蓝牙MP3与FM立体声耳机设计考虑周清波

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1、蓝牙 MP3 与 FM 立体声耳机设计考虑作者：周清波 世健系统(深圳) 简介 : 由于手机和笔记本的快速普及，更多的手机厂商将内嵌 AV 规格的 蓝牙 作为标准配置，笔记本厂商也将具备 EDR 规格的蓝牙作为标准配置，蓝牙产品基于AG 的应用空间越来越广泛。蓝牙 立体声 耳机与 FM 和 MP3 的三合一方案将会是市场的一大增长点。本文就世健系统 (ESPL)基于 CSR 芯片的 FM 蓝牙立体声耳机与 MP3 的系统设计做简要描述。 如图 1，整个系统可以独立或是整合设计，根据客户需求，可以形成：1，蓝牙立体声耳机(或带来电显示)；2，带 FM 的耳机(或带来电显示) ； 3，耳机和 SD

2、 卡MP3 播放功能； 4，耳机、 FM 和 MP3，四大产品系列， 丰富产品线。 系统结构 图 1 系统结构 (点击放大图 ) 世健提供三种蓝牙 MP3 方案，基于 SIGMATEL 35/36xx/PHILIPS PNX0102+BC4ROM 高性能和本文主要介绍的基于 BC3MM EXT 的低成本方案。 该系统采用 CSR BC3MM 作为主芯片，实现蓝牙功能，支持蓝牙 1.2。BC3MM-EXT 高度集成了 RF，BB ，片上 1v8 电源，16 位的音频 CODEC(支持立体声)并支持外部 CODEC 提供 I2S 和 SPDIF 接口，支持 8M 外接 FLASH。此外，还有KAI

3、LMA DSP 负责语音通讯质量如回音的消除和 SBC 解码工作等。SD card 和OTI CHIP 做为 MP3 功能可选电路。鉴于立体声的 STREAMING 和读卡两个通道，在 SD card 和 OTI CHIP 用一 MUX 分开，在电路设计的时候应充分考虑其逻辑关系。FM 和 OLED 也作为产品系列的可选部分，通过 I2C 总线与系统相连。基于PHILIPS 的 TEA5761 设计，最大限度优化了外围器件。世健提供两种选择，FM模组的方式和 CHIP ON BOARD 的设计。选用 OLED 显示的主流显示技术，OLED 与传统的 LCD 显示方式不同，可以做到更薄更轻、响应

4、快、能耗低，主动发光、高清晰、低温和抗震性能优异、柔性和环保设计等特别适合便携产品的设计。ESPL 提供功能完整的整合软件，包含 Profile：1，A2DP (AVRCP)；2，Headset； 3，Handfree。ESPL 参考设计 MMI Configuration 预留了用户自行决定的各种 USER Interface define。 电源管理 鉴于人耳听到的 20Hz20kHz 的频段范围，蓝牙工作的频段 2.4GHz 的开放频段，耳机应用对控制噪声的严格要求，系统对电源芯片都有很高的抑制噪声能力要求。 虽然片上集成了 1V8 线性电源，但便携设备通常将功耗作为硬性指标，建议采用外

5、接的 DC-DC，如 Microchip 的 TC1303B，静态电流仅 65UA。不仅如此，TC1303B 还同时提供 2.5V300MA 的 LDO 输出，用来给 CSR BC3MM EXT FLASH 供电。在设计中如果注重特性，建议选择 1V8 的 FLASH。功耗低，如注重价格，可用 3V FLASH。在实际产品的测试中，采用 TC1303B，3V3FLASH，则在系统进入 SLEEP 模式时候，功耗可达 0.8MA，平均待机电流为 1MA。如果换用 TC1303A，则在系统进入 SLEEP 模式时候，功耗可达 1.3MA。如果采用1V8 的 FLAH 配合 XCS9216(只输出

6、1V8，不需要为 FLASH 单独提供 3V 电源)，则在系统进入 SLEEP 模式时候，功耗只有 0.1MA，平均待机电流仅 0.3-0.4MA。由此可见电路设计及其器件选型对产品的重要性。 电池充电管理 IC 采用 Microchip MCP73832，或是管脚兼容的 LTC4054，实际测试对比两者性能对蓝牙产品的性能参数并无多大影响，建议采用 MCP73832，因其具有较高的性价比。73832 第一脚可直接控制充电状态指示，可节省蓝牙芯片PIO 资源，在这里，有一点值得注意的是，如果是对于 MP3 功能的设计，使用USB 的时候系统不能复位且必须能访问 MENORY 并同时充电，在设计

7、电路时候应在充电 IC 的电池与负载之间加一 CMOS 管和二级管隔开，用以保证在电池电量非常小并在开机状态的时候依然能够充电完好。这跟电池的充电状态有关，在系统没有进入低功耗模式时需要更多的电流相对小电流充电状态。如果在此之前启动系统，则同时电池也会给负载供电，这样导致芯片无法进入快速充电模式。 事实上，如果仅仅是针对立体声耳机的设计，可以省掉这些器件换用 RC 复位电路以节省成本。CSR 芯片底层的内在 FIRMWARE 设计，在复位状态后，系统检测电池电量以确定充电状态。如果低于某个门限电压如 2.3V，那么系统将不能被启动。 直到系统认为充电状态已经到达快速模式，才启动系统。 音频电路

8、 MIC 偏压电路选用 XCS6219A272 LDO，因其突出的抑制噪声能力(75dB1kHz、70dB10kHz)和小的封装，软件可以控制电源始能仅当通话状态的时候才打开该电源以降低功耗。该部分电源走线的不好或是 MIC 器件选型不好都会带来噪音，CSR 建议采用灵敏度为-40DB 到-60DB 之间，通常采用-54DB，带有内部降噪功能，但通常这远不能满足设计指标要求。在通话状态下经常会有噪音，如果走线和灵敏度都 OK 依然存在噪音，与之有影响的因数还有 RF部分电路，或是降低 MIC 的增益以达到期望品质。 另外 MIC 输出端的滤除 GSM噪音的电感不应省略。能有效驱除通话噪音。在设

9、计 MIC 电路的时候，值得注意的是有的客户立体声的设计中 MIC-L/R 通道都接上，实际只需要接一个 MIC 通道，遇到 MIC 没有声音的问题，这是因为 FIRMWARE 内部 PORT 配置造成，软件修改或是硬件改动连接端口就可解决。如下图二，解释了通道的建立过程。 图 2 通话状态音频路径 (点击放大图 ) 当呼叫建立后，电话音源或 TONES 透过上图绿色通道 PORT0 输出到 SPK，因为考虑到立体声耳塞，所以实际应用我们需要两耳同时听到对方说话声音。实现起来很简单，软件上只需要同时 PORT 到 0 和 1 即可实现一个真实的假立体声音效输出。 configure PCM:

10、PcmRateAndRoute(0，PCM_NO_SYNC，(uint32)8000，(uint32)8000，VM_PCM_INTERNAL_A_AND_B) MIC 将声音透过红线传输给远端用户，这里我们可以看到 MIC 连接在 PCM PORT0，即物理通道 A。所以，系统的设计软硬件一定要匹配，否则就会出现MIC 没声音输出。 在这里，值得一提的是，BC3MM 没有利用 MIC 侦测使用环境周围吵杂度，自动调整 Speaker 输出增益，让耳机自动保持最清晰且适当的输出。目前的设计阶段是将 MIC 的增益固化，SPK 的增益自己手动调节。 如下图三，通过蓝牙 STREAMING 立体声

11、音频路径。要欣赏音乐，SCO 链路的质量就显得太差了。所以采用 ACL 链路来发送数据包，但 ACL 链路是为突发的数据设计的，不是音频，因此他会对数据包从发导致延迟，通过在接收方进行包缓冲，就可以向 MP3 解码器送入稳定的信息流。这就涉及到应用程序必须保证即使存在错误，所使用的压缩方法也要允许所有信息都必须通过信道。虽然理论上733.2KBPS，但实际需要额外占用带宽。所以 MP3 的编码必须压缩为小于这个理论的最大值，现有的设计中采用 SBC 的方式。DSP 解码 SBC，DAC 将数字信号还原为模拟信号，该过程声音质量有极大的影响，凭借 DSP 快速且大量的数据运算能力及其多重算法支持

12、，以及内置的 16 为 DAC 转化，在声音质量与噪声 C 处理能力上有着相当大的提升，SBC 解码支持 Max 200kbps，48.000kHz 。 路径配置如下: PcmRateAndRoute(0， PCM_NO_SYNC， SampleRate， SampleRate， VM_PCM_INTERNAL_A_) PcmRateAndRoute(1， PCM_NO_SYNC， SampleRate， SampleRate， VM_PCM_INTERNAL_B_) 图 3 蓝牙立体声音频路径 (点击放大图 ) 耳机驱动功放采用 TI 的 TPA6112A2，该器件提供 150MW 的立体声

13、输出。它有三个主要的优点适合于蓝牙的应用，第一、支持全差分的输入，第二、内建 POP REDUCE 电路，第三、内部 MID-RAIL 电路。设计中注意电源滤波的处理，过大的电容会影响启动的延时，反馈电组的取值以及并联电容的取值，如果过大直接影响噪音，通常建议 1PF 或是不接该电容。 值得注意的是 MIC 的偏压电路，通常考虑用一个 PIO 来控制电源以节省电能，CSR 的底层软件已经做好在语音呼叫与通话的过程中(既 SCO/ACL 链路建立)PIO输出高， 用以控制偏压， 但同时，有的电路设计期望该电压又同时能给音频放大电路供电，通过控制电源供给以节省功耗。可是这里有一个问题，就是在 SC

14、O/ACL 链路建立好后，用户按键接听或是按键响应上下首歌曲，会有噪音。这是因为 CSR 底层FIRMWARE 的控制，链路会有一个先断开在建立通道连接的过程，应用成的软件无法做到控制该进行时态的控制，而正是这个过程会让电源有个突变，这个突变往往很容易带来瞬时噪音，用户可以体验到接听电话或是播放歌曲按键过程的瞬时杂音。也可以用示波器捕捉到该过程，有几个可行的方法， 第一，在当前状态按键动作后用软件加以静音或是延时 1-2S 响应，去除该时段的瞬时噪音，但这样做很难保证软件设定时间的精确性，往往会造成一些错误的动作，比如，STREAM MP3 的时候按播放下曲按键，用户可可能会听到静音- 当前歌

15、曲(短暂)-下曲的过程。第二，硬件按键延时电路，实验证明可行，但同样存在准确性问题。第三，利用 TPA6112A2 的 SHUTDOWN 功能。音频功放提供不受控制的电源，利用 PIO制 SHUTDOWN 引脚，这样避免了电源的切换产生的噪音。有的用户可能会提出功耗的质疑，在 SHUTDOWN 状态，TPA6112A2 的 DATASHEET 通常仅 10UA耗电量。 耳机当作电话用，BUZZER 的功能很必要，正是因为这个功能的完善让众多的消费者选择蓝牙耳机，因为你不带在耳朵上的时候你同样可以听到来电铃声提示。 CSR 的芯片 PIO 口虽然能模拟出高低变化的脉冲，但是因为 FIRMWAE

16、设定 PIO的输出优先级别最低，所以输出脉冲经常不准确，同时 PIO 也无法直接模拟提供用于驱动 BUZZER 的频率脉冲，所以，该部分的设计不像通常的 MCU 设计直接用 GPIO 模拟驱动(比如手机的 BUZZER 可以这样做得到)， 而是借助于 PIO 口的中断产生一个频率很低的脉冲，这个脉冲用于控制 BUZZER 的节奏，而驱动BUZZER 所要的频率则选择硬件实现，比如 555 电路。 RF 电路 天线设计的好坏以及其匹配的程度，都对通话质量和距离起到很大的作用，对于对语音质量要求较高的客户建议选择 MTCL 天线。walsin 和 CSG 都具备良好的性价比，而 gigaant 的天线则提供了最佳性能，匹配的设计过程很简单，采用网络分析仪 10 分钟一般能搞定，这部分关键是要选择好天线厂家并获得技术支持。 采用 BC3MM EXT 芯片 CHIP ON BOARD 的方式，外加 DBF81F106 BALUN，实际测试 RF 最大功率可以大到 4DB 左右，完全满足要求。需要理解的是不是每个厂家都