高质量便携式无线音频

摘要： 虽然蓝牙技术非常适合定期的短距离无线连接，但对于音频流应用而言并非是保证音质的最佳技术。幸运的是，现在有各种经过验证的2.4GHz技术替代方案，它们可以通过无线连接传送CD品质的音频，并具有长电池寿命的好处。

关键词： 蓝牙；射频；EDR；nRF24Z1

多年来，蓝牙技术一直是其他无线技术要替代的目标，SIG坚定地对来自ZigBee、Wi-Fi和专有RF器件回潮所带来的竞争压力做出反应，通过修改协议来提高带宽以及将蓝牙和超宽带技术(UWB)结盟的计划。后一个动向势必将会把蓝牙的无线个人局域网(WPAN)的优点和UWB高达100Mbit/s(以上)的数据传输速率结合起来。

但是从射频硅集成电路的角度，蓝牙的带宽很窄并迅速耗尽电池，能充分展现此缺陷的例子是无线立体声耳机。现在市场上具备蓝牙1.2功能的耳机由于必须携带很大的电池以至体积笨重、声音深度不足，并且几小时就会耗尽电池。有几种替代方法能够把工作做更好，比如Nordic专门为音频流应用而开发的RF芯片——nRF24Z1,具有4Mbit/s的速率，而功耗仅为蓝牙1.2芯片组的一半。用nRF24Z1构建无线连接的一个附加好处是无需经过IEEE802.15.4标准认证，但它仍必须满足诸如美国FCC和欧洲ETSI规范等相关的本地法规的要求。然而，因其收发器在全球的极为流行也极为拥挤的2.4GHz ISM频段工作。因此，nRF24Z1拥有其自己的自适应跳频形式(adaptive frequency hopping)以避免干扰其他2.4GHz设备。

无线设计

为便携式设备增加无线连接的工作中存在四个关键设计问题：成本、复杂性、体积和功耗。成本问题至关重要，同样由于当今消费类产品的生命周期很短，无线连接的设计必须非常简单，以便让产品能迅速进入市场。无线设计仍然不是一件简单地把芯片组安装到印制电路板上的事情。毕竟，射频集成电路集RF、模拟和数字等多种功能于一身，本身即具有很高的复杂性。作为便携式设备的设计师，拥挤的印制电路板上几乎再也没有多余空间来安置笨拙的收发器和外设元件，这些芯片还是需要MCU和其他外设元件。nRF24xx CMOS收发器集成了RF收发器、8051 MCU、4通道12bit ADC和各种标准接口电路。只要再添加一个音频ADC或DAC芯片和一、两个无源外设元件，就可以增加无线连接功能。

图1 系统设计框图

所有无线连接都容易受到工作在相同频率的其他设备干扰，特别是2.4GHzISM频段。   为此，蓝牙和nRF24Z1都采用自适应跳频技术将干扰降到最低。蓝牙使用79个信道，而nRF24Z1具有包括38条目的可配置信道跳转表(channel-hopping table)，并且在发现干扰的地方用自适应跳频为信道入口做出标记，最多可以将38个信道中的18个标记为坏信道。所有这些屏蔽标记(例如本地Wi-Fi频段)都在芯片内完成，而无需与主MCU或者用户的参与。nRF24Z1的自适应跳频功能能在110ms的时间内对整个2.4GHz频段进行扫描，以寻找好的信道(方法是每个信道使用2.9ms，然后转到下一个信道)。这就解决了与常见的干扰丢失音频包再传输有关的很多问题，同时还用来屏蔽掉与蓝牙或其他2.4GHz设备偶然发生的冲突。如果频段扫描程序发现了一个坏的频率，那么丢失的音频信息将会在另一不同的频率上重新传输，而不会为最终用户所注意。

延长电池的寿命

让我们进一步考察图1里“通过RF连接传送音频流”中介绍的MP3播放器到无线耳机音频流应用中的蓝牙1.2和专有芯片的功率耗损问题。蓝牙必须保持同步(支持多达7个从设备的要求所造成的)以避免再连接延时，芯片即使在“空闲” 模式下也要以8mA电流连续工作。虽然蓝牙技术允许芯片进入“睡眠”模式以节省功耗，但是重新建立连接需要3s，这种“反应迟钝(unresponsiveness)”使很多用户感到沮丧。nRF24Z1则采用不同的技术。当音频流为44.1kHz时，收发器保持给定的载波频率2.9ms。在这个期间，音频内容和控制信息将发送到接收端(音频接收器-ARX)，任何丢失的音频内容将重新发送，并接收ARX端的应答和控制信息。然后，系统跳到另一个不同的频率并重复此过程。当没有内容要传送时，芯片可以进入多种不同的睡眠模式。在“深睡眠”模式下，芯片只需5mA的小电流来保持存储器的内容。在“轻”睡眠模式下，芯片以固定的间隔唤醒来寻找对方。当系统处在睡眠模式时，还必须考虑系统中所有变换器和微控制器的功率耗损。在音频源和DAC/放大器之间添加RF连接不再需要MP3播放器和耳机之间的有线连接。这就是说，RF连接的一边放在播放器中，而另一边在耳机中。与有线系统MCU和DAC/放大器之间固定的连接方法不同，无线系统中除了音频通道之外，还需要一个附加的控制数据通道(否则音量控制只能放在耳机上，而其它的按键仍然放在播放器上)。MP3播放器和耳机都需要使用电池。

为了方便计算电池的寿命，我们假定电池保持中等放电速率并且电池的容量随时间线性地下降。发送或接收蓝牙1.2音频芯片运行时大约消耗60mA电流，因此，工作在2V时，器件要消耗120mW。假定电源是一个工作在3.7V的锂电池，并经过一个效率为90%的DC-DC变换器，于是从电池吸取的功率为133mW。安装在耳机上的DAC/放大器工作时要吸取大约4mA电流。假定DAC/放大器直接在变换器输出的3.7V电压上运行，那么它所吸取的功率为14.8mW。典型3.7V锂电池的容量为900mAh，能够供给3330mWh。在回放时总功率耗损为147.8mW，电池寿命为3330 mWh/147.8mW=22.5小时。

表1 采用蓝牙和nRF24Z1的功耗比较

nRF24Z1的平均ARX电流为22.9mA，而平均ATX电流为17.8mA。聪明的硅片设计保证这种专有解决方案的“极”低功耗。注意，这些数字适用于良好的无线连接环境，发送和接收以44.1kHz采样的16比特无压缩音频流。在2V电压下运行时(和蓝牙器件的条件相同)，Nordic的解决方案从DC-DC变换器吸取45.8 mW，从电池耗用50.9mW。再加上DAC/放大器的消耗，得到65.7mW。使用3.7V的锂电池，电池寿命为3330mWh/65.7mW=50.7小时，是蓝牙芯片方案22.5小时电池寿命的两倍多。表1概括了上述结果，为了进行比较, 还包括了采用两个串连的1.5V AAA电池供电时的数据。AAA电池的容量为900mAh，两个AAA电池可以提供2