基于CC8520嵌入式無線音頻傳輸系統方案 - 全文

　　摘要：為了解決目前無線音頻傳輸系統普遍存在的成本高、功耗大、音質差，以及研發工程師關心的產品研發周期長、可靠性低的問題。提出了基于TI 最新芯片CC8520 無線音頻傳輸系統的設計方案。該方案采用2.4GHz無線技術；無需進行繁瑣的軟件開發，由配置器配置靈活、多樣以及所期望的功能；且芯片內部集成微控制器，無需額外的微控制器或DSP.論述了系統硬件設計及PuthPath 無線適配器的設置方法。經實際測試表明：可以有效地提高音質，降低功耗，可持續使用22 小時，傳輸距離130 米，滿足設計要求。該方案減少了產品研發時間，為設計音頻無線傳輸產品開發提供了一種新的思路。

　　近年來，無線技術在音頻傳輸領域得到越來越多的關注，包括藍牙、WIFI 以及2.4GHz 技術等得到了迅猛的發展。在眾多無線音頻傳輸技術中，目前被看好的，而且最有可能在普通音頻設備中、大面積使用的是2.4GHz 技術。2.4GHz，全名叫做“2.4GHz 非聯網解決方案”。它和藍牙、WiFi 一樣，都是工作在2.4-2.485GHz ISM 無線頻段上。而該頻段在全世界幾乎都是免費授權使用的。因此，在產品成本上面天生會有一些優勢，有助于產品的大面積普及。目前，藍牙技術在無線音頻產品中使用的最多，技術也最成熟，但它具有先天性的缺點，比如說：帶寬窄，達不到傳輸高品質音頻信號的要求；傳輸距離近，10 米左右；還有被人們廣為詬病的抗干擾問題。WIFI 技術具有帶寬寬，傳輸距離遠的優勢，具有相當不錯的前景，但其弊病還是在于抗干擾且技術相對不成熟。2.4GHz 技術在對比與藍牙、Wifi 的優勢在于1）帶寬寬，能夠傳輸CD 品質的無線信號。2）抗干擾強，2.4G 技術使用的是自動調頻技術，設備在工作時，如果發現頻段被占用，它就會自動跳到一個無人使用的頻段。3）功耗低，2.4GHz 技術在發射和接收時不需要連續工作。

　　本文提出了基于TI 公司CC8520 系列芯片無線音頻傳輸方案，該方案采用目前最熱門且有發展前景的2.4GHz 短距離無線傳輸技術；無需進行軟件開發，只需通過TI 提供的免費PurePath 無線配置器設置目標系統的期望功能及參數，顯著減少了開發時間和開發難度，并且提高了系統的可靠性。CC8520內部集成了微控制器，無需額外的控制器或 DSP 即可完成對系統的控制，如音量調節、網絡配對等操作，并且提供數據旁路通道，即可以在傳輸音頻的同時，對接受端發送額外數據，降低了整體的成本。

　　經實際測試，該方案在使用9V 干電池的情況下可持續工作22 小時；可傳輸多路采樣率達（44.1/48KHz）及采樣位數（16/24 位）的高品質立體聲；無障礙開闊地傳輸距離達130 米，在擁擠、多障礙的環境下傳輸半徑仍可達35 米。

　　1 系統概述

　　1.1 CC8520 芯片介紹

　　CC8520 芯片采用TI 公司“PurePath Wireless”的專有技術1.該芯片可以在各種復雜環境中提供無縫和可靠的音頻流式傳輸。運用先進的誤差校正及隱藏技術的嵌入式音頻網絡協議，CD 品質未壓縮音頻品質采樣，采用I2S 和I2C 接口來實現與音頻編解碼器、DAC/ADC 和數字音頻放大器的無縫連接和控制，無線數據傳輸速率5Mbps，音頻延遲小于16ms，具有高達+4dBm 的可編程功率輸出和-83dBm的靈敏度）。需要很少的外圍器件，故CC8520 完全適合于無線音頻系統傳輸的設計。

　　1.2 工作原理

　　如圖1 所示，在發送端，通過傳聲器（俗稱話筒、麥克風）或模擬音頻接口將聲音或音頻信號轉換為模擬電信號；將模擬電信號傳送到音頻編解碼芯片TLV320AIC3204 的音頻接口IN1_L、IN2_R 端，模擬電信號通過芯片內部的前置放大，A/D 處理后轉換為I2S 格式的數字音頻信號，并傳送至CC8520的I2S 接口；CC8520 將接收到的數字音頻信號進行載波發射，通過與射頻擴展器CC2590 的RF_N 和RF_P 端連接，將射頻信號通過芯片并經由天線將音頻信號發射出去。

　　圖1 系統發射端原理框圖。

　　如圖2 所示，在接收端另一CC8520 芯片通過CC2590 將接收到載波信號進行解調，將解調的數字音頻信號傳送至音頻編解碼芯片TLV320AIC3204 進行D/A 轉換，輸出模擬音頻信號。因該芯片內部的音頻放大增益較小，所以將模擬信號通過方向放大器進行放大，通過功放或耳機輸出。

　　圖2 系統接收端原理框圖。

　　2 系統硬件設計及PurePath無線適配器設置

　　2.1 發射部分設計

　　無線音頻發射端可采取便攜式手持設計，主要由無線數字音頻芯片CC8520 、音頻編解碼芯片TLV320AIC3204、射頻擴展芯片CC2590 等低功耗微型貼片芯片組成，可全部裝配在便攜式設備狹小空間的電路板內，其發射端電路原理如圖1 所示，當CC8520 和TLV320AIC3204 作為發射端時，首先在PurePath 無線適配器Projects 中選擇“CC85XXDKdemo AIC3204 ”，打開后，選擇“ Analog Inputmaster（AIC3204）”作為發射端配置。

　　考慮到在其在室內使用，并且要發揮CC8520 高品質CD 音質的性能，音頻傳輸系統的主信號源1）選用良好聲學性能的麥克風，連接至TLV320AIC3204的IN1_L 和IN1_R 端，進行前置放大與A/D 轉換：

　　2）自帶CD 機或通過電腦播放的音樂等其他任何標準的立體聲音源可由TLV320AIC3204 的IN2_L 和IN2_R 端進行前置放大和A/D 轉換，因為TLV320AIC3204 支持麥克風輸入和立體聲輸入兩種模式。

　　音頻編解碼芯片TLV320AIC3204 的I2S 接口與主芯片CC8520 相連接，并根據本系統傳輸音頻的特點，在PurePath 無線適配器設置，如圖3 所示。

　　圖3 PurePath 無線適配器音頻接口設置

　　接口形式：選擇I2S;最大處理位數：選擇16 位。

　　在本設計中TLV320AIC3204 使用CC8520 的 MCLK作為自己的系統時鐘，因此在時鐘源的選擇上使用“Internal with MCLK”。選擇完成后，系統自動生成控制指令，不需用戶進行編程。

　　CC8520 內置了微控制器，因此系統不需要額外的微控制器，將芯片CC8520 通過I2C 接口與與TLV320AIC3204 連接，對TLV320AIC3204 進行初始化和發送控制命令。

　　偏置電壓設置：音源的輸入在采用麥克風輸入或立體聲輸時入，需設置偏置電壓。在硬件中，由R1和 R2 構成偏置網絡；在PurePath 無線適配器“AudioDevice Customization”中進行設置，根據查看數據手冊和本設計的特點，選擇2.5V 偏置電壓，故在該設置框中輸入“W 51 05”。

　　按鍵輸入：PurePath 無線適配器提供以下事件發生方式1.click 2.hold 3.repeat 4.click+repeat.這樣的好處是使設計者根據用戶的需求或者是產品的需要靈活地選擇按鍵樣式，比如推拉式、觸發式、自鎖式等。

　　本次設計中在發射端，使用了三個按鍵，分別是網絡配對鍵、遠程音量控制+鍵、遠程音量控制-鍵。網絡配對鍵采用“hold”方式，即“按住”方式，音量控制鍵采用“hold+repeat”方式，即“可按住可輕點”。

　　網絡配對，音量+和-分別端接至CC8520 的CSN 端、GIO1 端、GIO3 端。這些均可在PurePath 無線適配器進行簡單的選擇。

　　狀態燈提示：在PurePath 無線適配器中設置的狀態顯示方式，在本設計中，選擇閃爍為網絡配對進行，常亮為配對完成，如圖4 所示，為設置好的I/O 映射圖。

　　圖4 設置完的CC8520 的I/O 端口映射圖。

　　2.2 接收部分設計

　　無線音頻傳輸系統的接收端為固定形式，與發送端相類似，由無線數字音頻芯片CC8520、音頻編解碼芯片TLV320AIC3204、射頻擴展芯片CC2590，功率放大電路組成，接收端的電路主體部分與接收端相似，芯片CC8520 的I2C 接口與TLV320AIC3204 的I2C端連接，對其進行初始化和發送控制命令。在PurePath無線適配器中選擇“Analog Output Slave（AIC3204）”作為接收端配置。

　　音頻編解碼芯片TLV320AIC3204 的I2S 接口與主芯片CC8520 相連接，將接收到的模擬音頻信號進行A/D 轉換、后置放大等一系列處理，將數字音頻信號通過 1.送至功放從LOL、LOR 輸出 2.耳機或小型擴音設備從HPL、HPR 輸出。考慮到音頻編解碼芯片TLV320AIC3204 音頻放大作用有限，故在LOL、LOR模擬音頻信號輸出端設計放大器，將音頻信號再次放大，以便于連接至功放設備，原理如圖5 所示，設計采用性價比較高的4558 功放芯片作為主體，由+、-9伏電源進行供電。放大后，通過卡儂接口，可連接至功放進行進一步的放大處理。

　　圖5 模擬信號放大電路原理圖。

　　3 系統配置流程

　　圖6 給出了在PurePath 無線配置器中的配置流程，工程師可根據硬件電路的特點以及設計實現的功能進行配置。定制方式，當設計者認為默認設置不滿足設計產品的要求，如：需要更高級的功能時；需要改變外部音頻接口的形式時，比如原本音頻接口是I2s，現在要以I2C 作為音頻傳輸接口；降低設備功耗，關閉在默認設置中不需要的功能。

　　圖6 設計配置流程圖。

　　4 網絡拓補及設備識別

　　在建立網絡配對時，由發送端的CC8520 建立網絡，作為該網絡主機，如圖7 所示。這里需要注意到的是，該片CC8520 的設備ID 號就是所建立網絡的ID號，因此需要自動固定配對時，需在PurePath 無線適配器“Netwok pairing”中“Default network ID”選項里將設備ID 號輸入。設備ID 號是獨一無二的，不能改變，這點與廠商ID 和產品ID 可自行定義不同。

　　本設計中音頻發射端（主機）可掛接多個接收端（從機），其音頻數據流向、旁路數據通道、建立網絡信號流如圖7 所示。

　　PurePath 無線適配器提供兩種自定義設備識別方式：1）廠商ID 2）產品ID.廠商ID 作用是設備自動識別同一廠商生產的設備并進行網絡配對，當其他廠商也采用CC8520 系列產品時，進行過濾，不與之進行網絡配對。產品ID 是同一家廠商有不同的 “CC8520”的產品時，比如：該廠商同時有無線耳機和無線話筒等產品時，防止不同產品間產生配對串擾。