基于藍牙5.0的真無線立體音箱設計

游子鑫

基于藍牙5.0的真無線立體音箱設計

游子鑫

（武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070）

隨著藍牙5.0技術的發展和真無線立體技術（True Wireless Stereo，以下統稱TWS）的出現，音頻市場又迎來新一輪熱潮。由于藍牙5.0技術尚未普及、市場更新換代較慢等，導致該類設備性價比很低，比如蘋果TWS耳機。藍牙速度和距離的提高以及D類功放的成熟，藍牙音箱市場也將會迎來高峰！針對目前市場，戶外演出、演講等用到的普通有線音箱線路較長、聲音不均的問題，采用藍牙5.0和高效率的D類功放，設計了一種在鋰電池供電下，功率適中、工作時間長的戶外無線立體音箱解決方案。

藍牙5.0；TWS技術；D類功放；戶外音箱

1 背景

1.1 藍牙5.0技術發展形勢

早在2016年年底，藍牙技術聯盟就提出了全新的藍牙技術標準：藍牙5.0。然而市場上的藍牙版本還停留在藍牙4.0以及更早的版本，由于升級換代較為困難，藍牙5.0在市場中很少出現和普及。藍牙5.0的傳輸速度達到2 Mbps，是藍牙4.0版本的2倍，傳輸距離最遠達到300 m，是藍牙4.0版本的4倍[1]。目前為止，全世界支持藍牙5.0的手機型號有蘋果8、VIVO X21、華為P30及各自的新版本等等，支持藍牙5.0的設備稀少而昂貴。但是藍牙5.0技術還是得到了充分發展，CSR、TI（德州儀器）、ST（意法半導體）等知名公司都推出了各自的藍牙5.0解決方案，其中TI公司還提供藍牙5.0二次開發的數據資料，CSR公司更是在藍牙音頻領域獨樹一幟。

1.2 真無線立體技術發展形勢

藍牙速度、距離的提升，D類功放的飛速發展和E類功放問世，高效率和小體積成為藍牙音箱的追求，這兩點原因促使音頻市場的煥發新的活力。在2019年，TWS無線藍牙耳機呈現了爆發式的增長，但目前生產TWS音箱或耳機的公司并不多，導致TWS耳機和音箱的價格和性能不相匹配，而且由于品牌因素在合適價格內很難有高品質的產品。

1.3 音箱市場發展形勢

目前，一些戶外演出、演講等所用到的音箱都是有線模式，大多是單音箱，需要牽引較長的供電線路，且聲音由前到后不均勻，不夠便利，限制了音箱的使用場合，藍牙5.0技術的出現，解決了這一問題。正因如此，品質卓越而價格低廉的藍牙音箱將會是未來音頻市場的追求，音頻市場也將將會是數字音箱的天下。

1.4 TWS藍牙音箱的優勢

本文利用傳輸快、距離遠的藍牙5.0模塊，高品質的解碼芯片和高效率的D類功放，設計了一款支持TWS模式的HI-FI（高保真）級的藍牙音箱。解決了傳統有線音箱線路冗雜、聲音不均的問題，寬輸入的電壓兼容在航模鋰電池供電下時間長達3～4 h，擴寬了藍牙音箱的適用范圍。

2 實施方案

2.1 立體藍牙音箱設計流程

藍牙音箱主體分為無線通信模塊、音頻解碼模塊、功放模塊以及電源模塊四個大類，系統整體結構如圖1所示。

圖1 音箱簡化示意圖

DSP控制器與各類藍牙輸出型設備無線連接，采用藍牙5.0協議進行數據傳輸，然后將接收到的音頻數據進行數字化編碼，并以I2S通信的數據格式輸出至解碼模塊。

解碼模塊將對I2S格式的音頻數據進行解碼，經過DAC處理后輸出模擬信號，該模擬信號經過有源濾波處理后送至功率放大模塊。

功率放大模塊將模擬信號放大即可驅動揚聲器內部，揚聲器內部線圈在電磁場作用下產生震動，帶動膜片發出聲音。電源模塊對不同的用電類型輸出不同的電壓和功率，滿足供電需求。

2.2 電源拓撲選擇

以上變換器通過PWM信號的占空比控制場效應管導通或者關閉來實現升壓或者降壓。通過二極管的單相導電性控制導電回路，實現不同的電流流向，因此可以改變電壓極性。其中SEPIC輸出正壓，CUK輸出負壓。對比正激變換器和反激變換器，以上電源變換器不需要變壓器隔離，減小了音箱體積；對比單一的BUCK或者BOOST變換器，能同時實現電壓的升或者降，大大提高了電壓模塊的兼容性、開關電源的高效性，能夠讓藍牙音箱在普通航模鋰電池供電下工作時長可達3～4 h。圖2所示的SEPIC斬波電路和圖3所示的CUK斬波電路利用高速開關的場效應管實現電能變換，效率高達90%以上。

圖2 SEPIC斬波電路

圖3 CUK斬波電路

2.3 TWS技術原理和實現方式

藍牙5.0的傳輸速度是TWS技術實現的保障，通過手機連接主藍牙模塊，單方面對主藍牙模塊發送數據，主藍牙模塊控制左聲道揚聲器，并同時給從藍牙模塊發送數據，從藍牙模塊控制右聲道揚聲器，左右聲道揚聲器同時輸出，形成立體音。未進行TWS配對時，主藍牙模塊以單聲道形式輸出，TWS模式如圖4所示。

圖4 TWS模式示意圖

3 硬件設計

3.1 藍牙控制器

藍牙控制器型號很多，這里推薦2種解決方案：①TI公司的CC2640。CC2640是TI公司在2016年推出的一款支持藍牙5.0的超低功耗32位傳感器控制器，待機電流1.1 μA，2.4 GHz的RF收發速度和高達48 MHz的時鐘速度有效保證了通信的快捷性；支持2引腳cJTAG調試和JTAG調試，4個通用定時器資源，TI公司還額外提供相應的二次開發數據手冊，有一定的程序設計基礎即可實現想要的功能。廣泛應用于運動、工業、醫療等各個領域。②高通CSR8675的藍牙SoC芯片，它自帶一個強大的DSP處理器，集成了雙模式藍牙收音機、一個低功耗的DSP，一個應用處理器，一個電池充電器，存儲器、各種音頻和硬件接口的單芯片解決方案，支持24位音頻數據傳輸，系統時鐘高達120 MHz，集成16 MB可編程閃存，支持多達64 MB的外部SPI閃存 56 KB系統，2個I2S端口，用于增強與外部組件的音頻連接能力，MCU RAM 64kx24位數據和12kx32位程序存儲器，兼容藍牙4.2版本。強大的儲存能力和高速的運算速度保證了藍牙5.0的通信能力。

高通的藍牙音頻解決方案都是量產，不配備二次開發接口，TI公司解決方案需要自行設計，靈活性更大，可以根據實際靈活選取。

3.2 音頻解碼電路

PCM1794A是TI（德州儀器）公司生產的最高性能立體聲DAC控制器，24位分辨率，SNR（信噪比）高達132 dB，THD+N（總諧波失真加噪聲）低至0.000 4%，最高支持 200 kHz采樣頻率，利用PCM1794A搭建電路，如圖5所示，能將藍牙5.0模塊傳輸的數字信號還原成高保真的模擬信號，最大程度地減少失真和噪聲影響，保證良好的聽覺效果。

此外，由于PCM1794A輸出的模擬信號屬于差分模擬信號，需要利用高品質音頻運放濾波，并根據實際功放的需求轉換為單端模擬信號。

圖5 PCM1794A音頻解碼電路

3.3 運放芯片選型

為了最好地還原信號，達到高保真的目的，放大器選用ADI（亞德諾）公司生產的LT1028單運放，此運放擁有極高的壓擺率和極低的電壓噪聲以及良好的溫度穩定性，雖然發行時間早，但性能仍然在各類音頻運放IC中排名頂尖，是極高保真音頻類運放首選。

3.4 D類功率放大原理和芯片選型

所謂D類功放，是不同于以往A、B、AB類功放原理的新型功放，不再采用三極管搭建電路，而是采用場效應管，利用SPWM原理進行信號調制，讓場效應管工作在高速開關狀態，也被稱之為數字放大器[2]。SPWM原理為沖量相同而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時具有相同的效果，由于場效應管具有很高的開關速度和很低的導通內阻，故理論上能達到100%的效率。TI公司早在2001年就提出了D類功放的無濾波器技術專利，不僅可以避免靜點電流的增大，還能夠減小EMI，減少了外部電感濾波的體積，在高效率的前提下擁有不遜色AB類模擬功放的高還原度，讓D類功放制作的音箱在近年占據時代的舞臺。

D類功放選取為TI公司生產的TPA3126型號芯片，TPA3126在26 V供電條件下能夠帶動2×50 W負載，同時根據帶動負載靈活的更改電路，帶動1×100 W負載，芯片自帶過壓、欠壓、過熱、直流檢測和短路等綜合保護功能，且效率達到90%以上，THD+N在0.1%左右，能夠在大功率情況下達到高保真。相比于TPA3116功放，TPA3126具有更低的待機功耗。功放原理如圖6所示。

圖6 TPA3126功放電路圖

3.5 主功率電源芯片選型

針對SEPIC斬波電路和CUK斬波電路驅動控制IC，推薦選用ADI半導體公司的LT3759芯片，ADI公司對比TI公司在上述斬波電路驅動芯片有更多的選擇。該芯片利用單一反饋引腳實現正壓或負壓輸出，降低設計制作成本，具有高可靠性，效率達到90%以上，這樣保證藍牙音箱整體效率達80%以上，無需增加大體積的散熱模塊即可實現大功率 輸出。

4 軟件設計

4.1 程序流程

藍牙5.0 DSP在系統中起到數據通信的作用，程序中根據外部按鍵或遙控選擇配對模式和音量大小。

當藍牙工作方式選擇主模式時藍牙進入設備配對狀態，單方面接收手機或者其他設備的音頻數據，轉換數據格式，以I2S通信協議輸出給解碼模塊。與此同時，主藍牙與從藍牙進行配對連接，將數據同樣發送至從藍牙，以特定的通信方式保持時鐘同步。

當藍牙工作方式選擇為從模式，此時從藍牙會搜索另一個進入主模式的藍牙配對，接收來自主藍牙時鐘信號和音頻數據，控制右聲道輸出。

程序核心為I2S通信協議。程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4.2 I2S通信協議

I2S音頻通信協議有2個控制信號、1個數據信號外加1個主時鐘信號。BCK為位時鐘信號，BCK每有1個時鐘脈沖，代表發送了1個數據；LRCK為幀時鐘信號，傳輸左聲道的數據時，輸出高電平，傳輸輸右聲道數據時，輸出低電平；DATA數據信號線，是音頻數據的二進制補碼；系統時鐘MCLK，由外部晶振輸入，該時鐘信號和采樣頻率有關[3]。輸出傳輸按照一定的時序進行，時序如圖8所示。

圖8 I2S音頻通信協議

5 結束語

本文采用行業內的新技術，針對市場狀況，提供一個藍牙5.0的TWS音箱的完整解決方案。本文所采用的技術設計的TWS音箱能在一定程度上彌補了戶外演出、演講等有線音箱線路復雜、效率較低的缺點。高品質的各類芯片保證了音箱的小體積、大功率、長時間工作和發燒級的音質，保證了該產品在各個場合都能夠發揮應有積極效益。

［1］SIG發布“藍牙5.0”核心規范［J］.安全與電磁兼容，2016（6）：21.

［2］王紹清.應用于無濾波級D類音頻功放的新型死區時間控制系統［J］.電子技術應用，2019，45（11）：32-35，41.

［3］林嘉，陳素瓊，蘇凱雄.基于I2S接口的FPGA的音頻數據傳輸［J］.電氣技術，2018，19（12）：6-10.

2095－6835（2020）10－0004－03

TN912.26

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.002

游子鑫（1999—），男，本科在讀，電氣工程及其自動化專業。

〔編輯：張思楠〕