作者：Jon Gabay 貿(mào)澤電子 歷史上最早的無(wú)線連接方式是采用高壓放電（電火花）作為通信方法。1844年，摩爾斯碼發(fā)明以后取代了傳統(tǒng)電報(bào)方式（1837年，英國(guó)庫(kù)克和惠斯通設(shè)計(jì)制造了第一個(gè)有線電報(bào)，且不斷加以改進(jìn)，發(fā)報(bào)速度不斷提高。這種電報(bào)很快在鐵路通信中獲得了應(yīng)用。他們的電報(bào)系統(tǒng)的特點(diǎn)是電文直接指向字母。）。經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展，它來(lái)給船只和飛機(jī)通信帶來(lái)了很多好處，例如它能夠?yàn)榇缓惋w機(jī)提供與基站的實(shí)時(shí)通信，哪怕是數(shù)英里以外。 當(dāng)真空管出現(xiàn)后，電子控制實(shí)現(xiàn)了持續(xù)的信號(hào)波傳輸，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)聲音的正常傳輸，而不是嘈雜的噪聲波它會(huì)影響所有的聲音頻帶。首先調(diào)制功能會(huì)將信號(hào)波劃分為不同的頻帶，這樣就可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)信號(hào)波傳輸。早期的信號(hào)鏈路使用音頻晶振調(diào)制出不同音調(diào)來(lái)表示摩爾斯碼。 圖1 最早的無(wú)線電使用電火花在所有頻帶傳輸點(diǎn)播，夾雜著噪聲 隨著技術(shù)被工業(yè)和軍事推動(dòng)和提升，聲音質(zhì)量系統(tǒng)促進(jìn)了另一個(gè)應(yīng)用增長(zhǎng)。雙向收發(fā)器允許實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信即最早出現(xiàn)的半雙工模式。這樣可更加有效的協(xié)調(diào)軍隊(duì)，船只和飛機(jī)，大大提升了凝聚力和戰(zhàn)斗力。 隨著新的行業(yè)不斷采用無(wú)線技術(shù)，例如采用信號(hào)調(diào)幅（AM）技術(shù)可以提升聲音高保真度，可以實(shí)現(xiàn)單聲道音樂(lè)高質(zhì)量傳輸。價(jià)格低廉的無(wú)線接收的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)促進(jìn)了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，提供低成本的通信網(wǎng)絡(luò)，為廣大群眾提供新聞和娛樂(lè)等。 圖2 調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了首個(gè)無(wú)線音頻廣播系統(tǒng)，盡管現(xiàn)在我們已經(jīng)非常熟悉。 人們第一次可以實(shí)時(shí)接收新聞和音頻 隨著頻率調(diào)制（FM）技術(shù)開(kāi)始主導(dǎo)單向通信（如廣播基站）和雙向通信（如軍事和執(zhí)法部門應(yīng)用），收發(fā)器的設(shè)計(jì)也得到了提升。相比AM技術(shù)，F(xiàn)M技術(shù)更能夠屏蔽噪聲，并且能夠提供更高的帶寬，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更高的保真度而且允許立體聲的發(fā)送和接收。隨著早期宇航員開(kāi)始太空探索，中繼站開(kāi)始出現(xiàn)，宇航員可以在軌道甚至在月球上都可以向地球發(fā)送聲音。 很多數(shù)據(jù)收集儀器同樣也利用了早期的AM和FM信號(hào)調(diào)制技術(shù)，用于科學(xué)研究，天氣預(yù)報(bào)以及全球系統(tǒng)（如地震儀）。無(wú)線電工程師提升和重定義了長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用的無(wú)線設(shè)計(jì)，我們可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的聲音音頻傳輸，收據(jù)收集和控制等功能，甚至可以就愛(ài)那個(gè)無(wú)線電信號(hào)發(fā)送到太空。 數(shù)字無(wú)線電成突破口 數(shù)字無(wú)線電最早出現(xiàn)在數(shù)字調(diào)制器。AM調(diào)制只是簡(jiǎn)單的控制晶振開(kāi)關(guān)。FM調(diào)制會(huì)引起數(shù)字時(shí)許電路輸出某一頻率信號(hào)用于FSK（頻移鍵控）調(diào)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。在數(shù)字模式中邏輯元素迅速替代了電壓—頻率轉(zhuǎn)換器。計(jì)數(shù)器，移位寄存器，邏輯門和觸發(fā)器則成為無(wú)線連接的基本模塊。這里最應(yīng)該提一下精確的晶體振蕩器，以及可靠的數(shù)字分頻和同步時(shí)鐘和載波頻率，數(shù)字無(wú)線電不需要調(diào)音，因此不會(huì)出現(xiàn)模擬電路所面臨的頻率漂移問(wèn)題。 數(shù)字模式支持新的調(diào)制技術(shù)出現(xiàn)，我們可以看到相移，正交移和正交移鍵控技術(shù)的廣泛使用，當(dāng)然還有很多。同樣又是軍事和安全應(yīng)用方面的推動(dòng)，擴(kuò)頻和調(diào)頻技術(shù)推出并用于民用，大大推動(dòng)了現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展。 設(shè)計(jì)現(xiàn)代無(wú)線音頻系統(tǒng) 在每個(gè)國(guó)家RF產(chǎn)品一般都被國(guó)家部門高度監(jiān)管和控制。因此很多應(yīng)用需要決定什么類型的無(wú)線電，協(xié)議，功率等級(jí)以及頻帶可以采用。成本是一個(gè)約束，因此窄頻帶的AM/FM的實(shí)現(xiàn)方案成本是最低的，今天的很多應(yīng)用都在使用。 例如一個(gè)無(wú)線揚(yáng)聲器可以輕松的使用調(diào)諧或可調(diào)諧的FM立體聲發(fā)送器和接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)射和接收無(wú)線電波都可以使用幾個(gè)晶體管和分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)建一個(gè)小型低成本的RF鏈接。這個(gè)思路同樣適用很多玩具型的設(shè)計(jì)，如孩子的對(duì)講機(jī)。CB無(wú)線電一個(gè)很好的設(shè)計(jì)就是將頻率劃分為不同的頻帶，這樣就可以在給定的區(qū)域內(nèi)允許多條并發(fā)的音頻傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)互不干擾。 AM和FM無(wú)線電廣播和電視廣播依然是可以采用的，只是真?zhèn)€市場(chǎng)已經(jīng)非常小了。如今萬(wàn)維網(wǎng)，云存儲(chǔ)和調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)的廣泛使用應(yīng)景取代了對(duì)單一無(wú)線電的需求。現(xiàn)在很多人獲取音樂(lè)和無(wú)線音頻一般都通過(guò)移動(dòng)電話，Wi-Fi和藍(lán)牙設(shè)備等。其他的RF標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議也可以采用，但是大部分的市場(chǎng)份額被藍(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)所占據(jù)。 然而很多低成本應(yīng)用采用AM和FM技術(shù)完全是非常有用的，例如無(wú)線電控制，無(wú)線麥克風(fēng)，嬰兒監(jiān)控和保姆監(jiān)控等。在這些應(yīng)用中，當(dāng)數(shù)十個(gè)發(fā)射器和接收器同時(shí)工作時(shí)不會(huì)有頻帶的沖突，早期簡(jiǎn)單的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)較低成本應(yīng)用比較好的解決方案。 以Silicon Labs Si4689-A10-GM單芯片RF無(wú)線接收器為例。它封裝了一個(gè)電壓控制的晶振（VCO）,PLL(鎖相環(huán))，同步器，RF調(diào)諧器，基帶音頻處理器，AGC（增益）和一個(gè)還差不多的97-dB音頻DAC轉(zhuǎn)換器。使用簡(jiǎn)單的I2C和SPI串行協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制和訪問(wèn)。集成了一個(gè)基于DSP的數(shù)字無(wú)線電模塊，AM和FM單芯片無(wú)線電接收器支持標(biāo)準(zhǔn)的AM（520-1719KHZ）和FM（76-108MHZ）音頻無(wú)線電解碼，同時(shí)提供并發(fā)的I2S數(shù)字音頻輸出。集成的無(wú)線音頻模塊和組件如下圖3。 圖3 Silicon Labs Si46889芯片內(nèi)部框架。 現(xiàn)代的AM/FM無(wú)線電系統(tǒng)也采用數(shù)字邏輯模塊。硅已經(jīng)替代了銅，因此笨重且昂貴的線圈就不再需要了。 數(shù)字化基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)是支持本地的數(shù)字服務(wù)，如無(wú)線電數(shù)據(jù)服務(wù)（RDS）實(shí)時(shí)通信和警報(bào)，同樣支持歐洲標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（DAB和DAB ）VHF（168-240MHZ）音頻鏈接，盡管保真度不是很高（~15khz）。對(duì)于多路徑衰減和噪聲問(wèn)題，DAB更加的健壯。但是還不能取代FM技術(shù)，F(xiàn)M技術(shù)使用更加廣泛，能夠提供更好的信號(hào)保真度。 Silicon Labs同時(shí)提供了Si468X-WLCSP-EVB芯片的開(kāi)發(fā)支持，包括建議的BOM表，原理圖和PCB設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)材料主要針對(duì)不是很復(fù)雜的六層測(cè)試用板子，很好的對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行了隔離。 我們注意到這個(gè)小型的7x7mm封裝的芯片可以用于遠(yuǎn)程控制接收器，實(shí)現(xiàn)音頻調(diào)制，是低成本單向數(shù)據(jù)鏈路。例如助推火箭為控制鏈路與tirade復(fù)雜的RF鏈路和協(xié)議共存，并作為一個(gè)安全備份或故障安全備份。 出于同樣的原因，使用AM/FM技術(shù)創(chuàng)建小型可靠的音頻或數(shù)據(jù)傳感器發(fā)射鏈路，專用的單向發(fā)射器是非常有效的，因此采用簡(jiǎn)單低成本的音頻技術(shù)也是方案選型之一。 AM技術(shù)一個(gè)有意思的組件是新推出AS2977B-BQFM多路FSK發(fā)射器。工作頻率范圍300—928MHZ，工作電壓2—3.6V，封裝尺寸4x4mm，溫度范圍-50—85攝氏度。該芯片集成片上LDO，降低了外部組件數(shù)量，節(jié)省了功率消耗。輸出的功率是可編程的，片上的溫度傳感器補(bǔ)償晶振因溫度造成的頻率漂移。 在低功率的發(fā)射器內(nèi)部是一個(gè)sigma-delta控制的小數(shù)N分頻合成器，借助VCO和鎖相環(huán)（PLL）可以在內(nèi)部可靠的運(yùn)行，盡管是不標(biāo)準(zhǔn)的ISM300—928MhZ的頻率范圍。FSK偏差是可編程的，最高可達(dá)64KHZ，允許數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100kbits/s。訪問(wèn)，控制和數(shù)據(jù)傳輸都通過(guò)串行總線，節(jié)省的芯片的I/O接口。 數(shù)字音頻的出現(xiàn)和使用 現(xiàn)代AM/FM音頻收發(fā)器使用數(shù)字技術(shù)，并且?guī)缀跛械臒o(wú)線音頻是使用數(shù)字無(wú)線電的數(shù)字形式。從技術(shù)上講。3G/4G和5G服務(wù)以及WiFi訪問(wèn)點(diǎn)都是無(wú)線音頻技術(shù)的一部分，只有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸服務(wù)才能夠?qū)⒁纛l信息發(fā)送到目的地。 現(xiàn)代數(shù)字無(wú)線電收發(fā)器芯片具有很大的靈活性，這就允許設(shè)計(jì)和建立一個(gè)專用的協(xié)議，可以自由的用于ISM頻帶，除非超出了協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的能力，最好的方法是遵循標(biāo)準(zhǔn)。如果想要專有的方案，幾個(gè)通用部分可以用來(lái)創(chuàng)建無(wú)線音頻鏈路。 一個(gè)流音頻收發(fā)器的例子就是Nordic推出的nRF24Z1,它是一個(gè)傳輸速率達(dá)4Mbit/s的單芯片RF收發(fā)器，可用于實(shí)現(xiàn)CD 16位48Ksample/s采樣率的立體音頻原生流式接口。I2S音頻端口用于數(shù)字音頻接口，串行SPI接口用于控制接口。 原生接口比較簡(jiǎn)單而且不需要更多的開(kāi)銷。如果多個(gè)用戶比較接近，設(shè)計(jì)者就需要開(kāi)發(fā)自己的仲裁系統(tǒng)和互操作技術(shù)。使用原生數(shù)據(jù)流可以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)其他一些接口協(xié)議。設(shè)計(jì)者可以打造定制和專用的音頻RF鏈路，具有更獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 然而，大多數(shù)設(shè)計(jì)需要與其他設(shè)備共同操作。例如媒體中心集中服務(wù)使用WiFi作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)。大多數(shù)手持設(shè)備支持WiFi，所以一個(gè)完好建立的兼容鏈路可以迅速打入這個(gè)有潛力的巨大市場(chǎng)，風(fēng)險(xiǎn)性低。 實(shí)際上WiFi可以實(shí)現(xiàn)高保真度和多頻道同時(shí)傳輸，這些可能需要更高的帶寬采樣和傳輸。使用WiFi，設(shè)計(jì)師可以建立有效負(fù)載和數(shù)據(jù)包大小，可以更好地傳遞高頻帶的數(shù)據(jù)。使用標(biāo)準(zhǔn)的AM/FM和藍(lán)牙，頻道和帶寬具有更多的限制因素。這意味著消費(fèi)者設(shè)備和立體聲CD應(yīng)用可以使用藍(lán)牙技術(shù)，但是專業(yè)的和廣播設(shè)備就需要使用WiFi技術(shù)了。 Wi-Fi？ 很多精心設(shè)計(jì)的WiFi收發(fā)器芯片和WiFi模塊可以很好的支持和保存。除此之外，眾多RF開(kāi)發(fā)套件和配件支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且很多專用無(wú)線電設(shè)計(jì)是現(xiàn)成的。 有趣的是我們注意到鏈路的音頻部分不再是模擬信號(hào)，因此音頻在前端經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換在后端進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換。這就意味著如果使用的WiFi鏈路設(shè)備不支持片上混合信號(hào)處理能力，那么外部的音頻輸入和輸出就是必不可少的。這同樣適合數(shù)據(jù)傳輸速率，低速傳輸部件如STMicroelectronics研發(fā)的SPIRIT1QTR模塊可以用于一些WiFi應(yīng)用，特別是傳感器和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但是這不適合一些對(duì)音頻質(zhì)量有要求的應(yīng)用，特別是受限于500kbit/s的傳輸速率。 德州儀器推出的CC3200R1M2RGC芯片可能更適合，它帶有四通道12位AD轉(zhuǎn)換器，I2S數(shù)字音頻端口，集成了80MHZ ARM Coretex M4 CPU，功率管理等（如圖4）。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是SD/MMC Flash存儲(chǔ)器接口，這樣就可以外接智能卡來(lái)存儲(chǔ)音頻文件。 圖4 德州儀器推出的CC3200芯片。現(xiàn)代音頻數(shù)字鏈路嵌入了處理器，同時(shí)還有相關(guān)必不可少的配件，實(shí)現(xiàn)以數(shù)字模式進(jìn)行信號(hào)捕獲，過(guò)濾和調(diào)制。片上高端的AD轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)基于軟件的濾波，外部子模塊可以使用串行鏈路接口與其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。（來(lái)源：貿(mào)澤電子） 音頻要達(dá)到最大的保真度與數(shù)據(jù)速率有關(guān)，16Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率有足夠的空間提供高保真音頻，它超過(guò)人耳的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于更復(fù)雜的數(shù)字傳輸鏈路也能夠提供足夠的提升空間，例如多揚(yáng)聲器，環(huán)繞聲和專業(yè)無(wú)損的廣播音頻。甚至多個(gè)模塊間存在互相依賴性也可以通過(guò)頻道和帶寬控制和約束來(lái)實(shí)現(xiàn)。 房間內(nèi)的藍(lán)牙設(shè)備（Bluetooth） 藍(lán)牙明顯已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)低成本無(wú)線耳機(jī)、揚(yáng)聲器和共享音頻方案的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。我的生活中電腦，筆記本電腦，平板電腦和手機(jī)上都集成有藍(lán)牙設(shè)備，這為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和用戶都帶來(lái)了很大的方便性。 CD音質(zhì)音頻對(duì)于大多數(shù)人來(lái)講已經(jīng)足夠好了，只有專業(yè)的或者苛刻要求的應(yīng)用才需要更好的音質(zhì)。數(shù)據(jù)共享非常有用，事實(shí)也證明這相當(dāng)?shù)挠行ПM管是密集復(fù)雜的設(shè)計(jì)。范圍對(duì)于個(gè)人音頻設(shè)備是足夠的，能夠覆蓋個(gè)人網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的一部分或者全部。功率管理系統(tǒng)大大增加了電池的壽命，同時(shí)將更少的RF輻射暴露給我們。