一種車載無線射頻耳機系統的設計

汪振興

(上海大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

隨著家用轎車的普及，人們在車內的時間明顯增加，車內通話不可避免。為了行車安全，藍牙免提通話是一個很好的解決方案，車載藍牙系統因此得到了長足的發展。但考慮到用戶隱私要求，有時私密通話還是需要的。對于一些經常開車但又偏愛耳機的用戶，藍牙耳機并不是一個完美的解決方案。因為目前市場上的藍牙手機大部分都不能支持同時連接兩個藍牙免提設備，即手機通過藍牙免提協議同時連接藍牙耳機及車載藍牙設備。

因此，對于車載應用的這種特殊場景，車載無線射頻耳機系統是一個很好的解決方案。現有的耳機都不能和音響互動，尤其是行車時既聽音響又用耳機接電話，對行車安全更加不利[1]。在使用車載藍牙免提電話進行通話的過程中，在射頻耳機離開機座后，通話的語音即轉移到耳機上，車內揚聲器不再發聲。當通話結束后，可使用方向盤按鍵或車載電話操作界面掛斷電話，但在將耳機放回機座之前，車輛的音頻還會從耳機輸出。當用戶放回耳機后，音頻恢復從原有揚聲器上輸出。

文中將詳細討論該系統的設計方案、功能特點。

1 射頻技術

文中介紹的車載無線射頻耳機系統，使用了無線射頻技術，在介紹該方案之前，先將文中涉及的無線射頻技術做個說明。

射頻(Radio Frequency，RF)，表示可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍在300 kHz～30 GHz 之間。射頻其實質就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于 1 000次的交流電稱為低頻電流，大于 10 000 次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。射頻技術作為新一代短距離無線數據通信技術，具有體積小、功耗低、性能穩定、抗干擾能力強等優點，并且適合組成小型的通信局域網，因而在工業、民用領域得到了廣泛的應用與研究[2]。

近些年來，無線通信技術大踏步發展的同時，大規模集成電路、數字技術以及電路系統的制作工藝和水平也在日趨成熟，這就使得無線通信系統的大部分功能都可以集成到一小塊芯片的內部。以短距離無線通信系統為例，只需要使用短距離無線射頻收發芯片，再配上具有控制功能的微控制器和少量的外圍器件即可構成具有無線傳輸功能的通信模塊。

在這種小型系統中，電容、電感、晶體振蕩器等器件都已經集成在芯片內部，具有很好的通用性，并且其抗干擾能力較強，不易受到環境變化的影響。射頻收發芯片可以采用以 FSK調制方式為基礎的各種調制方式，一般工作在 ISM 公用頻段，不用進行通信頻道的額外申請，操作簡單方便。

在通信模塊內部，已經含有了一般均會含有的傳輸數據必須的數據傳輸協議或用來增強保密性的加密協議，并會盡量使其應用起來簡單、透明。發射功率、工作頻率等所有工作參數可以通過軟件設置完成，這也就降低了用戶對無線通信原理和工作機制掌握程度的要求，使得應用過程變得更加容易?？傮w來說，用戶只要依據命令字對具體的控制寄存器進行操作即可實現基本的無線傳輸功能。

此類型的短距離無線數據通信系統體積小、功耗低、穩定性好、抗干擾能力強，而且開發簡單快速，維護保養方便，并且可以嵌入到其他各種設備中，實現設備間的無線連接，完成不同的功能融合。

由于不同公司不同型號的無線收發芯片種類和數量都比較多，因而無線收發芯片的選擇在設計中是至關重要的，正確的選擇可減小開發難度、縮短開發周期、降低成本、更快地將產品推向市場。選擇無線收發芯片時需要考慮以下幾點因素：功耗、發射功率、接收靈敏度、收發芯片所需的外圍元器件數量、芯片成本等。

該方案采用TI的CC85XX器件系列，它能提供強大的、高品質、短距離的2.4 GHz無線數字音頻流的低成本單芯片解決方案。兩個或多個設備形成PurePath無線音頻網絡，通過采取謹慎措施，確保了該音頻網絡可在不同的環境下提供無間隙和強大的音頻流，它可以與現有的無線技術，在擁擠的2.4 GHz ISM頻段友好共存。

只需要將CC85XX連接到外部音頻源或信宿(例如：音頻編解碼器，S/PDIF接口或D類放大器)和幾個按鈕，開關或LED用于人機交互，不做任何軟件開發即可以實現大多數應用。外部音頻設備的控制是I2C或以GIO為基礎，包含本地或遠程音量控制。先進的應用可以直接連接主機處理器或DSP與CC85XX及流音頻，同時也能控制設備及音頻網絡運營的各個方面[3]。

2 具體方案

該車載無線射頻耳機系統與車載收音機相連，截斷收音機至前門的兩路音頻輸出(因為電話語音輸出只占用這兩路)，在內部通過開關對音頻輸出方向進行控制。車載無線射頻耳機系統會連接射頻天線，實現通過射頻信號傳輸音頻的功能。具體參見圖1系統架構圖。

車載無線射頻耳機系統內部集成了MCU、功率放大模塊、電路選擇開關、信號轉換器、射頻信號發生器、射頻耳機、射頻發射天線和耳機機座。各模塊的各項指標設計要求均滿足車規要求。

初始狀態下，射頻耳機已經與射頻模塊完成配對過程。同時，為便于維修更換，射頻耳機和射頻模塊都支持重新配對功能。射頻模塊可以發送音頻信號至耳機，也可以從耳機接收射頻通信連接和斷開(即耳機取出和放回的狀態)信號，車載無線射頻耳機系統可利用此信號控制輸出音頻的去向。車載無線射頻耳機系統的音頻輸入來自收音機，音頻可以被輸出至原有揚聲器或者通過射頻天線以無線形式發送。輸出切換控制通過電路選擇開關實現，切換時間少于100 ms。該系統可確保前后揚聲器音頻輸出的同步，同時不產生Pop音。在系統工作時，可保證收音機不會檢測到揚聲器斷路而產生DTC。

電源管理方面，當系統休眠時，其功耗處于較低水平，僅需監控收音機的功耗變化，其他模塊都不工作，直至下一次系統啟動才可進入工作狀態。當車載無線射頻耳機系統檢測到收音機打開時，系統在5 s后進入工作狀態。當系統啟動后，會自動進行一次開機診斷，根據耳機狀態調整開關位置。當收音機進入休眠狀態時，系統在5 s后進入休眠狀態，電路選擇開關切換至揚聲器，且該連接不受系統工作狀態影響。在休眠狀態，車載無線射頻耳機系統僅需檢測收音機功耗，作為系統啟動的判定條件。具體設計參見圖2。

對于射頻耳機設計方面，系統工作時，若耳機在機座內，音頻信號應輸出至揚聲器；若耳機不在機座內，音頻信號應輸出至射頻天線。耳機機座有充電功能，在Kl.15打開且耳機在機座中時，機座可以對耳機進行充電。

耳機音量可通過收音機上的音量旋鈕調整，耳機上不設其他按鍵，但預留了隱藏觸點用來進行更換配對。耳機上帶有指示燈，閃爍表示正在充電，常亮表示電池已滿，常滅表示不再充電。射頻信號發射器與射頻耳機進行傳輸具有完善的加密機制，保證了傳輸數據的安全。

該系統的電源設計要求，參見表1。

注：1)當電源電壓恢復到運行電壓范圍時，控制器將恢復運行

對于該系統的音頻切換模塊和射頻耳機機座的插座設計，參見圖3的PIN腳定義。在實車上的具體布置位置需要根據不同車型進行設計，原則是便于用戶操作，提高用戶的使用體驗。

3 結束語

文中介紹的車載無線射頻耳機系統，是針對車載應用環境為車主提供的一種便利的電話接聽方案。從具體使用結果看，完全達到了設計要求，各項指標及實驗均合格。文中的設計方案及思路，對于其他汽車電器的設計同樣具有借鑒意義。

【1】 魏彥軍.藍牙技術在車載免提系統中的應用[J].汽車電器,2006(7):1-4.

【2】 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京:科學出版社,2003.

【3】 TI.CC85XX-RF SOC FOR WIRELESS AUDIO STREAMING[OL].2012-11.http://www.ti.com.