市場對更大移動性的需求導致傳統有線音頻娛樂產品向無線傳輸。隨著產品制造商希望切斷娛樂電子產品線，工程師在維持電池供電的無線音頻設計的信號范圍，音質和最長播放時間方面面臨重大挑戰。為了滿足這些要求，工程師可以利用來自多個制造商的大量可用產品，包括（按字母順序）Analog Devices，Cirrus Logic，CSR，Freescale Semiconductor，Linear Technology，Linx Technologies，Maxim Integrated Products，Microchip Technology，NXP Semiconductors，Quickfilter技術，德州儀器等眾多公司。

在典型的無線娛樂系統（圖1）中，源信號通過無線射頻接口傳輸，可選范圍擴展器連接到播放器系統，如立體聲耳機或揚聲器。在播放器內，相應的無線RF接口接收信號以供編解碼器，音頻處理器或DSP處理，以產生驅動到揚聲器的最終模擬信號。通常包括電池和充電管理電路的適當電源完善了該系統。

圖1：典型的無線音頻系統依賴于發送器和接收器之間可靠的無線通信，以及接收端的高效音頻處理。 （德州儀器公司提供。）

在創建無線娛樂設計時，工程師在無線通信和音頻處理方面面臨著特殊的挑戰。具有高吞吐量和信號完整性的可靠RF通信對于確保用戶即使在遠離音頻源的范圍內的不間斷音頻體驗也是至關重要的。同時，強大的音頻信號處理對于保持音頻保真度和提供市場預期的音頻功能至關重要。針對每個子系統的可用集成解決方案可幫助工程師滿足這些要求，同時降低設計復雜性和成本。

頻段

傳統問題，市場接受度以及未許可帶寬的可用性通常會推動無線電通信頻率的選擇。同時，滿足增加操作范圍和長時間播放電池壽命的要求設定了有用頻帶的邊界。

對增加功率的需求是長距離操作需求的自然結果，但RF波長的選擇在平衡范圍和功率方面起著關鍵作用。 RF波長和范圍之間的關系在Friis傳輸方程中描述：

Pt =發射功率

Pr =接收功率

Gt =發射機天線增益

Gr =接收機天線增益

λ=波長

d =發射機和接收機之間的距離

對于單位參數，距離成為波長的簡單線性函數，因此較長波長的無線電通信等于更大的范圍。當然，較長波段面臨包括干擾和有效載荷帶寬的問題。在這種情況下，2.4 GHz ISM頻段在實際范圍限制和有用帶寬之間提供了良好的平衡。

2.4 GHz解決方案因其在低功耗和全球可用性方面提供有用的有效范圍的能力而具有吸引力。用于藍牙等標準，基于跳頻擴頻（FHSS）的2.4 GHz設計提供了在高度活躍的無線電環境中保持相對不受干擾信號影響的優點。與較低的ISM頻帶相比，這些系統還提供足夠的數據帶寬以允許高質量立體聲的數字傳輸，較低的ISM頻帶通常限于模擬或較低數據速率的數字音頻。

藍牙標準工作在2.4 GHz，非常適合消費者連接要求。它的廣泛使用使得基于藍牙的無線音頻播放器可能會找到兼容的音頻主機，如計算機，筆記本電腦，平板電腦和智能手機。但是，使用藍牙需要使用支持雙模式的經典藍牙或藍牙智能就緒設備支持的數據吞吐率，支持經典藍牙和低帶寬藍牙低功耗（LE）。對于來自低功率設備的短暫數據突發，藍牙LE無意提供經典藍牙支持的無線數字音頻所需的持續數據流。

工程師可以通過在嵌入式處理器上運行經過適當配置的藍牙軟件堆棧來實現經典藍牙，例如飛思卡爾半導體Kinetis系列，Microchip Technology PIC24系列和德州儀器Stellaris系列等。這種嵌入式軟件方法提供各種藍牙服務，包括高級音頻分發配置文件（A2DP），它為流式立體聲音頻提供標準。在大多數經典藍牙設備中，A2DP是一種熟悉的選項，它可以為大多數聽眾提供心理聲學上可接受的音頻。

除了通用嵌入式處理器解決方案外，CSR BC57G687C等專用設備還集成了音頻信號電路，以減少元件數量并提高電源效率。作為CSR BlueCore5-多媒體系列的成員，BC57G687C將藍牙堆棧16位RISC MCU與Kalimba 64 MIPS 24位DSP協處理器和片上存儲器相結合（圖2）。該設備的藍牙調制解調器完善了這一無線解決方案。

圖2：CSR BlueCore5系列等集成多媒體SoC將藍牙無線電功能與無線音頻應用中廣泛的片上處理功能相結合。 （由CSR提供。）

Sub-GHz替代品

藍牙無處不在，對用戶和大多數設計師的熟悉程度使其成為無線音頻解決方案的獨特優勢。然而，諸如藍牙之類的標準旨在支持任意產品之間的連接，在通信中施加開銷以確保異構無線節點之間的授權，可靠通信。對于尋求更大范圍或更高音頻吞吐量的工程師而言，其他選項提供了自己的優勢。

雖然第一選擇通常是2.4或5.8 GHz ISM頻段，但是sub-GHz頻段仍然是可行的選擇。調制技術的改進加強了對早期sub-GHz方法中的干擾和共存的松弛問題的抗擾性。最重要的是，使用sub-GHz ISM頻段意味著更寬的范圍和更低的功率要求，這兩者當然是無線音頻設計的核心問題。

正如Friis方程式所示，低頻信號轉換為相應更長的范圍。有了這種觀點，sub-GHz無線通信對于首先考慮最大范圍且音頻要求不那么密集的應用仍然具有吸引力。

例如，Linx Technologies引用了一個1000英尺范圍的TXM-900-HP3發射器模塊和RXM-900-HP3接收器模塊之間的通信。這些模塊設計為無線應用的插入式解決方案，僅需要一根天線即可完成900 MHz多通道RF設計，能夠傳輸模擬FM和數字FSK信息。 TXM-900-HP3發送器使用其精密的12 MHz壓控晶體振蕩器（VCXO）驅動PLL，形成由板載微控制器管理的頻率合成器，允許基于軟件的通道選擇（圖3）。 RXM-900-HP3中的互補接收器模塊解調信號，提供模擬和數字數據，以及可用于用戶范圍顯示指示器的RSSI值。

圖3：TXM-900-HP3發送器信號路徑使用MCU控制的PLL在900 MHz頻段內提供軟件控制的通道選擇。 （由Linx Technologies提供。）工程師還可以找到各種RF IC來構建工作在900 MHz頻段的定制無線音頻解決方案。例如，ADI公司的ADF7025是一個ISM收發器IC，工作在多個頻段，包括900 MHz ISM頻段。 ADF7025內置一個片內ADC，無需單獨的ADC即可獲取溫度，電池狀態或RSSI等基本數據。因此，該設備只需要少量外部組件即可提供經濟高效的解決方案。此外，工程師可以調整設備以平衡功率和靈敏度要求。 ADF7025的信號鏈包括多個可編程選項，用于接收器線性度，靈敏度和濾波器帶寬（圖4）。

圖4：工程師可以在ADF7025前端設置多個可編程選項，以權衡功耗，線性度，靈敏度和濾波器帶寬的要求。 （由Analog Devices提供。）

Propriety 2.4-GHz解決方案

雖然經典藍牙提供無處不在，而sub-GHz提供擴展范圍，但2.4 GHz ISM與專有通信協議的使用為最高質量的多通道打開了大門音頻在可接受的范圍和功率。憑借其輕量級，特定于應用程序的堆棧，專有協議可減少開銷并為有效負載節省最大帶寬。另一方面，專有協議也意味著主機也需要橋接設備。然而，對于無線音頻系統，專用橋接設備可以簡單地構建到播放器設備和主機“控制臺”單元中，例如，其可以在任何情況下用于用戶顯示揚聲器狀態。

專為高質量多聲道音頻的無線流媒體設計，德州儀器PurePath無線平臺在其收發器和范圍擴展器中使用這種專有方法。 TI PurePath器件包括雙通道CC8520和四通道CC8530以及CC8521和CC8531版本，還提供USB音頻支持。 CC85xx SoC集成了從RF到數字輸出的完整信號路徑，使工程師能夠使用少量附加組件構建無線音頻設計（圖5）。

圖5：在TI PurePath平臺中，CC85xx器件為無線多聲道數字音頻提供單芯片解決方案。工程師可以通過額外的芯片擴展范圍和聲音質量，用于范圍擴展和音頻處理。 （由Texas Instruments提供。）

PurePath系統充分利用專有協議的靈活性，提供16位44.1或48 kHz無壓縮音頻，不會產生不必要的噪聲或丟失。為了防止RF干擾或多徑衰落效應引起的音頻問題，該系統允許工程師將每個采樣率的音頻延遲配置為768到2，048個樣本之間的值。這種音頻延遲導致音頻流中的系統延遲，這允許識別和重傳數據，這些數據無法通過系統的內置插值算法進行校正。

除了自適應的先聽后聽機制外，PurePath平臺還采用專有的跳頻方案，以增強系統與活動環境中其他2.4 GHz信號源共存的能力。利用這種方案，片上控制器可以在幾十毫秒內動態切換到更清晰的RF信道。在這種方法中，設備將2.4 GHz頻段分成18個RF信道，在任何時候使用四個最佳信道進行有源傳輸。在使用四個活動信道的實際傳輸期間，設備還掃描14個非活動信道中的每一個，計算每個信道的服務質量（QoS）估計，并用任何顯示更高QoS的信道替換任何活動信道。

為了進一步改善信號質量和范圍，工程師可以利用CC85xx的天線分集能力。這里，該設備使用外部天線開關在兩個天線之間動態切換，以減少多徑衰落效應。此外，工程師可以在可選的CC2590范圍擴展器中進行設計，其中包括用于更高發射器輸出的PA和用于更高接收器靈敏度的LNA。

PurePath平臺與相關軟件一起，包括PurePath無線配置器，這是一款免費的基于PC的軟件工具，用于配置設備的操作參數。 TI還提供USB加密狗參考設計（適用于CC85x1），以及無線耳機參考設計，可在465 mAh電池上實現22小時的使用壽命。

音頻處理器

為了增強音頻效果和音質，無線音頻系統的最后階段通常需要進行一些信號處理。在這里，工程師可以選擇從相對簡單的編解碼器設備到完整的音頻處理SoC的設備。 ADI公司的AD1835A，Cirrus Logic CS4265，NXP UDA1344TS和德州儀器TLV320AIC3204等編解碼器可為各種音頻通道和采樣率提供低功耗信號處理和音頻效果。例如，恩智浦UDA1344TS音頻處理流水線（圖6）支持多種播放功能，包括去加重，音量控制，低音增強，高音和軟靜音。

圖6：NXP UDA1344TS等音頻編解碼器提供豐富的信號處理功能，可實現高音，低音和音量控制等基本音頻功能。 （由NXP Semiconductors提供。）

對于更廣泛的信號處理和特殊音頻效果，工程師可以采用ADI公司的ADAU1702，Cirrus Logic CS47048和Quickfilter QF3DFX等音頻處理器。該類器件提供完整的片上音頻系統解決方案，包括高分辨率ADC，DAC，DSP和控制器。例如，Quickfilter QF3DFX音頻處理器SoC提供了一個全面的音頻處理流程（圖7），允許音頻工程師支持從高頻恢復（HFR）到空間效果和虛擬低音效果的各種心理聲學效果。 QF3DFX能夠在沒有微控制器的情況下運行，具有自啟動功能，還可以在不存在音頻時關閉電源，從而有助于節省電池操作系統的電量，待機模式下僅需要約50μW。

圖7：高級音頻處理SoC，例如Quickfilter QF3DFX，提供專業的音頻處理功能，可提供更復雜的心理聲學效果，如高頻恢復，空間效果和虛擬低音。 （由Quickfilter Technologies提供。）

電池管理

在任何低壓電池供電設計中，防止電池故障（包括欠壓，過流和過熱）對系統運行和產品使用壽命至關重要。對于延長電池壽命對消費者滿意度至關重要的無線音頻設備，電池充電管理起著關鍵作用。

工程師可以在電池充電管理器件中找到各種功能和選項，包括ADI公司的ADP2291，凌力爾特公司的LTC1734和Maxim Integrated Products MAX1501，以及眾多替代產品。

此類設備用作恒流/恒壓充電控制器，并提供無數額外功能。 ADI公司的ADP2291支持從深度放電到涓流充電的多步充電模式，具有全面的保護功能，包括檢測到電池故障時的停止充電模式。凌力爾特公司的LTC1734不僅可以直接為鋰離子電池充電，還可以作為鎳鎘（NiCd）和鎳氫（NiMH）電池充電的電流源，在關機和睡眠模式下，功耗幾乎為零。 Maxim MAX1501集成了典型的電流檢測電阻，傳輸晶體管和熱調節電路，為鋰離子，鎳鎘和鎳氫電池充電提供了非常簡單的解決方案（圖8）。

圖8：Maxim MAX1501等電池充電IC需要很少的元件來為鋰離子，鎳鎘電池和鎳氫電池實現高效的充電解決方案。對于此器件，只需要簡單更改引腳連接即可支持NiCd和NiMH電池。 （由Maxim Integrated Products提供。）

結論

對于消費者而言，便攜式產品和無線音頻產品只能在短時間內或在比預期更短的時間內停止播放發現自己在回程貨架上。對于工程師而言，在滿足最大工作范圍和延長播放時間的同時滿足音頻功能要求是一項持續的挑戰。解決這些問題需要優化頻帶，通信協議和音頻處理能力。幸運的是，各種IC器件和插入式模塊為有效滿足無線通信，音頻處理和電池管理要求提供了必要的構建模塊。