藍牙耳機設計

為了快速設計出能給最終用戶帶來愉悅體驗的藍牙耳機產(chǎn)品，就需要考慮藍牙芯片、藍牙協(xié)議棧與耳機配置軟件、軟硬件開發(fā)套件、參考設計、互操作性測試和本地技術支持等多種因素，本文對這些設計考慮因素進行了討論和分析。藍牙耳機由于使用方便，目前市場需求量很大，特別是在法律上嚴厲禁止駕車時使用手機的國家。由于藍牙耳機真正獨立于電話，因此手機用戶可享受多家不同廠商提供的諸如內(nèi)置相機與PDA功能等最新手機功能而不必每次都更換耳機。巨大的市場需求推動最終用戶市場呈多樣化。目前耳機市場巳劃分成低端、中端和高端三種，這使藍牙耳機提供商能夠選擇自己的目標市場，以便既能提供更多使自己產(chǎn)品不同于競爭產(chǎn)品的特性，也可選擇向低端、低成本以及大批量的市場進軍。便于使用、成本低廉的低端單聲道耳機目前仍非常流行，這些耳機亦可與新手機進行捆綁銷售。中檔耳機對那些具有豐富藍牙使用經(jīng)驗的老手更具吸引力，他們通常想要更多功能，比如消噪、LCD屏幕、來電震動及語音識別等。針對這種應用的耳機本身更像一部迷你電話。對品牌耳機廠商來說，聲音質(zhì)軍。便于使用、成本低廉的低端單聲道耳機目前仍非常流行，這些耳機亦可與新手機進行捆綁銷售。中檔耳機對那些具有豐富藍牙使用經(jīng)驗的老手更具吸引力，他們通常想要更多功能，比如消噪、LCD屏幕、來電震動及語音識別等。針對這種應用的耳機本身更像一部迷你電話。對品牌耳機廠商來說，聲音質(zhì)量與話音清晰度非常重要。為提高聲音質(zhì)量，中檔耳機芯片目前巳擁有片上DSP以便運行回音消除和噪平平鑿M3RF

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i'\制倍土垂瓦ii::I■°*riClearVoiceCapture)軟件等。圖1：單聲道藍牙耳機的原理框圖。隨著廠商推出專為女性設計的耳機，耳機市場進一步細分。這些耳機被設計成適合長頭發(fā)和戴太陽鏡的女性使用，它們更像首飾，可戴在脖子上或者像胸針一樣佩戴。這些產(chǎn)品可能具有需小心戴入耳中的小耳件，這些耳件能夠在每次通話后取下來，要優(yōu)于傳統(tǒng)設計。這些新型耳機產(chǎn)品正推動更多的器件級集成，同時還需要一些額外特性，例如用于通過回音消除與噪音抑制改善聲音質(zhì)量的DSP、片上電池充電電路以及開關式電源。設計挑戰(zhàn)今天的藍牙耳機設計工程師面臨著許多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)不僅包括最終產(chǎn)品的尺寸與重量，還包括功耗、聲音質(zhì)量及互操作性等其它問題，此外還面臨上市時間、總體成本及最終的“藍牙認證機構(BQB)”測試等其它壓力。甚至除了所有這些需要考慮的因素外，耳機本身不僅要功能強大，而且還必須以實用、方便使用以及優(yōu)美的外觀設計來吸引廣大用戶。因此，在設計一款藍牙耳機時，需要考慮藍牙芯片、藍牙協(xié)議棧與耳機配置軟件、軟硬件開發(fā)套件、參考設計、互操作性測試和本地技術支持等多種因素。藍牙芯片

藍牙芯片本身只是耳機里眾多元件中的一個，在考慮何種芯片最適合耳機設計時，有以下幾個因素需要仔細考慮，即成本、尺寸、特性集成與功耗。圖1是典型單聲道耳機的設計原理框圖，理想上我們可以將很多功能集成在芯片中以減少設計的材料費以及設計尺寸和重量。若將圖1中的所有模塊都包含在芯片里，成本可能會很高，因為它將需要在一個封裝中包括多個電路塊。例如，采用堆疊技術可以使模擬、數(shù)字電路和多個電壓集成在同一封裝中。雖然目前市面上巳有這種芯片，但對于大批量、低成本的設計來說它們的價格過高。一種更實用的解決方案是在一個芯片上集成RF無線電、存儲器、接口(包括語音編解碼器)、微控制器、電池充電電路、時鐘發(fā)生器、DAC及開關式電源模塊(SMPSU)，這樣就只留下不平衡變壓器、濾波器、揚聲器、麥克風、電池、用戶按鍵與LED在芯片外部。圖2：藍牙耳機軟件架構。此外，我們還應考慮封裝類型。封裝應盡可能小并采用無鉛以滿足全球環(huán)保要求，還需易于生產(chǎn)使制造成本保持最低。比如，外形尺寸為8X8mm、管腳間距為1.0mm的TFBGA等封裝，就能在可制造性與尺寸之間取得較好平衡。另外，電池是影響耳機整體尺寸的主要因素，設計用于耳機的典型鋰離子電池的尺寸約為5X12X45mm，遠大于8X8mm的芯片封裝。圖2：藍牙耳機軟件架構。藍牙軟件藍牙的底層硬件與固件基本上由藍牙規(guī)范確定，并且在手機、計算機鍵盤和鼠標等目標終端應用中它們都非常相似，不同供應商之間的主要差別在于其互操作性測試的水平和范圍。雖然前面描述了諸如電池充電電路和SMPSU等針對耳機的一些器件級特性，但是許多耳機專用特性都是用軟件來編寫及定義的。耳機芯片通常有兩種：一種是基于閃存的芯片，它適用于小批量生產(chǎn)或者試產(chǎn)，其耳機軟件存儲在閃存中；另一種芯片則基于ROM，耳機軟件存儲在片上ROM里，而用戶可配置關鍵碼則存儲在片外的EEPROM中。因此，在基于ROM的芯片中，耳機特性是在上電時從EEPROM加載到藍牙器件中，而基于閃存的芯片則擁有能對軟件進行升級以適應新手機的優(yōu)勢。但如今，由于有了廣泛的互操作性測試，巳不再需要在大批量生產(chǎn)中局限于采用基于閃存的芯片。目前大多數(shù)針對大批量應用的設計都巳轉向基于ROM以降低成本，并通過允許使用EEPROM存儲代碼來減少風險。藍牙協(xié)議棧及耳機配置文件存儲在只讀存儲器(ROM)中，包含在耳機軟件中。稱為“永久存儲關鍵碼(PSKey)”的模塊專用的芯片參考參數(shù)用來設置信息，PSKey則存儲在外部的小型可重寫存儲器(EEPROM)中。圖2顯示了運行在耳機專用藍牙ROM芯片上的耳機專用軟件系統(tǒng)架構。除無線電校準外，藍牙標準要求每個器件都分配有一個稱為藍牙地址的唯一識別碼，該地址是用模塊專用PSKey來設置的。

模塊專用PSKey用于配置每個模塊的專用參數(shù)，這些參數(shù)主要針對模塊的無線電性能。藍牙公司將提供推薦的測試計劃以及測試軟件，并對藍牙耳機生產(chǎn)測試系統(tǒng)的建立提供支持。人機界面（HMI）配置關鍵碼在開發(fā)過程中（當定義耳機用戶界面時）設置一次，并隨后被編程到每一個耳機中。軟硬件開發(fā)系統(tǒng)隨著當今市場上的芯片變得越來越復雜，芯片制造商將提供高質(zhì)量的開發(fā)系統(tǒng)來盡量減少新產(chǎn)品的上市時間。典型的硬件開發(fā)系統(tǒng)將包括一塊帶有預加載到藍牙器件里的耳機軟件、經(jīng)過很好設計的全功能應用設計開發(fā)板，還應包括更改PSKey值所需的合適軟件、應用指南、數(shù)據(jù)資料及用戶設置指南。對于大多數(shù)藍牙耳機設計來說，最好能有一個現(xiàn)成的耳機解決方案，并允許在PSKey中有足夠的用戶配置以滿足最終用戶要求。這種方法非常適用于快速推出一種經(jīng)過充分互操作性測試且風險相對較小的耳機產(chǎn)品。但是為了更改深度嵌入的功能，必須使用軟件開發(fā)套件（SDK），如CSRBlueLabSDK，這些SDK可使耳機定制化達到最高水平。僉考眼計圖3：整體藍牙耳機解決方案組成框圖。參考設計藍牙天線與射頻設計仍是整個藍牙耳機設計中最復雜的部分，且需經(jīng)過批準方能進行。一個好的參考設計價值非常高，因為它定義了可用來確保任何板上器件都不會引起干擾或EMI問題的實際PCB布局布線。藍牙器件廠商應能提供進行參考設計及其制作所需的一切，包括材料價格全部巳知的BOM、設計原理圖以及PCB布局布線的菲林文件，以保證最終設計一次就能獲得成功。僉考眼計圖3：整體藍牙耳機解決方案組成框圖?；ゲ僮餍曰ゲ僮餍允窃O計任何一種藍牙產(chǎn)品時的首要考慮因素。CSR公司位于劍橋的實驗室專門進行互操作性測試，以確保基于CSR公司藍牙芯片的設計能夠與所有現(xiàn)有的及新型藍牙產(chǎn)品實現(xiàn)互操作。廣泛的測試使CSR產(chǎn)品與眾不同，并有助于生產(chǎn)可靠以及容易使用的藍牙耳機產(chǎn)品。廣泛的互操作性測試還能確保獲得非常愉悅并立竿見影的最終用戶體驗，這種一流的最終用戶體驗能減少需占用資源的最終用戶