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2×1.5V×900mAh=2700mWh，无需DC-DC变换器。

保持高保真度

除了延长电池寿命外，音频品质同样是个重要的指标。CD数字音频对原始模拟音乐信号以44.1kHz/通道的速度、16bit的分辨率进行采样。这种采样速率和分辨度产生1.41Mbit/s的数据流。蓝牙1.2具有1Mbit/s的标称数据速率，实际上大约运行在720kbit/s(因为保持同步需要260 kbit/s)。720kbit/s的带宽是在假定很好的无线连接，不需要重发坏的数据包的情况下达到的，实际很难运行在 “最佳”的速率。

虽然蓝牙1.2的带宽足以提供可以接受的语音音频流，却肯定不能为CD品质的音频再现所接受，它所产生的流音乐缺少动态范围和“热烈的激情”。相反，Nordic收发器将标称带宽提高到4Mbit/s。该芯片的设计能够提供足够的带宽，从而以48kHz的速率传送16bit、总数据速率为1.54Mbit/s的立体声信号，并提供CD音质。该无线芯片具有4Mbit/s的标称传输速率。这样的带宽可以提供充足的开销，以便进行丢失包的再传送、进行收到数据包的应答、用户中断(如按下按键)、设备寻址和时分多路等工作(图2示出基于nRF24Z1的无线耳机参考设计)。

图 2 基于nRF24Z1的无线耳机参考设计

从便携式音乐播放器向耳机无线传送流音频内容有两种方法。一种方法是简单地通过无线连接传送压缩的MP3数据。MP3事实上的“良好质量”压缩标准是192kbit/s，完全在蓝牙1.2的带宽容量之内。即使是“无损失的”专有标准，例如苹果(Apple)自己的标准也只要求320kbit/s，对于蓝牙同样没有问题。 然而，这种技术有其缺点。首先，耳机听筒需要必要的电子电路(DSP、DAC/放大器和电池)来解压缩MP3数据流；这就增加了耳机的重量、体积、复杂性和成本。第二，无论播放器有多么好，再现声音的质量都决定于耳机。最后，此MP3播放器将不再能够和普通有线耳机配合使用。第二种技术是在播放器中解压缩MP3数据，并将解压缩后的音频信息传送到耳机中的接收器。这样就模仿了普通有线MP3播放器/耳机组合的情况，并且可能是最实际的配置方法—降低了耳机的复杂性、重量和功率耗损。然而，这却要求带宽宽得多的RF连接。

蓝牙1.2和nRF24Z1的比较说明，nRF24Z1以1.5Mbit/s传送CD品质的音频时比运行在较低保真度的720kbit/s的蓝牙功耗更少。这就意味着使用这种专有芯片解决方案可以使产品设计既有更长的电池寿命又有更高的音频品质—这两点在全球竞争激烈的无线耳机市场中都是非常重要的卖点。

2004年11月正式推出的蓝牙2.0+以及增强数据速率(EDR)特点的情况又怎样呢，设计蓝牙2.0主要是为了阻止蓝牙的生存环境受到更快的Wi-Fi技术的挤压。蓝牙2.0+ EDR承诺将RF连接的带宽提高2倍达到3M比特/秒的标称值。但是为了处理发送提升带宽所需要的同时数据包使用的双调制方案，蓝牙2.0+ EDR的数据包结构变得更加复杂。这里还有某些不利的因素。首先，为了达到增加带宽，连接的两端都需要与2.0版本兼容。由于最近在标准批准方面的问题限制了商业蓝牙2.0+ EDR芯片的供应。虽然2.0版本是与早期的蓝牙版本向后兼容的，但是数据传输速率决定于传输链中速率较低的连接，所以其速率很可能为720kbit/s。

虽然蓝牙2.0+ EDR的供应商们宣称新的版本会更加经济，这种说法是基于更高的数据速率而降低无线电芯片的占空比。对于诸如从一个蜂窝电话向另一个蜂窝电话传送1Mbit的图像文件等应用情况而言这一性能还不错，因为这时无线电只要传送大约20s，而不是像蓝牙1.2那样要传送1min时间。问题是，对于长期的、连续的音频流来说，任何“猝发性”的效率都是没有用的。