基于SigmaDSP的無線Sound Bar系統(tǒng)設(shè)計

王錦+陳博敏

摘 要：針對目前平板電視等設(shè)備對高品質(zhì)音響系統(tǒng)的要求，設(shè)計了一款具有優(yōu)越音頻性能的Sound Bar音響系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ADI的SigmaDSP數(shù)字音頻處理器為核心，配合藍(lán)牙等模塊，還可實現(xiàn)智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備的無線音頻播放。

關(guān)鍵詞：Sound Bar;無線;SigmaDSP;音響

中圖分類號：TN912 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

由于平板電視的日益普及，并且伴隨著制造技術(shù)的飛速發(fā)展，平板電視機(jī)日趨纖薄，機(jī)箱容積和揚聲器口徑受到了一定的限制，電視機(jī)音頻聽覺效果不理想等問題顯得愈發(fā)突出，使用者在聽覺方面無法得到滿足，期待更好的音質(zhì)來配合顯示，因此專為彌補(bǔ)平板電視播放音頻音質(zhì)不足的Sound Bar音響系統(tǒng)便應(yīng)用而生[1]，并且在Sound Bar音響系統(tǒng)中數(shù)字信號處理器（DSP）也獲得了廣泛的應(yīng)用，用以對音頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理[2]。本文就結(jié)合目前市場對Sound Bar音響系統(tǒng)的需求，給出了一種基于ADI的SigmaDSP數(shù)字音頻處理器的無線Sound Bar系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)除了滿足平板電視的音頻播放外，還能夠以無線的方式播放智能手機(jī)、平板電腦或PC上的音樂。

1 ?無線Sound Bar應(yīng)用系統(tǒng)

一個較為完整的無線Sound Bar應(yīng)用系統(tǒng)由Sound Bar音響系統(tǒng)、平板電視（或者智能手機(jī)、平板電腦）、紅外遙控等幾部分組成（如圖1所示）。圖中的平板電腦通常與Sound Bar之間采用RCA方式進(jìn)行音頻信號的傳輸，也可以采用AUX方式連接;移動終端包括智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備，其與Sound Bar之間通常采用藍(lán)牙進(jìn)行通信，具備與智能手機(jī)音量同步的擴(kuò)展功能。

圖1 ?無線Sound Bar應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2 ?無線Sound Bar的系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ?無線Sound Bar的系統(tǒng)組成

無線Sound Bar系統(tǒng)由無線傳輸模塊、音頻切換開關(guān)、音頻處理模塊、音頻功率放大模塊等部分組成，如圖2所示。無線傳輸模塊負(fù)責(zé)接收手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備的音頻線號，音頻切換開關(guān)負(fù)責(zé)對輸入的音源信號進(jìn)行切換，音頻處理模塊負(fù)責(zé)對音頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理，將處理后的音頻信號送入D類音頻功率放大器，經(jīng)放大后的音頻驅(qū)動喇叭以播放音頻。

圖2 ?無線Sound Bar組成結(jié)構(gòu)

2.2 ?無線Sound Bar系統(tǒng)的硬件設(shè)計

這里以ADI的SigmaDSP為核心進(jìn)行Sound Bar的硬件設(shè)計，其硬件組成如圖3所示。音頻處理模塊選用SigmaDSP ADAU1701，音頻功率放大器選用SSM3302，音頻切換開關(guān)選用ADG884，藍(lán)牙模塊選用Excelpoint的CSR BC5-MM模塊，與藍(lán)牙模塊配套的音頻耳機(jī)模塊選用TDA1308T，DC-DC電源模塊選用ADP2371。

圖3 ?無線Sound Bar硬件組成

2.2.1 ?SigmaDSP ADAU1701音頻處理器

ADI的SigmaDSP 芯片ADAU1701是一款50 MIPS數(shù)字音頻處理器[4]，包含1個28/56 b音頻DSP、2個ADC、4個DAC，還具備類似微控制器的控制接口，并通過I2C總線或4線SPI端口通信。ADAU1701輔助的ADC包含4個輸入多路復(fù)用器，用于模擬控制;具備通用接口GPIO，用于數(shù)字控制與輸出;支持完全可編程的SigmaStudio[4]圖形工具;內(nèi)部集成28 b × 28 b 乘法器，包含56 b累加器，可用于完全雙精度數(shù)據(jù)處理;支持192 kHz的最高采樣速率，同時內(nèi)置電壓調(diào)整器可采用3.3 V電源供電。ADAU1701 程序可以從串行E2PROM自動引導(dǎo)（通過其自引導(dǎo)機(jī)制）或從外部微控制器上電加載，在上電期間，當(dāng)前參數(shù)狀態(tài)可以從ADAU1701寫回到E2PROM，以便在下一次程序運行時重新調(diào)用。

ADAU1701的數(shù)字音頻信號處理包括平衡、混音、低音增強(qiáng)、多波段動態(tài)處理、延遲補(bǔ)償以及立體聲圖像擴(kuò)展等，可以對現(xiàn)場的揚聲器、放大器與收聽環(huán)境的限制進(jìn)行補(bǔ)償，以便感受到的音頻質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)改進(jìn)。ADAU1701的信號處理可以同高端立體聲設(shè)備中的信號處理相媲美。大多數(shù)處理是由完全的56 b雙精度模式完成的，因此帶來非常優(yōu)良的低電平信號性能。ADAU1701是完全可編程數(shù)字信號處理器。易于使用的SigmaStudio軟件允許用戶利用雙二階濾波器、動態(tài)處理器、電平控制以及GPIO接口控制通用等手段，通過圖形配置用戶定制的信號處理流程。

選擇SigmaDSP平臺的一項主要優(yōu)勢是配套的SigmaStudio設(shè)計軟件套件，它無需任何DSP編程知識。SigmaStudio具有易用的圖形化用戶接口（GUI），可以生成無縫的硬件和軟件工具環(huán)境。拖放接口使設(shè)計人員僅需在音頻功能模塊庫（包括音量控制、交越與均衡濾波器，以及其它第三方算法）中進(jìn)行選擇，就能構(gòu)建多通道數(shù)字音頻平臺。SigmaStudio工具還能夠輕松實現(xiàn)已獲得行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)許可的Dolby、SRS等算法。

2.2.2 ?D類立體聲音頻放大器SSM3302

SSM3302是一款全集成式高效率D類立體聲音頻放大器，采用高效率、低噪聲調(diào)制方案，無需外部LC輸出濾波器，應(yīng)用電路只需極少的外部器件。SSM3302采用7 V至18 V單電源供電，采用12 V電源時，SSM3302能夠以90%的效率將7 W功率驅(qū)動至8 Ω負(fù)載，或者以82%的效率將10 W功率驅(qū)動至4 Ω，信噪比（SNR）大于98 dB。此外，激活單聲道模式時，用戶可以通過堆疊立體聲輸出端，將低至2 Ω的負(fù)載最高驅(qū)動至20 W連續(xù)輸出功率。

與其它D類架構(gòu)相比，采用擴(kuò)頻脈沖密度調(diào)制（PDM）可提供更低的電磁輻射。SSM3302含有一個可選的調(diào)制選擇引腳（超低EMI輻射模式），大幅降低了D類輸出（特別是100 MHz以上）的輻射。

SSM3302提供完全差分輸入，可以有效地抑制輸入端的共模噪聲。該器件還含有一個高度靈活的增益選擇引腳，只需一個串聯(lián)電阻，便可以選擇9 dB和24 dB之間的增益，而無需更改輸入阻抗。與使用外部電阻來設(shè)置增益相比，這樣做的優(yōu)點是可以改善單個應(yīng)用中多個SSM3302器件之間的增益匹配。

2.2.3 ?DC-DC轉(zhuǎn)換器ADP2371

ADP2371為高效率、低靜態(tài)電流降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用專有高速電流模式、恒頻PWM控制方案，具有出色的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。這些器件內(nèi)置高效率同步整流器結(jié)構(gòu)，因而無需外部整流器。輸入電壓范圍3.2 V至15 V，輸出電流800 mA，省電模式（PSM）下靜態(tài)電流小于14 ?A，效率高于90%。固定輸出為0.8 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.0 V、3.3 V、5 V和可調(diào)選項，占空比能力100%，初始精度±1%，具備快速輸出放電（QOD）選項，并支持ADIsimPower設(shè)計工具。

ADP2371提供多種選擇來設(shè)置工作頻率。既可以將這些器件與600 kHz至1.2 MHz外部時鐘同步，也可以強(qiáng)制使其通過FSEL引腳采用600 kHz或1.2 MHz頻率工作。當(dāng)噪聲比效率更為重要時，可以強(qiáng)制ADP2371采用PWM模式（FPWM）工作。

為盡量減少外部器件數(shù)量并提高效率，ADP2371內(nèi)置功率開關(guān)和同步整流器。為便于使用， ADP2371還包括內(nèi)部軟啟動和內(nèi)部補(bǔ)償功能。

2.2.4 ?SPDT開關(guān)ADG884

ADG884是一款低壓CMOS器件，包括兩個獨立的單刀雙擲（SPDT）開關(guān)，具有超低的導(dǎo)通電阻，在整個溫度范圍內(nèi)小于0.4 Ω，使其非常適合音頻信號等要求最小開關(guān)失真的應(yīng)用。ADG884還具有大電流驅(qū)動能力，在5 V電壓工作時電流典型值為600 mA。ADG884在導(dǎo)通時，開關(guān)在兩個方向正常工作，其輸入信號范圍可以擴(kuò)展至電源電壓。ADG884可以執(zhí)行先斷后合的開關(guān)動作。

2.2.5 ?立體聲耳機(jī)驅(qū)動器TDA1308T

TDA1308T是專門為驅(qū)動立體聲耳機(jī)設(shè)計的AB類耳機(jī)驅(qū)動集成電路，其電源電壓為3～7 V ， 靜態(tài)電流僅約3 mA，動態(tài)范圍大， 帶寬可達(dá)5.5 MHz，， 轉(zhuǎn)換速率為5 V/μs， 交流聲抑制達(dá)90 dB。在5 kΩ負(fù)載下的信噪比為110 dB， 失真率小于0.009%。

2.2.6 ?無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸部分主要包括藍(lán)牙模塊和近場通信（NFC）模塊，該模塊主要實現(xiàn)與智能手機(jī)等移動設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而播放移動設(shè)備的音頻。藍(lán)牙模塊采用CSR的高集成度BC5 系列藍(lán)牙模塊[5]，其內(nèi)置16 位立體聲編解碼器為高品質(zhì)音樂播放提供了保障，并且內(nèi)部DSP 結(jié)合CVC 軟件，可實現(xiàn)免提消回音功能。NFC部分采用模塊Excelpoint的NFC模塊，可實現(xiàn)Touch to Pair[6]（接觸配對）功能。

3 ?結(jié) ?語

ADI的SigmaDSP處理器具有高性價比、完全可配置，以及可擴(kuò)展的數(shù)字音頻后處理等特性，若利用其均方根檢測和GPIO控制功能來顯著降低Sound Bar系統(tǒng)的噪聲和功耗，則能進(jìn)一步發(fā)揮作用。SigmaDSP配套的圖形化開發(fā)工具SigmaStudio支持以圖形方式設(shè)置各種功能，而不需要編寫代碼，令設(shè)計工作倍加簡單。此外，由于功率放大器模塊通常離SigmaDSP處理器比離MCU更近，因此用SigmaDSP處理器來控制靜音功能，可以簡化布局布線工作并提高EMI抗擾度。

參考文獻(xiàn)

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[2]何偉峰， 彭妙顏， 吳凱儀. 基于 DSP 的高保真還音技術(shù)在數(shù)字影院中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電影技術(shù)， 2014， 5（10） ：38-43.

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[4]楊州. 基于 ADAU1701 和 ARM7 的數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 中國科技博覽， 2011 （33）： 422-423.

[5]沈明合， 黃聯(lián)芬. 基于 CSR BC5-MME 嵌入式藍(lán)牙耳機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2010， 33（14）： 28-31.

[6] Seethalakshmi P， Kumar C S， Gayathri C. The Human Interactive Mobile Utilization by Touching Technology-A Simplified View[J]. Indian Journal of Innovations and Developments， 2012， 1（7）： 542-548.