基于SigmaDSP的無線Sound Bar系統設計

王錦+陳博敏

摘 要：針對目前平板電視等設備對高品質音響系統的要求，設計了一款具有優越音頻性能的Sound Bar音響系統，該系統以ADI的SigmaDSP數字音頻處理器為核心，配合藍牙等模塊，還可實現智能手機、平板電腦等設備的無線音頻播放。

關鍵詞：Sound Bar;無線;SigmaDSP;音響

中圖分類號：TN912 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

由于平板電視的日益普及，并且伴隨著制造技術的飛速發展，平板電視機日趨纖薄，機箱容積和揚聲器口徑受到了一定的限制，電視機音頻聽覺效果不理想等問題顯得愈發突出，使用者在聽覺方面無法得到滿足，期待更好的音質來配合顯示，因此專為彌補平板電視播放音頻音質不足的Sound Bar音響系統便應用而生[1]，并且在Sound Bar音響系統中數字信號處理器（DSP）也獲得了廣泛的應用，用以對音頻信號進行數字化處理[2]。本文就結合目前市場對Sound Bar音響系統的需求，給出了一種基于ADI的SigmaDSP數字音頻處理器的無線Sound Bar系統設計，該系統除了滿足平板電視的音頻播放外，還能夠以無線的方式播放智能手機、平板電腦或PC上的音樂。

1 ?無線Sound Bar應用系統

一個較為完整的無線Sound Bar應用系統由Sound Bar音響系統、平板電視（或者智能手機、平板電腦）、紅外遙控等幾部分組成（如圖1所示）。圖中的平板電腦通常與Sound Bar之間采用RCA方式進行音頻信號的傳輸，也可以采用AUX方式連接;移動終端包括智能手機、平板電腦等設備，其與Sound Bar之間通常采用藍牙進行通信，具備與智能手機音量同步的擴展功能。

圖1 ?無線Sound Bar應用系統結構組成

2 ?無線Sound Bar的系統設計

2.1 ?無線Sound Bar的系統組成

無線Sound Bar系統由無線傳輸模塊、音頻切換開關、音頻處理模塊、音頻功率放大模塊等部分組成，如圖2所示。無線傳輸模塊負責接收手機、平板電腦等移動設備的音頻線號，音頻切換開關負責對輸入的音源信號進行切換，音頻處理模塊負責對音頻信號進行數字化處理，將處理后的音頻信號送入D類音頻功率放大器，經放大后的音頻驅動喇叭以播放音頻。

圖2 ?無線Sound Bar組成結構

2.2 ?無線Sound Bar系統的硬件設計

這里以ADI的SigmaDSP為核心進行Sound Bar的硬件設計，其硬件組成如圖3所示。音頻處理模塊選用SigmaDSP ADAU1701，音頻功率放大器選用SSM3302，音頻切換開關選用ADG884，藍牙模塊選用Excelpoint的CSR BC5-MM模塊，與藍牙模塊配套的音頻耳機模塊選用TDA1308T，DC-DC電源模塊選用ADP2371。

圖3 ?無線Sound Bar硬件組成

2.2.1 ?SigmaDSP ADAU1701音頻處理器

ADI的SigmaDSP 芯片ADAU1701是一款50 MIPS數字音頻處理器[4]，包含1個28/56 b音頻DSP、2個ADC、4個DAC，還具備類似微控制器的控制接口，并通過I2C總線或4線SPI端口通信。ADAU1701輔助的ADC包含4個輸入多路復用器，用于模擬控制;具備通用接口GPIO，用于數字控制與輸出;支持完全可編程的SigmaStudio[4]圖形工具;內部集成28 b × 28 b 乘法器，包含56 b累加器，可用于完全雙精度數據處理;支持192 kHz的最高采樣速率，同時內置電壓調整器可采用3.3 V電源供電。ADAU1701 程序可以從串行E2PROM自動引導（通過其自引導機制）或從外部微控制器上電加載，在上電期間，當前參數狀態可以從ADAU1701寫回到E2PROM，以便在下一次程序運行時重新調用。

ADAU1701的數字音頻信號處理包括平衡、混音、低音增強、多波段動態處理、延遲補償以及立體聲圖像擴展等，可以對現場的揚聲器、放大器與收聽環境的限制進行補償，以便感受到的音頻質量進行動態改進。ADAU1701的信號處理可以同高端立體聲設備中的信號處理相媲美。大多數處理是由完全的56 b雙精度模式完成的，因此帶來非常優良的低電平信號性能。ADAU1701是完全可編程數字信號處理器。易于使用的SigmaStudio軟件允許用戶利用雙二階濾波器、動態處理器、電平控制以及GPIO接口控制通用等手段，通過圖形配置用戶定制的信號處理流程。

選擇SigmaDSP平臺的一項主要優勢是配套的SigmaStudio設計軟件套件，它無需任何DSP編程知識。SigmaStudio具有易用的圖形化用戶接口（GUI），可以生成無縫的硬件和軟件工具環境。拖放接口使設計人員僅需在音頻功能模塊庫（包括音量控制、交越與均衡濾波器，以及其它第三方算法）中進行選擇，就能構建多通道數字音頻平臺。SigmaStudio工具還能夠輕松實現已獲得行業標準許可的Dolby、SRS等算法。

2.2.2 ?D類立體聲音頻放大器SSM3302

SSM3302是一款全集成式高效率D類立體聲音頻放大器，采用高效率、低噪聲調制方案，無需外部LC輸出濾波器，應用電路只需極少的外部器件。SSM3302采用7 V至18 V單電源供電，采用12 V電源時，SSM3302能夠以90%的效率將7 W功率驅動至8 Ω負載，或者以82%的效率將10 W功率驅動至4 Ω，信噪比（SNR）大于98 dB。此外，激活單聲道模式時，用戶可以通過堆疊立體聲輸出端，將低至2 Ω的負載最高驅動至20 W連續輸出功率。

與其它D類架構相比，采用擴頻脈沖密度調制（PDM）可提供更低的電磁輻射。SSM3302含有一個可選的調制選擇引腳（超低EMI輻射模式），大幅降低了D類輸出（特別是100 MHz以上）的輻射。

SSM3302提供完全差分輸入，可以有效地抑制輸入端的共模噪聲。該器件還含有一個高度靈活的增益選擇引腳，只需一個串聯電阻，便可以選擇9 dB和24 dB之間的增益，而無需更改輸入阻抗。與使用外部電阻來設置增益相比，這樣做的優點是可以改善單個應用中多個SSM3302器件之間的增益匹配。

2.2.3 ?DC-DC轉換器ADP2371

ADP2371為高效率、低靜態電流降壓型DC-DC轉換器，采用專有高速電流模式、恒頻PWM控制方案，具有出色的穩定性和瞬態響應。這些器件內置高效率同步整流器結構，因而無需外部整流器。輸入電壓范圍3.2 V至15 V，輸出電流800 mA，省電模式（PSM）下靜態電流小于14 ?A，效率高于90%。固定輸出為0.8 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.0 V、3.3 V、5 V和可調選項，占空比能力100%，初始精度±1%，具備快速輸出放電（QOD）選項，并支持ADIsimPower設計工具。

ADP2371提供多種選擇來設置工作頻率。既可以將這些器件與600 kHz至1.2 MHz外部時鐘同步，也可以強制使其通過FSEL引腳采用600 kHz或1.2 MHz頻率工作。當噪聲比效率更為重要時，可以強制ADP2371采用PWM模式（FPWM）工作。

為盡量減少外部器件數量并提高效率，ADP2371內置功率開關和同步整流器。為便于使用， ADP2371還包括內部軟啟動和內部補償功能。

2.2.4 ?SPDT開關ADG884

ADG884是一款低壓CMOS器件，包括兩個獨立的單刀雙擲（SPDT）開關，具有超低的導通電阻，在整個溫度范圍內小于0.4 Ω，使其非常適合音頻信號等要求最小開關失真的應用。ADG884還具有大電流驅動能力，在5 V電壓工作時電流典型值為600 mA。ADG884在導通時，開關在兩個方向正常工作，其輸入信號范圍可以擴展至電源電壓。ADG884可以執行先斷后合的開關動作。

2.2.5 ?立體聲耳機驅動器TDA1308T

TDA1308T是專門為驅動立體聲耳機設計的AB類耳機驅動集成電路，其電源電壓為3～7 V ， 靜態電流僅約3 mA，動態范圍大， 帶寬可達5.5 MHz，， 轉換速率為5 V/μs， 交流聲抑制達90 dB。在5 kΩ負載下的信噪比為110 dB， 失真率小于0.009%。

2.2.6 ?無線數據傳輸模塊

無線數據傳輸部分主要包括藍牙模塊和近場通信（NFC）模塊，該模塊主要實現與智能手機等移動設備之間的數據傳輸，進而播放移動設備的音頻。藍牙模塊采用CSR的高集成度BC5 系列藍牙模塊[5]，其內置16 位立體聲編解碼器為高品質音樂播放提供了保障，并且內部DSP 結合CVC 軟件，可實現免提消回音功能。NFC部分采用模塊Excelpoint的NFC模塊，可實現Touch to Pair[6]（接觸配對）功能。

3 ?結 ?語

ADI的SigmaDSP處理器具有高性價比、完全可配置，以及可擴展的數字音頻后處理等特性，若利用其均方根檢測和GPIO控制功能來顯著降低Sound Bar系統的噪聲和功耗，則能進一步發揮作用。SigmaDSP配套的圖形化開發工具SigmaStudio支持以圖形方式設置各種功能，而不需要編寫代碼，令設計工作倍加簡單。此外，由于功率放大器模塊通常離SigmaDSP處理器比離MCU更近，因此用SigmaDSP處理器來控制靜音功能，可以簡化布局布線工作并提高EMI抗擾度。

參考文獻

[1]周文輝， 彭芳. 基于心理聲學低頻擴展的 SOUNDBAR 音響系統設計[J]. 電子設計工程， 2012， 20（21）： 107-111.

[2]何偉峰， 彭妙顏， 吳凱儀. 基于 DSP 的高保真還音技術在數字影院中的應用[J]. 現代電影技術， 2014， 5（10） ：38-43.

[3] Devices A. SigmaStudio for Sharc Users Guide Rev 1.0[Z]. 2012.

[4]楊州. 基于 ADAU1701 和 ARM7 的數字音頻系統的設計[J]. 中國科技博覽， 2011 （33）： 422-423.

[5]沈明合， 黃聯芬. 基于 CSR BC5-MME 嵌入式藍牙耳機設計與實現[J]. 現代電子技術， 2010， 33（14）： 28-31.

[6] Seethalakshmi P， Kumar C S， Gayathri C. The Human Interactive Mobile Utilization by Touching Technology-A Simplified View[J]. Indian Journal of Innovations and Developments， 2012， 1（7）： 542-548.