無線音頻百年資料下載

作者：Jon Gabay 貿(mào)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(fā)明以后取代了傳統(tǒng)電報方式（1837年，英國庫克和惠斯通設(shè)計制造了第一個有線電報，且不斷加以改進(jìn)，發(fā)報速度不斷提高。這種電報很快在鐵路通信中獲得了應(yīng)用。他們的電報系統(tǒng)的特點(diǎn)是電文直接指向字母。）。經(jīng)過三十年的發(fā)展，它來給船只和飛機(jī)通信帶來了很多好處，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)的信號波傳輸，同時還可以實(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影響所有的聲音頻帶。首先調(diào)制功能會將信號波劃分為不同的頻帶，這樣就可以同時進(jìn)行多個信號波傳輸。早期的信號鏈路使用音頻晶振調(diào)制出不同音調(diào)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(diǎn)播，夾雜著噪聲 隨著技術(shù)被工業(yè)和軍事推動和提升，聲音質(zhì)量系統(tǒng)促進(jìn)了另一個應(yīng)用增長。雙向收發(fā)器允許實(shí)時語音通信即最早出現(xiàn)的半雙工模式。這樣可更加有效的協(xié)調(diào)軍隊，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)不斷采用無線技術(shù)，例如采用信號調(diào)幅（AM）技術(shù)可以提升聲音高保真度，可以實(shí)現(xiàn)單聲道音樂高質(zhì)量傳輸。價格低廉的無線接收的設(shè)計和生產(chǎn)促進(jìn)了整個行業(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等。 圖2 調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了首個無線音頻廣播系統(tǒng)，盡管現(xiàn)在我們已經(jīng)非常熟悉。 人們第一次可以實(shí)時接收新聞和音頻 隨著頻率調(diào)制（FM）技術(shù)開始主導(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。隨著早期宇航員開始太空探索，中繼站開始出現(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信號調(diào)制技術(shù)，用于科學(xué)研究，天氣預(yù)報以及全球系統(tǒng)（如地震儀）。無線電工程師提升和重定義了長距離傳輸應(yīng)用的無線設(shè)計，我們可以實(shí)現(xiàn)長距離的聲音音頻傳輸，收據(jù)收集和控制等功能，甚至可以就愛那個無線電信號發(fā)送到太空。 數(shù)字無線電成突破口 數(shù)字無線電最早出現(xiàn)在數(shù)字調(diào)制器。AM調(diào)制只是簡單的控制晶振開關(guān)。FM調(diào)制會引起數(shù)字時許電路輸出某一頻率信號用于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。計數(shù)器，移位寄存器，邏輯門和觸發(fā)器則成為無線連接的基本模塊。這里最應(yīng)該提一下精確的晶體振蕩器，以及可靠的數(shù)字分頻和同步時鐘和載波頻率，數(shù)字無線電不需要調(diào)音，因此不會出現(xiàn)模擬電路所面臨的頻率漂移問題。 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，擴(kuò)頻和調(diào)頻技術(shù)推出并用于民用，大大推動了現(xiàn)代無線電技術(shù)的發(fā)展。 設(shè)計現(xiàn)代無線音頻系統(tǒng) 在每個國家RF產(chǎn)品一般都被國家部門高度監(jiān)管和控制。因此很多應(yīng)用需要決定什么類型的無線電，協(xié)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(shí)現(xiàn)方案成本是最低的，今天的很多應(yīng)用都在使用。 例如一個無線揚(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)送器和接收器來實(shí)現(xiàn)。發(fā)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(shí)現(xiàn)，創(chuàng)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(shè)計，如孩子的對講機(jī)。CB無線電一個很好的設(shè)計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無線電廣播和電視廣播依然是可以采用的，只是真?zhèn)€市場已經(jīng)非常小了。如今萬維網(wǎng)，云存儲和調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)的廣泛使用應(yīng)景取代了對單一無線電的需求?，F(xiàn)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(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，例如無線電控制，無線麥克風(fēng)，嬰兒監(jiān)控和保姆監(jiān)控等。在這些應(yīng)用中，當(dāng)數(shù)十個發(fā)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(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無線接收器為例。它封裝了一個電壓控制的晶振（VCO）,PLL(鎖相環(huán))，同步器，RF調(diào)諧器，基帶音頻處理器，AGC（增益）和一個還差不多的97-dB音頻DAC轉(zhuǎn)換器。使用簡單的I2C和SPI串行協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制和訪問。集成了一個基于DSP的數(shù)字無線電模塊，AM和FM單芯片無線電接收器支持標(biāo)準(zhǔn)的AM（520-1719KHZ）和FM（76-108MHZ）音頻無線電解碼，同時提供并發(fā)的I2S數(shù)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(nèi)部框架。 現(xiàn)代的AM/FM無線電系統(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)勢是支持本地的數(shù)字服務(wù)，如無線電數(shù)據(jù)服務(wù)（RDS）實(shí)時通信和警報，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(shù)，F(xiàn)M技術(shù)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(fā)支持，包括建議的BOM表，原理圖和PCB設(shè)計，PCB設(shè)計材料主要針對不是很復(fù)雜的六層測試用板子，很好的對模擬信號和數(shù)字信號進(jìn)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(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，因此采用簡單低成本的音頻技術(shù)也是方案選型之一。 AM技術(shù)一個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，控制和數(shù)據(jù)傳輸都通過串行總線，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線音頻是使用數(shù)字無線電的數(shù)字形式。從技術(shù)上講。3G/4G和5G服務(wù)以及WiFi訪問點(diǎn)都是無線音頻技術(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)字無線電收發(fā)器芯片具有很大的靈活性，這就允許設(shè)計和建立一個專用的協(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，幾個通用部分可以用來創(chuàng)建無線音頻鏈路。 一個流音頻收發(fā)器的例子就是Nordic推出的nRF24Z1,它是一個傳輸速率達(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。 原生接口比較簡單而且不需要更多的開銷。如果多個用戶比較接近，設(shè)計者就需要開發(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)計和實(shí)現(xiàn)其他一些接口協(xié)議。設(shè)計者可以打造定制和專用的音頻RF鏈路，具有更獨(dú)特的競爭優(yōu)勢。 然而，大多數(shù)設(shè)計需要與其他設(shè)備共同操作。例如媒體中心集中服務(wù)使用WiFi作為點(diǎn)對點(diǎn)無線音頻傳輸系統(tǒng)。大多數(shù)手持設(shè)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(fēng)險性低。 實(shí)際上WiFi可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計師可以建立有效負(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開發(fā)套件和配件支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且很多專用無線電設(shè)計是現(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，因此音頻在前端經(jīng)過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）。另一個優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)代音頻數(shù)字鏈路嵌入了處理器，同時還有相關(guān)必不可少的配件，實(shí)現(xiàn)以數(shù)字模式進(jìn)行信號捕獲，過濾和調(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，它超過人耳的標(biāo)準(zhǔn)。對于更復(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(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)計師和用戶都帶來了很大的方便性。 CD音質(zhì)音頻對于大多數(shù)人來講已經(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。范圍對于個人音頻設(shè)備是足夠的，能夠覆蓋個人網(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，同時將更少的RF輻射暴露給我們。