高質量便攜式無線音頻

摘要：雖然藍牙技術非常適合定期的短距離無線連接，但對于音頻流應用而言并非是保證音質的最佳技術。幸運的是，現在有各種經過驗證的2.4GHz技術替代方案，它們可以通過無線連接傳送CD品質的音頻，并具有長電池壽命的好處。

關鍵詞： 藍牙；射頻；EDR；nRF2421

多年來，藍牙技術一直是其他無線技術要替代的目標，SIG堅定地對來自ZigBee、Wi-Fi和專有RF器件回潮所帶來的競爭壓力做出反應，通過修改協議來提高帶寬以及將藍牙和超寬帶技術(UWB)結盟的計劃。后一個動向勢必將會把藍牙的無線個人局域網(WPAN)的優點和UWB高達100Mbit/s(以上)的數據傳輸速率結合起來。

但是從射頻硅集成電路的角度，藍牙的帶寬很窄并迅速耗盡電池，能充分展現此缺陷的例子是無線立體聲耳機。現在市場上具備藍牙1.2功能的耳機由于必須攜帶很大的電池以至體積笨重、聲音深度不足，并且幾小時就會耗盡電池。有幾種替代方法能夠把工作做更好，比如Nordic專門為音頻流應用而開發的RF芯片一-nRF2421，具有4Mbit/s的速率，而功耗僅為藍牙1-2芯片組的一半。用nRF2421構建無線連接的一個附加好處是無需經過IEEE802.15.4標準認證，但它仍必須滿足諸如美國FCC和歐洲ETSI規范等相關的本地法規的要求。然而，因其收發器在全球的極為流行也極為擁擠的2.4GHz ISM頻段工作。因此，nRF2421擁有其自己的自適應跳頻形式(adaptive frequency hop—ping)以避免干擾其他2.4GHz設備。

無線設計

為便攜式設備增加無線連接的工作中存在四個關鍵設計問題：成本、復雜性、體積和功耗。成本問題至關重要，同樣由于當今消費類產品的生命周期很短，無線連接的設計必須非常簡單，以便讓產品能迅速進入市場。無線設計仍然不是一件簡單地把芯片組安裝到印制電路板上的事情。畢竟，射頻集成電路集RF、模擬和數字等多種功能于一身，本身即具有很高的復雜性。作為便攜式設備的設計師，擁擠的印制電路板上幾乎再也沒有多余空間來安置笨拙的收發器和外設元件，這些芯片還是需要MCU和其他外設元件。nRF24xx CMOS收發器集成了RF收發器、8051 MCU、4通道12bitADC和各種標準接口電路。只要再添加一個音頻ADC或DAC芯片和一、兩個無源外設元件，就可以增加無線連接功能。

所有無線連接都容易受到工作在相同頻率的其他設備干擾，特別是2.4GHzISM頻段。為此，藍牙和nRF2421都采用自適應跳頻技術將干擾降到最低。藍牙使用79個信道，而nRF2421具有包括38條目的可配置信道跳轉表(channel-hopping table)，并且在發現干擾的地方用自適應跳頻為信道入口做出標記，最多可以將38個信道中的18個標記為壞信道。所有這些屏蔽標記(例如本地Wi-Fi頻段)都在芯片內完成，而無需與主MCU或者用戶的參與。nRF2421的自適應跳頻功能能在1 10ms的時間內對整個2.4GHz頻段進行掃描，以尋找好的信道(方法是每個信道使用2.9ms，然后轉到下一個信道)。這就解決了與常見的干擾丟失音頻包再傳輸有關的很多問題，同時還用來屏蔽掉與藍牙或其他2.4GHz設備偶然發生的沖突。如果頻段掃描程序發現了一個壞的頻率，那么丟失的音頻信息將會在另一不同的頻率上重新傳輸，而不會為最終用戶所注意。

延長電池的壽命

讓我們進一步考察圖1里“通過RF連接傳送音頻流”中介紹的MP3播放器到無線耳機音頻流應用中的藍牙1.2和專有芯片的功率耗損問題。藍牙必須保持同步(支持多達7個從設備的要求所造成的)以避免再連接延時，芯片即使在“空閑”模式下也要以8mA電流連續工作。雖然藍牙技術允許芯片進入“睡眠”模式以節省功耗，但是重新建立連接需要3s，這種“反應遲鈍(unresponsiveness)”使很多用戶感到沮喪。nRF24Zl則采用不同的技術。當音頻流為44.1kHz時，收發器保持給定的載波頻率2.9ms。在這個期間，音頻內容和控制信息將發送到接收端(音頻接收器一ARX)，任何丟失的音頻內容將重新發送，并接收ARX端的應答和控制信息。然后，系統跳到另一個不同的頻率并重復此過程。當沒有內容要傳送時，芯片可以進入多種不同的睡眠模式。在“深睡眠”模式下，芯片只需5μA的小電流來保持存儲器的內容。在“輕”睡眠模式下，芯片以固定的間隔喚醒來尋找對方。當系統處在睡眠模式時，還必須考慮系統中所有變換器和微控制器的功率耗損。在音頻源和DAC/放大器之間添加RF連接不再需要MP3播放器和耳機之間的有線連接。這就是說，RF連接的一邊放在播放器中，而另一邊在耳機中。與有線系統MCU和DAC/放大器之間固定的連接方法不同，無線系統中除了音頻通道之外，還需要一個附加的控制數據通道(否則音量控制只能放在耳機上，而其它的按鍵仍然放在播放器上)。MP3播放器和耳機都需要使用電池。

為了方便計算電池的壽命，我們假定電池保持中等放電速率并且電池的容量隨時間線性地下降。發送或接收藍牙1.2音頻芯片運行時大約消耗60mA電流，因此，工作在2V時，器件要消耗120mW。假定電源是一個工作在3.7V的鋰電池，并經過一個效率為90％的DC—Dc變換器，于是從電池吸取的功率為133mW。安裝在耳機上的DAC/放大器工作時要吸取大約4mA電流。假定DAC/放大器直接在變換器輸出的3.7V電壓上運行，那么它所吸取的功率為14.8mW。典型3.7V鋰電池的容量為900mAh，能夠供給3330mWh。在回放時總功率耗損為147.8roW，電池壽命為3330mWh/147.8mW=22.5小時。

nRF2421的平均ARX電流為22.9mA，而平均ATX電流為17.8mA。聰明的硅片設計保證這種專有解決方案的“極”低功耗。注意，這些數字適用于良好的無線連接環境，發送和接收以44.1kHz采樣的16比特無壓縮音頻流。在2V電壓下運行時(和藍牙器件的條件相同)，Nordic的解決方案從DC-DC變換器吸取45.8mW，從電池耗用50.9roW。再加上DAC/放大器的消耗，得到65.7mW。使用3.7V的鋰電池，電池壽命為3330mWh/65.7mW=50.7小時，是藍牙芯片方案22.5小時電池壽命的兩倍多。表l概括了上述結果，為了進行比較，還包括了采用兩個串連的1.5V AAA電池供電時的數據。AAA電池的容量為900mAh，兩個AAA電池可以提供2×1.5V×900mAh=2700mWh，無需DC-DC變換器。

保持高保真度

除了延長電池壽命外，音頻品質同樣是個重要的指標。CD數字音頻對原始模擬音樂信號以44.1kHz/通道的速度、16bit的分辨率.進行采樣。這種采樣速率和分辨度產生141Mbit/s的數據流。藍牙1.2具有1Mbit/s的標稱數據速率，實際上大約運行在720kbit/s(因為保持同步需要260 kbit/s)。720kbit/s的帶寬是在假定很好的無線連接，不需要重發壞的數據包的情況下達到的，實際很難運行在“最佳”的速率。

雖然藍牙1.2的帶寬足以提供可以接受的語音音頻流，卻肯定不能為CD品質的音頻再現所接受，它所產生的流音樂缺少動態范圍和“熱烈的激情”。相反，Nordic收發器將標稱帶寬提高到4Mbit/s。該芯片的設計能夠提供足夠的帶寬，從而以48kHz的速率傳送16bit、總數據速率為1.54Mbit/s的立體聲信號，并提供CD音質。該無線芯片具有4Mbit/s的標稱傳輸速率。這樣的帶寬可以提供充足的開銷，以便進行丟失包的再傳送、進行收到數據包的應答、用戶中斷(如按下按鍵)、設備尋址和時分多路等工作。

從便攜式音樂播放器向耳機無線傳送流音頻內容有兩種方法。一種方法是簡單地通過無線連接傳送壓縮的MP3數據。MP3事實上的“良好質量”壓縮標準是192kbit/s，完全在藍牙1.2的帶寬容量之內。即使是“無損失的”專有標準，例如蘋果(Apple)自己的標準也只要求320kbit/s，對于藍牙同樣沒有問題。然而，這種技術有其缺點。首先，耳機聽筒需要必要的電子電路(DSP、DAC/放大器和電池)來解壓縮MP3數據流；這就增加了耳機的重量、體積、復雜性和成本。第二，無論播放器有多么好，再現聲音的質量都決定于耳機。最后，此MP3播放器將不再能夠和普通有線耳機配合使用。第二種技術是在播放器中解壓縮MP3數據，并將解壓縮后的音頻信息傳送到耳機中的接收器。這樣就模仿了普通有線MP3播放器/耳機組合的情況，并且可能是最實際的配置方法一降低了耳機的復雜性、重量和功率耗損。然而，這卻要求帶寬寬得多的RF連接。

藍牙1.2和nRF 24zl的比較說明，nRF2421以1.5Mbit/s傳送CD品質的音頻時比運行在較低保真度的720kbit/s的藍牙功耗更少。這就意味著使用這種專有芯片解決方案可以使產品設計既有更長的電池壽命又有更高的音頻品質—這兩點在全球競爭激烈的無線耳機市場中都是非常重要的賣點。

2004年11月正式推出的藍牙2.0+以及增強數據速率(EDR)特點的情況又怎樣呢，設計藍牙2.0主要是為了阻止藍牙的生存環境受到更快的Wi-Fi技術的擠壓。藍牙2.0+EDR承諾將RF連接的帶寬提高2倍達到3M比特/秒的標稱值。但是為了處理發送提升帶寬所需要的同時數據包使用的雙調制方案，藍牙2.0+EDR的數據包結構變得更加復雜。這里還有某些不利的因素。首先，為了達到增加帶寬，連接的兩端都需要與2.0版本兼容。由于最近在標準批準方面的問題限制了商業藍牙2.0+EDR芯片的供應。雖然2.0版本是與早期的藍牙版本向后兼容的，但是數據傳輸速率決定于傳輸鏈中速率較低的連接，所以其速率很可能為720kbit/s。

雖然藍牙2.0+EDR的供應商們宣稱新的版本會更加經濟，這種說法是基于更高的數據速率而降低無線電芯片的占空比。對于諸如從一個蜂窩電話向另一個蜂窩電話傳送1Mbit的圖像文件等應用情況而言這一性能還不錯，因為這時無線電只要傳送大約20s，而不是像藍牙1.2那樣要傳送1min時間。問題是，對于長期的、連續的音頻流來說，任何“猝發性”的效率都是沒有用的。