基于 Realtek RTL8763BF 的蓝牙胆石机解决方案

随着人们生活节奏越来越快及生活水平的提高,越来越多的人们开始重视工作娱乐兼顾,能够拥有一台属于自己的音响发烧设备是每个人的奢望,然而市面上大都价格昂贵动辄上万。而且鱼目混杂的产品选型让人眼花缭乱,再加上庞大的开销从而使得普通发烧友没有了购买欲望,为了普及每个人能够真正享受到高保真的视听乐趣,我们设计了一款基于Realtek 8763BF 的一套蓝牙无线胆石机,主要满足普通音频发烧爱好者的追求,并且力求简单易用。采用蓝牙无线主要考虑一是方便音源的获取,二是蓝牙技术的便携性及实用简单。目前采用无损传输的蓝牙音频播放手机的音频其音质优美动听,其音质效果非常适合发烧友的追捧。

项目特色  
本项目采用电子管+晶体管结合的,俗称“胆石”机。其搭配了Realtek 8763BF 无线蓝牙方案,使得该方案成为蓝牙芯片方案里的新型应用。我们都知道晶 体管机的长处在于大电流、宽频带,低频控制力、处理大场面时的分析力、层次感和明亮度等要比电子管机优越,而电子管机会在高音段比较平滑,有足够的空气 感,具有一种相当部分人所喜欢的声染色,尽管声音细节和层次损失少了些,但那种柔和而稍带模糊的声音却是美丽的。使得本方案即兼容电子管的音色有具备了晶 体管快速的爆发力。而采用蓝牙主要是音源的方便性与易用性。虽然使用蓝牙无线音源的效果会不可避免损失些音质。但通过电子管+晶体管放大器的完美组合,使 得音质非常的还原逼真。由于晶体管的谐波能量分布,直至十次谐波以上几乎是相等的量,其高次谐波量减少极小。而电子管放大器的谐波能量的分布,则是二次谐 波最强,三次谐波渐弱,四次谐波更弱,直至消失。可见,电子管放大器引起的主要是偶数的二次谐波,这种谐波成分非常讨人喜欢,恰如添加了丰富的泛音,美化 了声音,当晶体管放大器产生的谐波中,奇次谐波分量相当大,这就会引起听感的不适。此外,当放大器处于过载状态,发生削波时,电子管的波形较和缓,而晶体 管则是梯形的平顶状,造成声音严重恶化。而电子管放大器的音色一般比较甜美温暖,特别是中频段更是柔顺悦耳,可以弥补晶体管较冷硬的声音,正需这种电子管 放大器作补偿。但是缺点也存在不少,目前晶体管也能制成线性度很高的放大器,它具有极高的指标,而且功率场效应管的传输特性极似电子管,制成的放大器失真 特性与电子管相似,效率则更高。电子管的内阻大,晶体管的内阻极小,故电子管放大器的阻尼系数远比晶体管放大器低,对扬声器的控制能力不利。此外,电子管 放大器需用高压电源、效率低、热量大、抗震性差、体积大、成本高、瞬态反应慢、低频及高频上段较薄弱、寿命较短等都是它的致命弱点。本项目旨在通过无线蓝牙的新型应用结合了电子管机和晶体管机的胆石机放大器,充分融合及发挥它们的各有所长,弥补各有所短。所以蓝牙胆石机,指的是电子管与晶体管完美结合的无线蓝牙胆石放大器。

整机系统设计
该项目设计有五大主要部分组成:蓝牙部分、混频部分、前置预放、功放、电源部分组成,下面分别一一阐述如下:

一、
蓝牙部分
1)蓝牙模块硬件阐述
我们采用Realtek RTL8763BF 制作的蓝牙音频接收板,很容易嵌入到发烧级高保真的系统中。Realtek RT8763B 系列是单片蓝牙ROM解决方案(RTL8763BM)和立体声(RTL8763BF/BFR,RTL8763BS,RTL8763BA)应用程序。 RT8763B由ARM核和超低功耗DSP核组成,具有高效率的计算能力、高性能的音频编解码器、电源管理单元、ADC、超低电流射频收发器和智能I/O 分配控制器。realtek 提供完整的开发工具链,整个开发工具主要包括有参数配置工具、EVB工具包和MP工具包,都包括了控制器硬件和软件的开发,为客户提供了一个简单而灵活的过程,使其能够快速设计和大规模生产Realtek的新一代音频解决方案。这些完整的解决方案提供了一个快速和高度可靠的发展道路与一个非常竞争的R-BOM.其硬件详细的特征参数如下:

*一般特征
  • 与蓝牙5规范兼容
  • 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发射功率和-94 dBm 2m edr接收机灵敏度的单端射频无线电输出。
  • 支持蓝牙经典(BDR/EDR)
  • 支持蓝牙低能(BLE)
  • 通用接入服务
  • 设备信息服务
  • 数据通信专用服务
  • 苹果通知中心服务(ANCS)
  • 真实无线立体声(RWS)
  • 支持usb类型-C音频
  • 支持iAP 2
  • Realtek最新的用于窄带和宽带语音连接的RCV(真正清晰的声音)技术,包括降低风噪声
  • 支持最高可达24位,192 khz音频数据格式的高分辨率音频编解码器。
  • 支持双模拟和数字MIC,辅助输入,I2S数字音频,模拟输出。
  • 支持高速UART、I2C、SPI和0兼容接口
  • 支持高分辨率12位多通道adc。
  • 支持PWM I/O和智能LED控制器
  • 支持USB BC1.2电池充电
  • 基于MUX的智能I/O分配方案
  • 内置8Mbit闪存(RTL8763BF/RTL8763BFR)
  • 集成双开关式功率调节器、线性调节器和电池充电器;充电电流可达400 mA。
  • 内置外热阻电池电压监测及热保护方案
  • SBC,AAC解码器支持
  • 支持ota和usb固件升级。
  • GSM 217 Hz干扰分块设计
  • 低BOM成本
  • 绿色(符合RoHS要求,不含锑或卤化阻燃剂)
  • 支持pta(包流量仲裁器)当与Wi-Fi共存时基带特征


*40 MHz主时钟
支持FW存储和参数升级的串行闪存
自适应跳频
多链路支持
支持串行复制管理系统(SCMS-T)内容保护

*RAM和ROM大小
ROM大小768 KB
MCU RAM大小16 KB x8 数据RAM+8KB X2 高速缓存RAM16KB
DSP RAM 8KB x22

*射频
支持TX+10 dBm(typ.)蓝牙经典的最大输出功率
支持TX+10 dBm(typ.)蓝牙BLE最大输出功率
支持TX+4 dBm(typ.)蓝牙BLE低功耗TPM模式的最大输出功率
接收灵敏度:-94 dBm(2 Mbps EDR)
接收灵敏度:-97 dBm(BLE)
接收机灵敏度:-106.5dBm(125 K BLE长程)
不需要匹配组件的单端tx/rx射频端口(当tx功率低于+4 dBm并使用pifa型PCB天线)
内置集成电容的晶体振荡器,用于时钟偏移数字调谐(0~20 pF),可按照Realtek设计准则节省2补偿cl帽。

*微控制器
32位ARM Cortex-m4f处理器
支持硬件浮点单元(FPU)
支持内存保护单元(MPU)
支援社署侦错界面
执行外部SPI闪存
4路关联缓存控制器

*DSP音频处理
增强型二氧化硅高保真-迷你兼容24位dsp核心
2单周期mac:24 x 24位乘法器和56位累加器
支持G.711 A-Law,-Law,连续可变斜率增量(CVSD)和MSBC语音编解码器
支持8/16 khz 1/2-麦克风噪声抑制和回波消除
语音处理中的丢包隐藏(PLC)
支持bt音频流的sbc和aac-lc音频编解码器。

*音频编解码器
Dual operation voltage range 2.8V and 1.8V
在dac路径上支持无上限、单端和差分模式。
支持16欧姆和32欧姆扬声器加载
具有102 dba信噪比的立体24位数模转换器(Dac)
具有97 dba信噪比的立体24位模拟数字(Adc)
在DAC/ADC路径上的5波段可配置EQ
支持8、16、32、44.1、48、88.2和96 kHz的采样率。
内置MIC偏置发生器

*数字音频接口
支持两个PDM数字MIC输入
在i2S数字音频上支持24位,192 khz。
Sampling frequency 8/16/32/44.1/48/88.2/96/176.4/192kHz

*收音机
兼容蓝牙核心规范,包括BR/EDR/le-1M/le-2m/le编码(远程)
完全集成巴伦和合成器最大限度地减少外部组件。
射频电路设计在保持优良性能的同时,最大限度地降低了功耗。

*PMU
面向系统应用的高集成度PMU设计
数字核、无线电和音频编解码器的双开关模式调节器
内置的用于I/O和闪存的LDO
内置锂离子电池充电器,充电器容量可达400 mA
支持环境热检测以检测电池温度
内置OVP,OCP,UVP保护系统。

*操作条件
工作电压:2.8V至4.35V(VBAT)
温度范围:-20℃至+70℃

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

*应用
单头耳机
立体声耳机
真无线立体声耳机
单扬声器
立体声扬声器

对于我们的核心模块设计,下面进行系统性的一一阐述:

图一)是蓝牙模块的硬件板完成的设计图示

蓝牙板


2)蓝牙模块layout设计及元器件摆放规则:
a)
射频π型匹配网络应尽可能靠近芯片。
b)在射频电路和trace线下的参考层上不应该有任何的信号走线。
c)RF网络使用0402(1005)型元器件,如果PCB尺寸太小,使用0201型元器件,匹配网络中没有任何元器件可以忽略和删除。
d)
VBAT引脚的电池必须尽可能的宽,至少12mil宽(如果可能的话,20mil),并且一个大电容必须靠近芯片输入端。
e)晶体振荡器的放置应尽可能靠近芯片,layout 走线建议超过6mil,这包括40MHz和32768Hz晶体。

f)PCB 阻抗设计请按照polar精确控制,见下图所示:

图二)是蓝牙模块的RF板阻抗设计示意图,我们通过polar软件计算RF电路的阻抗,然后要求PCB 厂家按照设计要求制版。

 

polar



3)蓝牙模块硬件接口连接阐述
完成了模块的软硬件设计后,在模块引脚端引出其预留的SPK接口电路,连接到功放板的VOL-高-低音调节电路,即可完成系统的对接工作。

图三)模块接口电路设计
模块


图四)音量-高-低音调节电路板设计,通过VOL-高-低音调节电路,可以很顺利的连接线路电平到后续放大器的前置电路,这块的电阻值需要精度高,通常采用金属碳膜电阻材料,油浸电容材料,有助于信号的传输速度及音质的提升。
VOL


4)蓝牙软件部分
A)传输音频所使用的协议
   目前比较常见的是A2DP、AVRCP这两种,A2DP的全称是Advanced Audio Distribution Profile(高级音频发送配置协议),而AVRCP则是Audio/Video Remote Control Profile音频视频远程控制协议)A2DP定义了多媒体音频如何从一个设备通过蓝牙传送至其他设备,也允许将麦克风接收到的信号发回给设备, 该协议依赖了更底层的AVDTP和GAVDP,其中通过AVRCP协议则可以控制蓝牙耳机的音量等操作。A2DP能够传输MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-4、AAC、ATRAC、SBC、apt-X这些音频编码,如今用的比较多的是AAC、SBC、apt-X这三种。

B)
蓝牙传输音频的原理
对音质影响最大的并非是蓝牙所支持的协议,而是其支持的音频编码类型,在我们使用蓝牙音频设备时,手机、平板等会对我们所要播放的音频进行实时编码后再经由蓝牙发送至放大器,而在这之前,音频播放软件则会将有损或是无损压缩文件解码成PCM。整个传输过程大致步骤是这样的,如MP3文件来说,它会经过两次解码和一次编码的过程(MP3→PCM→AAC/SBC/apt-X→PCM),由于MP3本身就是有损压缩,再经过一次有损编码,对音质的影响不言而喻。

C)蓝牙传输所用的音频编码

目 前用的最多的是SBC编码,SBC是一种子带编码,该编码标准由蓝牙技术联盟所定义,单声道最大支持198kb/s,双声道是345kb/s,和mp3编 码差不多,由于这种编码几乎全部用于蓝牙传输的实际听感来说其效果是差不多的。最热门的AAC会比MP3编码保留更多的高频细节。而对于蓝牙当中常用的 SBC编码,AAC同样也有优势。另外一种很热门的蓝牙音频编码是apt-X,能够达到CD的听感,除了最基本的apt-X以外还有支持多声道的 Enhanced aptX,低复杂程度的aptX Live,低延迟aptX Low Latency等,其中aptX Lossless最有亮点,从字面上来说这是一种无损压缩,也是目前笔者所知唯一的蓝牙无损音频编码。aptX Lossless编码可支持最高24bit/96kHz规格的高解析音频,如果蓝牙传输实际使用该种编码几乎可以和达到无损一样的效果。

D)蓝牙音质差的原因

为 什么在蓝牙传输时不使用非压缩的PCM,这就要涉及,早期蓝牙版本的带宽问题了,在蓝牙3.0+HS以前,其最大传输速度仅有3Mbit/s,而CD规格 的无损音频约为1.41Mbit/s,考虑到功耗、距离等因素,实际使用时可能无法连续的达到该速率,而音频则需要连续不中断的传输,因此蓝牙设备就选择 了低码率的有损编码传输,用以确保可不中断传输。随着蓝牙版本不断发展,虽然最大传输速率达到了24Mbit/s,但厂商依旧是出于功耗和连续性的考虑, 使用了有损压缩的音频,另一方面,对于大码率的有损很多用户也听不出其中的区别,而HiFi领域又是以传统耳机为主,所以蓝牙耳机、音箱一直将有损音频编 码的传输沿用至今。

二、混频部分

要实现Mixer功能则需要了解audio follow ,以下是audio 的流程,数字混频一般的由DSP来进行处理,由于我们的蓝牙板是已经完成的模拟音频信号,因此只要接上模拟输出接口到混频电路就可以完成混频功能,若蓝牙板输出的是数字信号,可以配置RTL8763BF 的PCM/I2S再通过专用的Aisc混频 ic 进行数字模拟音频混频,比如:CS4341A、新唐NAU8814等等。

图五)数字混频基本原理

混频



三、前置预放
前置放大器主要完成信号拾取、声调控制等等功能,主要测试考量其频率响应在与RIAA曲线相关的+/-1dB范围内,响应扩展到+/-2dB下降到20 Hz。失真很低,通常低于0.4%。嗡嗡声和噪音为60分贝或以上(未加权)。实际测试电路的低音电路频率响应从1 kHz降低到30 Hz,在+/-1dB范围内。最大低音提升(50 Hz)约15分贝,最大低音削减约15分贝。我们的设计目标是,在1千赫的情况下,高音电路基本上是看不见的,并开始在大约3千赫的频率响应上产生影响。可以通过改变某些电容分量值来实现这一点。放大器上提供三个输入(CD、线路和前面板辅助输入),其中“前面板辅助”输入是一个用于连接个人娱乐设备(如iPhone)的迷你插孔。


四、预放及后级功放
本机每声道采用1支6U8A 三极/五级复合管即国产6F2、6GH8A,国外6U8 、ECF82 、E80CF 、7643 等,作为输入放大级及倒相级,末级用两支6973功率管以推挽方式做功率放大,输出功率约20W,倒相电路主要有两种,一种是长尾式,一种是屏阴分负载。 其中长尾式倒相是一种差分式倒相,与屏阴分割式相比,其倒相后的信号相位幅度更平衡准确,失真更小,这种应用电路主要是追求指标,但是对于胆机来说指标好 不意味听感好,由于长尾式倒相由于线路平衡,奇偶次谐波都被抵消了,因此听感偏冷淡,胆味不足,而且多用了个三极管子导致成本与配对都消耗时间。因此我们 的电路采用屏阴分负载即屏阴分割式的方式。它是一种早期的倒相位方式,由于屏/阴极的输出阻抗不同,即使采用不同的负载电阻还是无法做到平衡,因此失真度 指标不容易做的高,而这种不平衡的倒相在听感上存在大量的偶次谐波,使得听起来感觉到胆味温暖如春,非常浓郁,同时具有简洁低成本优点,如用三极/五极复 合管做前部放大和倒相,那么只要加两支功率管做输出放大就完成整个放大线路,非常简单而且听感很好。我们的前级/倒相是由一个三极/五极复合管 6U8A(或7199)完成,全机增益全靠第一级的五极管放大,采用放大倍数高的五极管的好处是可以取得一定的放大量,又省却前级放大器,它可与第二级为 直耦方式,简化了电路。若国内不能够找到这个型号的管子,也可以用参数相同的国产6F2替代。
后级功放采用国际名胆6973,主要的为音频放大器应用。其改进的新型号为EH6973,产地为俄罗斯,6973五极管做末级超线性放大,它的帘栅极为固定偏压供电,这样的设计可提高输出功率并能够抑制失真,但由于6973管子在国内极其难以购买到,这个电路也可以改为采用EL34管子(如:国产曙光),需要调整供电电压,不能直接互换。另外不论选择何种品牌的管子有一点必须牢记:就是每个声道所用的两个推挽管和它的栅极平衡电阻必须要严格配对使用,最好两声道的4个6973(或者EL34)的特性是一致的,这样不但省去了平衡电路,同时也提高了输出功率,声音基本上做到失真小声场更平衡真实。


五、电源设计
电源供给是以电子管6CA4 整流并经过LC滤波(L51)提供给+345V 电压到功放管及6U8A,其中灯丝电压通过T51变压器次级绕组供给,由R53/R54及D53组成的微调再通过电位器R55可调整灯丝电流.我们的蓝牙板供电有T51变压器次级绕组5V供给,注意蓝牙供电电压最大5V,详细的电路参考设计电路。

图六)电源电路设计

power



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
流程图



七、其他
蓝牙音频耳机规格(HFP、HSP、A2DP、AVRCP)简介当两台蓝牙设备建立连接时,它们会获取对应设备提供的协议。 只有使用相同协议的设备才能交换数据,就像两个人要使用相同的语言才能进行有意义的对话一样。当蓝牙定义设备之间的物理无线连接时,蓝牙规格会建立这些设备能够使用蓝牙技术交换的命令和功能。HSP和HFP蓝牙规格是典型单声道蓝牙耳机操作所需的规格,A2DP和AVRCP对于立体声耳机很重要。
HSP(手机规格,Head-Set-Profile)这是最常用的配置,为当前流行支持蓝牙耳机与移动电话使用,提供手机与耳机之间通信所需的基本功能。 连接和配置好后,耳机可以作为远程设备的音频输入和输出接口。
HFP(免提规格,Hands-Free-Profile)在HSP的基础上增加了某些扩展功能,常用来让车载免提装置来控制移动电话。它使用连续可变斜率增量调制或脉冲编码对数一法或μ-法量化音频通道调制。 描述了网关设备如何用于供免提设备拨打和接听呼叫。典型配置如汽车使用手机作为网关设备。在车内,立体声系统用于电话音频,而车内安装的麦克风则用于通话时发送输出音频。HFP 还可用于个人计算机在家中或办公环境中作为手机扬声器的情况。
A2DP(高级音频传送规格, Advanced Audio Distribution Profile)允许传输立体声音频信号(相比用于HSP和HFP的单声道加密,质量要好得多)。A2DP能够让两个同样支持蓝牙音效传输的装置互相连接,都能输出如CD音质(16 bits,44.1 kHz)般的音乐。假如有一方没有支持A2DP的话,这时音效就只能输出Handsfree Profile(8 bits,8 kHz),就算耳机是采用双耳筒的设计,也只能有一般电话的单声道音质,与真正的立体声相去甚远。
AVRCP(音频/视频遥控规格,Audio/Video Remote Control Profile)用于从控制器(如立体声耳机)向目标设备(如装有 MediaPlayer 的电脑)发送命令(如前跳、暂停和播放)。AVRCP 设计用于提供控制TV、Hi-Fi设备等的标准接口。此规格用于许可单个远程控制设备(或其它设备)控制所有用户可以接入的A/V设备。它可以与 A2DP 或 VDP 配合使用。

图八)蓝牙软件协议栈

AVTCP


八、硬件layout
A)蓝牙部分
先决定关键部件的摆放
(1)确定天线、射频、天线匹配元件的摆放位置
(2)确定RTL8763B的位置
(3)确定晶体位置
(4)确定SPI flash placement
外围电源组件
(1)先放置高压电容,尽量接近8763B
(2)开关稳压器和电容器
(3) VBAT和ADP_IN pin的电容
(5)相关电容器尽量靠近IC引脚

B)胆机部分
通常胆机layout采用手工工艺搭棚的方式制作,其效率低及容易出错,因此我们采用EDA的设计方式来制作,以下是设计的图示:

图九)真空管电源供电板示意图
电源板


九、结尾
通常我们经常接触的固态电路的电源电压通常是在5到15伏特范围内的项目。这与真空管放大器的400 V(或更高)板电源相去甚远。因此需要格外谨慎。我们应该都要知道在给电子管电路供电时,都要注意到潜在的危险。

场景应用图

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产品实体图

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