作者：Jon Gabay 貿澤電子 歷史上最早的無線連接方式是采用高壓放電（電火花）作為通信方法。1844年，摩爾斯碼發明以后取代了傳統電報方式（1837年，英國庫克和惠斯通設計制造了第一個有線電報，且不斷加以改進，發報速度不斷提高。這種電報很快在鐵路通信中獲得了應用。他們的電報系統的特點是電文直接指向字母。）。經過三十年的發展，它來給船只和飛機通信帶來了很多好處，例如它能夠為船只和飛機提供與基站的實時通信，哪怕是數英里以外。 當真空管出現后，電子控制實現了持續的信號波傳輸，同時還可以實現調制功能。這樣就能夠實現聲音的正常傳輸，而不是嘈雜的噪聲波它會影響所有的聲音頻帶。首先調制功能會將信號波劃分為不同的頻帶，這樣就可以同時進行多個信號波傳輸。早期的信號鏈路使用音頻晶振調制出不同音調來表示摩爾斯碼。 圖1 最早的無線電使用電火花在所有頻帶傳輸點播，夾雜著噪聲 隨著技術被工業和軍事推動和提升，聲音質量系統促進了另一個應用增長。雙向收發器允許實時語音通信即最早出現的半雙工模式。這樣可更加有效的協調軍隊，船只和飛機，大大提升了凝聚力和戰斗力。 隨著新的行業不斷采用無線技術，例如采用信號調幅（AM）技術可以提升聲音高保真度，可以實現單聲道音樂高質量傳輸。價格低廉的無線接收的設計和生產促進了整個行業的發展，提供低成本的通信網絡，為廣大群眾提供新聞和娛樂等。 圖2 調制技術實現了首個無線音頻廣播系統，盡管現在我們已經非常熟悉。 人們第一次可以實時接收新聞和音頻 隨著頻率調制（FM）技術開始主導單向通信（如廣播基站）和雙向通信（如軍事和執法部門應用），收發器的設計也得到了提升。相比AM技術，FM技術更能夠屏蔽噪聲，并且能夠提供更高的帶寬，不僅能夠實現更高的保真度而且允許立體聲的發送和接收。隨著早期宇航員開始太空探索，中繼站開始出現，宇航員可以在軌道甚至在月球上都可以向地球發送聲音。 很多數據收集儀器同樣也利用了早期的AM和FM信號調制技術，用于科學研究，天氣預報以及全球系統（如地震儀）。無線電工程師提升和重定義了長距離傳輸應用的無線設計，我們可以實現長距離的聲音音頻傳輸，收據收集和控制等功能，甚至可以就愛那個無線電信號發送到太空。 數字無線電成突破口 數字無線電最早出現在數字調制器。AM調制只是簡單的控制晶振開關。FM調制會引起數字時許電路輸出某一頻率信號用于FSK（頻移鍵控）調制，實現數字數據的傳輸。在數字模式中邏輯元素迅速替代了電壓—頻率轉換器。計數器，移位寄存器，邏輯門和觸發器則成為無線連接的基本模塊。這里最應該提一下精確的晶體振蕩器，以及可靠的數字分頻和同步時鐘和載波頻率，數字無線電不需要調音，因此不會出現模擬電路所面臨的頻率漂移問題。 數字模式支持新的調制技術出現，我們可以看到相移，正交移和正交移鍵控技術的廣泛使用，當然還有很多。同樣又是軍事和安全應用方面的推動，擴頻和調頻技術推出并用于民用，大大推動了現代無線電技術的發展。 設計現代無線音頻系統 在每個國家RF產品一般都被國家部門高度監管和控制。因此很多應用需要決定什么類型的無線電，協議，功率等級以及頻帶可以采用。成本是一個約束，因此窄頻帶的AM/FM的實現方案成本是最低的，今天的很多應用都在使用。 例如一個無線揚聲器可以輕松的使用調諧或可調諧的FM立體聲發送器和接收器來實現。發射和接收無線電波都可以使用幾個晶體管和分立器件來實現，創建一個小型低成本的RF鏈接。這個思路同樣適用很多玩具型的設計，如孩子的對講機。CB無線電一個很好的設計就是將頻率劃分為不同的頻帶，這樣就可以在給定的區域內允許多條并發的音頻傳輸鏈路，實現互不干擾。 AM和FM無線電廣播和電視廣播依然是可以采用的，只是真個市場已經非常小了。如今萬維網，云存儲和調頻擴頻技術的廣泛使用應景取代了對單一無線電的需求。現在很多人獲取音樂和無線音頻一般都通過移動電話，Wi-Fi和藍牙設備等。其他的RF標準和協議也可以采用，但是大部分的市場份額被藍牙和Wi-Fi技術所占據。 然而很多低成本應用采用AM和FM技術完全是非常有用的，例如無線電控制，無線麥克風，嬰兒監控和保姆監控等。在這些應用中，當數十個發射器和接收器同時工作時不會有頻帶的沖突，早期簡單的技術是實現較低成本應用比較好的解決方案。 以Silicon Labs Si4689-A10-GM單芯片RF無線接收器為例。它封裝了一個電壓控制的晶振（VCO）,PLL(鎖相環)，同步器，RF調諧器，基帶音頻處理器，AGC（增益）和一個還差不多的97-dB音頻DAC轉換器。使用簡單的I2C和SPI串行協議實現控制和訪問。集成了一個基于DSP的數字無線電模塊，AM和FM單芯片無線電接收器支持標準的AM（520-1719KHZ）和FM（76-108MHZ）音頻無線電解碼，同時提供并發的I2S數字音頻輸出。集成的無線音頻模塊和組件如下圖3。 圖3 Silicon Labs Si46889芯片內部框架。 現代的AM/FM無線電系統也采用數字邏輯模塊。硅已經替代了銅，因此笨重且昂貴的線圈就不再需要了。 數字化基礎的優勢是支持本地的數字服務，如無線電數據服務（RDS）實時通信和警報，同樣支持歐洲標準的數字音頻廣播（DAB和DAB ）VHF（168-240MHZ）音頻鏈接，盡管保真度不是很高（~15khz）。對于多路徑衰減和噪聲問題，DAB更加的健壯。但是還不能取代FM技術，FM技術使用更加廣泛，能夠提供更好的信號保真度。 Silicon Labs同時提供了Si468X-WLCSP-EVB芯片的開發支持，包括建議的BOM表，原理圖和PCB設計，PCB設計材料主要針對不是很復雜的六層測試用板子，很好的對模擬信號和數字信號進行了隔離。 我們注意到這個小型的7x7mm封裝的芯片可以用于遠程控制接收器，實現音頻調制，是低成本單向數據鏈路。例如助推火箭為控制鏈路與tirade復雜的RF鏈路和協議共存，并作為一個安全備份或故障安全備份。 出于同樣的原因，使用AM/FM技術創建小型可靠的音頻或數據傳感器發射鏈路，專用的單向發射器是非常有效的，因此采用簡單低成本的音頻技術也是方案選型之一。 AM技術一個有意思的組件是新推出AS2977B-BQFM多路FSK發射器。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，降低了外部組件數量，節省了功率消耗。輸出的功率是可編程的，片上的溫度傳感器補償晶振因溫度造成的頻率漂移。 在低功率的發射器內部是一個sigma-delta控制的小數N分頻合成器，借助VCO和鎖相環（PLL）可以在內部可靠的運行，盡管是不標準的ISM300—928MhZ的頻率范圍。FSK偏差是可編程的，最高可達64KHZ，允許數字數據傳輸速率可達100kbits/s。訪問，控制和數據傳輸都通過串行總線，節省的芯片的I/O接口。 數字音頻的出現和使用 現代AM/FM音頻收發器使用數字技術，并且幾乎所有的無線音頻是使用數字無線電的數字形式。從技術上講。3G/4G和5G服務以及WiFi訪問點都是無線音頻技術的一部分，只有數字數據的傳輸服務才能夠將音頻信息發送到目的地。 現代數字無線電收發器芯片具有很大的靈活性，這就允許設計和建立一個專用的協議，可以自由的用于ISM頻帶，除非超出了協議標準的能力，最好的方法是遵循標準。如果想要專有的方案，幾個通用部分可以用來創建無線音頻鏈路。 一個流音頻收發器的例子就是Nordic推出的nRF24Z1,它是一個傳輸速率達4Mbit/s的單芯片RF收發器，可用于實現CD 16位48Ksample/s采樣率的立體音頻原生流式接口。I2S音頻端口用于數字音頻接口，串行SPI接口用于控制接口。 原生接口比較簡單而且不需要更多的開銷。如果多個用戶比較接近，設計者就需要開發自己的仲裁系統和互操作技術。使用原生數據流可以設計和實現其他一些接口協議。設計者可以打造定制和專用的音頻RF鏈路，具有更獨特的競爭優勢。 然而，大多數設計需要與其他設備共同操作。例如媒體中心集中服務使用WiFi作為點對點無線音頻傳輸系統。大多數手持設備支持WiFi，所以一個完好建立的兼容鏈路可以迅速打入這個有潛力的巨大市場，風險性低。 實際上WiFi可以實現高保真度和多頻道同時傳輸，這些可能需要更高的帶寬采樣和傳輸。使用WiFi，設計師可以建立有效負載和數據包大小，可以更好地傳遞高頻帶的數據。使用標準的AM/FM和藍牙，頻道和帶寬具有更多的限制因素。這意味著消費者設備和立體聲CD應用可以使用藍牙技術，但是專業的和廣播設備就需要使用WiFi技術了。 Wi-Fi？ 很多精心設計的WiFi收發器芯片和WiFi模塊可以很好的支持和保存。除此之外，眾多RF開發套件和配件支持行業標準，并且很多專用無線電設計是現成的。 有趣的是我們注意到鏈路的音頻部分不再是模擬信號，因此音頻在前端經過AD轉換在后端進行DA轉換。這就意味著如果使用的WiFi鏈路設備不支持片上混合信號處理能力，那么外部的音頻輸入和輸出就是必不可少的。這同樣適合數據傳輸速率，低速傳輸部件如STMicroelectronics研發的SPIRIT1QTR模塊可以用于一些WiFi應用，特別是傳感器和物聯網應用，但是這不適合一些對音頻質量有要求的應用，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轉換器，I2S數字音頻端口，集成了80MHZ ARM Coretex M4 CPU，功率管理等（如圖4）。另一個優點是SD/MMC Flash存儲器接口，這樣就可以外接智能卡來存儲音頻文件。 圖4 德州儀器推出的CC3200芯片?，F代音頻數字鏈路嵌入了處理器，同時還有相關必不可少的配件，實現以數字模式進行信號捕獲，過濾和調制。片上高端的AD轉換可以實現基于軟件的濾波，外部子模塊可以使用串行鏈路接口與其實現數據通信。（來源：貿澤電子） 音頻要達到最大的保真度與數據速率有關，16Mbit/s的數據傳輸速率有足夠的空間提供高保真音頻，它超過人耳的標準。對于更復雜的數字傳輸鏈路也能夠提供足夠的提升空間，例如多揚聲器，環繞聲和專業無損的廣播音頻。甚至多個模塊間存在互相依賴性也可以通過頻道和帶寬控制和約束來實現。 房間內的藍牙設備（Bluetooth） 藍牙明顯已經成為實現低成本無線耳機、揚聲器和共享音頻方案的事實標準。我的生活中電腦，筆記本電腦，平板電腦和手機上都集成有藍牙設備，這為產品設計師和用戶都帶來了很大的方便性。 CD音質音頻對于大多數人來講已經足夠好了，只有專業的或者苛刻要求的應用才需要更好的音質。數據共享非常有用，事實也證明這相當的有效盡管是密集復雜的設計。范圍對于個人音頻設備是足夠的，能夠覆蓋個人網絡區域的一部分或者全部。功率管理系統大大增加了電池的壽命，同時將更少的RF輻射暴露給我們。