簡介: 由于手機和筆記本的快速普及，更多的手機廠商將內嵌AV規格的藍牙作為標準配置，筆記本廠商也將具備EDR規格的藍牙作為標準配置，藍牙產品基于AG的應用空間越來越廣泛。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。本文基于CSR芯片的FM藍牙立體聲耳機與MP3的系統設計做簡要描述。如圖1，整個系統可以獨立或是整合設計，根據客戶需求，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MP3，四大產品系列， 豐富產品線。
系統結構
圖1 系統結構(點擊放大圖)
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。
該系統采用CSR BC3MM作為主芯片，實現藍牙功能，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，在電路設計的時候應充分考慮其邏輯關系。FM 和OLED也作為產品系列的可選部分，通過I2C總線與系統相連。基于PHILIPS的TEA5761設計，最大限度優化了外圍器件。世健提供兩種選擇，FM模組的方式和CHIP ON BOARD的設計。選用OLED顯示的主流顯示技術，OLED與傳統的LCD顯示方式不同，可以做到更薄更輕、響應快、能耗低，主動發光、高清晰、低溫和抗震性能優異、柔性和環保設計等特別適合便攜產品的設計。
ESPL提供功能完整的整合軟件，包含Profile：1，A2DP (AVRCP)；2，Headset；3，Handfree。ESPL參考設計MMI Configuration預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，耳機應用對控制噪聲的嚴格要求，系統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。在實際產品的測試中，采用TC1303B，3V3FLASH，則在系統進入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。由此可見電路設計及其器件選型對產品的重要性。
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品的性能參數并無多大影響，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指示，可節省藍牙芯片PIO資源，在這里，有一點值得注意的是，如果是對于MP3功能的設計，使用USB的時候系統不能復位且必須能訪問MENORY并同時充電，在設計電路時候應在充電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的時候依然能夠充電完好。這跟電池的充電狀態有關，在系統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。如果在此之前啟動系統，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計，可以省掉這些器件換用RC復位電路以節省成本。CSR芯片底層的內在FIRMWARE設計，在復位狀態后，系統檢測電池電量以確定充電狀態。如果低于某個門限電壓如2.3V，那么系統將不能被啟動。 直到系統認為充電狀態已經到達快速模式，才啟動系統。
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，帶有內部降噪功能，但通常這遠不能滿足設計指標要求。在通話狀態下經常會有噪音，如果走線和靈敏度都OK依然存在噪音，與之有影響的因數還有RF部分電路，或是降低MIC的增益以達到期望品質。 另外MIC輸出端的濾除GSM噪音的電感不應省略。能有效驅除通話噪音。在設計MIC 電路的時候，值得注意的是有的客戶立體聲的設計中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 通話狀態音頻路徑(點擊放大圖)
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，所以實際應用我們需要兩耳同時聽到對方說話聲音。實現起來很簡單，軟件上只需要同時PORT到0和1即可實現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，系統的設計軟硬件一定要匹配，否則就會出現MIC沒聲音輸出。 在這里，值得一提的是，BC3MM 沒有利用MIC偵測使用環境周圍吵雜度，自動調整Speaker輸出增益，讓耳機自動保持最清晰且適當的輸出。目前的設計階段是將MIC的增益固化，SPK的增益自己手動調節。
如下圖三，通過藍牙STREAMING立體聲音頻路徑。要欣賞音樂，SCO鏈路的質量就顯得太差了。所以采用ACL鏈路來發送數據包，但ACL鏈路是為突發的數據設計的，不是音頻，因此他會對數據包從發導致延遲，通過在接收方進行包緩沖，就可以向MP3解碼器送入穩定的信息流。這就涉及到應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，現有的設計中采用SBC的方式。DSP解碼SBC，DAC將數字信號還原為模擬信號，該過程聲音質量有極大的影響，憑借DSP快速且大量的數據運算能力及其多重算法支持，以及內置的16為DAC轉化，在聲音質量與噪聲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(點擊放大圖)
耳機驅動功放采用TI的TPA6112A2，該器件提供150MW的立體聲輸出。它有三個主要的優點適合于藍牙的應用，第一、支持全差分的輸入，第二、內建POP REDUCE電路，第三、內部MID-RAIL 電路。設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來控制電源以節省電能，CSR的底層軟件已經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省功耗。可是這里有一個問題，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，應用成的軟件無法做到控制該進行時態的控制，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，在當前狀態按鍵動作后用軟件加以靜音或是延時1-2S響應，去除該時段的瞬時噪音，但這樣做很難保證軟件設定時間的精確性，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生的噪音。有的用戶可能會提出功耗的質疑，在SHUTDOWN 狀態，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設定PIO的輸出優先級別最低，所以輸出脈沖經常不準確，同時PIO也無法直接模擬提供用于驅動BUZZER的頻率脈沖，所以，該部分的設計不像通常的MCU設計直接用GPIO模擬驅動(比如手機的BUZZER可以這樣做得到)， 而是借助于PIO口的中斷產生一個頻率很低的脈沖，這個脈沖用于控制BUZZER的節奏，而驅動BUZZER所要的頻率則選擇硬件實現，比如555電路。
RF 電路
天線設計的好壞以及其匹配的程度，都對通話質量和距離起到很大的作用，對于對語音質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，匹配的設計過程很簡單，采用網絡分析儀10分鐘一般能搞定，這部分關鍵是要選擇好天線廠家并獲得技術支持。
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，電源的設計以及FIRMWARE的設定都有很大關系，尤其是RF 參數的優化設定。這就是為何有的優化只能達到0.5DB的提升，而同樣的優化，在不同PCBA和不同FIRMWARE環境下卻可以做到3 DB的提升。
藍牙產品的RF測試是個必須的環節，不僅僅是RF測試，藍牙地址碼的寫入以及出于對產品和晶體一致性的考慮，晶體的調節都是必須的，世健系統提供完整的軟硬件測試方案，該部分內容較多，限于篇幅，將另外詳細介紹。
結語
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，并提供生產測試的建立， 從器件的選型到生產的全方位支持極大的加速了產品上市的速度。 |
