支持雙麥克風(fēng)的藍(lán)牙無線接收器及在教學(xué)中的應(yīng)用

張紅升+陳鴻躍+朱仁義

摘要：針對(duì)教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)中需要師生同時(shí)使用麥克風(fēng)的需求，設(shè)計(jì)了一種支持雙麥克風(fēng)的藍(lán)牙無線接收器。該接收器可同時(shí)采集兩個(gè)藍(lán)牙麥克風(fēng)的聲音并放大，并直接驅(qū)動(dòng)多媒體教室已有的音箱設(shè)備，具有聲音清晰、安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；雙通道麥克風(fēng)；多媒體教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）36-0273-02

一、引言

現(xiàn)代教育注重教學(xué)環(huán)節(jié)的互動(dòng)，特別是在課堂教學(xué)中，師生之間的互問互答對(duì)調(diào)動(dòng)課堂氣氛、提高教學(xué)效果都起著重要作用。但是目前大多數(shù)多媒體教室中，只有老師配備了麥克風(fēng)，學(xué)生回答的音質(zhì)效果得不到保證，在一定程度上影響了教學(xué)效果。因此，設(shè)計(jì)一種音質(zhì)良好、使用簡(jiǎn)單的雙麥克風(fēng)方案，對(duì)于進(jìn)一步提升教學(xué)效果有著積極意義。

在當(dāng)前建設(shè)多媒體校園的大背景下，藍(lán)牙麥克風(fēng)作為一種新的教學(xué)設(shè)備在很多學(xué)校得到應(yīng)用。藍(lán)牙無線麥克風(fēng)利用藍(lán)牙技術(shù)的自動(dòng)跳頻、對(duì)頻、數(shù)據(jù)更正、錯(cuò)誤重傳等諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1]，把藍(lán)牙技術(shù)與數(shù)字音頻處理技術(shù)完美地結(jié)合，有效地克服了傳統(tǒng)麥克風(fēng)在教學(xué)擴(kuò)音應(yīng)用中的不足。為了進(jìn)一步滿足課堂上師生互動(dòng)的需求，本文給出了一種雙麥克風(fēng)的藍(lán)牙無線音頻接收方案。

二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為了能夠同時(shí)互不影響的接收兩路藍(lán)牙麥克風(fēng)的聲音，采用了兩個(gè)獨(dú)立的藍(lán)牙接收模塊，這兩個(gè)模塊的輸出經(jīng)混音、放大后，接入教室中多媒體控制臺(tái)的音頻功放，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)音箱發(fā)出聲音。系統(tǒng)的整體方案如圖1所示。

由于每個(gè)藍(lán)牙接收模塊都需要接收天線，為降低成本，采用了功分及阻抗匹配電路，使得兩個(gè)藍(lán)牙模塊可以共用一個(gè)接收天線。兩個(gè)藍(lán)牙模塊的輸出采用混音電路合成為一路音頻。由于大多數(shù)藍(lán)牙模塊都是按驅(qū)動(dòng)耳機(jī)來設(shè)計(jì)的，為提高其驅(qū)動(dòng)能力，增加了音頻放大電路。同時(shí)，考慮到不同的應(yīng)用需求，將輸出音頻同時(shí)經(jīng)過兩路放大。這樣做的目的是為了在驅(qū)動(dòng)教室內(nèi)音箱發(fā)聲的同時(shí)，還可以驅(qū)動(dòng)另外一個(gè)音頻設(shè)備。例如在教室實(shí)時(shí)錄播系統(tǒng)中，可以將接口1的音頻接入到多媒體教室的音箱功放上，接口2接入到錄播系統(tǒng)的錄音輸入。這樣錄播系統(tǒng)就相當(dāng)于直接采集到了老師和學(xué)生說話的原始聲音，避免了傳統(tǒng)的開放式錄音方法（將錄音的麥克風(fēng)置于講臺(tái)或黑板后）無法消除教室內(nèi)環(huán)境噪音的缺點(diǎn)。

三、硬件電路設(shè)計(jì)

1.藍(lán)牙接收模塊。藍(lán)牙接收部分采用市面上通用的高集成度藍(lán)牙音頻傳輸模塊設(shè)計(jì)，藍(lán)牙接收模塊已經(jīng)封裝了藍(lán)牙的全部底層操作，可以實(shí)現(xiàn)與麥克風(fēng)的自動(dòng)配對(duì)并輸出音頻信號(hào)，使得用戶只需要通過串口對(duì)其有關(guān)參數(shù)和工作模式進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置即可。該藍(lán)牙模塊的傳輸距離不小于15米，可以滿足大多數(shù)教室的需求。對(duì)于容量較大的階梯教室，可以配備一個(gè)增益高的藍(lán)牙天線（如吸盤式天線或吸頂天線），并通過饋線引出到教室頂部中央的位置，從而提高其覆蓋范圍。

考慮到學(xué)校內(nèi)教室多且距離近，為避免相鄰教室的誤配對(duì)，將藍(lán)牙接收模塊的配對(duì)門限和通信門限分別設(shè)立為不同的數(shù)值[2]。配對(duì)門限設(shè)置為一個(gè)較高的數(shù)值，這樣只有當(dāng)麥克風(fēng)十分靠近藍(lán)牙接收天線時(shí)（一般小于3米）才能成功連接，從而避免相鄰教室的誤配對(duì)。而通信門限相對(duì)較低，這樣當(dāng)藍(lán)牙配對(duì)成功后，即使在幾百平米的階梯教室內(nèi)，也可以手持話筒任意走動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)傳輸中斷的現(xiàn)象。

2.音頻放大電路。音頻放大電路選用OPA2353芯片[3]來設(shè)計(jì)。OPA2353具有可單電源供電、輸入輸出軌到軌、帶寬大、信噪比高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。該芯片在音頻頻帶內(nèi)（0-20KHz）的開環(huán)增益為120dB，信噪比大于107dB，完全滿足高品質(zhì)音頻放大的需求。OPA2353內(nèi)部含有兩個(gè)運(yùn)算放大器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路放大。圖2給出了音頻放大電路的電路圖。

以圖2音頻放大電路為例，其放大倍數(shù)為如式（1）：

針對(duì)后級(jí)音頻設(shè)備不同的輸入要求，可以調(diào)節(jié)Rx的值，實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)在0-6dB范圍之內(nèi)變化，達(dá)到與后級(jí)設(shè)備的最佳匹配，從而提高系統(tǒng)的性能。

3.設(shè)計(jì)結(jié)果及測(cè)試。按照上述方案設(shè)計(jì)的接收器實(shí)物如圖3所示。位置①為天線接口，位置②和③分別為藍(lán)牙模塊1和藍(lán)牙模塊2，位置④和⑥分別為音頻輸出接口1和音頻輸出接口2，位置⑤為供電接口。音頻放大電路位于藍(lán)牙模塊下方，被藍(lán)牙模塊遮擋而不可見。

該裝置在作者所在大學(xué)的多媒體錄播教室中進(jìn)行了測(cè)試。其中藍(lán)牙天線采用吸盤天線；接口1的放大倍數(shù)設(shè)置為1，與多媒體教室的音箱功放連接；接口2的放大倍數(shù)設(shè)置為4，與錄播系統(tǒng)的錄音輸入連接。試驗(yàn)結(jié)果如下：

1）在標(biāo)準(zhǔn)的60座的教室內(nèi)，藍(lán)牙天線吸附于講臺(tái)上的多媒體控制臺(tái)金屬外殼上，在上課前將兩路麥克風(fēng)湊近講臺(tái)完成配對(duì)后，則教師和所有座位的學(xué)生都可以正常使用麥克風(fēng)，沒有語音中斷現(xiàn)象。老師無論在講臺(tái)上，還是走入課堂中，聲音保持連續(xù)，無中斷現(xiàn)象。

2）在200座的大階梯教室中，如果藍(lán)牙天線放在講臺(tái)上，則最后幾排的部分學(xué)生在使用麥克風(fēng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)語音不連貫的現(xiàn)象。通過將藍(lán)牙天線移至室內(nèi)靠中央的位置，上述現(xiàn)象得到有效解決。

3）在藍(lán)牙保持連接的情況下，其音質(zhì)較傳統(tǒng)的小蜜蜂式話筒有顯著的改善，且在講話過程中，教師和學(xué)生可分別通過手中的藍(lán)牙麥克風(fēng)進(jìn)行音量調(diào)整。

4）連接接口2的錄播系統(tǒng)的音質(zhì)得到大幅度提升，錄制視頻中的教師和學(xué)生的聲音都十分清晰，相較于原來的開放式錄音方案，背景噪音顯著降低。

四、總結(jié)

給出了一種雙通道藍(lán)牙無線接收器的設(shè)計(jì)方案，介紹了其工作原理、電路結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果。該裝置可以加裝在多媒體教室的現(xiàn)有音頻系統(tǒng)中，使得教學(xué)過程中教師和學(xué)生可以同時(shí)使用藍(lán)牙無線話筒，增強(qiáng)了師生互動(dòng)，提高了教學(xué)效果。該裝置還可以顯著改善教室錄播系統(tǒng)的錄音質(zhì)量，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[2]楊本全，陳愛華，葉劍超.基于BC03藍(lán)牙模組的無線有源音箱設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，（17）.

[3]張達(dá).集成運(yùn)算放大器的特性及其在音頻放大器中的應(yīng)用（十）——低電壓、低功耗運(yùn)算放大器OPA2353[J].實(shí)用影音技術(shù)，2011，（08）.

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致謝：

本論文得到重慶市高等教育學(xué)會(huì)高等教育科學(xué)研究課題（CQGJ13C446）、重慶郵電大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目（XJG1505，2015YL-04，2016YL-03，XJG1617）以及重慶市本科高?！叭匦袆?dòng)計(jì)劃”特色專業(yè)（微電子科學(xué)與工程）建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。endprint