趙 璐，吳 蒙

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

基于CC8531的USB無線聲卡設(shè)計(jì)

趙 璐，吳 蒙

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

在分析Purepath無線音頻協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于CC8531的高保真、低功耗的USB無線聲卡。結(jié)合系統(tǒng)需求擬定了以CC8531無線音頻流芯片為核心、TLV320AIC3254為音頻解碼器、輔以按鍵控制和LDO電源降壓電路等外圍模塊的硬件結(jié)構(gòu)，并分析了各個模塊的電路設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，通過使用Purepath無線配置平臺對CC8531芯片進(jìn)行參數(shù)配置和固件燒寫，實(shí)現(xiàn)了完整的系統(tǒng)。經(jīng)過測試，USB無線聲卡能穩(wěn)定傳輸CD級高保真音質(zhì)，距離最高達(dá)到130 m，并實(shí)現(xiàn)了條件配對組網(wǎng)、自動功耗調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程音量控制等功能，可用于板載聲卡的替代，也可用作無線耳機(jī)、無線音響，具有一定的市場價(jià)值。

CC8531；Purepath；USB聲卡；高保真；低功耗

0 引 言

聲卡是實(shí)現(xiàn)數(shù)字/音頻信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件，其質(zhì)量好壞決定著聲音的表現(xiàn)力[1]。它經(jīng)歷了ISA、PCI等總線的演變，使用這些總線要求把聲卡插在電腦機(jī)箱內(nèi)部，這會帶來兩個問題：一是機(jī)箱內(nèi)的電磁噪聲對于聲卡這樣帶有模擬電路的設(shè)備很容易產(chǎn)生干擾，使聲音信噪比降低；二是板載聲卡很難做到注重保真的同時兼顧娛樂性[2]，難以滿足所有人對音頻播放的要求，當(dāng)前筆記本電腦已逐漸普及，而不能在筆記本電腦上通過加裝板卡式獨(dú)立聲卡來改善音質(zhì)[3]。

上述問題可以使用USB外置聲卡的方式來解決，同時結(jié)合近年來無線音頻產(chǎn)品逐漸滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域的情況[4-6]，文中設(shè)計(jì)了無線USB聲卡。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)聲卡的基本功能，也可用作無線揚(yáng)聲器等便攜式無線音頻傳輸器件。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)定位于電腦內(nèi)板載聲卡的替代產(chǎn)品，能提供CD級音質(zhì)的傳輸，注重保真的同時兼顧音效，主要以無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)聲音的錄音和回放功能，其整體組成如圖1所示。從結(jié)構(gòu)角度看，系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為一個與電腦USB相連的固定中心節(jié)點(diǎn)，和若干個獨(dú)立工作的移動節(jié)點(diǎn)，移動端有模擬音頻I/O接口實(shí)現(xiàn)與耳機(jī)、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)等相連。從功能角度看，系統(tǒng)分為無線射頻通信模塊、音頻編解碼模塊和人機(jī)接口模塊。無線射頻通信模塊作為系統(tǒng)的核心采用了TI公司無線音頻流控制器CC8531，它內(nèi)嵌微處理器用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)、控制外圍模塊以及處理無線音頻流；音頻編解碼模塊使用TI公司的TLV320AIC3254芯片，用于將音頻信號編碼為適合傳輸?shù)臄?shù)字信號或者把數(shù)字信號解碼還原為模擬音頻，人機(jī)接口包括按鍵、LED燈等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

該USB無線聲卡主要功能包括：

(1)固定端/移動端有選擇性的移動端/固定端配對組網(wǎng)，對不符合條件的配對請求自動過濾，配對成功后可進(jìn)行通信。

(2)PC播放音樂，固定端以廣播的方式將信號傳送給每個移動端，與移動端相連的耳機(jī)可以聽到PC所播放的CD級高保真音樂，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲卡中回放的功能；任意的移動節(jié)點(diǎn)以麥克風(fēng)方式輸入音頻，固定端接收到該信號而其他移動端不受干擾，實(shí)現(xiàn)聲卡錄音功能。

(3)固定端能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)移動端音量，移動端也能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)固定端音量。

(4)USB無線聲卡屬于便攜式、移動性較強(qiáng)的產(chǎn)品，有自動功耗調(diào)節(jié)、電源電壓監(jiān)控的功能，若節(jié)點(diǎn)在一段時間內(nèi)沒有通信則自動切換為待機(jī)模式，降低系統(tǒng)功耗；電源電量較低時，以LED閃爍方式提醒用戶充電或者自動關(guān)機(jī)，以保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

(5)所有數(shù)據(jù)包括音頻、網(wǎng)絡(luò)信息均通過無線傳輸。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 Purepath無線音頻協(xié)議

Purepath是德州儀器推出的低成本、低功耗、高保真的無線音頻協(xié)議，使用的是2.4 GHz技術(shù)，工作在免費(fèi)授權(quán)使用2.4～2.485 GHz ISM無線頻段上[7]。它是運(yùn)用先進(jìn)的誤差校正及隱藏技術(shù)的音頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過RF鏈路傳輸未壓縮的CD級音頻信號，能通過自適應(yīng)跳頻、可選的高質(zhì)量音頻壓縮等核心技術(shù)提高系統(tǒng)的魯棒性。Purepath網(wǎng)絡(luò)為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括單個協(xié)議主機(jī)和多個協(xié)議從機(jī)，協(xié)議主機(jī)與協(xié)議從機(jī)間存在三類數(shù)據(jù)通信：音頻流、數(shù)據(jù)旁路信道、網(wǎng)絡(luò)信息。無線音頻流控制芯片CC8531是支持Purepath協(xié)議的芯片之一。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)共分為固定的中心節(jié)點(diǎn)和移動的終端節(jié)點(diǎn)兩類，根據(jù)需求設(shè)計(jì)不同硬件電路。

固定端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示[8-9]。CC8531用于處理音頻信號的無線通信：根據(jù)射頻收發(fā)的場景要求將音頻流調(diào)制成適合無線發(fā)射的已調(diào)信號或者對已調(diào)信號進(jìn)行解調(diào)，其無線數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5 Mbps，音頻延遲小于16 ms，可支持32 kHz、44.1 kHz和48 kHz等的采樣率，USB接口符合USB1.0標(biāo)準(zhǔn)。為了確保通信的可靠性，增加射頻前端芯片CC2590[10]，CC2590內(nèi)部集成了放大輸出功率的PA(Power Amplifier，功率放大器)以及可提高接收機(jī)敏感度的LNA(Low Noise Amplifier，低噪聲放大器)。CC8531有+3.5 dBm的可編程功率輸出，在與射頻前端進(jìn)行無縫連接后，系統(tǒng)可編程輸出功率增加至+11 dBm，較高的發(fā)射功率保證了優(yōu)質(zhì)的通信質(zhì)量和較遠(yuǎn)的傳輸距離。固定端和移動端的無線數(shù)據(jù)傳輸使用Purepath音頻傳輸協(xié)議，能得到CD級高保真音質(zhì)、抗干擾音頻流的傳輸實(shí)現(xiàn)。

圖2 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

CC8531內(nèi)部大多已集成了必要的電路，因此只需采用較少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)信號無線傳輸?shù)墓δ?，從而減小產(chǎn)品開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期。其內(nèi)置時鐘生成器的工作需要配置48 MHz晶振作為系統(tǒng)時鐘源，CC8531和CC2590芯片的工作電壓范圍為2～3.6 V，以USB方式供電電壓為5 V，系統(tǒng)選擇TI公司的TPS73633DBVT芯片作為穩(wěn)壓電源變換器，實(shí)現(xiàn)從5 V到3.3 V的轉(zhuǎn)變。用戶使用按鍵進(jìn)行系統(tǒng)控制，如控制電源開關(guān)、音量控制、配對控制等，指示燈的輸出反饋系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)電源電壓監(jiān)控功能，將CC8531的VBAT管腳接入待檢測的電源，該管腳每秒4次的頻率對電源電壓進(jìn)行測量。

移動端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。與固定端相比增加了一個編解碼器模塊，音頻解碼模塊是整個系統(tǒng)的重要組成部分，編解碼質(zhì)量決定了聲卡的性能優(yōu)劣。TLV320AIC3254是嵌入式迷你DSP的超低功耗立體聲音頻編解碼器[11-12]，集成了濾波器、功率放大器、ADC、DAC等。CC8531使用I2S實(shí)現(xiàn)與音頻編解碼器的數(shù)據(jù)傳輸，包括MCLK、BCLK、WCLK三個時鐘信號，時鐘信號均由CC8531提供，接口連接如圖3所示。聲卡回放時，編解碼器除了進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換外還應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號增益放大以驅(qū)動耳機(jī)，作錄音用時，傳入的音頻信號含有直流偏置，須先濾波、放大后再編碼，這些都可通過I2C接口對編解碼器寫初始化控制序列方式設(shè)置完成。

圖3 CC8531與TLV320AIC3254間接口框圖

2.3 Purepath無線配置器參數(shù)設(shè)置

根據(jù)系統(tǒng)音頻傳輸特點(diǎn)，使用Purepath無線配置軟件(PurePath Wireless Configurator，PPWC)對CC8531進(jìn)行固件開發(fā)[13]。PPWC是為Purepath系列芯片提供參數(shù)配置、校驗(yàn)、編譯、燒寫的PC端圖形化工具。

圖4是參數(shù)配置流程。PPWC中對編解碼器設(shè)有默認(rèn)的初始化控制序列，控制的內(nèi)容包括：放大增益、過采樣系數(shù)、濾波器抽頭、管腳定義等。也可以通過重寫初始化腳本的方式對TLV320AIC3254進(jìn)行寄存器置位以實(shí)現(xiàn)自定義的音頻編解碼、濾波和特定的DSP算法處理等功能。此外，還須依次分別對音頻流、音量控制、網(wǎng)絡(luò)配對、電源管理、I/O映射進(jìn)行參數(shù)配置。

CC8531與外部音頻接口制定為I2S數(shù)據(jù)格式，44.1kbps采樣速率和16位分辨率，幀時鐘、主時鐘分別是采樣時鐘的64、256倍。音量控制的方式分為遠(yuǎn)程和本地控制，系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程音量調(diào)節(jié)方式，這種做法的優(yōu)勢在于多接收節(jié)點(diǎn)情景下，能批量調(diào)節(jié)多個節(jié)點(diǎn)的音量。系統(tǒng)默認(rèn)工作在2 404～2 476MHz頻帶范圍內(nèi)，通過預(yù)先在PPWC除掉通信環(huán)境中已知固定干擾的頻率段，提高通信效率。

圖4 PPWC參數(shù)配置流程圖

低功耗是該系統(tǒng)最為顯著的優(yōu)勢之一，在PPWC平臺上制定自動功耗調(diào)節(jié)和電源管理方案，當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)1 800s沒有音頻傳輸或者持續(xù)30s某節(jié)點(diǎn)處于孤立未與其他節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的狀態(tài)時，會自動關(guān)閉編解碼芯片或切換芯片工作模式以節(jié)省功耗。為VBAT管腳配置電壓閾值如3.35V，當(dāng)?shù)陀谠撾妷簳rLED閃爍提醒用戶充電或更換電池。

Purepath網(wǎng)絡(luò)中的每個無線設(shè)備都有3個32bit地址，用于標(biāo)識身份或者在網(wǎng)絡(luò)建立時進(jìn)行條件配對：DeviceID、ManufacturerID、ProductID。DeviceID唯一標(biāo)志著CC8531芯片，芯片出廠時已被唯一確定，其余兩個地址通過PPWC配置確定。ManufacturerID標(biāo)識芯片的制造商品牌，ProductID標(biāo)識芯片的產(chǎn)品類型。通過對固定端和接收端設(shè)定合適的ProductID、ManufacturerID和ProductID掩膜，實(shí)現(xiàn)對部分節(jié)點(diǎn)過濾，防止不同設(shè)備的相互干擾。

3 系統(tǒng)測試

在不同環(huán)境中對系統(tǒng)進(jìn)行測試，在開闊、無干擾的較理想環(huán)境(操場)測得系統(tǒng)傳輸距離最遠(yuǎn)為130m，在多干擾、多障礙物的復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境(教學(xué)樓)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，射頻鏈路在半徑25m范圍內(nèi)覆蓋良好。在以上無線覆蓋范圍內(nèi)，系統(tǒng)使用MOS[14](MeanOpinionScore)語音質(zhì)量評價(jià)方法打分均有4分以上，固定端作為中心節(jié)點(diǎn)最多能支持對4個移動端的廣播，證明無線USB聲卡能滿足設(shè)計(jì)需求且音質(zhì)良好。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了基于CC8531的USB無線聲卡，能實(shí)現(xiàn)CD級音質(zhì)的無線音頻穩(wěn)定傳輸，同時通過實(shí)現(xiàn)條件配對組網(wǎng)、電壓監(jiān)控、自動功耗調(diào)節(jié)等功能保證了安全性、可靠性、節(jié)能性，該系統(tǒng)可用于替代電腦內(nèi)板載聲卡，也可以用作無線耳機(jī)、無線音響。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)撵`活度，無需更改硬件結(jié)構(gòu)只須對PPWC上的配置參數(shù)稍作更改就可以實(shí)現(xiàn)更多個性化功能，具有一定的市場價(jià)值[15]，并為USB聲卡設(shè)計(jì)提供了一個新思路。

[1] 鐘文祥.USB外置聲卡特點(diǎn)及主流產(chǎn)品(一)[J].音響技術(shù),2007(5):55-56.

[2] 鐘文祥.USB外置聲卡特點(diǎn)及主流產(chǎn)品(二)[J].音響技術(shù),2007(6):62-64.

[3] 管 康.高保真USB外置聲卡的設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技,2012(2):96-96.

[4] 王志超,王德生,林成武.Zigbee和PurePathWireless技術(shù)在音響系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技傳播,2013(12):137.

[5] 潘 峰,楊 順,何 偉.基于嵌入式USB主機(jī)和ZigBee技術(shù)的無線音響系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2010,19(8):34-38.

[6] 湯 惠,陳飛洋,鄭凌霎,等.一種無線語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù),2016(6):53-57.

[7]TexasInstruments.CC8531datasheet[DB/OL].2012-07-02.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc8531.pdf.

[8] 史一瑋.關(guān)于USB聲卡的設(shè)計(jì)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010(31):30.

[9] 羅 鈞,桂杰出.USB協(xié)議及其接口實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2004,25(S2):616-620.

[10]TexasInstruments.CC2590datasheet[DB/OL].2008-09-17.http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2590.pdf.

[11]TexasInstruments.TLV320AIC3254datasheet[DB/OL].2014-11-06.http://www.ti.com/lit/ds/slas549d/slas549d.pdf.

[12]TexasInstruments.成TLV320AIC3254applicationreferenceguide[DB/OL].2012-10-05.http://www.ti.com/lit/an/slaa408a/slaa408a.pdf.

[13] 郁偉勇,簡獻(xiàn)忠,嚴(yán) 軍,等.基于CC8520嵌入式無線音頻傳輸系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(8):225-228.

[14] 張 淘.基于軟交換語音測試系統(tǒng)后臺語音質(zhì)量評估功能的實(shí)現(xiàn)與研究[D].南京:南京郵電大學(xué),2011.

[15] 張 鵬,王 穎,楊 軍.無線音頻技術(shù)綜述[J].電聲技術(shù),2011,35(3):54-56.

Design of Wireless USB Soundcard Based on CC8531

ZHAO Lu,WU Meng

(College of Telecommunication & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Based on the analysis of Purepath wireless audio protocol,a CD-class low-power USB wireless soundcard is designed.Combining the system requirements,a system structure is developed based on RF streaming chip CC8531,the codec TLV320AIC3254 and other peripheral function modules.Then a detailed description of the circuit design is given.After that,CC8531 chip is programmed through the Purepath wireless platform and a complete system is finally finished.As test shows the USB wireless soundcard can achieve a high-fidelity wireless transmission with distance up to 130 m.In addition,the system increases pairing networking,automatic power adjustment,volume control and other functions.It can not only used as an alternative to onboard soundcard but also as a wireless headset or a wireless audio speaker.

CC8531;Purepath;USB soundcard;HiFi;low power consumption

2016-01-08

2016-05-11

時間：2016-09-19

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB302900)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(10KJA510035)；南京市科技發(fā)展計(jì)劃重大項(xiàng)目(201103003)

趙 璐(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線通信與信號處理；吳 蒙，教授，研究方向?yàn)闊o線通信與信號處理、無線網(wǎng)絡(luò)安全與通信系統(tǒng)的信息安全。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0842.048.html

TP39

A

1673-629X(2016)10-0156-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.034