基於Qualcomm QCC3086藍牙低功耗音頻Auracast™廣播之無線聽診器設計方案

        2019年COVID-19 新冠肺炎疫情開始在全球大爆發，每天從新聞上可以看到各地確診人數不斷向上攀升。如何降低接觸感染機率並對已感染的病患提供有效和精確的診斷一直是醫護人員的心聲和要求。 雖然目前市面上已有藍牙無線電子聽診器，改善了近距離跟病人接觸感染的風險，但是目前市售的藍牙聽診器都只能對應一個藍牙無線耳機或手機，無法讓所有的醫生同時間都聽到心肺音來做病情的討論。所以本設計方案提出一款藍牙低功耗Auracast™廣播聽診器，可以廣播發送聽診音頻訊號給無限個Auracast™認證的藍牙耳機或藍牙喇叭來收聽，這樣就可以避免近距離接觸病患和外部噪音干擾，讓醫護人員可以更安全聆聽微弱心肺音來做精確的判斷。       

        本設計方案採用藍牙低功耗的廣播音頻（Broadcast Audio）功能，讓一個Auracast™藍牙低功耗發射器的傳播音頻到接收範圍內已通過Auracast™認證接收設備，來接收播放音頻，且接收設備數量不限。藍牙低功耗廣播引入了低功耗等時通道（Isochronous Channel）的概念這是一項用於音頻傳輸的關鍵功能。等時通道旨在實現在不同的藍牙設備之間同步音頻流，以提供更高質量和更一致的音頻體驗。以下是有關藍牙低功耗的等時通道的一些優點：

• 高品質音頻：等時通道可提供高達 384 kbps 的音頻數據速率，可提供高品質音頻。
• 時間同步：數據在音源和接收器處都進行了時間戳記，確保播放在各個設備上保持同步。
• 錯誤校正：數據中的錯誤被檢測和校正以保持音質。
• 功率控制：數據以與播放速率匹配的速率傳輸，最大限度地減少功耗。

        藍牙低功耗等時通道有兩種型式： 

• 連接式等時通道 (Connected Isochronous Channels)：需要兩個設備建立GATT連接之後才可以使用的用來傳輸的通道。
• 廣播式等時通道 (Broadcast Isochronous Channels)：使用廣播來傳輸音頻。 連接式等時通道主要用於多重串流和分享等應用，而廣播式等時通道主要用於廣播等應用。

         圖1是Auracast™ 工作方式。Auracast™發射器發送出含有廣播資訊的Auracast™廣播（分享），並且向Auracast™輔助設備(如手機或平板等裝置)提供關於廣播的資訊（例如名稱、內容、編解碼器配置等）以及一個或多個串流（如左和右邊立體聲串流）。

 
圖1 Auracast™ 工作方式(圖片來源：藍牙技術聯盟) 

        Auracast™輔助設備利用藍牙低功耗技術掃描Auracast™廣播，並提供使用者一個可選擇任何一個Auracast™廣播（分享）連接的使用者介面，這就很像在手機上選擇要連接的無線網路分享器。在使用者選定了要連接的Auracast™廣播（分享）之後，Auracast™輔助設備會向Auracast™接收器（如耳機、助聽器等）提供加入Auracast™廣播所需的必要資訊，然後開始接收並且播放串流。

聽診頭結構

        聽診頭：通常由金屬製成，用於放置在患者身上以收集身體內部的聲音。聽診頭由聽筒和膜片所組成(參見圖2)。

• 聽筒：用於放大收集到的聲音。
• 膜片：位於聽診頭和聽筒之間，用於收集和傳遞聲音。

濾波和麥克風放大線路

        麥克風放大器是可以選擇專門為低損耗電源所設計的功率放大器且具有自動增益控制（Automatic Gain Control, AGC）功能，可以自動調整增益以避免過大的輸入而產生失真，並且確保輸出都能夠保持一定的音量輸出。另外在其基本電路中，可以在輸出端和輸入端添加了一階低通濾波器，以濾除高頻雜訊，有助于提高在實際應用中的性能，確保輸出信號的純淨性和可靠性。

藍牙低功耗廣播線路 

        此次設計採用Qualcomm 所推出的QCC3086藍牙晶片作為藍牙低功耗廣播發射平台，本方案設計使用QCC3086開發板方便後讀訊號的量測。本設計方案將利用藍牙低功耗 LC3編碼解碼音頻。設計聽診頭的麥克風收到心肺音後，經過麥克風放大器和濾波線路傳送到QCC3086類比訊號輸入，再透過QCC3086藍牙無線廣播功能傳到藍牙耳機，或藍牙喇叭等其他設備播放使用。圖3是QCC3086基本線路圖。

• QCC3086 是一款單晶片藍牙音訊 SoC 平台，旨在以 USB 轉接器或Line in的形式實現豐富的功能，為任何來源設備帶來 Snapdragon Sound™ 技術套件。
• QCC3086是 Qualcomm S3 Gen 2 聲音平台產品組合，提供符合藍牙 5.4 標準的 雙模設備，利用經典藍牙和 LE 音頻，以及 Snapdragon Sound 功能為源設備提供支援。
• QCC3086 結合了 Snapdragon Sound 和 LE Audio，可提供低於 20 毫秒的超低延遲，實現無延遲無線音訊以及用於遊戲內聊天的語音反向通道。當僅提供遊戲音訊時，延遲會進一步減少。
• QCC3086 也透過 Qualcomm® aptX™ Adaptive 和 aptX Voice 提供 Snapdragon Sound 支持，旨在實現高達 24 位元 96kHz 的音樂串流和超寬頻語音免持通話。
• OEM 可以利用QCC3086將 Auracast™ 廣播音訊功能添加到適配器和適配器中，以便與電話、筆記型電腦、電視和各種其他音訊設備等來源設備一起使用。QCC3086 專為新興的Bluetooth® LE Audio 音訊標準而設計，旨在支援 Auracast™ 廣播音訊和 LE 音訊單播音樂和語音。 

圖3 QCC3086 基本線路圖

        本設計方案探討藍牙低功耗廣播聽診器的廣播功能，這項功能具有獨特的能力，允許多個藍牙低功耗接收裝置同時接收到一個廣播。第一組待測物Qualcomm QCC5181 Earbud RDP 藍牙主動降噪耳機的左耳機放置於GRAS 45C人工耳模型的左耳廓位置，如圖4所示。同時，第二組待測物QCC5181 Headset 開發板配合有線耳機被放置於GRAS 45C人工耳模型的右耳廓上，如圖5所示。

圖4 Qualcomm Earbud RDP(左耳)    


圖5  QCC5181開發板接有線耳機(右耳)

         使用Audio Precision APx500 V8.1軟體 和Audio Precision APx525B，我們進行了階梯頻率掃描的設定，並將訊號Level設定為100mVrms進行輸出。隨後，我們對Qualcomm Qualcomm QCC5181 Earbud RDP藍牙主動降噪耳機的左耳和QCC5181 Headset開發板的右耳進行了RMS Level的量測，以觀察其輸出的表現。從圖6的測試結果中，我們可以明確地觀察到兩個待測物的因為硬體設計的不同，所以輸出音量存在差異。然而，值得注意的是，儘管音量存在差異，但其頻率響應曲線的走勢是相似的。這意味著在不同的音量設定下，兩個設備在頻率響應上都展現出一致性。

 

圖6 Qualcomm RDP藍牙主動降噪耳機左耳跟QCC5181開發板右耳RMS Level輸出

        另外使用APx 500軟體的DUT Delay功能量測第一待測物Qualcomm Earbud RDP左耳和第二待測物QCC5181 Headset開發板右耳輸出延遲，結果如(圖7)。因為產品應用為藍牙廣播聽診器，需精確的傳送聽診音頻，所以根據Basic Audio Profile (https://www.bluetooth.com/specifications/bap-1-0/)設定成High-Reliability。依據多次量測的結果可以得出不同待測物之間的延遲和規格幾乎相同。

 
圖7 Qualcomm Earbud RDP左耳跟QCC5181Headset 發板右耳延遲時間

      我們得以確定藍牙低功耗廣播聽診器在廣播功能上展現了高度的準確性，能夠精準地將發送至每一個接收端。搭配藍牙耳機，不僅突顯了藍牙技術在聽診器和耳機產品中的潛在應用，而且也強調了其在實際操作和功能性能上的優勢。我們可以更有信心地認為藍牙技術對於現代醫療和個人聆聽裝置的進步具有顯著的貢獻。

        傳統聽診器在臨床應用中持續保持其主導地位，主要因其經濟實惠、操作簡單及耐用性。然而，其音質較為有限，容易受到周圍環境噪音的干擾，進而影響醫療診斷的準確性。電子式聽診器作為傳統聽診器的現代化演進，帶來了顯著的改進。特別是在特定條件下，例如大型患者、微弱的聲音或高噪音環境，電子式聽診器展現了其優越性。本設計方案提出藍牙低功耗廣播聽診器，提供了一套完整的電子式聽診器解決方案。此系統不僅適用於醫學教育和臨床診斷，而且具有多種優點，包括：

1. 可以同時提供多種聽診模式，包括心音、肺音、雜音等，方便醫生進行診斷。
2. 能夠增強聽診音量，從而提高聽診效能。
3. 具有數據儲存和分析功能，助於醫學研究和教育。
4. 低功耗和快速連接特性可優化其使用效能，減少對大型電池的依賴。

        藍牙低功耗廣播聽診器設計方案，作為現代醫學診斷工具的一部分，因其高質量的音質、先進的濾波技術、數據記錄功能和遠程聽診能力將有助於提高臨床聽診的效率和準確性，並為醫生提供更全面的診斷信息。