基於高通QCC3031 Class1之TWS藍牙音箱設計方案

QCC3031是一款入門級可程式設計藍牙音訊SoC,專為優化的藍牙音箱而設計。基於極低功耗架構,支援高通aptX™和aptX HD音訊、並可開啟TWS功能將左右聲道輸出到兩個QCC3031藍牙音箱再配合高通獨有可控制開啟外部2.4 GHz  TRANSMIT/RECEIVE射頻晶片將輸出功率加大、支援最高到1.8A的充電電流設計,更可以讓音樂享受不受間斷和距離的打擾。

QCC3031採用QFN封裝,旨在為客戶提供有助於縮短開發時間和成本的解決方案。除了高品質的Analogue Audio 輸出介面之外,另可程式化的Digital audio 豐富音源輸出,輸入方面除了無線藍牙之外,有線輸入支持USB音源撥放,還可以設定成wire in的方式讓你聆聽音樂的方式不再受到限制。 

現在將透過硬體設計的規範、測試和軟體的設定來説明你如何快速設計高通QCC3031 Class 1 TWS藍牙音箱。

硬體設計
在硬體線路設計方面,除了QCC3031基本線路之外,我們另外考慮外部線路,此次設計不用QCC3031原來的Analogue Audio 輸出介面,而是另外設計Digital I2S介面,並留出控制外部2.4 GHz  TRANSMIT/RECEIVE射頻晶片開啟腳位元來達到無線輸出大功率的設計。三個按鍵足以應付一般開關機,配對,大小聲等基本功能,當然還可以觸發TWS功能,開啟、切換EQ等進階功能應用。三個LED的設計也可以讓你在使用藍牙音箱時能時時刻刻知道現在藍牙音箱的狀態。

電路佈局方面,QCC3031外包裝為QFN80 pins設計,周邊零件都可圍繞QCC3031來做擺放,不需雙面組件擺放來設計。


除了RF和Crystal下方不能有任何連接線經過之外,在傳輸線的四周和帶通濾波器下方也儘量鑽孔連接下方的大地層。




此外還需特別注意1.8V 和1.1V SMPS buck 線路,保持SMPS週邊零件靠QCC3031 擺放除了可以避免PCB板的雜散電感而造成的電壓雜訊,並可以限制EMI的產生。

當然其餘的濾波和穩壓電容也是靠近QCC3031腳位擺放。



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軟體設定
在軟體方面,高通除了Mutlicore Development Environment(MDE)開發環境之外,還有ADK Configuration tool 可以用來做按鍵觸發和I2S,TWS功能設定、LED顯示、音源輸出設定,然後再搭配QCAT來調整cVc和Music EQ效果。

關於I2S輸出設定,首先要在Project 內 Enable wire 的功能Properties/Project : ENABLE_WIRED

然後在fw_cfg_filesystem\common\subsys3_config1.htf 設定I2S的腳位。

# Select PIOs for I2S interface 0 and 1: SCK, WS, MCLK, SD_OUT, SD_IN.
PcmPioConfig =  [ 10 11 ff 12 13 ]


Build All和Deploy All之後還要再進入ADK Configuration tool去做Channel Allocation的設定。這邊須注意如果要看到I2S的選項一定要在前一步驟Enable-Wired之後才會出現。

我們在ADK Configuration tool 工具內Configuration Set > Audio > Output > Channel Allocation底下將Endpoint Hardware Type改成 I2S。

如果要開啟TWS音箱的功能,也要在Properties/Project : enable_peer_device 選擇ENABLE_PEER_TWS_PEER_AVRCP。

啟動ADK configuration tool 關閉ShareMe的設定,Configuration Set > Peer Device Support > ShareMe

在Configuration Set > Peer Device Support > True Wireless Stereo設定TWS和Audio Source的來源。

以上完成軟體的所有設定之後Write Device 接著就可以Disconnect form Device。

當HSP/HFP或A2DP 連接完成後,就可以看到I2S的輸出,再搭配Stereo I2S Audio Amplifier即可以推動大瓦數的喇叭。

QCC3031本身提供aptX Classic + aptX-HD Decoders高音質較少損耗的無線音樂品質,除了喇叭單體和音箱結構設計來調整音質之外,另外可藉由QACT(Qualcomm Audio Calibration Tool)來調試基於DSP的語音和音訊後處理模組。使用QACT可以直接線上修改參數,讓調試音樂變的直覺化、十分方便。在此我們要介紹並導入EQ的調整和參數寫入,讓藍牙音箱有更多樣且豐富的音樂享受。在使用調試EQ前必須先設定要開啟EQ,關掉,切換EQ等按鍵動作,這部份也是透過ADK Configuration Tool來設定。

QACT針對QCC3031只支持線上修改參數,所以必需先建立A2DP連線, 打開QACT進入工具調試。



進入QACT的畫面之後,點選上方DSP/Monitor Statistics。然後在右邊視窗的Ovverride從PTHru改成Full才可以立即感受到音樂的即時變化。



點選Equalizer, 進入調整畫面就可以編輯EQ, QCC3031支援最多10個stage的設計,可用按鍵切換高達7組的EQ。

待調整完成後、將存入的參數值填入user_ps_filesystem/subsys3_psflash.htft檔案中即可。


Class 1 設計:

在開啟控制外部Tx/Rx路徑之前,我們必須利用高通MDE開發環境加入開啟外部2.4 GHz  TRANSMIT/RECEIVE射頻晶片的設定指令,之後並設定控制發射和接收的GPIO腳位。硬體方面,這裡選用2.4 GHz 2401C TRANSMIT/RECEIVE 射頻前端晶片將輸出功率放大到小於+20dBm。軟體方面控制參數須放置在QCC3031專案內的路徑 \dev-cfg_filesystem\subsys1_config2.htf的檔案內。利用三行編碼指定所需QCC3031硬體的TX(發射)和RX(接收) GPIO腳位來控制外部2.4GHz射頻前端模組即可。待設定完之後再做軟體燒錄即完成軟體設定動作。以下所有測試動作,設定使用QCC3031 GPIO20當接收控制腳位,GPIO21當發射控制腳位來測試。

PSKEY_TXRX_PIO_CONTROL = 1
PSKEY_TXRX_PIO_RX = 20
        PSKEY_TXRX_PIO_TX = 21


設定好TX/RX 開啟腳位後,如何驗證其功能和效能就相對的重要。高通Bluetest3測試工具則提供藍牙測試基本指令,透過Bluetest3我們可以用來觀察GPIO的輸出並設定開啟的時間週期和封包來達到藍牙測試規範的要求。另外在藍牙射頻測試規範中針對Class 1 的產品必須要加測RF/TRM/CA/BV-03-C [Power Control]和RF/TRM/CA/BV-14-C [Enhanced Power Control]這兩項測試。針對RF/TRM/CA/BV-03-C [Power Control]和RF/TRM/CA/BV-14-C [Enhanced Power Control]測試規範,要求:
  • 功率控制每一階(step size): 2dB< step size< 8 dB
  • 最小輸出功率小於+4dBm

利用Bluetest3執行三個測試指令 CFG FREQ、CFG PKT和TXDATA1來調整Basic Rate 和Enhanced Data Rate 的發射功率並符合功率控制測項的要求,以下設定以3DH5封包格式來做測試。



根據藍芽測試規範有關輸出功率的測項Payload格式是PRBS9,在Bluetest3中的TXDATA1 Payload定義就是PRBS9。TXDATA1測試指令中,除了要輸入要發射的頻率外還要填入QCC512x 內部功率放大器的參數。功率放大器的參數包含了數位(Digital)和類比(Analog)增益(Gain)的設定值。類比增益值代表的是內部功率放大器的衰減值Attenuation (0 to 15),數位的增益包含了Magnitude (-8 to 7) 和Exponent (0 to 3) 這兩個參數值,將這三個參數填入TXDATA1即可得到不同的輸出功率。

當然在此步驟可以先用示波器先來確認TX的腳位是否有正常運作,從下圖可以看到週期是我們所設定的6250us(6.25ms)。

另外調整Packet Type 和Packet Size也可以過測試儀器量得並顯示相對應的封包格式。

在Class 1的測項中除了量得輸出功率外還須測試power control(功率控制),在這裡我們要利用以上面的步驟分別量得Basic Rate和Enhanced Data Rate七階的輸出功率,然後填入Power Table 並覆寫入晶片當中(有關高通Power Table 的說明,請參考80-cf994-1_ae_qcc512x_bluetooth_power_table_optimization_application_note),要特別注意的是在這要確認功率控制每一階(step size): 2dB< step size< 8 dB。


Output power
當完成Power Table 參數寫入後,我們也可以透過Bluetest3\ ENABLE DUT MODE測試指令來測試Basic Rate和Enhanced Data Rate的輸出功率,功率控制和增強型功率控制。或是利用Bluetest3 Tester Interface 來測試Bluetooth Low Energy的輸出功率。

高通QCC3031為製造商提供一種高效的設計方式,其軟體發展環境MDE和配套的音訊開發套件ADK Configuration tool,除了可支援開發TWS功能,並能滿足藍牙喇叭音箱的需求提供更高瓦數,更遠距離和更大電池容量的藍牙音箱設計方案。

►場景應用圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►核心技術優勢

1. Bluetooth v5.0 specification support 2. Qualcomm® Bluetooth® Low Energy secure connection 3. Qualcomm® aptX™音頻、 4. Qualcomm® cVc™ 5. Qualcomm TrueWireless™ 6. A2DP v1.3.1、AVRCP v1.6、HFP v1.7、HSP v1.2、SPP v1.2、DID v1.3、HID v1.1、PXP v1.0.1、FMP v1.0、BAS v1.0

►方案規格

1. 具備 32 位元處理器子系統以及高通 Kalimba DSP 2. 藍牙 v5.0支援藍牙低功耗 2 Mbps Class 1 +20dBm 輸出 3. 還具備雙路 98dBA D 類耳機放大以及雙路 99dBA 單端類比輸入功能 4. I²S/PCM 和SPDIF interface數位音源界面 5. 支援外部最大充電電流1.8A

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