基于CC8531的USB無線聲卡設計

趙 璐，吳 蒙

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

基于CC8531的USB無線聲卡設計

趙 璐，吳 蒙

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

在分析Purepath無線音頻協議的基礎上，設計了基于CC8531的高保真、低功耗的USB無線聲卡。結合系統需求擬定了以CC8531無線音頻流芯片為核心、TLV320AIC3254為音頻解碼器、輔以按鍵控制和LDO電源降壓電路等外圍模塊的硬件結構，并分析了各個模塊的電路設計。在此基礎上，通過使用Purepath無線配置平臺對CC8531芯片進行參數配置和固件燒寫，實現了完整的系統。經過測試，USB無線聲卡能穩定傳輸CD級高保真音質，距離最高達到130 m，并實現了條件配對組網、自動功耗調節、遠程音量控制等功能，可用于板載聲卡的替代，也可用作無線耳機、無線音響，具有一定的市場價值。

CC8531；Purepath；USB聲卡；高保真；低功耗

0 引 言

聲卡是實現數字/音頻信號相互轉換的一種硬件，其質量好壞決定著聲音的表現力[1]。它經歷了ISA、PCI等總線的演變，使用這些總線要求把聲卡插在電腦機箱內部，這會帶來兩個問題：一是機箱內的電磁噪聲對于聲卡這樣帶有模擬電路的設備很容易產生干擾，使聲音信噪比降低；二是板載聲卡很難做到注重保真的同時兼顧娛樂性[2]，難以滿足所有人對音頻播放的要求，當前筆記本電腦已逐漸普及，而不能在筆記本電腦上通過加裝板卡式獨立聲卡來改善音質[3]。

上述問題可以使用USB外置聲卡的方式來解決，同時結合近年來無線音頻產品逐漸滲透到人們日常生活的各個領域的情況[4-6]，文中設計了無線USB聲卡。該系統不僅可以實現聲卡的基本功能，也可用作無線揚聲器等便攜式無線音頻傳輸器件。

1 系統架構

系統定位于電腦內板載聲卡的替代產品，能提供CD級音質的傳輸，注重保真的同時兼顧音效，主要以無線傳輸方式實現聲音的錄音和回放功能，其整體組成如圖1所示。從結構角度看，系統采用星型拓撲結構，分為一個與電腦USB相連的固定中心節點，和若干個獨立工作的移動節點，移動端有模擬音頻I/O接口實現與耳機、揚聲器、麥克風等相連。從功能角度看，系統分為無線射頻通信模塊、音頻編解碼模塊和人機接口模塊。無線射頻通信模塊作為系統的核心采用了TI公司無線音頻流控制器CC8531，它內嵌微處理器用于協調系統、控制外圍模塊以及處理無線音頻流；音頻編解碼模塊使用TI公司的TLV320AIC3254芯片，用于將音頻信號編碼為適合傳輸的數字信號或者把數字信號解碼還原為模擬音頻，人機接口包括按鍵、LED燈等。

圖1 系統架構框圖

該USB無線聲卡主要功能包括：

(1)固定端/移動端有選擇性的移動端/固定端配對組網，對不符合條件的配對請求自動過濾，配對成功后可進行通信。

(2)PC播放音樂，固定端以廣播的方式將信號傳送給每個移動端，與移動端相連的耳機可以聽到PC所播放的CD級高保真音樂，系統實現聲卡中回放的功能；任意的移動節點以麥克風方式輸入音頻，固定端接收到該信號而其他移動端不受干擾，實現聲卡錄音功能。

(3)固定端能遠程調節移動端音量，移動端也能遠程調節固定端音量。

(4)USB無線聲卡屬于便攜式、移動性較強的產品，有自動功耗調節、電源電壓監控的功能，若節點在一段時間內沒有通信則自動切換為待機模式，降低系統功耗；電源電量較低時，以LED閃爍方式提醒用戶充電或者自動關機，以保證系統的通信質量。

(5)所有數據包括音頻、網絡信息均通過無線傳輸。

2 系統設計

2.1 Purepath無線音頻協議

Purepath是德州儀器推出的低成本、低功耗、高保真的無線音頻協議，使用的是2.4 GHz技術，工作在免費授權使用2.4～2.485 GHz ISM無線頻段上[7]。它是運用先進的誤差校正及隱藏技術的音頻網絡協議，通過RF鏈路傳輸未壓縮的CD級音頻信號，能通過自適應跳頻、可選的高質量音頻壓縮等核心技術提高系統的魯棒性。Purepath網絡為星型拓撲結構，包括單個協議主機和多個協議從機，協議主機與協議從機間存在三類數據通信：音頻流、數據旁路信道、網絡信息。無線音頻流控制芯片CC8531是支持Purepath協議的芯片之一。

2.2 系統硬件設計

系統共分為固定的中心節點和移動的終端節點兩類，根據需求設計不同硬件電路。

固定端的硬件結構如圖2(a)所示[8-9]。CC8531用于處理音頻信號的無線通信：根據射頻收發的場景要求將音頻流調制成適合無線發射的已調信號或者對已調信號進行解調，其無線數據傳輸速率高達5 Mbps，音頻延遲小于16 ms，可支持32 kHz、44.1 kHz和48 kHz等的采樣率，USB接口符合USB1.0標準。為了確保通信的可靠性，增加射頻前端芯片CC2590[10]，CC2590內部集成了放大輸出功率的PA(Power Amplifier，功率放大器)以及可提高接收機敏感度的LNA(Low Noise Amplifier，低噪聲放大器)。CC8531有+3.5 dBm的可編程功率輸出，在與射頻前端進行無縫連接后，系統可編程輸出功率增加至+11 dBm，較高的發射功率保證了優質的通信質量和較遠的傳輸距離。固定端和移動端的無線數據傳輸使用Purepath音頻傳輸協議，能得到CD級高保真音質、抗干擾音頻流的傳輸實現。

圖2 設備硬件結構

CC8531內部大多已集成了必要的電路，因此只需采用較少的外圍電路即可實現信號無線傳輸的功能，從而減小產品開發難度、縮短開發周期。其內置時鐘生成器的工作需要配置48 MHz晶振作為系統時鐘源，CC8531和CC2590芯片的工作電壓范圍為2～3.6 V，以USB方式供電電壓為5 V，系統選擇TI公司的TPS73633DBVT芯片作為穩壓電源變換器，實現從5 V到3.3 V的轉變。用戶使用按鍵進行系統控制，如控制電源開關、音量控制、配對控制等，指示燈的輸出反饋系統當前的狀態。為了實現電源電壓監控功能，將CC8531的VBAT管腳接入待檢測的電源，該管腳每秒4次的頻率對電源電壓進行測量。

移動端的硬件結構如圖2(b)所示。與固定端相比增加了一個編解碼器模塊，音頻解碼模塊是整個系統的重要組成部分，編解碼質量決定了聲卡的性能優劣。TLV320AIC3254是嵌入式迷你DSP的超低功耗立體聲音頻編解碼器[11-12]，集成了濾波器、功率放大器、ADC、DAC等。CC8531使用I2S實現與音頻編解碼器的數據傳輸，包括MCLK、BCLK、WCLK三個時鐘信號，時鐘信號均由CC8531提供，接口連接如圖3所示。聲卡回放時，編解碼器除了進行數模轉換外還應實現信號增益放大以驅動耳機，作錄音用時，傳入的音頻信號含有直流偏置，須先濾波、放大后再編碼，這些都可通過I2C接口對編解碼器寫初始化控制序列方式設置完成。

圖3 CC8531與TLV320AIC3254間接口框圖

2.3 Purepath無線配置器參數設置

根據系統音頻傳輸特點，使用Purepath無線配置軟件(PurePath Wireless Configurator，PPWC)對CC8531進行固件開發[13]。PPWC是為Purepath系列芯片提供參數配置、校驗、編譯、燒寫的PC端圖形化工具。

圖4是參數配置流程。PPWC中對編解碼器設有默認的初始化控制序列，控制的內容包括：放大增益、過采樣系數、濾波器抽頭、管腳定義等。也可以通過重寫初始化腳本的方式對TLV320AIC3254進行寄存器置位以實現自定義的音頻編解碼、濾波和特定的DSP算法處理等功能。此外，還須依次分別對音頻流、音量控制、網絡配對、電源管理、I/O映射進行參數配置。

CC8531與外部音頻接口制定為I2S數據格式，44.1kbps采樣速率和16位分辨率，幀時鐘、主時鐘分別是采樣時鐘的64、256倍。音量控制的方式分為遠程和本地控制，系統采用遠程音量調節方式，這種做法的優勢在于多接收節點情景下，能批量調節多個節點的音量。系統默認工作在2 404～2 476MHz頻帶范圍內，通過預先在PPWC除掉通信環境中已知固定干擾的頻率段，提高通信效率。

圖4 PPWC參數配置流程圖

低功耗是該系統最為顯著的優勢之一，在PPWC平臺上制定自動功耗調節和電源管理方案，當系統持續1 800s沒有音頻傳輸或者持續30s某節點處于孤立未與其他節點組網的狀態時，會自動關閉編解碼芯片或切換芯片工作模式以節省功耗。為VBAT管腳配置電壓閾值如3.35V，當低于該電壓時LED閃爍提醒用戶充電或更換電池。

Purepath網絡中的每個無線設備都有3個32bit地址，用于標識身份或者在網絡建立時進行條件配對：DeviceID、ManufacturerID、ProductID。DeviceID唯一標志著CC8531芯片，芯片出廠時已被唯一確定，其余兩個地址通過PPWC配置確定。ManufacturerID標識芯片的制造商品牌，ProductID標識芯片的產品類型。通過對固定端和接收端設定合適的ProductID、ManufacturerID和ProductID掩膜，實現對部分節點過濾，防止不同設備的相互干擾。

3 系統測試

在不同環境中對系統進行測試，在開闊、無干擾的較理想環境(操場)測得系統傳輸距離最遠為130m，在多干擾、多障礙物的復雜應用環境(教學樓)下進行實驗，射頻鏈路在半徑25m范圍內覆蓋良好。在以上無線覆蓋范圍內，系統使用MOS[14](MeanOpinionScore)語音質量評價方法打分均有4分以上，固定端作為中心節點最多能支持對4個移動端的廣播，證明無線USB聲卡能滿足設計需求且音質良好。

4 結束語

文中設計了基于CC8531的USB無線聲卡，能實現CD級音質的無線音頻穩定傳輸，同時通過實現條件配對組網、電壓監控、自動功耗調節等功能保證了安全性、可靠性、節能性，該系統可用于替代電腦內板載聲卡，也可以用作無線耳機、無線音響。系統設計具有相當的靈活度，無需更改硬件結構只須對PPWC上的配置參數稍作更改就可以實現更多個性化功能，具有一定的市場價值[15]，并為USB聲卡設計提供了一個新思路。

[1] 鐘文祥.USB外置聲卡特點及主流產品(一)[J].音響技術,2007(5):55-56.

[2] 鐘文祥.USB外置聲卡特點及主流產品(二)[J].音響技術,2007(6):62-64.

[3] 管 康.高保真USB外置聲卡的設計[J].無線互聯科技,2012(2):96-96.

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Design of Wireless USB Soundcard Based on CC8531

ZHAO Lu,WU Meng

(College of Telecommunication & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Based on the analysis of Purepath wireless audio protocol,a CD-class low-power USB wireless soundcard is designed.Combining the system requirements,a system structure is developed based on RF streaming chip CC8531,the codec TLV320AIC3254 and other peripheral function modules.Then a detailed description of the circuit design is given.After that,CC8531 chip is programmed through the Purepath wireless platform and a complete system is finally finished.As test shows the USB wireless soundcard can achieve a high-fidelity wireless transmission with distance up to 130 m.In addition,the system increases pairing networking,automatic power adjustment,volume control and other functions.It can not only used as an alternative to onboard soundcard but also as a wireless headset or a wireless audio speaker.

CC8531;Purepath;USB soundcard;HiFi;low power consumption

2016-01-08

2016-05-11

時間：2016-09-19

國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2011CB302900)；江蘇省高校自然科學研究重點項目(10KJA510035)；南京市科技發展計劃重大項目(201103003)

趙 璐(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為無線通信與信號處理；吳 蒙，教授，研究方向為無線通信與信號處理、無線網絡安全與通信系統的信息安全。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0842.048.html

TP39

A

1673-629X(2016)10-0156-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.034