配備藍牙 1.2 的耳機用于接收來自 MP3 播放器的音頻流，即將上市，好評如潮。設(shè)計被批評為笨重(由于大電池)，產(chǎn)生“微小而淺”的聲音，并在幾個小時內(nèi)咀嚼電池。

　　毫不奇怪，藍牙 1.2 (BT 1.2) 難以再現(xiàn)高質(zhì)量的聲音，并且在無線耳機應(yīng)用中電池電量很大它從來不是為流式傳輸音頻內(nèi)容而設(shè)計的。它專為“微微網(wǎng)”或無線個人局域網(wǎng)(WPAN)中的一個主站和最多七個從站之間的文件傳輸而設(shè)計，它處理得非常好。

　　BT 1.2缺乏帶寬是它在流媒體音頻應(yīng)用程序中的垮臺。雖然標稱 1 Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率對于將語音呼叫從移動電話無線連接到耳機是可以接受的，但對于承載 CD 質(zhì)量的音頻來說是不夠的。

　　此外，藍牙相對復(fù)雜的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)是確保兼容性的先決條件，這使得繁重的處理和同步需求消耗了電池供電設(shè)備的微薄功率預(yù)算。

　　最新的藍牙2.0加增強數(shù)據(jù)速率(BT 2.0 + EDR)，擁有標稱3 Mbit / s的數(shù)據(jù)傳輸速率，有望解決帶寬限制。然而，在將這項技術(shù)專門用于音頻時仍然存在挑戰(zhàn)。

　　幸運的是，藍牙并不是唯一經(jīng)過驗證的無線技術(shù)。對于利基應(yīng)用，例如將CD質(zhì)量的音頻從MP3播放器中繼到耳機，專業(yè)設(shè)計可用于商業(yè)。

　　一個例子是由Nordic Semiconductor開發(fā)專門為音頻流設(shè)計的RF芯片組。它被稱為nRF24Z1，額定速度為4 Mbit/s，但功耗僅為同類BT 1.2芯片組的一半。這些屬性使其成為大多數(shù)無線音頻應(yīng)用中藍牙的引人注目的替代品。

　　該產(chǎn)品無需批準即可滿足BT的IEEE802.15.4標準(盡管它必須符合相關(guān)的當?shù)匾?guī)則，例如FCC和歐洲的ETSI法規(guī))。

　　但是，收發(fā)器確實在全球2.4GHz ISM頻段上運行，并且確實具有自己的自適應(yīng)跳頻形式，以防止與該擁擠頻段上的其他設(shè)備發(fā)生沖突。

　　丟失電線

　　典型的有線MP3播放器原理圖如圖1所示。音頻源通常通過 I2S 或 S/PDIF 格式的 MP3 解碼器輸出數(shù)字音頻。

　　微控制器監(jiān)控音頻源并控制播放特性，例如由組合DAC/放大器提供的音量控制或低音增強。

　　MP3播放器和耳機之間的有線連接可以通過在音頻源和DAC/放大器之間添加RF鏈路來分配，如圖2所示。

　　與有線系統(tǒng)在MCU和DAC/放大器之間的固定連接不同，無線系統(tǒng)需要在音頻通道旁邊增加一個控制數(shù)據(jù)通道(否則音量控制僅限于耳機，其他控制按鈕保留在播放器上)。MP3播放器和耳機都需要電池。

　　有兩種方法可以將流式音頻內(nèi)容從便攜式音樂播放器無線中繼到耳機。

　　一種方法是簡單地通過鏈路中繼壓縮的MP3數(shù)據(jù)。這 事實上 MP3的“高質(zhì)量”壓縮標準是192 kbit/s，完全在BT 1.2帶寬的能力范圍內(nèi)。即使是“無損”的專有標準，如蘋果自己的標準，也只需要 320 kbit/s;藍牙再次沒有問題。

　　但是，這種技術(shù)也有缺點。首先，耳機需要必要的電子設(shè)備(DSP、DAC/放大器和電池)來解壓縮 MP3 流，這會增加耳機的重量、體積、復(fù)雜性和成本。

　　其次，再現(xiàn)的聲音質(zhì)量將是耳機的功能，無論播放器碰巧有多好。最后，MP3播放器不能與傳統(tǒng)的有線耳機一起使用。

　　第二種技術(shù)是解壓縮播放器中的MP3數(shù)據(jù)，并將未壓縮的音頻信息流式傳輸?shù)蕉鷻C中的接收器。這模仿了傳統(tǒng)有線MP3播放器/耳機組合中的過程，可能是最實用的配置，降低了耳機的復(fù)雜性，重量和功耗。

　　然而，這確實需要具有更大帶寬的RF鏈路。CD 數(shù)字音頻以 44.1 kHz 的頻率對原始模擬音樂信號進行采樣，每個通道的分辨率為 16 位。此采樣速率和分辨率生成 1.41 Mbit/s 的數(shù)據(jù)流。

　　BT 1.2具有1 Mbit/s的標稱數(shù)據(jù)速率，實際運行速度約為720 kbit/s(僅保持同步就需要大約260 kbit/s)。720 kbit/s 的帶寬假設(shè)無線電鏈路良好，沒有沖突，也不需要重新傳輸“丟失”的數(shù)據(jù)包。BT 1.2很少以這種“最佳”速率運行。

　　雖然BT 1.2的帶寬足以為語音提供可接受的音頻流，但對于CD質(zhì)量的音頻再現(xiàn)來說肯定是不可接受的，因此流媒體音樂缺乏動態(tài)范圍和“溫暖”。

　　相比之下，Nordic的收發(fā)器擁有4 Mbit/s的標稱帶寬。該芯片旨在提供足夠的開銷，以 48 kHz 傳輸 16 位立體聲、1.54 Mbit/s 的總數(shù)據(jù)速率以及足夠的帶寬以實現(xiàn) CD 質(zhì)量。

　　無線電的標稱傳輸速率為 4 Mbit/s。此帶寬為重新傳輸丟失的數(shù)據(jù)包、確認收到的數(shù)據(jù)包、用戶中斷(例如，按下按鈕)、設(shè)備尋址和時分復(fù)用提供了充足的開銷。

　　但是，2004年11月正式推出并具有增強數(shù)據(jù)速率(EDR)功能的BT 2.0呢?這主要是為了阻止藍牙的利基市場受到更快的Wi-Fi技術(shù)的擠壓。

　　BT 2.0+EDR承諾將RF鏈路的帶寬提高三倍，達到標稱3 Mbit/s。BT 2.0+EDR的分組結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，以處理發(fā)送提升帶寬所需的同步報文所需的雙調(diào)制方案。

　　有一些缺點。

　　首先，鏈路的兩端需要與2.0版本兼容，以實現(xiàn)增強的帶寬。目前不太可能，因為由于最近批準了該標準，目前可用的商用BT 2.0 + EDR芯片供應(yīng)有限。雖然版本 2.0 向后兼容早期版本的藍牙，但數(shù)據(jù)傳輸速率由鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)決定，因此可能默認為 720 kbit/s。

　　雖然BT 2.0 + EDR供應(yīng)商表示新版本更經(jīng)濟，但這種說法是基于更高的數(shù)據(jù)速率，降低了無線電的占空比。這對于將 1 Mbit 圖像文件從一部手機傳輸?shù)搅硪徊渴謾C等應(yīng)用來說很好，因為無線電現(xiàn)在只需要傳輸大約 20 秒，而不是 BT 1.2 的一分鐘以上，但是當手頭的工作涉及傳輸連續(xù)的音頻流時，這有點無關(guān)緊要。

　　最后是合規(guī)性測試。根據(jù)特殊興趣小組 (SIG) 認可的藍牙資格測試設(shè)施 RFI Global 的數(shù)據(jù)，與標準版本 1.2 測試相比，增強型藍牙設(shè)備的測試要求在時間和成本方面幾乎翻了一番。 延長電池壽命

　　除了高質(zhì)量的音頻外，電池壽命對于便攜式 MP3 播放器用戶來說也至關(guān)重要。他們希望能夠在旅途中長時間聽音樂，而不必擔心電池中是否有足夠的電量。

　　在這種情況下，BT 1.2在WPAN應(yīng)用程序中的優(yōu)勢即時兼容性成為點對點應(yīng)用程序(例如無線耳機到MP3播放器)的負擔。BT必須保持同步以避免重新鏈接延遲，并通過每675微秒發(fā)送一個160位數(shù)據(jù)包(1600個數(shù)據(jù)包/秒，或256 kbit/s的凈數(shù)據(jù)速率)來維護鏈路，無論它是否在使用中。

　　因此，即使在“空閑”模式下，BT芯片也能繼續(xù)以8 mA運行，以保持同步。BT芯片可以進入“睡眠”模式以節(jié)省電量，但重新建立鏈路可能需要長達3秒鐘的時間。

　　nRF24Z1使用不同的技術(shù)。當音頻流以 44.1 kHz 的頻率傳輸時，收發(fā)器保持給定載波頻率 2.9 毫秒。在此時間間隔內(nèi)，音頻和控制信息將發(fā)送到 ARX，任何丟失的音頻內(nèi)容將被重新傳輸，并從 ARX 接收確認和控制信息。然后，系統(tǒng)跳到不同的頻率并重復(fù)該過程。

　　當沒有要流式傳輸?shù)膬?nèi)容時，芯片可以進入各種睡眠模式。在“深度睡眠”模式下，無線電除了小電流外關(guān)閉以保留內(nèi)存內(nèi)容(5 μA)。在“較輕”的睡眠模式下，收音機會定期喚醒以尋找對應(yīng)物。當系統(tǒng)處于休眠模式時，還必須考慮系統(tǒng)中任何轉(zhuǎn)換器和微控制器的功耗。當 ATX 和 ARX 打開時，設(shè)備可以通過芯片內(nèi)部的頻率掃描算法相互定位(通常在 10 毫秒內(nèi))。從睡眠狀態(tài)喚醒時，喚醒時間可以設(shè)置為幾分之一秒以上，空閑功耗更低，響應(yīng)時間更長。根據(jù)所選的睡眠模式， 用戶可能會體驗到幾乎即時的音樂，無論是將收發(fā)器從睡眠狀態(tài)喚醒還是打開收發(fā)器。

　　讓我們仔細看看BT 1.2和音頻流應(yīng)用中專有芯片的功耗。為了簡化計算，讓我們假設(shè)電池放電率適中，容量隨時間線性減少。實際上，電池壽命可能會更短，因為自放電和其他影響會造成損失。

　　此外，該計算沒有考慮諸如機械振動耳機膜所需的功率等因素，以及一旦電壓降至設(shè)定水平以下但在耗盡之前切斷電池電源的線性調(diào)節(jié)。盡管如此，不考慮這些影響的相對比較仍然生動地說明了上述問題的影響。

　　發(fā)送或接收BT 1.2音頻芯片的電流消耗約為60 mA。(注意：這是一個平均數(shù)字，有些芯片組更好，可以達到50 mA左右。這種變化是因為功耗主要是硅無線電設(shè)計的函數(shù)。因此，在2 V電壓下工作時，該器件的功耗為120 mW。

　　假設(shè)電源是鋰離子電池，通過效率為90%的DC-DC轉(zhuǎn)換器在3.7 V下工作，則電池的功耗為133 mW。

　　安裝在耳機上的DAC/放大器在工作時消耗約4 mA電流。假設(shè)DAC/放大器直接從3.7 V轉(zhuǎn)換器輸出供電，則功耗為14.8 mW。

　　典型的 3.7V 鋰離子電池容量為 900 mAh，供電 3330 mWh。播放期間的總功耗為147.8 mW，用戶可以預(yù)期3330 mWh/147.8 mW = 22.5小時的電池壽命。

　　nRF24Z1 的平均 ARX 電流為 22.9 mA(見圖 3)，而平均 ATX 電流為 17.8 mA(圖 4)。

　　巧妙的硅設(shè)計確保了專有解決方案是“超”低功耗器件。請注意，這些數(shù)字適用于發(fā)送和接收 44.1 kHz 采樣的 16 位音頻流，無需壓縮，具有良好的無線電鏈路。

　　底線當前值：

　　點 1-6(圖 3)和 1-7(圖 4)表示整個區(qū)間的平均值。

　　間隔 4-5(圖 3)和 5-6(圖 4)的長度取決于無線電鏈路質(zhì)量。由于需要的重新傳輸次數(shù)，這些顯然會在不良鏈路條件下擴展。

　　Nordic 解決方案在 2 V(與藍牙設(shè)備相同)下運行，從 DC-DC 轉(zhuǎn)換器消耗 45.8 mW 的功率，需要 50.9 mW 的電池功耗。增加DAC/放大器功耗可產(chǎn)生65.7 mW。使用 3.7 V 鋰離子電池，用戶現(xiàn)在可以獲得 3330 mWh/65.7 mW = 50.7 小時的電池壽命，是藍牙芯片 22.5 小時的兩倍多。

　　表1總結(jié)了結(jié)果，為了進行比較，還包括使用兩個串聯(lián)的1.5 VAAA電池的電源的數(shù)字，容量為900 mAh，提供2 x 1.5 V x 900 mAh = 2700 mWh，并且沒有DC-DC轉(zhuǎn)換。

　　避免干擾

　　藍牙從一開始就被設(shè)計為一種普遍適用的標準射頻鏈路。這使得它非常適合將手機和PDA等產(chǎn)品連接到無線個人局域網(wǎng)(WPAN)中的筆記本電腦。每周超過1000萬顆芯片的知名銷量令人印象深刻。

　　相比之下，Nordic nRF24Z1收發(fā)器是專用標準產(chǎn)品(ASSP)。該設(shè)備專門設(shè)計用于通過無線鏈路傳輸未壓縮的CD質(zhì)量音頻。

　　例如，它采用嵌入式MCU運行軟件來確保音頻流以正確的順序傳輸，并重新傳輸丟失的音頻數(shù)據(jù)。它不是設(shè)計為作為WPAN的一部分，而是作為專用的點對點鏈接。

　　與藍牙一樣，該設(shè)備在不同的窄帶信道之間跳躍。雖然藍牙使用 79 個通道，但 nRF24Z1 具有包含 38 個條目的可配置信道跳頻表，并使用自適應(yīng)跳頻來標記發(fā)現(xiàn)干擾的信道條目。38 個通道中最多 18 個可能被標記為壞。所有這些屏蔽(例如本地Wi-Fi頻段)都是在芯片上完成的，無需主機MCU或用戶的任何交互。

　　自適應(yīng)跳頻在 110 毫秒內(nèi)掃描整個 2.4 GHz 頻段以查找良好信道(使用每個信道 2.9 毫秒，然后移動到下一個信道)。專有設(shè)備中的跳頻設(shè)計符合 FCC 和其他法規(guī)。

　　雖然這解決了與丟失音頻數(shù)據(jù)包的常見干擾重傳相關(guān)的許多問題，但它也用于掩蓋藍牙或其他專有 2.4 GHz 設(shè)備的偶爾崩潰。如果頻段掃描例程發(fā)現(xiàn)頻率不好，丟失的音頻信息將以不同的頻率重新傳輸，最終用戶不會注意到。

　　超越標準

　　藍牙是WPAN上廣泛兼容的通信的理想選擇，遵守標準確實消除了許多設(shè)計挑戰(zhàn)。工程師可以確定他們的設(shè)計將與其他配備BT的產(chǎn)品進行通信，而不會遇到太多麻煩。

　　相比之下，Nordic的芯片不遵守標準，但是當單個制造商制造點對點鏈路的兩端時，這并不是真正的問題。這也意味著縮短了設(shè)計進度，因為無需在測試實驗室花費數(shù)周時間確保產(chǎn)品符合相關(guān)的IEEE標準。

　　BT 1.2 和 nRF24Z1 之間的比較表明，當以較低的保真度 720 kbit/s 速率運行時，它以 1.5 Mbit/s 的速度傳輸 CD 質(zhì)量音頻的功耗低于藍牙。這意味著使用專有解決方案可以使設(shè)計具有更長的電池壽命和更高的音頻質(zhì)量 - 這兩者都是競爭激烈的無線耳機市場中的重要資產(chǎn)。

　　作者簡介

　　博爾赫斯特蘭德 2000年畢業(yè)于奧斯陸大學(xué)，獲得信息學(xué)學(xué)位。他的論文專長是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的流水線技術(shù)。Brge對音頻電子技術(shù)充滿熱情，在開發(fā)用于DAC的模擬有限脈沖響應(yīng)濾波器方面擁有特別的專業(yè)知識。