【深度原创好文】一篇文章看懂百年来的无线音频发展

作者：Jon Gabay   贸泽电子

历史上最早的无线连接方式是采用高压放电（电火花）作为通信方法。1844年，摩尔斯码发明以后取代了传统电报方式（1837年，英国库克和惠斯通设计制造了第一个有线电报，且不断加以改进，发报速度不断提高。这种电报很快在铁路通信中获得了应用。他们的电报系统的特点是电文直接指向字母。）。经过三十年的发展，它来给船只和飞机通信带来了很多好处，例如它能够为船只和飞机提供与基站的实时通信，哪怕是数英里以外。

当真空管出现后，电子控制实现了持续的信号波传输，同时还可以实现调制功能。这样就能够实现声音的正常传输，而不是嘈杂的噪声波它会影响所有的声音频带。首先调制功能会将信号波划分为不同的频带，这样就可以同时进行多个信号波传输。早期的信号链路使用音频晶振调制出不同音调来表示摩尔斯码。

 
图1 最早的无线电使用电火花在所有频带传输点播，夹杂着噪声

随着技术被工业和军事推动和提升，声音质量系统促进了另一个应用增长。双向收发器允许实时语音通信即最早出现的半双工模式。这样可更加有效的协调军队，船只和飞机，大大提升了凝聚力和战斗力。

随着新的行业不断采用无线技术，例如采用信号调幅（AM）技术可以提升声音高保真度，可以实现单声道音乐高质量传输。价格低廉的无线接收的设计和生产促进了整个行业的发展，提供低成本的通信网络，为广大群众提供新闻和娱乐等。

 
图2 调制技术实现了首个无线音频广播系统，尽管现在我们已经非常熟悉。

人们第一次可以实时接收新闻和音频

随着频率调制（FM）技术开始主导单向通信（如广播基站）和双向通信（如军事和执法部门应用），收发器的设计也得到了提升。相比AM技术，FM技术更能够屏蔽噪声，并且能够提供更高的带宽，不仅能够实现更高的保真度而且允许立体声的发送和接收。随着早期宇航员开始太空探索，中继站开始出现，宇航员可以在轨道甚至在月球上都可以向地球发送声音。

很多数据收集仪器同样也利用了早期的AM和FM信号调制技术，用于科学研究，天气预报以及全球系统（如地震仪）。无线电工程师提升和重定义了长距离传输应用的无线设计，我们可以实现长距离的声音音频传输，收据收集和控制等功能，甚至可以就爱那个无线电信号发送到太空。

数字无线电成突破口

数字无线电最早出现在数字调制器。AM调制只是简单的控制晶振开关。FM调制会引起数字时许电路输出某一频率信号用于FSK（频移键控）调制，实现数字数据的传输。在数字模式中逻辑元素迅速替代了电压—频率转换器。计数器，移位寄存器，逻辑门和触发器则成为无线连接的基本模块。这里最应该提一下精确的晶体振荡器，以及可靠的数字分频和同步时钟和载波频率，数字无线电不需要调音，因此不会出现模拟电路所面临的频率漂移问题。

数字模式支持新的调制技术出现，我们可以看到相移，正交移和正交移键控技术的广泛使用，当然还有很多。同样又是军事和安全应用方面的推动，扩频和调频技术推出并用于民用，大大推动了现代无线电技术的发展。

设计现代无线音频系统

在每个国家RF产品一般都被国家部门高度监管和控制。因此很多应用需要决定什么类型的无线电，协议，功率等级以及频带可以采用。成本是一个约束，因此窄频带的AM/FM的实现方案成本是最低的，今天的很多应用都在使用。

例如一个无线扬声器可以轻松的使用调谐或可调谐的FM立体声发送器和接收器来实现。发射和接收无线电波都可以使用几个晶体管和分立器件来实现，创建一个小型低成本的RF链接。这个思路同样适用很多玩具型的设计，如孩子的对讲机。CB无线电一个很好的设计就是将频率划分为不同的频带，这样就可以在给定的区域内允许多条并发的音频传输链路，实现互不干扰。

AM和FM无线电广播和电视广播依然是可以采用的，只是真个市场已经非常小了。如今万维网，云存储和调频扩频技术的广泛使用应景取代了对单一无线电的需求。现在很多人获取音乐和无线音频一般都通过移动电话，Wi-Fi和蓝牙设备等。其他的RF标准和协议也可以采用，但是大部分的市场份额被蓝牙和Wi-Fi技术所占据。

然而很多低成本应用采用AM和FM技术完全是非常有用的，例如无线电控制，无线麦克风，婴儿监控和保姆监控等。在这些应用中，当数十个发射器和接收器同时工作时不会有频带的冲突，早期简单的技术是实现较低成本应用比较好的解决方案。

以Silicon Labs Si4689-A10-GM单芯片RF无线接收器为例。它封装了一个电压控制的晶振（VCO）,PLL(锁相环)，同步器，RF调谐器，基带音频处理器，AGC（增益）和一个还差不多的97-dB音频DAC转换器。使用简单的I2C和SPI串行协议实现控制和访问。集成了一个基于DSP的数字无线电模块，AM和FM单芯片无线电接收器支持标准的AM（520-1719KHZ）和FM（76-108MHZ）音频无线电解码，同时提供并发的I2S数字音频输出。集成的无线音频模块和组件如下图3。

                                     图3 Silicon Labs Si46889芯片内部框架。

现代的AM/FM无线电系统也采用数字逻辑模块。硅已经替代了铜，因此笨重且昂贵的线圈就不再需要了。

数字化基础的优势是支持本地的数字服务，如无线电数据服务（RDS）实时通信和警报，同样支持欧洲标准的数字音频广播（DAB和DAB+）VHF（168-240MHZ）音频链接，尽管保真度不是很高（~15khz）。对于多路径衰减和噪声问题，DAB更加的健壮。但是还不能取代FM技术，FM技术使用更加广泛，能够提供更好的信号保真度。

Silicon Labs同时提供了Si468X-WLCSP-EVB芯片的开发支持，包括建议的BOM表，原理图和PCB设计，PCB设计材料主要针对不是很复杂的六层测试用板子，很好的对模拟信号和数字信号进行了隔离。

我们注意到这个小型的7x7mm封装的芯片可以用于远程控制接收器，实现音频调制，是低成本单向数据链路。例如助推火箭为控制链路与tirade复杂的RF链路和协议共存，并作为一个安全备份或故障安全备份。

出于同样的原因，使用AM/FM技术创建小型可靠的音频或数据传感器发射链路，专用的单向发射器是非常有效的，因此采用简单低成本的音频技术也是方案选型之一。

AM技术一个有意思的组件是新推出AS2977B-BQFM多路FSK发射器。工作频率范围300—928MHZ，工作电压2—3.6V，封装尺寸4x4mm，温度范围-50—85摄氏度。该芯片集成片上LDO，降低了外部组件数量，节省了功率消耗。输出的功率是可编程的，片上的温度传感器补偿晶振因温度造成的频率漂移。

在低功率的发射器内部是一个sigma-delta控制的小数N分频合成器，借助VCO和锁相环（PLL）可以在内部可靠的运行，尽管是不标准的ISM300—928MhZ的频率范围。FSK偏差是可编程的，最高可达64KHZ，允许数字数据传输速率可达100kbits/s。访问，控制和数据传输都通过串行总线，节省的芯片的I/O接口。

数字音频的出现和使用

现代AM/FM音频收发器使用数字技术，并且几乎所有的无线音频是使用数字无线电的数字形式。从技术上讲。3G/4G和5G服务以及WiFi访问点都是无线音频技术的一部分，只有数字数据的传输服务才能够将音频信息发送到目的地。

现代数字无线电收发器芯片具有很大的灵活性，这就允许设计和建立一个专用的协议，可以自由的用于ISM频带，除非超出了协议标准的能力，最好的方法是遵循标准。如果想要专有的方案，几个通用部分可以用来创建无线音频链路。

一个流音频收发器的例子就是Nordic推出的nRF24Z1,它是一个传输速率达4Mbit/s的单芯片RF收发器，可用于实现CD 16位48Ksample/s采样率的立体音频原生流式接口。I2S音频端口用于数字音频接口，串行SPI接口用于控制接口。

原生接口比较简单而且不需要更多的开销。如果多个用户比较接近，设计者就需要开发自己的仲裁系统和互操作技术。使用原生数据流可以设计和实现其他一些接口协议。设计者可以打造定制和专用的音频RF链路，具有更独特的竞争优势。

然而，大多数设计需要与其他设备共同操作。例如媒体中心集中服务使用WiFi作为点对点无线音频传输系统。大多数手持设备支持WiFi，所以一个完好建立的兼容链路可以迅速打入这个有潜力的巨大市场，风险性低。

实际上WiFi可以实现高保真度和多频道同时传输，这些可能需要更高的带宽采样和传输。使用WiFi，设计师可以建立有效负载和数据包大小，可以更好地传递高频带的数据。使用标准的AM/FM和蓝牙，频道和带宽具有更多的限制因素。这意味着消费者设备和立体声CD应用可以使用蓝牙技术，但是专业的和广播设备就需要使用WiFi技术了。

Wi-Fi？

很多精心设计的WiFi收发器芯片和WiFi模块可以很好的支持和保存。除此之外，众多RF开发套件和配件支持行业标准，并且很多专用无线电设计是现成的。

有趣的是我们注意到链路的音频部分不再是模拟信号，因此音频在前端经过AD转换在后端进行DA转换。这就意味着如果使用的WiFi链路设备不支持片上混合信号处理能力，那么外部的音频输入和输出就是必不可少的。这同样适合数据传输速率，低速传输部件如STMicroelectronics研发的SPIRIT1QTR模块可以用于一些WiFi应用，特别是传感器和物联网应用，但是这不适合一些对音频质量有要求的应用，特别是受限于500kbit/s的传输速率。

德州仪器推出的CC3200R1M2RGC芯片可能更适合，它带有四通道12位AD转换器，I2S数字音频端口，集成了80MHZ ARM Coretex M4 CPU，功率管理等（如图4）。另一个优点是SD/MMC Flash存储器接口，这样就可以外接智能卡来存储音频文件。

图4 德州仪器推出的CC3200芯片。现代音频数字链路嵌入了处理器，同时还有相关必不可少的配件，实现以数字模式进行信号捕获，过滤和调制。片上高端的AD转换可以实现基于软件的滤波，外部子模块可以使用串行链路接口与其实现数据通信。（来源：贸泽电子）

音频要达到最大的保真度与数据速率有关，16Mbit/s的数据传输速率有足够的空间提供高保真音频，它超过人耳的标准。对于更复杂的数字传输链路也能够提供足够的提升空间，例如多扬声器，环绕声和专业无损的广播音频。甚至多个模块间存在互相依赖性也可以通过频道和带宽控制和约束来实现。

房间内的蓝牙设备（Bluetooth）

蓝牙明显已经成为实现低成本无线耳机、扬声器和共享音频方案的事实标准。我的生活中电脑，笔记本电脑，平板电脑和手机上都集成有蓝牙设备，这为产品设计师和用户都带来了很大的方便性。

CD音质音频对于大多数人来讲已经足够好了，只有专业的或者苛刻要求的应用才需要更好的音质。数据共享非常有用，事实也证明这相当的有效尽管是密集复杂的设计。范围对于个人音频设备是足够的，能够覆盖个人网络区域的一部分或者全部。功率管理系统大大增加了电池的寿命，同时将更少的RF辐射暴露给我们。

与WiFi相似的是很多蓝牙芯片和模块都提供了大量参考资料和参考设计，甚至还有IP协议的软件栈。

可靠的提供商如Toshiba提供最新的兼容蓝牙4.0的单芯片收发器，例如TC35661SBG-007(EL),它不仅支持传统流式音频蓝牙设备还具有低功耗模式。

一些好的蓝牙芯片和模块例如Microchip推出的RN52-I/RM蓝牙音频模块可以让你的设计更加容易实现。这个音频模块完全兼容蓝牙3.0版本的流式音频格式（如图5），这意味着它可以工作在4.x格式环境中，同时完全支持传统的流式音频模式。

图5 Microchip推出的RN52-I/RM蓝牙音频模块。模块化解决方案的出现让无线音频应用更加容易实现，这些模块有立体声音频编解码器，扬声器/耳机输出接口，数字和模拟I/O端口，串行通信接口，甚至还有板上天线（来源：贸泽电子）

Microship模块是一个邮票大小，完全向后兼容和认证的双通道无线流式音频设备，它使用S/PDIF和I2S数字接口。一个UART串行接口可以轻松实现驱动安装和控制。同时还集成了一个放大器。

跳跃式发展点

考虑数据的形式，无线音频信息的传输通过网络交换机，路由器和协议转换器。有线的或无线的标准必须提取数据并重新发送，这就需要通过另一个有线的或者无线的标准。像前面提到的，WiFi可以对接蓝牙设备，因此就出现了很多将这两种协议和标准合并为单一模块或者单一芯片的产品出现。

例如将Silex Technology公司开发的SX-SDPAN-2830BT-SP WiFi模块与蓝牙收发器集成为一个模块。数据传输速率可达150Mbits/s，工作电压3.3v，双收发器工作在2.4GHZ WiFi B/G频带和蓝牙频带，同时也可以工作在5GHZ WiFi N频带，这是一个双频带单模块的解决方案。

这个收发器的特点是低功耗模式下自适应无线偏置以及应加速安全防护。除此之外，服务标准质量和计划已经集成近帮助选项中，保证及时提供给用户相关信息。

注意实际上，部分模块例如Silex Technology的SX-SDPAN-2803BT-SP收发器实际上是芯片形式的模块。从很多方面考虑都是可以的，至少机构认证和兼容性是可靠的，生产预认证也可以同时进行。不包含很多复杂的最新的规范标准也是一个大的优势，模块生厂商主要负责这些规范标准。最后提供的设计和应用支持资料可以让你快速开展项目设计。

二合一设计

设计工程师通常都会有推出上市产品时间周期的压力，因此模块化的解决方案通常被采用。不仅可以实现快速的原型开发和测试，同时也将需要不同专业知识的模块进行封装，而不是让工程师面临生产模式中各种复杂的标准。

注意因为每个模块都是独立的产品，采用模块化的方案花费可能会高一些。但是可以用于原型产品测试，当然用于正式产品也不是不可行的，当然工程是团队可以不断进行产品优化集成，降低花费成本。

如果产品的量足够大，独立设计自己的产品节省的花费也是相当可观的，这个也可以考虑进去。但是一个设计想要应用于产品，需要进行国际认证，这可能需要一些时间。当然如果设计模块改变，过时或者不可用，就需要重新进行认证。最后无论哪种情况，都需要提供参考设计，程序实例甚至要PCB设计。