配备蓝牙 1.2 的耳机用于接收来自 MP3 播放器的音频流，即将上市，好评如潮。设计被批评为笨重(由于大电池)，产生“微小而浅”的声音，并在几个小时内咀嚼电池。

　　毫不奇怪，蓝牙 1.2 (BT 1.2) 难以再现高质量的声音，并且在无线耳机应用中电池电量很大它从来不是为流式传输音频内容而设计的。它专为“微微网”或无线个人局域网(WPAN)中的一个主站和最多七个从站之间的文件传输而设计，它处理得非常好。

　　BT 1.2缺乏带宽是它在流媒体音频应用程序中的垮台。虽然标称 1 Mbit/s 的数据传输速率对于将语音呼叫从移动电话无线连接到耳机是可以接受的，但对于承载 CD 质量的音频来说是不够的。

　　此外，蓝牙相对复杂的数据包结构是确保兼容性的先决条件，这使得繁重的处理和同步需求消耗了电池供电设备的微薄功率预算。

　　最新的蓝牙2.0加增强数据速率(BT 2.0 + EDR)，拥有标称3 Mbit / s的数据传输速率，有望解决带宽限制。然而，在将这项技术专门用于音频时仍然存在挑战。

　　幸运的是，蓝牙并不是唯一经过验证的无线技术。对于利基应用，例如将CD质量的音频从MP3播放器中继到耳机，专业设计可用于商业。

　　一个例子是由Nordic Semiconductor开发专门为音频流设计的RF芯片组。它被称为nRF24Z1，额定速度为4 Mbit/s，但功耗仅为同类BT 1.2芯片组的一半。这些属性使其成为大多数无线音频应用中蓝牙的引人注目的替代品。

　　该产品无需批准即可满足BT的IEEE802.15.4标准(尽管它必须符合相关的当地规则，例如FCC和欧洲的ETSI法规)。

　　但是，收发器确实在全球2.4GHz ISM频段上运行，并且确实具有自己的自适应跳频形式，以防止与该拥挤频段上的其他设备发生冲突。

　　丢失电线

　　典型的有线MP3播放器原理图如图1所示。音频源通常通过 I2S 或 S/PDIF 格式的 MP3 解码器输出数字音频。

　　微控制器监控音频源并控制播放特性，例如由组合DAC/放大器提供的音量控制或低音增强。

　　MP3播放器和耳机之间的有线连接可以通过在音频源和DAC/放大器之间添加RF链路来分配，如图2所示。

　　与有线系统在MCU和DAC/放大器之间的固定连接不同，无线系统需要在音频通道旁边增加一个控制数据通道(否则音量控制仅限于耳机，其他控制按钮保留在播放器上)。MP3播放器和耳机都需要电池。

　　有两种方法可以将流式音频内容从便携式音乐播放器无线中继到耳机。

　　一种方法是简单地通过链路中继压缩的MP3数据。这 事实上 MP3的“高质量”压缩标准是192 kbit/s，完全在BT 1.2带宽的能力范围内。即使是“无损”的专有标准，如苹果自己的标准，也只需要 320 kbit/s;蓝牙再次没有问题。

　　但是，这种技术也有缺点。首先，耳机需要必要的电子设备(DSP、DAC/放大器和电池)来解压缩 MP3 流，这会增加耳机的重量、体积、复杂性和成本。

　　其次，再现的声音质量将是耳机的功能，无论播放器碰巧有多好。最后，MP3播放器不能与传统的有线耳机一起使用。

　　第二种技术是解压缩播放器中的MP3数据，并将未压缩的音频信息流式传输到耳机中的接收器。这模仿了传统有线MP3播放器/耳机组合中的过程，可能是最实用的配置，降低了耳机的复杂性，重量和功耗。

　　然而，这确实需要具有更大带宽的RF链路。CD 数字音频以 44.1 kHz 的频率对原始模拟音乐信号进行采样，每个通道的分辨率为 16 位。此采样速率和分辨率生成 1.41 Mbit/s 的数据流。

　　BT 1.2具有1 Mbit/s的标称数据速率，实际运行速度约为720 kbit/s(仅保持同步就需要大约260 kbit/s)。720 kbit/s 的带宽假设无线电链路良好，没有冲突，也不需要重新传输“丢失”的数据包。BT 1.2很少以这种“最佳”速率运行。

　　虽然BT 1.2的带宽足以为语音提供可接受的音频流，但对于CD质量的音频再现来说肯定是不可接受的，因此流媒体音乐缺乏动态范围和“温暖”。

　　相比之下，Nordic的收发器拥有4 Mbit/s的标称带宽。该芯片旨在提供足够的开销，以 48 kHz 传输 16 位立体声、1.54 Mbit/s 的总数据速率以及足够的带宽以实现 CD 质量。

　　无线电的标称传输速率为 4 Mbit/s。此带宽为重新传输丢失的数据包、确认收到的数据包、用户中断(例如，按下按钮)、设备寻址和时分复用提供了充足的开销。

　　但是，2004年11月正式推出并具有增强数据速率(EDR)功能的BT 2.0呢?这主要是为了阻止蓝牙的利基市场受到更快的Wi-Fi技术的挤压。

　　BT 2.0+EDR承诺将RF链路的带宽提高三倍，达到标称3 Mbit/s。BT 2.0+EDR的分组结构更为复杂，以处理发送提升带宽所需的同步报文所需的双调制方案。

　　有一些缺点。

　　首先，链路的两端需要与2.0版本兼容，以实现增强的带宽。目前不太可能，因为由于最近批准了该标准，目前可用的商用BT 2.0 + EDR芯片供应有限。虽然版本 2.0 向后兼容早期版本的蓝牙，但数据传输速率由链中最薄弱的环节决定，因此可能默认为 720 kbit/s。

　　虽然BT 2.0 + EDR供应商表示新版本更经济，但这种说法是基于更高的数据速率，降低了无线电的占空比。这对于将 1 Mbit 图像文件从一部手机传输到另一部手机等应用来说很好，因为无线电现在只需要传输大约 20 秒，而不是 BT 1.2 的一分钟以上，但是当手头的工作涉及传输连续的音频流时，这有点无关紧要。

　　最后是合规性测试。根据特殊兴趣小组 (SIG) 认可的蓝牙资格测试设施 RFI Global 的数据，与标准版本 1.2 测试相比，增强型蓝牙设备的测试要求在时间和成本方面几乎翻了一番。 延长电池寿命

　　除了高质量的音频外，电池寿命对于便携式 MP3 播放器用户来说也至关重要。他们希望能够在旅途中长时间听音乐，而不必担心电池中是否有足够的电量。

　　在这种情况下，BT 1.2在WPAN应用程序中的优势即时兼容性成为点对点应用程序(例如无线耳机到MP3播放器)的负担。BT必须保持同步以避免重新链接延迟，并通过每675微秒发送一个160位数据包(1600个数据包/秒，或256 kbit/s的净数据速率)来维护链路，无论它是否在使用中。

　　因此，即使在“空闲”模式下，BT芯片也能继续以8 mA运行，以保持同步。BT芯片可以进入“睡眠”模式以节省电量，但重新建立链路可能需要长达3秒钟的时间。

　　nRF24Z1使用不同的技术。当音频流以 44.1 kHz 的频率传输时，收发器保持给定载波频率 2.9 毫秒。在此时间间隔内，音频和控制信息将发送到 ARX，任何丢失的音频内容将被重新传输，并从 ARX 接收确认和控制信息。然后，系统跳到不同的频率并重复该过程。

　　当没有要流式传输的内容时，芯片可以进入各种睡眠模式。在“深度睡眠”模式下，无线电除了小电流外关闭以保留内存内容(5 μA)。在“较轻”的睡眠模式下，收音机会定期唤醒以寻找对应物。当系统处于休眠模式时，还必须考虑系统中任何转换器和微控制器的功耗。当 ATX 和 ARX 打开时，设备可以通过芯片内部的频率扫描算法相互定位(通常在 10 毫秒内)。从睡眠状态唤醒时，唤醒时间可以设置为几分之一秒以上，空闲功耗更低，响应时间更长。根据所选的睡眠模式， 用户可能会体验到几乎即时的音乐，无论是将收发器从睡眠状态唤醒还是打开收发器。

　　让我们仔细看看BT 1.2和音频流应用中专有芯片的功耗。为了简化计算，让我们假设电池放电率适中，容量随时间线性减少。实际上，电池寿命可能会更短，因为自放电和其他影响会造成损失。

　　此外，该计算没有考虑诸如机械振动耳机膜所需的功率等因素，以及一旦电压降至设定水平以下但在耗尽之前切断电池电源的线性调节。尽管如此，不考虑这些影响的相对比较仍然生动地说明了上述问题的影响。

　　发送或接收BT 1.2音频芯片的电流消耗约为60 mA。(注意：这是一个平均数字，有些芯片组更好，可以达到50 mA左右。这种变化是因为功耗主要是硅无线电设计的函数。因此，在2 V电压下工作时，该器件的功耗为120 mW。

　　假设电源是锂离子电池，通过效率为90%的DC-DC转换器在3.7 V下工作，则电池的功耗为133 mW。

　　安装在耳机上的DAC/放大器在工作时消耗约4 mA电流。假设DAC/放大器直接从3.7 V转换器输出供电，则功耗为14.8 mW。

　　典型的 3.7V 锂离子电池容量为 900 mAh，供电 3330 mWh。播放期间的总功耗为147.8 mW，用户可以预期3330 mWh/147.8 mW = 22.5小时的电池寿命。

　　nRF24Z1 的平均 ARX 电流为 22.9 mA(见图 3)，而平均 ATX 电流为 17.8 mA(图 4)。

　　巧妙的硅设计确保了专有解决方案是“超”低功耗器件。请注意，这些数字适用于发送和接收 44.1 kHz 采样的 16 位音频流，无需压缩，具有良好的无线电链路。

　　底线当前值：

　　点 1-6(图 3)和 1-7(图 4)表示整个区间的平均值。

　　间隔 4-5(图 3)和 5-6(图 4)的长度取决于无线电链路质量。由于需要的重新传输次数，这些显然会在不良链路条件下扩展。

　　Nordic 解决方案在 2 V(与蓝牙设备相同)下运行，从 DC-DC 转换器消耗 45.8 mW 的功率，需要 50.9 mW 的电池功耗。增加DAC/放大器功耗可产生65.7 mW。使用 3.7 V 锂离子电池，用户现在可以获得 3330 mWh/65.7 mW = 50.7 小时的电池寿命，是蓝牙芯片 22.5 小时的两倍多。

　　表1总结了结果，为了进行比较，还包括使用两个串联的1.5 VAAA电池的电源的数字，容量为900 mAh，提供2 x 1.5 V x 900 mAh = 2700 mWh，并且没有DC-DC转换。

　　避免干扰

　　蓝牙从一开始就被设计为一种普遍适用的标准射频链路。这使得它非常适合将手机和PDA等产品连接到无线个人局域网(WPAN)中的笔记本电脑。每周超过1000万颗芯片的知名销量令人印象深刻。

　　相比之下，Nordic nRF24Z1收发器是专用标准产品(ASSP)。该设备专门设计用于通过无线链路传输未压缩的CD质量音频。

　　例如，它采用嵌入式MCU运行软件来确保音频流以正确的顺序传输，并重新传输丢失的音频数据。它不是设计为作为WPAN的一部分，而是作为专用的点对点链接。

　　与蓝牙一样，该设备在不同的窄带信道之间跳跃。虽然蓝牙使用 79 个通道，但 nRF24Z1 具有包含 38 个条目的可配置信道跳频表，并使用自适应跳频来标记发现干扰的信道条目。38 个通道中最多 18 个可能被标记为坏。所有这些屏蔽(例如本地Wi-Fi频段)都是在芯片上完成的，无需主机MCU或用户的任何交互。

　　自适应跳频在 110 毫秒内扫描整个 2.4 GHz 频段以查找良好信道(使用每个信道 2.9 毫秒，然后移动到下一个信道)。专有设备中的跳频设计符合 FCC 和其他法规。

　　虽然这解决了与丢失音频数据包的常见干扰重传相关的许多问题，但它也用于掩盖蓝牙或其他专有 2.4 GHz 设备的偶尔崩溃。如果频段扫描例程发现频率不好，丢失的音频信息将以不同的频率重新传输，最终用户不会注意到。

　　超越标准

　　蓝牙是WPAN上广泛兼容的通信的理想选择，遵守标准确实消除了许多设计挑战。工程师可以确定他们的设计将与其他配备BT的产品进行通信，而不会遇到太多麻烦。

　　相比之下，Nordic的芯片不遵守标准，但是当单个制造商制造点对点链路的两端时，这并不是真正的问题。这也意味着缩短了设计进度，因为无需在测试实验室花费数周时间确保产品符合相关的IEEE标准。

　　BT 1.2 和 nRF24Z1 之间的比较表明，当以较低的保真度 720 kbit/s 速率运行时，它以 1.5 Mbit/s 的速度传输 CD 质量音频的功耗低于蓝牙。这意味着使用专有解决方案可以使设计具有更长的电池寿命和更高的音频质量 - 这两者都是竞争激烈的无线耳机市场中的重要资产。

　　作者简介

　　博尔赫斯特兰德 2000年毕业于奥斯陆大学，获得信息学学位。他的论文专长是模数转换器的流水线技术。Brge对音频电子技术充满热情，在开发用于DAC的模拟有限脉冲响应滤波器方面拥有特别的专业知识。