基于藍牙5.0的真無線立體音箱設(shè)計

游子鑫

基于藍牙5.0的真無線立體音箱設(shè)計

游子鑫

（武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著藍牙5.0技術(shù)的發(fā)展和真無線立體技術(shù)（True Wireless Stereo，以下統(tǒng)稱TWS）的出現(xiàn)，音頻市場又迎來新一輪熱潮。由于藍牙5.0技術(shù)尚未普及、市場更新?lián)Q代較慢等，導(dǎo)致該類設(shè)備性價比很低，比如蘋果TWS耳機。藍牙速度和距離的提高以及D類功放的成熟，藍牙音箱市場也將會迎來高峰！針對目前市場，戶外演出、演講等用到的普通有線音箱線路較長、聲音不均的問題，采用藍牙5.0和高效率的D類功放，設(shè)計了一種在鋰電池供電下，功率適中、工作時間長的戶外無線立體音箱解決方案。

藍牙5.0；TWS技術(shù)；D類功放；戶外音箱

1 背景

1.1 藍牙5.0技術(shù)發(fā)展形勢

早在2016年年底，藍牙技術(shù)聯(lián)盟就提出了全新的藍牙技術(shù)標準：藍牙5.0。然而市場上的藍牙版本還停留在藍牙4.0以及更早的版本，由于升級換代較為困難，藍牙5.0在市場中很少出現(xiàn)和普及。藍牙5.0的傳輸速度達到2 Mbps，是藍牙4.0版本的2倍，傳輸距離最遠達到300 m，是藍牙4.0版本的4倍[1]。目前為止，全世界支持藍牙5.0的手機型號有蘋果8、VIVO X21、華為P30及各自的新版本等等，支持藍牙5.0的設(shè)備稀少而昂貴。但是藍牙5.0技術(shù)還是得到了充分發(fā)展，CSR、TI（德州儀器）、ST（意法半導(dǎo)體）等知名公司都推出了各自的藍牙5.0解決方案，其中TI公司還提供藍牙5.0二次開發(fā)的數(shù)據(jù)資料，CSR公司更是在藍牙音頻領(lǐng)域獨樹一幟。

1.2 真無線立體技術(shù)發(fā)展形勢

藍牙速度、距離的提升，D類功放的飛速發(fā)展和E類功放問世，高效率和小體積成為藍牙音箱的追求，這兩點原因促使音頻市場的煥發(fā)新的活力。在2019年，TWS無線藍牙耳機呈現(xiàn)了爆發(fā)式的增長，但目前生產(chǎn)TWS音箱或耳機的公司并不多，導(dǎo)致TWS耳機和音箱的價格和性能不相匹配，而且由于品牌因素在合適價格內(nèi)很難有高品質(zhì)的產(chǎn)品。

1.3 音箱市場發(fā)展形勢

目前，一些戶外演出、演講等所用到的音箱都是有線模式，大多是單音箱，需要牽引較長的供電線路，且聲音由前到后不均勻，不夠便利，限制了音箱的使用場合，藍牙5.0技術(shù)的出現(xiàn)，解決了這一問題。正因如此，品質(zhì)卓越而價格低廉的藍牙音箱將會是未來音頻市場的追求，音頻市場也將將會是數(shù)字音箱的天下。

1.4 TWS藍牙音箱的優(yōu)勢

本文利用傳輸快、距離遠的藍牙5.0模塊，高品質(zhì)的解碼芯片和高效率的D類功放，設(shè)計了一款支持TWS模式的HI-FI（高保真）級的藍牙音箱。解決了傳統(tǒng)有線音箱線路冗雜、聲音不均的問題，寬輸入的電壓兼容在航模鋰電池供電下時間長達3～4 h，擴寬了藍牙音箱的適用范圍。

2 實施方案

2.1 立體藍牙音箱設(shè)計流程

藍牙音箱主體分為無線通信模塊、音頻解碼模塊、功放模塊以及電源模塊四個大類，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 音箱簡化示意圖

DSP控制器與各類藍牙輸出型設(shè)備無線連接，采用藍牙5.0協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，然后將接收到的音頻數(shù)據(jù)進行數(shù)字化編碼，并以I2S通信的數(shù)據(jù)格式輸出至解碼模塊。

解碼模塊將對I2S格式的音頻數(shù)據(jù)進行解碼，經(jīng)過DAC處理后輸出模擬信號，該模擬信號經(jīng)過有源濾波處理后送至功率放大模塊。

功率放大模塊將模擬信號放大即可驅(qū)動揚聲器內(nèi)部，揚聲器內(nèi)部線圈在電磁場作用下產(chǎn)生震動，帶動膜片發(fā)出聲音。電源模塊對不同的用電類型輸出不同的電壓和功率，滿足供電需求。

2.2 電源拓撲選擇

以上變換器通過PWM信號的占空比控制場效應(yīng)管導(dǎo)通或者關(guān)閉來實現(xiàn)升壓或者降壓。通過二極管的單相導(dǎo)電性控制導(dǎo)電回路，實現(xiàn)不同的電流流向，因此可以改變電壓極性。其中SEPIC輸出正壓，CUK輸出負壓。對比正激變換器和反激變換器，以上電源變換器不需要變壓器隔離，減小了音箱體積；對比單一的BUCK或者BOOST變換器，能同時實現(xiàn)電壓的升或者降，大大提高了電壓模塊的兼容性、開關(guān)電源的高效性，能夠讓藍牙音箱在普通航模鋰電池供電下工作時長可達3～4 h。圖2所示的SEPIC斬波電路和圖3所示的CUK斬波電路利用高速開關(guān)的場效應(yīng)管實現(xiàn)電能變換，效率高達90%以上。

圖2 SEPIC斬波電路

圖3 CUK斬波電路

2.3 TWS技術(shù)原理和實現(xiàn)方式

藍牙5.0的傳輸速度是TWS技術(shù)實現(xiàn)的保障，通過手機連接主藍牙模塊，單方面對主藍牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，主藍牙模塊控制左聲道揚聲器，并同時給從藍牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，從藍牙模塊控制右聲道揚聲器，左右聲道揚聲器同時輸出，形成立體音。未進行TWS配對時，主藍牙模塊以單聲道形式輸出，TWS模式如圖4所示。

圖4 TWS模式示意圖

3 硬件設(shè)計

3.1 藍牙控制器

藍牙控制器型號很多，這里推薦2種解決方案：①TI公司的CC2640。CC2640是TI公司在2016年推出的一款支持藍牙5.0的超低功耗32位傳感器控制器，待機電流1.1 μA，2.4 GHz的RF收發(fā)速度和高達48 MHz的時鐘速度有效保證了通信的快捷性；支持2引腳cJTAG調(diào)試和JTAG調(diào)試，4個通用定時器資源，TI公司還額外提供相應(yīng)的二次開發(fā)數(shù)據(jù)手冊，有一定的程序設(shè)計基礎(chǔ)即可實現(xiàn)想要的功能。廣泛應(yīng)用于運動、工業(yè)、醫(yī)療等各個領(lǐng)域。②高通CSR8675的藍牙SoC芯片，它自帶一個強大的DSP處理器，集成了雙模式藍牙收音機、一個低功耗的DSP，一個應(yīng)用處理器，一個電池充電器，存儲器、各種音頻和硬件接口的單芯片解決方案，支持24位音頻數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)時鐘高達120 MHz，集成16 MB可編程閃存，支持多達64 MB的外部SPI閃存 56 KB系統(tǒng)，2個I2S端口，用于增強與外部組件的音頻連接能力，MCU RAM 64kx24位數(shù)據(jù)和12kx32位程序存儲器，兼容藍牙4.2版本。強大的儲存能力和高速的運算速度保證了藍牙5.0的通信能力。

高通的藍牙音頻解決方案都是量產(chǎn)，不配備二次開發(fā)接口，TI公司解決方案需要自行設(shè)計，靈活性更大，可以根據(jù)實際靈活選取。

3.2 音頻解碼電路

PCM1794A是TI（德州儀器）公司生產(chǎn)的最高性能立體聲DAC控制器，24位分辨率，SNR（信噪比）高達132 dB，THD+N（總諧波失真加噪聲）低至0.000 4%，最高支持 200 kHz采樣頻率，利用PCM1794A搭建電路，如圖5所示，能將藍牙5.0模塊傳輸?shù)臄?shù)字信號還原成高保真的模擬信號，最大程度地減少失真和噪聲影響，保證良好的聽覺效果。

此外，由于PCM1794A輸出的模擬信號屬于差分模擬信號，需要利用高品質(zhì)音頻運放濾波，并根據(jù)實際功放的需求轉(zhuǎn)換為單端模擬信號。

圖5 PCM1794A音頻解碼電路

3.3 運放芯片選型

為了最好地還原信號，達到高保真的目的，放大器選用ADI（亞德諾）公司生產(chǎn)的LT1028單運放，此運放擁有極高的壓擺率和極低的電壓噪聲以及良好的溫度穩(wěn)定性，雖然發(fā)行時間早，但性能仍然在各類音頻運放IC中排名頂尖，是極高保真音頻類運放首選。

3.4 D類功率放大原理和芯片選型

所謂D類功放，是不同于以往A、B、AB類功放原理的新型功放，不再采用三極管搭建電路，而是采用場效應(yīng)管，利用SPWM原理進行信號調(diào)制，讓場效應(yīng)管工作在高速開關(guān)狀態(tài)，也被稱之為數(shù)字放大器[2]。SPWM原理為沖量相同而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時具有相同的效果，由于場效應(yīng)管具有很高的開關(guān)速度和很低的導(dǎo)通內(nèi)阻，故理論上能達到100%的效率。TI公司早在2001年就提出了D類功放的無濾波器技術(shù)專利，不僅可以避免靜點電流的增大，還能夠減小EMI，減少了外部電感濾波的體積，在高效率的前提下?lián)碛胁贿d色AB類模擬功放的高還原度，讓D類功放制作的音箱在近年占據(jù)時代的舞臺。

D類功放選取為TI公司生產(chǎn)的TPA3126型號芯片，TPA3126在26 V供電條件下能夠帶動2×50 W負載，同時根據(jù)帶動負載靈活的更改電路，帶動1×100 W負載，芯片自帶過壓、欠壓、過熱、直流檢測和短路等綜合保護功能，且效率達到90%以上，THD+N在0.1%左右，能夠在大功率情況下達到高保真。相比于TPA3116功放，TPA3126具有更低的待機功耗。功放原理如圖6所示。

圖6 TPA3126功放電路圖

3.5 主功率電源芯片選型

針對SEPIC斬波電路和CUK斬波電路驅(qū)動控制IC，推薦選用ADI半導(dǎo)體公司的LT3759芯片，ADI公司對比TI公司在上述斬波電路驅(qū)動芯片有更多的選擇。該芯片利用單一反饋引腳實現(xiàn)正壓或負壓輸出，降低設(shè)計制作成本，具有高可靠性，效率達到90%以上，這樣保證藍牙音箱整體效率達80%以上，無需增加大體積的散熱模塊即可實現(xiàn)大功率 輸出。

4 軟件設(shè)計

4.1 程序流程

藍牙5.0 DSP在系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)通信的作用，程序中根據(jù)外部按鍵或遙控選擇配對模式和音量大小。

當(dāng)藍牙工作方式選擇主模式時藍牙進入設(shè)備配對狀態(tài)，單方面接收手機或者其他設(shè)備的音頻數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，以I2S通信協(xié)議輸出給解碼模塊。與此同時，主藍牙與從藍牙進行配對連接，將數(shù)據(jù)同樣發(fā)送至從藍牙，以特定的通信方式保持時鐘同步。

當(dāng)藍牙工作方式選擇為從模式，此時從藍牙會搜索另一個進入主模式的藍牙配對，接收來自主藍牙時鐘信號和音頻數(shù)據(jù)，控制右聲道輸出。

程序核心為I2S通信協(xié)議。程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4.2 I2S通信協(xié)議

I2S音頻通信協(xié)議有2個控制信號、1個數(shù)據(jù)信號外加1個主時鐘信號。BCK為位時鐘信號，BCK每有1個時鐘脈沖，代表發(fā)送了1個數(shù)據(jù)；LRCK為幀時鐘信號，傳輸左聲道的數(shù)據(jù)時，輸出高電平，傳輸輸右聲道數(shù)據(jù)時，輸出低電平；DATA數(shù)據(jù)信號線，是音頻數(shù)據(jù)的二進制補碼；系統(tǒng)時鐘MCLK，由外部晶振輸入，該時鐘信號和采樣頻率有關(guān)[3]。輸出傳輸按照一定的時序進行，時序如圖8所示。

圖8 I2S音頻通信協(xié)議

5 結(jié)束語

本文采用行業(yè)內(nèi)的新技術(shù)，針對市場狀況，提供一個藍牙5.0的TWS音箱的完整解決方案。本文所采用的技術(shù)設(shè)計的TWS音箱能在一定程度上彌補了戶外演出、演講等有線音箱線路復(fù)雜、效率較低的缺點。高品質(zhì)的各類芯片保證了音箱的小體積、大功率、長時間工作和發(fā)燒級的音質(zhì)，保證了該產(chǎn)品在各個場合都能夠發(fā)揮應(yīng)有積極效益。

［1］SIG發(fā)布“藍牙5.0”核心規(guī)范［J］.安全與電磁兼容，2016（6）：21.

［2］王紹清.應(yīng)用于無濾波級D類音頻功放的新型死區(qū)時間控制系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45（11）：32-35，41.

［3］林嘉，陳素瓊，蘇凱雄.基于I2S接口的FPGA的音頻數(shù)據(jù)傳輸［J］.電氣技術(shù)，2018，19（12）：6-10.

2095－6835（2020）10－0004－03

TN912.26

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.002

游子鑫（1999—），男，本科在讀，電氣工程及其自動化專業(yè)。

〔編輯：張思楠〕