制音量。

　　3 I2S總線(xiàn)

　　本設計在硬件電路上使用基于I2S總線(xiàn)的音頻系統體系結構。I2S（Inter-IC Sound bus）是飛利浦公司提出的串行數字音頻總線(xiàn)協(xié)議。

　　I2S總線(xiàn)只處理聲音數據，其他信號（如控制信號）必須單獨傳輸。為了使芯片的引腳盡可能少，I2S只使用了三根串行總線(xiàn)。這三根線(xiàn)分別是：提供分時(shí)復用功能的數據線(xiàn)（SD）、字段選擇線(xiàn)（聲道選擇WS）、時(shí)鐘信號線(xiàn)（SCK）。

　　此設計中采用電源統一供電，ZV4301作為主設備，UDAl380作為從設備。ZV4301使用3個(gè)通用I/O口來(lái)模擬I2S總線(xiàn)。其讀寫(xiě)I2S總線(xiàn)的數據主要包括以下幾個(gè)函數；

　　word_selection（）； //字選擇函數

　　serial_clock（）； //時(shí)鐘信號函數

　　serial_data（）； // 串行數據函數

　　shift_register（）； //寄存器移位函數

　　4 軟件設計

　　VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。良好的持續發(fā)展能力、支持多種硬件環(huán)境、高性能的內核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，使之成為所有獨立于處理器實(shí)時(shí)系統中最具特色的操作系統。

　 　在該設計中，軟件協(xié)議全部下載到藍牙設備內核處理器的外置閃存中，操作通過(guò)人機接口控制?；赩xWorks的軟件編寫(xiě)工作主要包括：BSP包的改動(dòng)、 程序的編寫(xiě)和操作系統的裁減。由于VxWorks的高度靈活性，可以很容易地對這一操作系統進(jìn)行定制或作適當開(kāi)發(fā)，來(lái)滿(mǎn)足系統的實(shí)際應用需要。BSP 包的改動(dòng)指根據目標硬件實(shí)際配置修改系統的配置參數宏（MAC-RO），主要修改config．h、makefile．h、bspname．h文件。

　　程序編寫(xiě)函數主要包括以下7個(gè)。

　?。?）系統引導函數

　　VxWorks操作系統在一些板級系統初始化后自動(dòng)執行tUsrRoot（）函數，以完成初始化。

　　tUsrRoot（）

　　…… //必要初始化程序

　　vInitializeLmp（）； //LMP初始化完成

　　vInitializeL2cap（）； //L2CAP初始化完成

　　vInitializeSdp（）； //SDP初始化完成

　　vInitializeRf（）； //RFCOMM初始化完成

　　vInitializeHA（）； //HeadsetApplication初始化完成

　　exit（）； //退出

　?。?）系統初始化函數（以L(fǎng)2CAP為例）

　　typedet

　　{MSG_IDSdpToL2cap；

　　MSG_ID L2capToSdp；

　　MSG_ID RfToL2cap；

　　MSG_ID L2capToRf；

　　MSG_lD HAToSdp；

　　MSG_ID SdpToHA；

　　MSG_ID HAToRf；

　　MSG_ID RfToHA；

　　}MSG_QUEUE_ID//定義消息隊列1D結構體類(lèi)型

　　MSG_QUEUE_ID MsgQueueld； //定義全局消息隊列ID結構體，用于存放每個(gè)消息隊列的ID

　　vInitlalizeL2caD（）；//L2CAP初始化，包括初始化全局變量、創(chuàng )建定時(shí)器、創(chuàng )建消息

　　//隊列、創(chuàng )建并啟動(dòng)任務(wù)

　?。?）LMP軟件設計

　　基帶程序運行在藍牙芯片的信號處理單元中，而LMP程序運行在藍牙芯片的微處理器中，它們通過(guò)郵箱來(lái)交換信息。只要任何一方向郵箱發(fā)送了信息，郵箱就會(huì )產(chǎn)生中斷信號，另外一方可以在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行信息讀取和處理。其處理函數為；

　　vLmpDealFromBB（）

　　//處理來(lái)自BaseBand層的消息以建立連接，對來(lái)自BaseBand層

　　//的操作碼

　　決定接受與否，并進(jìn)行鑒權、加密、處理或斷開(kāi)等操作

　?。?）L2CAP軟件的設計

　　tL2capDealMsgFromSdp（）

　　//處理來(lái)自SDP層的消息SdpToL2eap，生成L2CAP數據包，把數據傳BaseBand層

　　tL2capDealMsgFromRf（）

　　//處理來(lái)自RFCOMM層的消息RfToL2cap，生成L2CAP數據包，把數據傳BaseBand層

　　vL2capDealMsgFromBB（）

　　//處理來(lái)自BaseBand層的消息，在處理器郵箱中斷程序被調用

　?。?）SDP軟件的設計

　　tSdpDealMsgFromL2cap（）

　　//處理來(lái)自L(fǎng)2CAP的消息L2capToSdp，并上報搜索到的服務(wù)的屬性

　　tSdpDealMsgFromHA（）

　　//處理來(lái)自HeadsetApplieation的消息HAToSdp，對上報信息進(jìn)行應答

　?。?）RFOOMM軟件的設計

　　tRfDealMsgFromHA（）

　　//處理來(lái)自HeadsetApplication的消息HAToRf，生成RFCOMM數據包，傳送給L2CAP

　　tRfDealMsgFromL2cap（）

　　//處理來(lái)自L(fǎng)2CAP的消息L2capToRf，對不同的幀進(jìn)行處理

　?。?）HeadsetApplication軟件的設計

　　tHADealMsgFronaSdp（）

　　//處理來(lái)自SDP的消息SdpToHA，判斷是否正常并處理

　　tHADeaIMsgFromRf（）

　　//處理來(lái)自RFCMM的消息RfToHA，對AT命令及其應答作出處理

　　5 語(yǔ)音傳輸建立過(guò)程

　　藍牙耳機系統工作時(shí)總是藍牙語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)（AG）和藍牙耳機（HS）成對出現的。其通信所用到的協(xié)議棧及實(shí)體如圖4所示。

　　藍牙設備連結的建立遵循底層到高層的原則，即搜索藍牙設備、建立鏈路、服務(wù)搜索、建立信道、建立連接和數據傳輸。

　　以下是音頻連接建立的全過(guò)程。（以AG主動(dòng)發(fā)起連接請求為例。）

　?、貯G首先發(fā)起查詢(xún)，通過(guò)查詢(xún)AG獲得HS的藍牙地址。

　?、贏(yíng)G在應用層的驅動(dòng)下向查詢(xún)到的HS發(fā)起一個(gè)page進(jìn)程。當接收到HS返回的應答信號時(shí)，AG與HS之間的ACL鏈接已經(jīng)成功建立。

　?、垡坏〢CL鏈接建立，即可以被用來(lái)傳送振鈴信號。振鈴信號的發(fā)送是通過(guò)AT命令RING來(lái)完成的。

　 ?、蹵CL鏈接好后，接著(zhù)建立L2CAP鏈路。AG首先在信令信道上發(fā)送一個(gè)鏈接請求信令L2CAP_req，要求建立信道標號為0x0040的 L2CAP。當HS返回鏈接響應信號時(shí)，表明0x0040信道已經(jīng)建立好。然后對此信道進(jìn)行配置，配置完信道后，就可以利用此CID（信道標識符）為 0x0040的L2CAP信道進(jìn)行SDP查詢(xún)。

　?、軦G在L2CAP信道上發(fā)送一個(gè)SDP查詢(xún)包。SDP查詢(xún)包將查詢(xún)SDP服務(wù)器端HS 是否具有所需要的服務(wù)。若查詢(xún)成功，在A(yíng)CL鏈路上，AG再建立一條標號為0x0041的l.2CAP鏈路，用來(lái)傳輸RFCOMM數據；同時(shí)，斷開(kāi)用作 SDP查詢(xún)的標號為0x0040的L2CAP鏈路。

　?、蕻擟ID為0x004l的L2CAP信道建立好之后，首先建立控制信道 DICIO，AG在信道上發(fā)送一個(gè)SABM幀，即要求建立RFCOMM層上的 Channel O。如果響應方HS希望建立鏈接，返回一個(gè)VA幀，表明已經(jīng)建立好了Channel 0這條RFCOMM信道。此信道為控制信道，用來(lái)傳送攜帶控制信息和命令的UIM幀。如果響應方HS不希望建立鏈接，返回一個(gè)DM幀。其次建立數據信道， 先是對數據傳送信道的參數進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商命令PN參數包括對將要建立的信道Channel 1的優(yōu)先級，最大幀長(cháng)等，當雙方協(xié)商好后建立傳輸數據的信道Channell。

　?、咄ㄟ^(guò)RFooMM信道傳輸HS控制層的AT命令，即在RFCOMM數據傳送信道Channe1上利用UIH幀傳送AT+CKPD命令。當接收到對方的響應后，就可以開(kāi)始建立SCO鏈接。

　?、郒CI（主機控制接口）發(fā)一個(gè)WRITE_VOICE_SETTING命令，對音頻狀態(tài)進(jìn)行一些設置。當接收到AG的建立SC0鏈接

　　的請求時(shí)，若HS允許，發(fā)送一個(gè)接收的HCI命令，在命令完成之后，傳輸音頻信號的SC0鏈路就建立好了，此時(shí)就可以進(jìn)行語(yǔ)音通信。

　　結語(yǔ)

　 　本文給出了藍牙及藍牙耳機系統的基本概念及其在軟硬件方面的具體實(shí)現。藍牙耳機使用戶(hù)擺脫線(xiàn)纜的束縛，能夠在較大的自由空間內通話(huà)。由于采用專(zhuān)用的聲音 編解碼芯片和標準音頻取樣率44．1 kHz，并經(jīng)過(guò)先進(jìn)的信號處理技術(shù)，能夠使聲音效果接近CD音質(zhì)，這樣也使藍牙耳機真正取代有線(xiàn)耳機成為可能。

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　　耳機放大電路

　　雙三極管ECC822電子管組成的OTL耳機放大器電路

　　本文用雙三極管ECC82（相當于E802C、E82CC、與北美12AU7、國產(chǎn)6N10型）作為放大器。此類(lèi)管子有指標優(yōu)良和使用壽命長(cháng)的特點(diǎn)。

　 　如圖所示電路，用雙三極管ECC82（相當于E802C、E82CC、與北美12AU7、國產(chǎn)6N10型）作為放大器。此類(lèi)管子l有指標優(yōu)良和使用壽命 長(cháng)的特點(diǎn)。前置放大器要產(chǎn)生足夠的信號幅度去驅動(dòng)耳機。管腳1、2、3、的三極管部分放大信號。輸入信號通過(guò)50kΩ音量控制對數式電位器P1（P1不在 圖 I中表示）到達電路板，再經(jīng)過(guò)C1、R1直接輸給前置放大級，而R1、C1l提供必需負柵偏壓。增益實(shí)質(zhì)上由R8決定。而最大輸入電壓由R2決定。R9是 這樣確定．即把靜態(tài)陽(yáng)極電流選在特性曲線(xiàn)最大可能的線(xiàn)性部分。在陽(yáng)極上被倒相和放大的輸入信號通過(guò)C2耦合到第二級柵極。第二級陰極電阻被分成R5和R6 兩部分。R5和R6串聯(lián)形成負載電阻。其分壓作用為柵偏壓選擇一個(gè)正確值。柵偏壓加到柵極之前經(jīng)R4和C3退耦和穩定。由柵偏壓和相應特性曲線(xiàn)決定的陽(yáng)極 電流在R5和R6上形成壓降，嚴格地與電流成比例關(guān)系。此電壓接著(zhù)經(jīng)過(guò)耦合電容C4饋給耳機。為避免耳機插入時(shí)產(chǎn)生喀啦噪聲，接入R7保持輸出在DC信號 地電位。上述僅介紹L（左）聲道電路工作原理。右聲道與此相同。

　　分立元件耳機放大電路以及差分功放仿真電路

　　分立元件耳機放大電路

　　電路圖OPA2134和三極管等元件組成。

　　差分功放仿真電路

　　三極管耳機兼線(xiàn)路放大器

　　本文介紹用3只電子管組裝的低阻抗線(xiàn)路放大器兼32Ω耳機放大器，它采用差動(dòng)推挽放大和變壓器輸出，電路簡(jiǎn)單容易制作，又可一機二用，值得有興趣的耳機愛(ài)好者仿制。

　 　高保真立體聲耳機的電聲性能越來(lái)越好。它的聲音不受房間聲學(xué)條件的影響，也不會(huì )影響旁人的工作或休息，更有利于聆聽(tīng)者全神貫注地領(lǐng)略音樂(lè )的旋律、節奏和 感人的氣氛。再加上耳機聽(tīng)音系統的成本低、音質(zhì)好，日益受到發(fā)燒友的青睞。不過(guò)，利用一般功放的耳機插口聆聽(tīng)音樂(lè )的效果還不夠理想，比較好的辦法是為耳機 專(zhuān)門(mén)定制一臺耳機放大器，現在已成為用耳機欣賞音樂(lè )的共識。

　　本文介紹用3只電子管組裝的低阻抗線(xiàn)路放大器兼32Ω耳機放大器，它采用差動(dòng)推挽放大和變壓器輸出，電路簡(jiǎn)單容易制作，又可一機二用，值得有興趣的耳機愛(ài)好者仿制。

　　一.電路和原理

　 　圖1為本機電原理圖（只畫(huà)出左聲道，電源則為左右聲道共用）。整機放大部分只用3只MT電子管。一只12AT7/ECC81雙三極管作左、右聲道的輸入 級，一只12Au7/ECC82雙三極管作一個(gè)聲道的差動(dòng)推挽輸出級。由于這個(gè)電路本身具有倒相作用，因而可省去一級倒相電路，簡(jiǎn)化了電路結構。

　　輸入端設有兩組輸入端子A、B，可用開(kāi)關(guān)切換。為了改善整機特性，輸入級加有來(lái)自輸出級的負反饋。反饋量取lOdB比較適中。該管也可選用12AU7，不過(guò)增益略低，本電路選用12AT7，以保證增益和必要的負反饋量。

　 　輸出級采用12AU7作推挽放大，如前所述它兼有倒相作用，故它無(wú)需輸入反相信號而只有一個(gè)信號輸入端。這個(gè)電路初看起來(lái)不太容易理解，其實(shí)它就是我們 熟悉的差分放大器。在晶體管電路中，差分放大器是司空見(jiàn)慣的，在電子管電路中差分放大器的使用相對比較少見(jiàn)。下面稍微說(shuō)明一下。

　 　這個(gè)電路結構與晶體管差分放大器完全相同。它有兩個(gè)信號輸入端子，兩個(gè)信號輸出端子，陰極共用一個(gè)電阻。屏極采用電阻作負載。差放的運用相當靈活。它可 以在兩個(gè)輸入端子上都加信號，也可以只在一個(gè)輸入端子上加信號。而輸出信號可從兩個(gè)輸出端子上得到，也可從一個(gè)輸出端子上獲得。

　　下面為常見(jiàn)的3種工作方式。

　?。?）當兩個(gè)輸入端加上同相位、同幅度的信號時(shí)。在兩個(gè)輸出端子上得到同相位、同幅度的輸出信號。如作推挽輸出時(shí)，則兩者信號相互抵消，這對抑止輸入噪聲的輸出十分有利。

　?。?）當兩個(gè)輸入端加上反相的同幅度信號時(shí)，輸出端則得到兩個(gè)幅度相同的反相輸出信號。

　?。?）當僅在一個(gè)輸入端加上信號時(shí)，兩個(gè)輸出端上將獲得幅度相同、相位相反的輸出信號。

　　本機輸出級采用單端輸入信號（另一輸入端接地）、雙端輸出信號的工作方式（屏極用一輸出變壓器代替兩個(gè)負載電阻）。它既有（3）點(diǎn)的倒相作用，又有（1）點(diǎn)的抑噪作用，電路又簡(jiǎn)單。

　 　為了提高差分放大電路的對稱(chēng)性及其特性，圖1輸出級兩只三極管陰極采用了恒流源電路，為此使用了一塊LM317穩壓IC.作為耳機放大器，額定輸出功率 有100mW已經(jīng)足夠，本機采用12AU7作差分推挽放大，屏極電壓取180V，屏極電流約7.5mA，柵偏壓約一6V，采用輸出變壓器的初級阻抗為。 10kΩ時(shí)的A類(lèi)最大輸出功率約150roW.此時(shí)屏極功耗為180V×7.5mA=1.35W，不到12Au7最大屏極損耗的一半，是相當安全的。

　 　最后要說(shuō)明，本機作耳機放大器使用時(shí)，供阻抗為32Ω的耳機配合16Ω端子使用，此時(shí)輸出級的實(shí)際負載阻抗為20kQ.當作線(xiàn)路放大器使用時(shí)，同樣使用 16 Q端子。不過(guò)為了避免因配接的后級功放輸入阻抗不同而造成本機輸出級的負載阻抗大幅度變動(dòng)，16 Ω端子應并聯(lián)一只33 n（2W）電阻到地。另外，本機的增益約3.2倍，作為線(xiàn)路放大器且與CD機直駁使用時(shí)，本機顯得增益過(guò)大，此時(shí)最好在輸出端接入圖3所示的衰減網(wǎng)絡(luò )。選 擇適當的衰減量；使系統正常聆聽(tīng)時(shí)本機的音量電位器的轉角行程為一半左右，這樣可使本機工作在最佳狀態(tài)下。至于作為耳機放大器，線(xiàn)路放大器以及配接衰減網(wǎng) 絡(luò )之間如何實(shí)現相應的轉換（用適當的轉換開(kāi)關(guān)等），請制作者根據自己的實(shí)際需要自行設計，這里不再贅述。

　　二.元件和制作

　 　本機大部分元件都很一般，圖1中已注明了要求，未注明要求的電阻均選用1/2 w的。穩流源所用的電阻（50 Q、82 Q）和燈絲穩壓IC所用的電阻（240t2、100t2、2k Ω）宜用1％誤差的電阻。高頻相位補償網(wǎng)絡(luò )（200pF‘、30kΩ）中的電容可選用一般的云母電容器。

　　輸出變壓器采用日本平田電機制作所的FE—10一lO，其外形尺寸和接線(xiàn)端子如圖4所示。主要特性如下：（1）輸出功率：10W（50Hz）

　?。?）頻率響應：20Hz～50kHz（一ldB，輸入4v，2rn=ZP）

　?。?）一次側電感：l 0 0 H（1mW），最大50H（50Hz）

　?。?）一次側容許DC電流：雙管90mA（不平衡電流4mA）

　?。?）功率損耗：0.41dB（16 Ω）

　 ?。?）一次側DC電阻：410Ω輸出級陰極恒流源采用可調三端穩壓IC接成恒流電路，采用LM31 7T可安裝在小型散熱片上，并注意與底盤(pán)之間的絕緣要可靠。為使穩壓Ic作為恒流器件使用，只需在L=M317T輸出端接一電阻即可達到規定的恒流值。該 電阻可用1.25（v）/I（A）來(lái)求得。本機輸出級每管電流為7.5mA，兩管為15mA即O.015A，故R=1.25V/O.015A=83 Q，圖l中選用82 Ω。LM317T正常工作時(shí)要求其輸入至輸出端之間的壓降大于3V.本機輸出級陰極對地電壓約6v，其輸出端子對地電壓為1.2 5V，輸入端子電壓則可在4.25V以上，能滿(mǎn)足正常工作要求。在LM 3l 7T輸入端子和12AU7陰極之間的50Ω電阻是用來(lái)檢測陰極電流所設。燈絲供電采用LM3 50T穩壓（也可采用LM317T），安裝時(shí)應加小型散熱片。安裝時(shí)無(wú)論LM 3l 7還是LM350其3個(gè)端子切勿搞錯。

　　圖5為本機面板、底盤(pán)上下主要元件布置示意圖。電源和輸出變壓器均安裝于底盤(pán)上面，其中輸出變壓器臥式安裝。所有大電解電容器均臥式安裝在底盤(pán)下面。電子管及上述電解電容附近都設置了支架，以便直接搭接相關(guān)元件。

　　信號輸入端引線(xiàn)采用雙芯屏蔽線(xiàn)。圖6為雙芯屏蔽線(xiàn)的使用圖示。雙芯屏蔽線(xiàn)中的兩根芯線(xiàn)分別為信號線(xiàn)的“熱端”和“冷端”，屏蔽層則接地。也就是說(shuō)在屏蔽層中沒(méi)有流過(guò)信號，因而信號不易受到其他雜散電流的干擾。

　　三.調蔓和性能

　　配線(xiàn)完成且檢查無(wú)誤之后可通電試驗。首先斷開(kāi)電源二次側高壓接線(xiàn)，然后在不插入電子管的情況下接通電源，檢查各管燈絲電壓是否正常。該電壓約為12.3V.如偏差過(guò)大，可微調LM350調整端對地的電阻值（100Ω）。

　 　燈絲電壓正常后，可斷開(kāi)電源并恢復電源高壓接線(xiàn)。然后插好各電子管再次接通電源，聽(tīng)和看整機有無(wú)異常聲響或其他情況。如無(wú)異常情況，可用萬(wàn)用表測試各管 陰極電壓。通常，只要陰極電壓正常，管子的工作狀態(tài)就多半沒(méi)有什么問(wèn)題。 輸出級的有效屏極電壓約180V，陰極電壓約一5.6V.屏極電流可測量陰極50Ω電阻上的壓降得知。實(shí)測為1 5.6mA，每管電流為7.8mA.三端穩壓IC上有3V壓降就能進(jìn)行正常的穩流工作。

　　現在來(lái)看一下本機的各項實(shí)測性能。

　　四.輸入/輸出特性

　 　本機增益為3.2倍，削波前的輸出電壓為2.6V，因此在33Ω耳機上輸出功率可達205mw，是設計值的1.3倍以上。這對耳放來(lái)說(shuō)功率已十分充裕。 圖7為本機輸入/輸出特性，隨著(zhù)輸入信號增加，在削波之前出現“圓頂”失真，能看到真正削波時(shí)的輸出功率實(shí)際上達到270mW。

　?。?）頻響特性

　 　圖8為本機頻響特性。作為耳機放大器，測試時(shí)功率取30mW.由圖可見(jiàn)lOHz時(shí)為一0.3dB，100kHz時(shí)為一1.3dB，無(wú)疑是一款寬頻帶耳 放。圖中還給出了10mV時(shí)的特性，這是推挽輸出變壓器在小輸出下工作時(shí)初級電感有所降低所引起的。不過(guò)低頻的下降也僅0.8dB，仍是相當優(yōu)秀。

　?。?）失真特性圖9為本機的失真特性。10mw輸出時(shí)100Hz的失真為O.15％，1kHz失真為0.1％，10kHz為O.12％，應該說(shuō)還算不錯。

　 　其他特性方面，也都不錯。阻尼系數在33 n負載下，20Hz～20kHz全頻段范圍內達到8.3.這對獲得良好的低音重放是很重要的。左右聲道的分離度lkHz時(shí)達到一70dB.高頻20kHz 一般不超過(guò)一60dB，完全沒(méi)有什么問(wèn)題。用耳機欣賞音樂(lè )時(shí)，殘留噪聲也是一項重要指標。本機低達0.03～0.0 41“12V，這對于靈敏度為lOOdB/mW的耳機，即使音量置于最大位置，也完全聽(tīng)不到任何噪聲。本機方波響應也很好，接上0.1 u F純電容負載也不必擔心電路會(huì )產(chǎn)生振蕩。

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