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基于CC8520嵌入式无线音频传输系统方案

  摘 要:为了解决目前无线音频传输系统普遍存在的成本高、功耗大、音质差,以及研发工程师关心的产品研发周期长、可靠性低的问题。提出了基于TI 最新芯片CC8520 无线音频传输系统的设计方案。该方案采用2.4GHz无线技术;无需进行繁琐的软件开发,由配置器配置灵活、多样以及所期望的功能;且芯片内部集成微控制器,无需额外的微控制器或DSP.论述了系统硬件设计及PuthPath 无线适配器的设置方法。经实际测试表明:可以有效地提高音质,降低功耗,可持续使用22 小时,传输距离130 米,满足设计要求。该方案减少了产品研发时间,为设计音频无线传输产品开发提供了一种新的思路。


  近年来,无线技术在音频传输领域得到越来越多的关注,包括蓝牙、WIFI 以及2.4GHz 技术等得到了迅猛的发展。在众多无线音频传输技术中,目前被看好的,而且最有可能在普通音频设备中、大面积使用的是2.4GHz 技术。2.4GHz,全名叫做"2.4GHz 非联网解决方案".它和蓝牙、WiFi 一样,都是工作在2.4-2.485GHz ISM 无线频段上。而该频段在全世界几乎都是免费授权使用的。因此,在产品成本上面天生会有一些优势,有助于产品的大面积普及。目前,蓝牙技术在无线音频产品中使用的最多,技术也最成熟,但它具有先天性的缺点,比如说:带宽窄,达不到传输高品质音频信号的要求;传输距离近,10 米左右;还有被人们广为诟病的抗干扰问题。WIFI 技术具有带宽宽,传输距离远的优势,具有相当不错的前景,但其弊病还是在于抗干扰且技术相对不成熟。2.4GHz 技术在对比与蓝牙、Wifi 的优势在于1) 带宽宽,能够传输CD 品质的无线信号。2) 抗干扰强,2.4G 技术使用的是自动调频技术,设备在工作时,如果发现频段被占用,它就会自动跳到一个无人使用的频段。3) 功耗低,2.4GHz 技术在发射和接收时不需要连续工作。


  本文提出了基于TI 公司CC8520 系列芯片无线音频传输方案,该方案采用目前最热门且有发展前景的2.4GHz 短距离无线传输技术;无需进行软件开发,只需通过TI 提供的免费PurePath 无线配置器设置目标系统的期望功能及参数,显著减少了开发时间和开发难度,并且提高了系统的可靠性。CC8520内部集成了微控制器,无需额外的控制器或DSP 即可完成对系统的控制,如音量调节、网络配对等操作,并且提供数据旁路通道,即可以在传输音频的同时,对接受端发送额外数据,降低了整体的成本。


  经实际测试,该方案在使用9V 干电池的情况下可持续工作22 小时;可传输多路采样率达(44.1/48KHz)及采样位数(16/24 位)的高品质立体声;无障碍开阔地传输距离达130 米,在拥挤、多障碍的环境下传输半径仍可达35 米。


  1 系统概述


  1.1 CC8520 芯片介绍


  CC8520 芯片采用TI 公司"PurePath Wireless"的专有技术1.该芯片可以在各种复杂环境中提供无缝和可靠的音频流式传输。运用先进的误差校正及隐藏技术的嵌入式音频网络协议,CD 品质未压缩音频品质采样,采用I2S 和I2C 接口来实现与音频编解码器、DAC/ADC 和数字音频放大器的无缝连接和控制,无线数据传输速率5Mbps,音频延迟小于16ms,具有高达+4dBm 的可编程功率输出和-83dBm的灵敏度)。需要很少的外围器件,故CC8520 完全适合于无线音频系统传输的设计。


  1.2 工作原理


  如图1 所示,在发送端,通过传声器(俗称话筒、麦克风)或模拟音频接口将声音或音频信号转换为模拟电信号;将模拟电信号传送到音频编解码芯片TLV320AIC3204 的音频接口IN1_L、IN2_R 端,模拟电信号通过芯片内部的前置放大,A/D 处理后转换为I2S 格式的数字音频信号,并传送至CC8520的I2S 接口;CC8520 将接收到的数字音频信号进行载波发射,通过与射频扩展器CC2590 的RF_N 和RF_P 端连接,将射频信号通过芯片并经由天线将音频信号发射出去。

图1 系统发射端原理框图。


  如图2 所示,在接收端另一CC8520 芯片通过CC2590 将接收到载波信号进行解调,将解调的数字音频信号传送至音频编解码芯片TLV320AIC3204 进行D/A 转换,输出模拟音频信号。因该芯片内部的音频放大增益较小,所以将模拟信号通过方向放大器进行放大,通过功放或耳机输出。

图2 系统接收端原理框图。


 2 系统硬件设计及PurePath无线适配器设置


  2.1 发射部分设计


  无线音频发射端可采取便携式手持设计,主要由无线数字音频芯片CC8520 、音频编解码芯片TLV320AIC3204、射频扩展芯片CC2590 等低功耗微型贴片芯片组成,可全部装配在便携式设备狭小空间的电路板内,其发射端电路原理如图1 所示,当CC8520 和TLV320AIC3204 作为发射端时,首先在PurePath 无线适配器Projects 中选择"CC85XXDKdemo AIC3204 ", 打开后, 选择" Analog Inputmaster(AIC3204)"作为发射端配置。


  考虑到在其在室内使用,并且要发挥CC8520 高品质CD 音质的性能,音频传输系统的主信号源

        1)选用良好声学性能的麦克风,连接至TLV320AIC3204的IN1_L 和IN1_R 端,进行前置放大与A/D 转换:


  2)自带CD 机或通过电脑播放的音乐等其他任何标准的立体声音源可由TLV320AIC3204 的IN2_L 和IN2_R 端进行前置放大和A/D 转换, 因为TLV320AIC3204 支持麦克风输入和立体声输入两种模式。


  音频编解码芯片TLV320AIC3204 的I2S 接口与主芯片CC8520 相连接,并根据本系统传输音频的特点,在PurePath 无线适配器设置,如图3 所示。

图3 PurePath 无线适配器音频接口设置


  接口形式:选择I2S;最大处理位数:选择16 位。


  在本设计中TLV320AIC3204 使用CC8520 的 MCLK作为自己的系统时钟,因此在时钟源的选择上使用"Internal with MCLK".选择完成后,系统 自动生成控制指令,不需用户进行编程。


  CC8520 内置了微控制器,因此系统不需要额外的微控制器, 将芯片CC8520 通过I2C 接口与与TLV320AIC3204 连接,对TLV320AIC3204 进行初始化和发送控制命令。


  偏置电压设置:音源的输入在采用麦克风输入或立体声输时入,需设置偏置电压。在硬件中,由R1和R2 构成偏置网络;在PurePath 无线适配器"AudioDevice Customization"中进行设置,根据查看数据手册和本设计的特点,选择2.5V 偏置电压,故在该设置框中输入"W 51 05".


  按键输入:PurePath 无线适配器提供以下事件发生方式1.click 2.hold 3.repeat 4.click+repeat.这样的好处是使设计者根据用户的需求或者是产品的需要灵活地选择按键样式,比如推拉式、触发式、自锁式等。


  本次设计中在发射端,使用了三个按键,分别是网络配对键、远程音量控制+键、远程音量控制-键。网络配对键采用"hold"方式,即"按住"方式,音量控制键采用"hold+repeat"方式,即"可按住可轻点".


  网络配对,音量+和-分别端接至CC8520 的CSN 端、GIO1 端、GIO3 端。这些均可在PurePath 无线适配器进行简单的选择。


  状态灯提示:在PurePath 无线适配器中设置的状态显示方式,在本设计中,选择闪烁为网络配对进行,常亮为配对完成,如图4 所示,为设置好的I/O 映射图。

图4 设置完的CC8520 的I/O 端口映射图。


        2.2 接收部分设计


  无线音频传输系统的接收端为固定形式,与发送端相类似,由无线数字音频芯片CC8520、音频编解码芯片TLV320AIC3204、射频扩展芯片CC2590,功率放大电路组成,接收端的电路主体部分与接收端相似,芯片CC8520 的I2C 接口与TLV320AIC3204 的I2C端连接,对其进行初始化和发送控制命令。在PurePath无线适配器中选择"Analog Output Slave(AIC3204)"作为接收端配置。


  音频编解码芯片TLV320AIC3204 的I2S 接口与主芯片CC8520 相连接,将接收到的模拟音频信号进行A/D 转换、后置放大等一系列处理,将数字音频信号通过 1.送至功放从LOL、LOR 输出 2.耳机或小型扩音设备从HPL、HPR 输出。考虑到音频编解码芯片TLV320AIC3204 音频放大作用有限,故在LOL、LOR模拟音频信号输出端设计放大器,将音频信号再次放大,以便于连接至功放设备,原理如图5 所示,设计采用性价比较高的4558 功放芯片作为主体,由+、-9伏电源进行供电。放大后,通过卡侬接口,可连接至功放进行进一步的放大处理。

图5 模拟信号放大电路原理图。


  3 系统配置流程


  图6 给出了在PurePath 无线配置器中的配置流程,工程师可根据硬件电路的特点以及设计实现的功能进行配置。定制方式,当设计者认为默认设置不满足设计产品的要求,如:需要更高级的功能时;需要改变外部音频接口的形式时,比如原本音频接口是I2s,现在要以I2C 作为音频传输接口;降低设备功耗,关闭在默认设置中不需要的功能。

图6 设计配置流程图。


  4 网络拓补及设备识别


  在建立网络配对时,由发送端的CC8520 建立网络,作为该网络主机,如图7 所示。这里需要注意到的是,该片CC8520 的设备ID 号就是所建立网络的ID号,因此需要自动固定配对时,需在PurePath 无线适配器"Netwok pairing"中"Default network ID"选项里将设备ID 号输入。设备ID 号是独一无二的,不能改变,这点与厂商ID 和产品ID 可自行定义不同。


  本设计中音频发射端(主机)可挂接多个接收端(从机),其音频数据流向、旁路数据通道、建立网络信号流如图7 所示。


  PurePath 无线适配器提供两种自定义设备识别方式:1)厂商ID 2)产品ID.厂商ID 作用是设备自动识别同一厂商生产的设备并进行网络配对,当其他厂商也采用CC8520 系列产品时,进行过滤,不与之进行网络配对。产品ID 是同一家厂商有不同的 "CC8520"的产品时,比如:该厂商同时有无线耳机和无线话筒等产品时,防止不同产品间产生配对串扰。

图7 网络拓补结构。


  5 结束语


  本文提出了基于TI 最新芯片CC8520 无线音频传输系统的设计方案,采用当今热门的2.4GHz 无线技术,无需进行软件开发,提高了系统的可靠性。经实际测试表明:可以有效地提高音质,降低功耗,可持续使用22 小时,传输距离130 米,满足设计要求,为设计无线音频传输系统提供了一种新的思路。
 

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