基于SigmaDSP的无线Sound Bar系统设计

王锦+陈博敏

摘 要：针对目前平板电视等设备对高品质音响系统的要求，设计了一款具有优越音频性能的Sound Bar音响系统，该系统以ADI的SigmaDSP数字音频处理器为核心，配合蓝牙等模块，还可实现智能手机、平板电脑等设备的无线音频播放。

关键词：Sound Bar;无线;SigmaDSP;音响

中图分类号：TN912                  文献标识码：A       文章编号：2095-1302（2015）01-00-02

0  引  言

由于平板电视的日益普及，并且伴随着制造技术的飞速发展，平板电视机日趋纤薄，机箱容积和扬声器口径受到了一定的限制，电视机音频听觉效果不理想等问题显得愈发突出，使用者在听觉方面无法得到满足，期待更好的音质来配合显示，因此专为弥补平板电视播放音频音质不足的Sound Bar音响系统便应用而生[1]，并且在Sound Bar音响系统中数字信号处理器（DSP）也获得了广泛的应用，用以对音频信号进行数字化处理[2]。本文就结合目前市场对Sound Bar音响系统的需求，给出了一种基于ADI的SigmaDSP数字音频处理器的无线Sound Bar系统设计，该系统除了满足平板电视的音频播放外，还能够以无线的方式播放智能手机、平板电脑或PC上的音乐。

1  无线Sound Bar应用系统

一个较为完整的无线Sound Bar应用系统由Sound Bar音响系统、平板电视（或者智能手机、平板电脑）、红外遥控等几部分组成（如图1所示）。图中的平板电脑通常与Sound Bar之间采用RCA方式进行音频信号的传输，也可以采用AUX方式连接;移动终端包括智能手机、平板电脑等设备，其与Sound Bar之间通常采用蓝牙进行通信，具备与智能手机音量同步的扩展功能。

图1  无线Sound Bar应用系统结构组成

2  无线Sound Bar的系统设计

2.1  无线Sound Bar的系统组成

无线Sound Bar系统由无线传输模块、音频切换开关、音频处理模块、音频功率放大模块等部分组成，如图2所示。无线传输模块负责接收手机、平板电脑等移动设备的音频线号，音频切换开关负责对输入的音源信号进行切换，音频处理模块负责对音频信号进行数字化处理，将处理后的音频信号送入D类音频功率放大器，经放大后的音频驱动喇叭以播放音频。

图2  无线Sound Bar组成结构

2.2  无线Sound Bar系统的硬件设计

这里以ADI的SigmaDSP为核心进行Sound Bar的硬件设计，其硬件组成如图3所示。音频处理模块选用SigmaDSP ADAU1701，音频功率放大器选用SSM3302，音频切换开关选用ADG884，蓝牙模块选用Excelpoint的CSR BC5-MM模块，与蓝牙模块配套的音频耳机模块选用TDA1308T，DC-DC电源模块选用ADP2371。

图3  无线Sound Bar硬件组成

2.2.1  SigmaDSP ADAU1701音频处理器

ADI的SigmaDSP 芯片ADAU1701是一款50 MIPS数字音频处理器[4]，包含1个28/56 b音频DSP、2个ADC、4个DAC，还具备类似微控制器的控制接口，并通过I2C总线或4线SPI端口通信。ADAU1701辅助的ADC包含4个输入多路复用器，用于模拟控制;具备通用接口GPIO，用于数字控制与输出;支持完全可编程的SigmaStudio[4]图形工具;内部集成28 b × 28 b 乘法器，包含56 b累加器，可用于完全双精度数据处理;支持192 kHz的最高采样速率，同时内置电压调整器可采用3.3 V电源供电。ADAU1701 程序可以从串行E2PROM自动引导（通过其自引导机制）或从外部微控制器上电加载，在上电期间，当前参数状态可以从ADAU1701写回到E2PROM，以便在下一次程序运行时重新调用。

ADAU1701的数字音频信号处理包括平衡、混音、低音增强、多波段动态处理、延迟补偿以及立体声图像扩展等，可以对现场的扬声器、放大器与收听环境的限制进行补偿，以便感受到的音频质量进行动态改进。ADAU1701的信号处理可以同高端立体声设备中的信号处理相媲美。大多数处理是由完全的56 b双精度模式完成的，因此带来非常优良的低电平信号性能。ADAU1701是完全可编程数字信号处理器。易于使用的SigmaStudio软件允许用户利用双二阶滤波器、动态处理器、电平控制以及GPIO接口控制通用等手段，通过图形配置用户定制的信号处理流程。

选择SigmaDSP平台的一项主要优势是配套的SigmaStudio设计软件套件，它无需任何DSP编程知识。SigmaStudio具有易用的图形化用户接口（GUI），可以生成无缝的硬件和软件工具环境。拖放接口使设计人员仅需在音频功能模块库（包括音量控制、交越与均衡滤波器，以及其它第三方算法）中进行选择，就能构建多通道数字音频平台。SigmaStudio工具还能够轻松实现已获得行业标准许可的Dolby、SRS等算法。

2.2.2  D类立体声音频放大器SSM3302

SSM3302是一款全集成式高效率D类立体声音频放大器，采用高效率、低噪声调制方案，无需外部LC输出滤波器，应用电路只需极少的外部器件。SSM3302采用7 V至18 V单电源供电，采用12 V电源时，SSM3302能够以90%的效率将7 W功率驱动至8 Ω负载，或者以82%的效率将10 W功率驱动至4 Ω，信噪比（SNR）大于98 dB。此外，激活单声道模式时，用户可以通过堆叠立体声输出端，将低至2 Ω的负载最高驱动至20 W连续输出功率。

与其它D类架构相比，采用扩频脉冲密度调制（PDM）可提供更低的电磁辐射。SSM3302含有一个可选的调制选择引脚（超低EMI辐射模式），大幅降低了D类输出（特别是100 MHz以上）的辐射。

SSM3302提供完全差分输入，可以有效地抑制输入端的共模噪声。该器件还含有一个高度灵活的增益选择引脚，只需一个串联电阻，便可以选择9 dB和24 dB之间的增益，而无需更改输入阻抗。与使用外部电阻来设置增益相比，这样做的优点是可以改善单个应用中多个SSM3302器件之间的增益匹配。

2.2.3  DC-DC转换器ADP2371

ADP2371为高效率、低静态电流降压型DC-DC转换器，采用专有高速电流模式、恒频PWM控制方案，具有出色的稳定性和瞬态响应。这些器件内置高效率同步整流器结构，因而无需外部整流器。输入电压范围3.2 V至15 V，输出电流800 mA，省电模式（PSM）下静态电流小于14 ?A，效率高于90%。固定输出为0.8 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.0 V、3.3 V、5 V和可调选项，占空比能力100%，初始精度±1%，具备快速输出放电（QOD）选项，并支持ADIsimPower设计工具。

ADP2371提供多种选择来设置工作频率。既可以将这些器件与600 kHz至1.2 MHz外部时钟同步，也可以强制使其通过FSEL引脚采用600 kHz或1.2 MHz频率工作。当噪声比效率更为重要时，可以强制ADP2371采用PWM模式（FPWM）工作。

为尽量减少外部器件数量并提高效率，ADP2371内置功率开关和同步整流器。为便于使用， ADP2371还包括内部软启动和内部补偿功能。

2.2.4  SPDT开关ADG884

ADG884是一款低压CMOS器件，包括两个独立的单刀双掷（SPDT）开关，具有超低的导通电阻，在整个温度范围内小于0.4 Ω，使其非常适合音频信号等要求最小开关失真的应用。ADG884还具有大电流驱动能力，在5 V电压工作时电流典型值为600 mA。ADG884在导通时，开关在两个方向正常工作，其输入信号范围可以扩展至电源电压。ADG884可以执行先断后合的开关动作。

2.2.5  立体声耳机驱动器TDA1308T

TDA1308T是专门为驱动立体声耳机设计的AB类耳机驱动集成电路，其电源电压为3～7 V ， 静态电流仅约3 mA，动态范围大， 带宽可达5.5 MHz，， 转换速率为5 V/μs， 交流声抑制达90 dB。在5 kΩ负载下的信噪比为110 dB， 失真率小于0.009%。

2.2.6  无线数据传输模块

无线数据传输部分主要包括蓝牙模块和近场通信（NFC）模块，该模块主要实现与智能手机等移动设备之间的数据传输，进而播放移动设备的音频。蓝牙模块采用CSR的高集成度BC5 系列蓝牙模块[5]，其内置16 位立体声编解码器为高品质音乐播放提供了保障，并且内部DSP 结合CVC 软件，可实现免提消回音功能。NFC部分采用模块Excelpoint的NFC模块，可实现Touch to Pair[6]（接触配对）功能。

3  结  语

ADI的SigmaDSP处理器具有高性价比、完全可配置，以及可扩展的数字音频后处理等特性，若利用其均方根检测和GPIO控制功能来显著降低Sound Bar系统的噪声和功耗，则能进一步发挥作用。SigmaDSP配套的图形化开发工具SigmaStudio支持以图形方式设置各种功能，而不需要编写代码，令设计工作倍加简单。此外，由于功率放大器模块通常离SigmaDSP处理器比离MCU更近，因此用SigmaDSP处理器来控制静音功能，可以简化布局布线工作并提高EMI抗扰度。

参考文献

[1]周文辉， 彭芳. 基于心理声学低频扩展的 SOUNDBAR 音响系统设计[J]. 电子设计工程， 2012， 20（21）： 107-111.

[2]何伟峰， 彭妙颜， 吴凯仪. 基于 DSP 的高保真还音技术在数字影院中的应用[J]. 现代电影技术， 2014， 5（10） ：38-43.

[3] Devices A. SigmaStudio for Sharc Users Guide Rev 1.0[Z]. 2012.

[4]杨州. 基于 ADAU1701 和 ARM7 的数字音频系统的设计[J]. 中国科技博览， 2011 （33）： 422-423.

[5]沈明合， 黄联芬. 基于 CSR BC5-MME 嵌入式蓝牙耳机设计与实现[J]. 现代电子技术， 2010， 33（14）： 28-31.

[6] Seethalakshmi P， Kumar C S， Gayathri C. The Human Interactive Mobile Utilization by Touching Technology-A Simplified View[J]. Indian Journal of Innovations and Developments， 2012， 1（7）： 542-548.