支持雙麥克風的藍牙無線接收器及在教學中的應用

張紅升+陳鴻躍+朱仁義

摘要：針對教學互動環節中需要師生同時使用麥克風的需求，設計了一種支持雙麥克風的藍牙無線接收器。該接收器可同時采集兩個藍牙麥克風的聲音并放大，并直接驅動多媒體教室已有的音箱設備，具有聲音清晰、安裝簡便的特點。

關鍵詞：藍牙；雙通道麥克風；多媒體教學

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）36-0273-02

一、引言

現代教育注重教學環節的互動，特別是在課堂教學中，師生之間的互問互答對調動課堂氣氛、提高教學效果都起著重要作用。但是目前大多數多媒體教室中，只有老師配備了麥克風，學生回答的音質效果得不到保證，在一定程度上影響了教學效果。因此，設計一種音質良好、使用簡單的雙麥克風方案，對于進一步提升教學效果有著積極意義。

在當前建設多媒體校園的大背景下，藍牙麥克風作為一種新的教學設備在很多學校得到應用。藍牙無線麥克風利用藍牙技術的自動跳頻、對頻、數據更正、錯誤重傳等諸多技術優勢[1]，把藍牙技術與數字音頻處理技術完美地結合，有效地克服了傳統麥克風在教學擴音應用中的不足。為了進一步滿足課堂上師生互動的需求，本文給出了一種雙麥克風的藍牙無線音頻接收方案。

二、系統總體方案設計

為了能夠同時互不影響的接收兩路藍牙麥克風的聲音，采用了兩個獨立的藍牙接收模塊，這兩個模塊的輸出經混音、放大后，接入教室中多媒體控制臺的音頻功放，進而驅動音箱發出聲音。系統的整體方案如圖1所示。

由于每個藍牙接收模塊都需要接收天線，為降低成本，采用了功分及阻抗匹配電路，使得兩個藍牙模塊可以共用一個接收天線。兩個藍牙模塊的輸出采用混音電路合成為一路音頻。由于大多數藍牙模塊都是按驅動耳機來設計的，為提高其驅動能力，增加了音頻放大電路。同時，考慮到不同的應用需求，將輸出音頻同時經過兩路放大。這樣做的目的是為了在驅動教室內音箱發聲的同時，還可以驅動另外一個音頻設備。例如在教室實時錄播系統中，可以將接口1的音頻接入到多媒體教室的音箱功放上，接口2接入到錄播系統的錄音輸入。這樣錄播系統就相當于直接采集到了老師和學生說話的原始聲音，避免了傳統的開放式錄音方法（將錄音的麥克風置于講臺或黑板后）無法消除教室內環境噪音的缺點。

三、硬件電路設計

1.藍牙接收模塊。藍牙接收部分采用市面上通用的高集成度藍牙音頻傳輸模塊設計，藍牙接收模塊已經封裝了藍牙的全部底層操作，可以實現與麥克風的自動配對并輸出音頻信號，使得用戶只需要通過串口對其有關參數和工作模式進行簡單的配置即可。該藍牙模塊的傳輸距離不小于15米，可以滿足大多數教室的需求。對于容量較大的階梯教室，可以配備一個增益高的藍牙天線（如吸盤式天線或吸頂天線），并通過饋線引出到教室頂部中央的位置，從而提高其覆蓋范圍。

考慮到學校內教室多且距離近，為避免相鄰教室的誤配對，將藍牙接收模塊的配對門限和通信門限分別設立為不同的數值[2]。配對門限設置為一個較高的數值，這樣只有當麥克風十分靠近藍牙接收天線時（一般小于3米）才能成功連接，從而避免相鄰教室的誤配對。而通信門限相對較低，這樣當藍牙配對成功后，即使在幾百平米的階梯教室內，也可以手持話筒任意走動，不會出現傳輸中斷的現象。

2.音頻放大電路。音頻放大電路選用OPA2353芯片[3]來設計。OPA2353具有可單電源供電、輸入輸出軌到軌、帶寬大、信噪比高、驅動能力強等優點[4]。該芯片在音頻頻帶內（0-20KHz）的開環增益為120dB，信噪比大于107dB，完全滿足高品質音頻放大的需求。OPA2353內部含有兩個運算放大器，可同時實現兩路放大。圖2給出了音頻放大電路的電路圖。

以圖2音頻放大電路為例，其放大倍數為如式（1）：

針對后級音頻設備不同的輸入要求，可以調節Rx的值，實現放大倍數在0-6dB范圍之內變化，達到與后級設備的最佳匹配，從而提高系統的性能。

3.設計結果及測試。按照上述方案設計的接收器實物如圖3所示。位置①為天線接口，位置②和③分別為藍牙模塊1和藍牙模塊2，位置④和⑥分別為音頻輸出接口1和音頻輸出接口2，位置⑤為供電接口。音頻放大電路位于藍牙模塊下方，被藍牙模塊遮擋而不可見。

該裝置在作者所在大學的多媒體錄播教室中進行了測試。其中藍牙天線采用吸盤天線；接口1的放大倍數設置為1，與多媒體教室的音箱功放連接；接口2的放大倍數設置為4，與錄播系統的錄音輸入連接。試驗結果如下：

1）在標準的60座的教室內，藍牙天線吸附于講臺上的多媒體控制臺金屬外殼上，在上課前將兩路麥克風湊近講臺完成配對后，則教師和所有座位的學生都可以正常使用麥克風，沒有語音中斷現象。老師無論在講臺上，還是走入課堂中，聲音保持連續，無中斷現象。

2）在200座的大階梯教室中，如果藍牙天線放在講臺上，則最后幾排的部分學生在使用麥克風時，會出現語音不連貫的現象。通過將藍牙天線移至室內靠中央的位置，上述現象得到有效解決。

3）在藍牙保持連接的情況下，其音質較傳統的小蜜蜂式話筒有顯著的改善，且在講話過程中，教師和學生可分別通過手中的藍牙麥克風進行音量調整。

4）連接接口2的錄播系統的音質得到大幅度提升，錄制視頻中的教師和學生的聲音都十分清晰，相較于原來的開放式錄音方案，背景噪音顯著降低。

四、總結

給出了一種雙通道藍牙無線接收器的設計方案，介紹了其工作原理、電路結構和測試結果。該裝置可以加裝在多媒體教室的現有音頻系統中，使得教學過程中教師和學生可以同時使用藍牙無線話筒，增強了師生互動，提高了教學效果。該裝置還可以顯著改善教室錄播系統的錄音質量，具有良好的應用價值。

參考文獻：

[1]Bluetooth wireless technology in the home[Z].R.Shepherd.IEEE Xplore，2010.

[2]楊本全，陳愛華，葉劍超.基于BC03藍牙模組的無線有源音箱設計[J].現代電子技術，2011，（17）.

[3]張達.集成運算放大器的特性及其在音頻放大器中的應用（十）——低電壓、低功耗運算放大器OPA2353[J].實用影音技術，2011，（08）.

[4]符鶴，周忠華，彭智朝.藍牙技術的原理及其應用[J].微型電腦應用，2006，（07）：60-61，6.

致謝：

本論文得到重慶市高等教育學會高等教育科學研究課題（CQGJ13C446）、重慶郵電大學教學改革項目（XJG1505，2015YL-04，2016YL-03，XJG1617）以及重慶市本科高校“三特行動計劃”特色專業（微電子科學與工程）建設經費的支持。endprint