基於 Realtek RTL8763BF 的藍牙膽石機解決方案

隨著人們生活節奏越來越快及生活水準的提高，越來越多的人們開始重視工作娛樂兼顧，能夠擁有一臺屬于自己的音響發燒設備是每個人的奢望，然而市面上大都價格昂貴動輒上萬。而且魚目混雜的產品選型讓人眼花繚亂，再加上龐大的開銷從而使得普通發燒友沒有了購買欲望，為了普及每個人能夠真正享受到高保真的視聽樂趣，我們設計了一款基於Realtek 8763BF 的一套藍牙無線膽石機，主要滿足普通音訊發燒愛好者的追求，並且力求簡單易用。採用藍牙無線主要考慮一是方便音源的獲取，二是藍牙技術的便攜性及實用簡單。目前採用無損傳輸的藍牙音訊播放手機的音訊其音質優美動聽，其音質效果非常適合發燒友的追捧。

項目特色  
本專案採用電子管+電晶體結合的，俗稱“膽石”機。其搭配了Realtek 8763BF 無線藍牙方案，使得該方案成為藍牙晶片方案裡的新型應用。我們都知道晶 體管機的長處在於大電流、寬頻帶，低頻控制力、處理大場面時的分析力、層次感和明亮度等要比電子管機優越，而電子管機會在高音段比較平滑，有足夠的空氣 感，具有一種相當部分人所喜歡的聲染色，儘管聲音細節和層次損失少了些，但那種柔和而稍帶模糊的聲音卻是美麗的。使得本方案即相容電子管的音色有具備了晶 體管快速的爆發力。而採用藍牙主要是音源的方便性與易用性。雖然使用藍牙無線音源的效果會不可避免損失些音質。但通過電子管+電晶體放大器的完美組合，使 得音質非常的還原逼真。由於電晶體的諧波能量分佈，直至十次諧波以上幾乎是相等的量，其高次諧波量減少極小。而電子管放大器的諧波能量的分佈，則是二次諧 波最強，三次諧波漸弱，四次諧波更弱，直至消失。可見，電子管放大器引起的主要是偶數的二次諧波，這種諧波成份非常討人喜歡，恰如添加了豐富的泛音，美化 了聲音，當電晶體放大器產生的諧波中，奇次諧波份量相當大，這就會引起聽感的不適。此外，當放大器處於超載狀態，發生削波時，電子管的波形較和緩，而晶體 管則是梯形的平頂狀，造成聲音嚴重惡化。而電子管放大器的音色一般比較甜美溫暖，特別是中頻段更是柔順悅耳，可以彌補電晶體較冷硬的聲音，正需這種電子管 放大器作補償。但是缺點也存在不少，目前電晶體也能製成線性度很高的放大器，它具有極高的指標，而且功率場效應管的傳輸特性極似電子管，製成的放大器失真 特性與電子管相似，效率則更高。電子管的內阻大，電晶體的內阻極小，故電子管放大器的阻尼係數遠比電晶體放大器低，對揚聲器的控制能力不利。此外，電子管 放大器需用高壓電源、效率低、熱量大、抗震性差、體積大、成本高、瞬態反應慢、低頻及高頻上段較薄弱、壽命較短等都是它的致命弱點。本專案旨在通過無線藍牙的新型應用結合了電子管機和電晶體機的膽石機放大器，充分融合及發揮它們的各有所長，彌補各有所短。所以藍牙膽石機，指的是電子管與電晶體完美結合的無線藍牙膽石放大器。

整機系統設計
該專案設計有五大主要部分組成：藍牙部分、混頻部分、前置預放、功放、電源部分組成，下面分別一一闡述如下：

一、藍牙部分
1）藍牙模組硬體闡述
我們採用Realtek RTL8763BF 製作的藍牙音訊接收板，很容易嵌入到發燒級高保真的系統中。Realtek RT8763B 系列是單片藍牙ROM解決方案(RTL8763BM)和身歷聲(RTL8763BF/BFR，RTL8763BS，RTL8763BA)應用程式。 RT8763B由ARM核和超低功耗DSP核組成，具有高效率的計算能力、高性能的音訊轉碼器、電源管理單元、ADC、超低電流射頻收發器和智慧I/O 分配控制器。realtek 提供完整的開發工具鏈，整個開發工具主要包括有參數配置工具、EVB工具包和MP工具包，都包括了控制器硬體和軟體的開發，為客戶提供了一個簡單而靈活的過程，使其能夠快速設計和大規模生產Realtek的新一代音訊解決方案。這些完整的解決方案提供了一個快速和高度可靠的發展道路與一個非常競爭的R-BOM.其硬體詳細的特徵參數如下：

*一般特徵

• 與藍牙5規範相容
• Supports HFP 1.7, HSP 1.2, A2DP 1.3, AVRCP 1.6, SPP 1.2 and PBAP 1.0
• 具有高性能10 dBm發射功率和-94 dBm 2m edr接收機靈敏度的單端射頻無線電輸出。
• 支持藍牙經典(BDR/EDR)
• 支持藍牙低能(BLE)
• 通用接入服務
• 設備資訊服務
• 資料通信專用服務
• 蘋果通知中心服務(ANCS)
• 真實無線身歷聲(RWS)
• 支援usb類型-C音訊
• 支持iAP 2
• Realtek最新的用於窄帶和寬頻語音連接的RCV(真正清晰的聲音)技術，包括降低風雜訊
• 支援最高可達24位元，192 khz音訊資料格式的高解析度音訊轉碼器。
• 支援雙類比和數位MIC，輔助輸入，I2S數位音訊，類比輸出。
• 支援高速UART、I2C、SPI和0相容介面
• 支持高解析度12位多通道adc。
• 支持PWM I/O和智慧LED控制器
• 支援USB BC1.2電池充電
• 基於MUX的智慧I/O分配方案
• 內置8Mbit快閃記憶體(RTL8763BF/RTL8763BFR)
• 集成雙開關式功率調節器、線性調節器和電池充電器；充電電流可達400 mA。
• 內置外熱阻電池電壓監測及熱保護方案
• SBC，AAC解碼器支持
• 支援ota和usb固件升級。
• GSM 217 Hz干擾分塊設計
• 低BOM成本
• 綠色(符合RoHS要求，不含銻或鹵化阻燃劑)
• 支援pta(包流量仲裁器)當與Wi-Fi共存時基帶特徵

*40 MHz主時鐘
支援FW存儲和參數升級的串列快閃記憶體
自我調整跳頻
多鏈路支持
支援串列複製管理系統(SCMS-T)內容保護

*RAM和ROM大小
ROM大小768 KB
MCU RAM大小16 KB x8 資料RAM+8KB X2 快取記憶體RAM16KB
DSP RAM 8KB x22

*射頻
支持TX+10 dBm(typ.)藍牙經典的最大輸出功率
支持TX+10 dBm(typ.)藍牙BLE最大輸出功率
支持TX+4 dBm(typ.)藍牙BLE低功耗TPM模式的最大輸出功率
接收靈敏度：-94 dBm(2 Mbps EDR)
接收靈敏度：-97 dBm(BLE)
接收機靈敏度：-106.5dBm(125 K BLE長程)
不需要匹配元件的單端tx/rx射頻埠(當tx功率低於+4 dBm並使用pifa型PCB天線)
內置集成電容的晶體振盪器，用於時鐘偏移數位調諧(0~20 pF)，可按照Realtek設計準則節省2補償cl帽。

*微控制器
32位ARM Cortex-m4f處理器
支援硬體浮點單元(FPU)
支援記憶體保護單元(MPU)
支援社署偵錯介面
執行外部SPI快閃記憶體
4路關聯緩存控制器

*DSP音訊處理
增強型二氧化矽高保真-迷你相容24位dsp核心
2單週期mac：24 x 24位乘法器和56位累加器
支持G.711 A-Law，-Law，連續可變斜率增量(CVSD)和MSBC語音轉碼器
支援8/16 khz 1/2-麥克風雜訊抑制和回波消除
語音處理中的丟包隱藏(PLC)
支援bt音訊流的sbc和aac-lc音訊轉碼器。

*音訊轉碼器
Dual operation voltage range 2.8V and 1.8V
在dac路徑上支援無上限、單端和差分模式。
支持16歐姆和32歐姆揚聲器載入
具有102 dba信噪比的立體24位數模轉換器(Dac)
具有97 dba信噪比的立體24位元類比數位(Adc)
在DAC/ADC路徑上的5波段可配置EQ
支持8、16、32、44.1、48、88.2和96 kHz的取樣速率。
內置MIC偏置發生器

*數位音訊介面
支援兩個PDM數字MIC輸入
在i2S數位音訊上支援24位元，192 khz。
Sampling frequency 8/16/32/44.1/48/88.2/96/176.4/192kHz

*收音機
相容藍牙核心規範，包括BR/EDR/le-1M/le-2m/le編碼(遠端)
完全集成巴倫和合成器最大限度地減少外部組件。
射頻電路設計在保持優良性能的同時，最大限度地降低了功耗。

*PMU
面向系統應用的高集成度PMU設計
數位核、無線電和音訊轉碼器的雙開關模式調節器
內置的用於I/O和快閃記憶體的LDO
內置鋰離子電池充電器，充電器容量可達400 mA
支援環境熱檢測以檢測電池溫度
內置OVP，OCP，UVP保護系統。

*操作條件
工作電壓：2.8V至4.35V(VBAT)
溫度範圍：-20℃至+70℃

*包裝
5mmx5mm，QFN 40封裝(RTL 8763BM)
5mmx5mm，QFN 40封裝(RTL8763BF/BFR)
6mmx6mm，QFN 48封裝(RTL8763BS)
8mmx8mm，QFN 68封裝(RTL8763BA)

*應用
單頭耳機
身歷聲耳機
真無線身歷聲耳機
單揚聲器
身歷聲揚聲器

對於我們的核心模組設計，下面進行系統性的一一闡述：
圖一）是藍牙模組的硬體板完成的設計圖示

2）藍牙模組layout設計及元器件擺放規則：

a）射頻π型匹配網路應盡可能靠近晶片。
b）在射頻電路和trace線下的參考層上不應該有任何的信號走線。
c）RF網路使用0402(1005)型元器件，如果PCB尺寸太小，使用0201型元器件，匹配網路中沒有任何元器件可以忽略和刪除。
d）VBAT引腳的電池必須盡可能的寬，至少12mil寬(如果可能的話，20mil)，並且一個大電容必須靠近晶片輸入端。
e）晶體振盪器的放置應盡可能靠近晶片，layout 走線建議超過6mil，這包括40MHz和32768Hz晶體。
f）PCB 阻抗設計請按照polar精確控制，見下圖所示：

圖二）是藍牙模組的RF板阻抗設計示意圖，我們通過polar軟體計算RF電路的阻抗，然後要求PCB 廠家按照設計要求製版。

3）藍牙模組硬體介面連接闡述
完成了模組的軟硬體設計後，在模組引腳端引出其預留的SPK介面電路，連接到功放板的VOL-高-低音調節電路，即可完成系統的對接工作。

圖三）模組介面電路設計

圖四）音量-高-低音調節電路板設計，通過VOL-高-低音調節電路，可以很順利的連接線路電平到後續放大器的前置電路，這塊的電阻值需要精度高，通常採用金屬碳膜電阻材料，油浸電容材料，有助於信號的傳送速率及音質的提升。

4）藍牙軟體部分
A）傳輸音訊所使用的協定
   目前比較常見的是A2DP、AVRCP這兩種，A2DP的全稱是Advanced Audio Distribution Profile（高級音訊發送配置協定），而AVRCP則是Audio/Video Remote Control Profile音訊視頻遠端控制協定）A2DP定義了多媒體音訊如何從一個設備通過藍牙傳送至其他設備，也允許將麥克風接收到的信號發回給設備， 該協定依賴了更底層的AVDTP和GAVDP，其中通過AVRCP協議則可以控制藍牙耳機的音量等操作。A2DP能夠傳輸MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-4、AAC、ATRAC、SBC、apt-X這些音訊編碼，如今用的比較多的是AAC、SBC、apt-X這三種。

B) 藍牙傳輸音訊的原理
對音質影響最大的並非是藍牙所支援的協定，而是其支援的音訊編碼類型，在我們使用藍牙音訊設備時，手機、平板等會對我們所要播放的音訊進行即時編碼後再經由藍牙發送至放大器，而在這之前，音訊播放軟體則會將有損或是無失真壓縮檔解碼成PCM。整個傳輸過程大致步驟是這樣的，如MP3檔來說，它會經過兩次解碼和一次編碼的過程（MP3→PCM→AAC/SBC/apt-X→PCM），由於MP3本身就是失真壓縮，再經過一次有損編碼，對音質的影響不言而喻。

C)藍牙傳輸所用的音訊編碼
目 前用的最多的是SBC編碼，SBC是一種子帶編碼，該編碼標準由藍牙技術聯盟所定義，單聲道最大支援198kb/s,雙聲道是345kb/s，和mp3編 碼差不多，由於這種編碼幾乎全部用於藍牙傳輸的實際聽感來說其效果是差不多的。最熱門的AAC會比MP3編碼保留更多的高頻細節。而對於藍牙當中常用的 SBC編碼，AAC同樣也有優勢。另外一種很熱門的藍牙音訊編碼是apt-X，能夠達到CD的聽感，除了最基本的apt-X以外還有支持多聲道的 Enhanced aptX，低複雜程度的aptX Live，低延遲aptX Low Latency等，其中aptX Lossless最有亮點，從字面上來說這是一種無失真壓縮，也是目前筆者所知唯一的藍牙無損音訊編碼。aptX Lossless編碼可支援最高24bit/96kHz規格的高解析音訊，如果藍牙傳輸實際使用該種編碼幾乎可以和達到無損一樣的效果。

D)藍牙音質差的原因
為 什麼在藍牙傳輸時不使用非壓縮的PCM，這就要涉及，早期藍牙版本的頻寬問題了，在藍牙3.0+HS以前，其最大傳送速率僅有3Mbit/s，而CD規格 的無損音訊約為1.41Mbit/s，考慮到功耗、距離等因素，實際使用時可能無法連續的達到該速率，而音訊則需要連續不中斷的傳輸，因此藍牙設備就選擇 了低碼率的有損編碼傳輸，用以確保可不中斷傳輸。隨著藍牙版本不斷發展，雖然最大傳輸速率達到了24Mbit/s，但廠商依舊是出於功耗和連續性的考慮， 使用了失真壓縮的音訊，另一方面，對於大碼率的有損很多用戶也聽不出其中的區別，而HiFi領域又是以傳統耳機為主，所以藍牙耳機、音箱一直將有損音訊編 碼的傳輸沿用至今。

二、混頻部分
要實現Mixer功能則需要瞭解audio follow ，以下是audio 的流程，數位混頻一般的由DSP來進行處理，由於我們的藍牙板是已經完成的類比音訊信號，因此只要接上類比輸出介面到混頻電路就可以完成混頻功能，若藍牙板輸出的是數位信號，可以配置RTL8763BF 的PCM/I2S再通過專用的Aisc混頻 ic 進行數位類比音訊混頻，比如：CS4341A、新唐NAU8814等等。

圖五）數字混頻基本原理

三、前置預放
前置放大器主要完成信號拾取、聲調控制等等功能，主要測試考量其頻率回應在與RIAA曲線相關的+/-1dB範圍內，響應擴展到+/-2dB下降到20 Hz。失真很低，通常低於0.4%。嗡嗡聲和噪音為60分貝或以上(未加權)。實際測試電路的低音電路頻率響應從1 kHz降低到30 Hz，在+/-1dB範圍內。最大低音提升(50 Hz)約15分貝，最大低音削減約15分貝。我們的設計目標是，在1千赫的情況下，高音電路基本上是看不見的，並開始在大約3千赫的頻率響應上產生影響。可以通過改變某些電容分量值來實現這一點。放大器上提供三個輸入（CD、線路和前面板輔助輸入），其中“前面板輔助”輸入是一個用於連接個人娛樂設備(如iPhone)的迷你插孔。


四、預放及後級功放
本機每聲道採用1支6U8A 三極/五級複合管即國產6F2、6GH8A，國外6U8 、ECF82 、E80CF 、7643 等，作為輸入放大級及倒相級，末級用兩支6973功率管以推挽方式做功率放大，輸出功率約20W,倒相電路主要有兩種，一種是長尾式，一種是屏陰分負載。 其中長尾式倒相是一種差分式倒相，與屏陰分割式相比，其倒相後的信號相位幅度更平衡準確，失真更小，這種應用電路主要是追求指標，但是對於膽機來說指標好 不意味聽感好，由於長尾式倒相由於線路平衡，奇偶次諧波都被抵消了，因此聽感偏冷淡，膽味不足，而且多用了個三極管子導致成本與配對都消耗時間。因此我們 的電路採用屏陰分負載即屏陰分割式的方式。它是一種早期的倒相位方式，由於屏/陰極的輸出阻抗不同，即使採用不同的負載電阻還是無法做到平衡，因此失真度 指標不容易做的高，而這種不平衡的倒相在聽感上存在大量的偶次諧波，使得聽起來感覺到膽味溫暖如春，非常濃郁，同時具有簡潔低成本優點，如用三極/五極複 合管做前部放大和倒相，那麼只要加兩支功率管做輸出放大就完成整個放大線路，非常簡單而且聽感很好。我們的前級/倒相是由一個三極/五極複合管 6U8A(或7199)完成，全機增益全靠第一級的五極管放大，採用放大倍數高的五極管的好處是可以取得一定的放大量，又省卻前級放大器，它可與第二級為 直耦方式，簡化了電路。若國內不能夠找到這個型號的管子，也可以用參數相同的國產6F2替代。
後級功放採用國際名膽6973，主要的為音訊放大器應用。其改進的新型號為EH6973,產地為俄羅斯，6973五極管做末級超線性放大，它的簾柵極為固定偏壓供電，這樣的設計可提高輸出功率並能夠抑制失真，但由於6973管子在國內極其難以購買到，這個電路也可以改為採用EL34管子（如：國產曙光），需要調整供電電壓，不能直接互換。另外不論選擇何種品牌的管子有一點必須牢記：就是每個聲道所用的兩個推挽管和它的柵極平衡電阻必須要嚴格配對使用，最好兩聲道的4個6973(或者EL34)的特性是一致的，這樣不但省去了平衡電路，同時也提高了輸出功率，聲音基本上做到失真小聲場更平衡真實。


五、電源設計
電源供給是以電子管6CA4 整流並經過LC濾波（L51）提供給+345V 電壓到功放管及6U8A，其中燈絲電壓通過T51變壓器次級繞組供給，由R53/R54及D53組成的微調再通過電位器R55可調整燈絲電流.我們的藍牙板供電有T51變壓器次級繞組5V供給,注意藍牙供電電壓最大5V,詳細的電路參考設計電路。

圖六）電源電路設計

六、整个产品工作流程概述：?
音频源通过蓝牙手机发送到蓝牙接收板，由蓝牙接收板完成数字解码输出模拟的音频信号，再通过混频电路耦合到前置预放电路，通过预放电路推动到足够的信号功率到功率放大器进行放大即四个6973组成的对管，最后通过推动变压器输出至扬声器，整个功放设计的输出功率为20w左右。见下图所示：
图七）系统工作流程

七、其他
藍牙音訊耳機規格（HFP、HSP、A2DP、AVRCP）簡介：當兩台藍牙設備建立連接時，它們會獲取對應設備提供的協定。 只有使用相同協定的設備才能交換資料，就像兩個人要使用相同的語言才能進行有意義的對話一樣。當藍牙定義設備之間的物理無線連接時，藍牙規格會建立這些設備能夠使用藍牙技術交換的命令和功能。HSP和HFP藍牙規格是典型單聲道藍牙耳機操作所需的規格，A2DP和AVRCP對於身歷聲耳機很重要。
HSP（手機規格，Head-Set-Profile）這是最常用的配置，為當前流行支援藍牙耳機與行動電話使用，提供手機與耳機之間通信所需的基本功能。 連接和配置好後，耳機可以作為遠端設備的音訊輸入和輸出介面。
HFP（免提規格，Hands-Free-Profile）在HSP的基礎上增加了某些擴展功能，常用來讓車載免提裝置來控制行動電話。它使用連續可變斜率增量調製或脈衝編碼對數一法或μ-法量化音訊通道調製。 描述了閘道設備如何用於供免提設備撥打和接聽呼叫。典型配置如汽車使用手機作為閘道設備。在車內，身歷聲系統用於電話音訊，而車內安裝的麥克風則用於通話時發送輸出音訊。HFP 還可用於個人電腦在家中或辦公環境中作為手機揚聲器的情況。
A2DP（高級音訊傳送規格， Advanced Audio Distribution Profile）允許傳輸身歷聲音訊信號（相比用於HSP和HFP的單聲道加密，品質要好得多）。A2DP能夠讓兩個同樣支援藍牙音效傳輸的裝置互相連接，都能輸出如CD音質(16 bits，44.1 kHz)般的音樂。假如有一方沒有支持A2DP的話，這時音效就只能輸出Handsfree Profile(8 bits，8 kHz)，就算耳機是採用雙耳筒的設計，也只能有一般電話的單聲道音質，與真正的身歷聲相去甚遠。
AVRCP（音訊/視頻遙控規格，Audio/Video Remote Control Profile）用於從控制器（如身歷聲耳機）向目標設備（如裝有 MediaPlayer 的電腦）發送命令（如前跳、暫停和播放）。AVRCP 設計用於提供控制TV、Hi-Fi設備等的標準介面。此規格用於許可單個遠端控制設備（或其它設備）控制所有使用者可以接入的A/V設備。它可以與 A2DP 或 VDP 配合使用。

圖八）藍牙軟體協定棧

八、硬體layout
A)藍牙部分
先決定關鍵部件的擺放
(1)確定天線、射頻、天線匹配元件的擺放位置
(2)確定RTL8763B的位置
(3)確定晶體位置
(4)確定SPI flash placement
週邊電源元件
(1)先放置高壓電容，儘量接近8763B
(2)開關穩壓器和電容器
(3) VBAT和ADP_IN pin的電容
(5)相關電容器儘量靠近IC引腳

B)膽機部分
通常膽機layout採用手工工藝搭棚的方式製作，其效率低及容易出錯，因此我們採用EDA的設計方式來製作，以下是設計的圖示：

圖九）真空管電源供電板示意圖

九、結尾
通常我們經常接觸的固態電路的電源電壓通常是在5到15伏特範圍內的項目。這與真空管放大器的400 V(或更高)板電源相去甚遠。因此需要格外謹慎。我們應該都要知道在給電子管電路供電時，都要注意到潛在的危險。