基于Realtek RTL8763BOM 混合蓝牙音箱体的设计方案

混合蓝牙音箱体的设计是什么?它是一个基于Realtek RTL8763BOM 蓝牙5.0 Soc与DAC及PA功放的混合高保真音箱放大器。这是Realtek 推出系列的蓝牙5.0 Soc方案应用。非常适合在各种运动场合,比如:音乐舞蹈训练、多人协同娱乐、教育等等应用领域。

【二. 技术特点】

这个混合蓝牙音箱体本质上是个音箱,它具有无线蓝牙及DAC解码功能一体的音箱设备,极大的方便了“小资青”们的DIY和小场合的应用,具有极广的应用领域。这个混合蓝牙音箱体包含了以下特性和功能:
  1. 超远的接收距离,满足蓝牙CLASS A 通信距离。
  2. 增强的Class D类功率放大器,输出功率达2*50W。
  3. 双路缓冲器输出级,以及高精度的24bit 解码DAC
此外:
  • 极小的散热片
  • 超低的功耗的BT5 芯片
  • 模块板尺寸小:3“宽x 3.6”(30毫米x 36毫米),(1.6mm) FR4板

【三. RTL8763BOM 蓝牙模块】

RTL8763B号称是全球最低功耗BT5S双模式音频SoC(rtl8763b),不仅支持最新的双模式蓝牙(BR/EDR+BLE),而且具有最低的功耗(< 8mA播放音乐时),一个开放的SDK平台,以及高清晰度音频输出。通过手机或电脑,Realtek rtl8763b可以无缝随时随地连结网络音乐进行实时播放,未来还可以链接到一个云语音助手作为私人秘书来帮助管理和控制日常生活事件。Realtek公司的RTL8763b低功耗双模BT5 SOC是完美的耳机,音箱和可穿戴的应用,使现代生活更方便更容易。本方案采用RTL8763B系列蓝牙5双SOC,支持SDK 客制化编程应用。

1、一般的描述
RT8763B系列的单片机蓝牙Mono(RTL8763BM)和立体声音频解决方案(RTL8763BF / BFR RTL8763BS, RTL8763BA)应用程序。 RT8763B由一只ARM核心和一种超低能耗的DSP核心与高效的计算能力,高性能音频编解码器,电源管理单元,ADC,超低当前射频收发器和智能I / O分配控制器。参数配置工具,EVB工具包,MP套件,包括控制器的硬件和软件,为客户提供一个简单而灵活的程序快速设计与瑞昱继续大规模生产的新一代音频解决方案。 这些完整的解决方案提供一个快速和高度可靠和一个竞争非常激烈的R-BOM发展道路。

特性
  • 蓝牙5规范兼容的
  • 支持六7,HSP 1.2, 1.3 A2DP, AVRCP 1.6, 1.2和1.0 PBAP SPP
  • 单头射频无线电与高性能10 dbm的发射机输出功率- -94 dbm 2 m EDR接收机灵敏度
  • 支持蓝牙经典(BDR /功能)
  • 支持蓝牙低能量(祝福)
  • 通用访问服务
  • 设备信息服务
  • 专有的数据通信服务
  • 苹果通知中心服务(小区)
  • 真正的无线高保真头戴式耳机应用
  • 支持USB c型音频
  • 支持iAP2
  • 瑞昱的最新RCV(真正的清晰的声音)技术对窄带和宽带语音连接,包括减少风噪声
  • 支持高分辨率的音频编解码器24位,192 khz音频数据格式
  • 支持双模拟和数字麦克风输入,i2数字音频,模拟输出
  • 支持高速UART、I2C、SPI和0接口兼容
  • 支持高分辨率12位元多通道ADC
  • 支持PWM I / O和智能控制器
  • 支持USB BC1.2电池充电
  • 与MUX智能I / O分配方案
  • 内置8 mbit闪存(RTL8763BF / RTL8763BFR)
  • 集成双开关模式功率调节器,线性监管机构,和电池充电器; 充电电流400毫安
  • 内置电池电压监测与外部热敏电阻和热保护方案
  • SBC,AAC解码器的支持
  • 包装:5 x5mm2QFN40 (RTL8763BM RTL8763BF RTL8763BFR) 6 x6mm2QFN48 (RTL8763BS)和8 x8mm2QFN68 (RTL8763BA)与4毫米
  • 支持在线旅行社和USB固件升级
  • GSM 217 hz干扰屏蔽设计
  • BOM成本低
  • 绿色(通过无铅认证和锑或卤代阻燃剂)
  • 支持PTA(包交通仲裁者)共存时的wi - fi


基带特性
  • 40 mhz主时钟
  • 升级支持弗兰克-威廉姆斯的串行flash存储和参数
  • 自适应跳频(AFH)
  • 多支持
  • 支持连续复制管理系统(SCMS-T)内容保护


RAM和ROM的大小
  • 罗768 kb大小
  • 单片机内存大小16 kb RAM缓存+ 8 kb x 2 x 8数据内存
  • DSP RAM 8 kb x 22

射频
  • 支持TX + 10 dbm (typ)最大输出功率为蓝牙经典
  • 支持TX + 10 dbm (typ)最大输出功率为蓝牙祝福
  • 支持TX + 4 dbm (typ)最大输出功率,因为蓝牙低功耗TPM模式
  • 接收灵敏度:-94 dbm (2 mbps EDR功能)
  • 接收灵敏度:-97 dbm(祝福)
  • 接收机灵敏度:-106.5 dbm (125 k祝福长范围)
  • 单头TX / RX射频端口没有匹配所需的组件(当发射功率低于+ 4 dbm和使用PIFA类型PCB天线)
  • 晶体振荡器和时钟偏移的内置集成电容器数字调谐(0 ~ 20 pf),可以节省2-compensation CL帽后瑞昱设计指导方针


单片机
  • 32位ARM处理器Cortex-M4F
  • 支持硬件浮点单元(FPU)
  • 支持内存保护单元(微控制器)
  • 支持门限调试接口
  • 执行外部SPI闪光
  • 4路协会缓存控制器


DSP音频处理
  • 增强Tensilica Hi-Fi-mini兼容的24位DSP核心
  • 2单循环mac: 24 x 24位乘法器和56位累加器
  • 支持711法、µ-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-mic噪声抑制和回波消除
  • 包丢失隐藏(PLC)进行声音处理
  • 南方浸信会,AAC-LC音频编解码器支持BT音频流


音频编解码器
  • 双操作电压范围8 v和1.8 v
  • 支持无输出电容,单端和差分模式在DAC的路径上
  • 支持16欧姆和32欧姆的扬声器加载
  • 立体24位数模转换(DAC) 102 dba信噪比
  • 立体24位模拟数字(ADC) 97 dba信噪比
  • 五波段可配置的EQ在DAC / ADC路径
  • 采样率8、16、32,44.1,48岁,88.2,支持96千赫。
  • 内置麦克风偏见发电机


数字音频接口
支持两种PDM数字麦克风输入
支持24位,192 khz i2数字音频
采样频率8/16/32/44.1/48/88.2/96/176.4/192kHz

广播
兼容蓝牙核心规范包括BR /功能/ LE-1M / LE-2M / LE-Coded(长期)
完全集成的变压器和合成器最小化外部组件。
射频电路设计最大限度地减少能耗,同时保持良好的性能

PMU
高度集成的PMU系统的设计应用程序
双模式切换数字核心监管机构、广播和音频编解码器分别
内置的LDO的I / O和闪存
内置锂离子电池充电器高达400毫安充电电流的能力
支持环境热检测电池温度检测
内置OVP, (OCP, UVP保护保护系统。

操作条件
工作电压:2.8 v至4.35 v (VBAT)
温度范围:-20°C + 70°C

包装信息
5 mmx5mm QFN40包(RTL8763BM)
5 mmx5mm QFN40包(RTL8763BF / BFR)
6 mmx6mm QFN48包(RTL8763BS)
8 mmx8mm QFN68包(RTL8763BA)

应用场合
单声道耳机
立体声耳机
真正的无线立体声耳机(遥控武器站)
Mono的演讲者
立体声扬声器

2、RTL8763B RF 模块测试
在开发RTL8763BOM BT RF部分时,下面简单叙述BT RF的测试应用,具体的操作请看附件蓝牙射频测试工具用户手册说明文档:
1)概述
参考文档“Realtek蓝牙的射频测试工具”及应用“ RTLBTAPP”工具来开发RTL8763B系列芯片,如果RF测试中出现任何问题,请联系Realtek或者大联大的蓝牙FAE交流。
2)文档及MP工具包以二进制格式提供给客户:
RTLBTAPP.exe----MP可执行文件
RtlBluetoothMP.dll-----MP dll库
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图1文件列表

双击“ RTLBTAPP.exe”打开此工具。但是,请使用“运行管理员”以在Vista / Windows7或更高版本中将其打开。
3)硬件环境
在使用此工具之前,PC应该直接连接UART端口。连接蓝牙和HOST芯片之间的连接必须切断。
4)开启RTLBTAPP
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图2打开BTLBTAPP

步骤1:选择正确的界面。
UART:如果模块接口是UART,请选择“ UART”并检查COM端口设备管理器中的电话号码。
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图3检查COM端口号

步骤2:点击“打开”。单击“打开”按钮后,左上角变为绿色,表示成功打开BT设备。
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图4设备成功打开

5)DUT(链接)测试模式
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图5进入链接测试模式

进入链接测试模式,请执行以下操作。
步骤1:点击“ HCI重设”按钮重设。
步骤2:点击“测试模式”按钮进入DUT测试模式(链接测试模式)。
步骤3:测试后,点击“ HCI重置”按钮以退出DUT测试模式

6)LE DUT TX / RX测试(MP)
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图6 LE测试

步骤1:选择“ LE测试”。
步骤2:选择“ LE PKT TX”或“ LE PKT RX”
步骤3:选择LE测试参数:
(a)频道:0?39
(b)数据长度:0?0xFF
(c)数据包类型:PRBS9,1111_0000,1010,PRBS15,ALL1,ALL0,0000_1111,0101
(d)PHY:LE 1M PHY,LE 2M PHY,S = 8的LE编码PHY,LE编码S = 2的PHY
步骤4:单击“开始”按钮开始测试。测试后,单击“停止”按钮。绿色矩形显示在LE PKT RX模式下收到的LE Rx数据包。

7) BLE直接测试模式
本节介绍了用于测试低蓝牙的直接测试模式机制并说明如何建立直接测试模式连接。此直接测试模式MODE需要直接连接到Realtek蓝牙设备,使用HCI UART接口连接到蓝牙测量仪器。Realtek定义了uart引脚,如下图表所示:

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图7参考EVB板定义

注意:参考EVB板定义如下图所示(此版本可能会更改),
1)如果蓝牙测量仪器接口是hart或2线:
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图8通过uart界面连接到仪器

2)如果蓝牙测量仪器接口为RS232,则需要进行电平转换。

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图9连接到仪器的RS232接口
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图10连接到USB至UART转换器的8852B仪器

逐步配置测试环境:
1.在EUT的天线连接器和蓝牙之间连接RF电缆测量设备。
2.将HCI UART(RS232)TX连接到蓝牙测量的UART RX设备(电平转换或USB转换板)。
3.将HCI UART(RS232)RX连接到蓝牙测量的UART TX设备(电平转换或USB转换板)。
4.在EUT和蓝牙测量设备之间连接GND或将USB电缆连接到测试仪。
5.按下硬件复位引脚并开始测试。

8) 附录
FCC声明:此设备符合FCC规则的第15部分。操作必须符合以下两个条件:
(1)本设备不会造成有害干扰,并且
(2)本设备必须接受收到的任何干扰,包括可能导致意外干扰的干扰。

3、BT 天线性能测试
在蓝牙RF调试完成后,还需要进行天线端的匹配测试,一般需要到专业的天线工厂进行参数调整,使得蓝牙芯片与天线端之间的匹配良好,以及测试整机的天线性能。即蓝牙OTA的测试,主要包括蓝牙总辐射功率(TRP)和总接收灵敏度(TIS)。其测试方法与CTIA的OTA测试方法相似。

    Bluetooth OTA测试是通过天线经空中传输相连,测试要求EUT必须进入测试模式,并与基站之间的蓝牙链路的一些参数进行配置。具体的设置如下:
    1) 基站控制EUT处于定频模式(RX/TX Single freq.);
    2) 测试方式为环回方式(Loop back),并设置whitening为off;
    3) 测试一般要求EUT分别工作在低(9)、中(39)、高(78)三个频点,回送调制信号为10101010,分组类型设置为DH5;
    4) TIS要求BER<5.0%,并要求相对灵敏度测试。
    5) 如果EUT支持功率控制,要求EUT工作在最大功率。


天线图

图11 蓝牙的
TRP,TIS


4、SDK软件编程

1)RTL8763BOM 为realtek Flash Rom版本,其SDK版本 RTL8763_SDK_V1.0.3.6_20190322,允许用户进行客制化编程,支持Keil 编程环境。
keil

2)Realtek RTL8763B SDK 基于BBPro SDK,主要由七大模块构成(App、BT、IO、MCU、OSIF、Platform、samples etc.,),关于本项目可参考Sample APP的audio例子进行编程。RTL8763B SDK: Sample APP
 

SDK

瑞昱半导体公司
台湾新竹300,新竹科学园区创新路2号
电话:+ 886-3-578-0211。传真:+ 886-3-577-6047
www.realtek.com

四、 整机系统工作流程
系统描述
Realtek RTL8763B 支持I2C 通信及PCM/I2S 音频数据流传输,通过软件进行对RTL8763B 配置成master或者slave 模式,本系统蓝牙配置成master模式,由RTL8763 的i2c 通信接口控制DAC 的通信接口,其数据流通过I2S或者PCM接口 与DAC进行数据传输,见下图:
master mode


五、DAC介绍(WM8740 /41/42)
 1)电路介绍
电源经过桥整流器, 由low-drop电压监管IC LE50提供模拟和数字部分的供电。 功率放大器供电使用普通的78 l12和79 l12电压调节器,产生12~15 v的正负压。 所有的稳压器需要有100 nf陶瓷电容器和47uF/ 16 v的电解输出滤波电器。 电路采用WM8740高性能采样DAC(当然也可以选择其他经典的DAC:PCM1794、PCM1798、PCM1796、PCM1792、CS4398等芯片), delta-sigma 架构,最大采样频率192千赫/ 24位,它具有平衡电压输出可连接到高质量的运算放大器和单端输出缓冲器。 芯片可配置成硬件控制及软件控制工作模式,其软件控制支持SPI接口,由于8740不支持I2C通信,软件控制只能由I2C改为了SPI。而RTL8763B SPI接口被应用到Flash ,因此WM8740 只能采用硬件控制方式来配合RTL8763B 芯片完成通信数据的控制, 这意味着可通过设置正确的pin置0或1来改变,即通过特定引脚的上拉或下拉状态决定其工作状态,注意所有上拉或下拉的电阻均为10kΩ。其控制引脚设置通过MODE/ LRSEL 引脚来选择硬件模式或者软件模式。WM8740/41 内部的主时钟检测电路自动确定主时钟MCLK与采样时钟LRCLK关系,并确定最终采样速率。尽管WM8740/41允许MCLK有一定的相位延迟和抖 动,但设计时也应尽量使MCLK与LRCLK同步。我们通过RTL8763B 的I/O MUX UI tool设置MCLK引脚,然后提供给DAC以保证时钟的同步。WM8740/41 输出的模拟信号中夹杂高次谐波分量,因此需经低通滤波滤除高频噪声,进而得到较为纯净的模拟信号。注意DAC和运算放大器电源滤波需要100 nf陶瓷电器和10 uf / 16 v小电解电器。
pin CSBIWO和ML / i2S可配置数据格式 i2S / 24位,这种格式是最常见的,支持所有的S / PDIF 解码器和i2S及USB声卡输出。本电路DAC平衡电压输出后连接2级低通滤波器与双运算放大器OPA2134,失真非常低。 这个放大器同时转换平衡输出到不平衡。 当负载连接不理想时,输出连接的小电阻可以防止振荡且输出不需要耦合电容器,电路非常简单可靠


2)音频DAC的测量
     目前存在很多的音频dac,但是都是两种基本类型的变体(R-2R或DAC DELTA-SIGMA调制器)。 其中R-2R架构采用非常精确的电阻,但是制造和价格昂贵得多。 它可以工作在非过采样模式(NOS), 缺点是他采样频率太近音频频谱,很难用简单的低通滤波器过滤它。 当我们运行没有经过过滤与高质量组件的DAC,在48khz采样频率测量240hz、2.4 khz、24khz的音频信号波形,测量结果看起来dac DELTA-SIGMA调制器很好,听力测试R-2R dac 听起来更好一些。 下图是音频DAC在示波器上的测量波形,可对比不同DAC之间的差异。 我们可以看到delta-sigma DAC的扭曲信号,这就是为什么大多数HiFi听众喜欢R-2R DAC non-oversampling模式类型的DAC芯片。
测量



六、音频功率放大器
1)介绍功放电路
采用d类音频放大器,使用评估板TPA3116D2EVM,供电2 x 50 w。
2)电路描述
TPA3116D2 class D类音频功率放大器,采用脉冲宽度调制工作。其音频信号调制频率大约几百赫兹~几兆赫。 由于放大器可切换工作在脉冲模式,不会损失任何功率可使用微型散热器或没有散热片。 因此该放大器更经济,也很便宜。 放大器的输出直接接扬声器输出。 采用低电源电压24 v,电路的电源是非常简单的。
EMI滤波器用于滤除从电网输入的高频噪声,还能防止电源线泄漏的干扰噪声。 通过NTC热敏电阻峰值电流限制在稳定的保护区域,以防止电压突然的升高,起到保险丝和开关的作用。变压器的二次侧,是连接的桥式整流器输出再经过四个电解电容器4700/ 25 v的滤波。 然后通过电阻1 k2 连接了电源开关。  这里用100 va变压器输出电压17 v。 在没有负载整流和滤波后输出电压约25 v。 功率放大器芯片能接受26 v的工作电压。
图表
功放
3)链接
七、音箱制作
制作前,学习使用音箱设计软件,声学的设计是比较复杂的、科学性的。因此使用音箱设计软件能够快速设计及评估音箱体,常用的音箱设计软件有:
winisd、bassbox、spcadLspCAD等设计工具,其简单易用的风格深得广大音频爱好者津津乐道。下图为winISD 早期的软件版本,依然实用。

winISD
 

八、结束语

  设计实现蓝牙与一个具有24位、192kHz的采样率的数字音频高保真音箱体。该数字音频高保真音箱体无需特定MCU控制,电路简单、稳定性高。但由于采用硬件控制模式,电路配置具有一定局限性。如果要进一步增加其功能可增加一片MCU,采用软件控制模式,实现人机交互操作。WM8740/41优异性能使该数字音频高保真音箱体输出具有较高的动态范围,极低的噪声,本方案仅仅是针对Realtek 蓝牙无线耳机芯片的其他应用,目的是起到抛砖引玉的作用,客户可应用于不同的音频产品中。

场景应用图

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产品实体图

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