[讨论] 蓝牙耳机的设计考虑因素[多图]

为了快速设计出能给最终用户带来愉悦体验的蓝牙耳机产品，就需要考虑蓝牙芯片、蓝牙协议栈与耳机配置软件、软硬件开发套件、参考设计、互操作性测试和本地技术支持等多种因素，本文对这些设计考虑因素进行了讨论和分析。

蓝牙耳机由于使用方便，目前市场需求量很大，特别是在法律上严厉禁止驾车时使用手机的国家。由于蓝牙耳机真正独立于电话，因此手机用户可享受多家不同厂商提供的诸如内置相机与PDA功能等最新手机功能而不必每次都更换耳机。

巨大的市场需求推动最终用户市场呈多样化。目前耳机市场已划分成低端、中端和高端三种，这使蓝牙耳机提供商能够选择自己的目标市场，以便既能提供更多使自己产品不同于竞争产品的特性，也可选择向低端、低成本以及大批量的市场进军。

图1：单声道蓝牙耳机的原理框图。

便于使用、成本低廉的低端单声道耳机目前仍非常流行，这些耳机亦可与新手机进行捆绑销售。中档耳机对那些具有丰富蓝牙使用经验的老手更具吸引力，他们通常想要更多功能，比如消噪、LCD屏幕、来电震动及语音识别等。针对这种应用的耳机本身更像一部迷你电话。对品牌耳机厂商来说，声音质量与话音清晰度非常重要。为提高声音质量，中档耳机芯片目前已拥有片上DSP以便运行回音消除和噪音抑制软件，如清晰语音捕捉(cVc, Clear Voice Capture)软件等。

随着厂商推出专为女性设计的耳机，耳机市场进一步细分。这些耳机被设计成适合长头发和戴太阳镜的女性使用，它们更像首饰，可戴在脖子上或者像胸针一样佩戴。这些产品可能具有需小心戴入耳中的小耳件，这些耳件能够在每次通话后取下来，要优于传统设计。

这些新型耳机产品正推动更多的器件级集成，同时还需要一些额外特性，例如用于通过回音消除与噪音抑制改善声音质量的DSP、片上电池充电电路以及开关式电源。

设计挑战

今天的蓝牙耳机设计工程师面临着许多挑战，这些挑战不仅包括最终产品的尺寸与重量，还包括功耗、声音质量及互操作性等其它问题，此外还面临上市时间、总体成本及最终的“蓝牙认证机构 (BQB)”测试等其它压力。甚至除了所有这些需要考虑的因素外，耳机本身不仅要功能强大，而且还必须以实用、方便使用以及优美的外观设计来吸引广大用户。因此，在设计一款蓝牙耳机时，需要考虑蓝牙芯片、蓝牙协议栈与耳机配置软件、软硬件开发套件、参考设计、互操作性测试和本地技术支持等多种因素。

蓝牙芯片

蓝牙芯片本身只是耳机里众多元件中的一个，在考虑何种芯片最适合耳机设计时，有以下几个因素需要仔细考虑，即成本、尺寸、特性集成与功耗。

图1是典型单声道耳机的设计原理框图，理想上我们可以将很多功能集成在芯片中以减少设计的材料费以及设计尺寸和重量。若将图1中的所有模块都包含在芯片里，成本可能会很高，因为它将需要在一个封装中包括多个电路块。例如，采用堆叠技术可以使模拟、数字电路和多个电压集成在同一封装中。虽然目前市面上已有这种芯片，但对于大批量、低成本的设计来说它们的价格过高。一种更实用的解决方案是在一个芯片上集成RF无线电、存储器、接口(包括语音编解码器)、微控制器、电池充电电路、时钟发生器、DAC及开关式电源模块(SMPSU)，这样就只留下不平衡变压器、滤波器、扬声器、麦克风、电池、用户按键与LED在芯片外部。

图2：蓝牙耳机软件架构。

此外，我们还应考虑封装类型。封装应尽可能小并采用无铅以满足全球环保要求，还需易于生产使制造成本保持最低。比如，外形尺寸为8×8mm、管脚间距为1.0mm的TFBGA等封装，就能在可制造性与尺寸之间取得较好平衡。另外，电池是影响耳机整体尺寸的主要因素，设计用于耳机的典型锂离子电池的尺寸约为5×12×45mm，远大于8×8mm的芯片封装。

蓝牙软件

蓝牙的底层硬件与固件基本上由蓝牙规范确定，并且在手机、计算机键盘和鼠标等目标终端应用中它们都非常相似，不同供应商之间的主要差别在于其互操作性测试的水平和范围。虽然前面描述了诸如电池充电电路和SMPSU等针对耳机的一些器件级特性，但是许多耳机专用特性都是用软件来编写及定义的。

耳机芯片通常有两种：一种是基于闪存的芯片，它适用于小批量生产或者试产，其耳机软件存储在闪存中；另一种芯片则基于ROM，耳机软件存储在片上ROM里，而用户可配置关键码则存储在片外的EEPROM中。因此，在基于ROM的芯片中，耳机特性是在上电时从EEPROM加载到蓝牙器件中，而基于闪存的芯片则拥有能对软件进行升级以适应新手机的优势。但如今，由于有了广泛的互操作性测试，已不再需要在大批量生产中局限于采用基于闪存的芯片。目前大多数针对大批量应用的设计都已转向基于ROM以降低成本，并通过允许使用EEPROM存储代码来减少风险。

蓝牙协议栈及耳机配置文件存储在只读存储器(ROM)中，包含在耳机软件中。称为“永久存储关键码(PS Key)”的模块专用的芯片参考参数用来设置信息，PS Key则存储在外部的小型可重写存储器(EEPROM)中。

图2显示了运行在耳机专用蓝牙ROM芯片上的耳机专用软件系统架构。

除无线电校准外，蓝牙标准要求每个器件都分配有一个称为蓝牙地址的唯一识别码，该地址是用模块专用PS Key来设置的。

模块专用PS Key用于配置每个模块的专用参数，这些参数主要针对模块的无线电性能。蓝牙公司将提供推荐的测试计划以及测试软件，并对蓝牙耳机生产测试系统的建立提供支持。

人机界面(HMI)配置关键码在开发过程中(当定义耳机用户界面时)设置一次，并随后被编程到每一个耳机中。

软硬件开发系统

随着当今市场上的芯片变得越来越复杂，芯片制造商将提供高质量的开发系统来尽量减少新产品的上市时间。典型的硬件开发系统将包括一块带有预加载到蓝牙器件里的耳机软件、经过很好设计的全功能应用设计开发板，还应包括更改PS Key值所需的合适软件、应用指南、数据资料及用户设置指南。对于大多数蓝牙耳机设计来说，最好能有一个现成的耳机解决方案，并允许在PS Key中有足够的用户配置以满足最终用户要求。这种方法非常适用于快速推出一种经过充分互操作性测试且风险相对较小的耳机产品。

但是为了更改深度嵌入的功能，必须使用软件开发套件(SDK)，如CSR BlueLab SDK，这些SDK可使耳机定制化达到最高水平。

图3：整体蓝牙耳机 解决方案组成框图。

参考设计

蓝牙天线与射频设计仍是整个蓝牙耳机设计中最复杂的部分，且需经过批准方能进行。一个好的参考设计价值非常高，因为它定义了可用来确保任何板上器件都不会引起干扰或EMI问题的实际PCB布局布线。蓝牙器件厂商应能提供进行参考设计及其制作所需的一切，包括材料价格全部已知的BOM、设计原理图以及PCB布局布线的菲林文件，以保证最终设计一次就能获得成功。

互操作性

互操作性是设计任何一种蓝牙产品时的首要考虑因素。CSR公司位于剑桥的实验室专门进行互操作性测试，以确保基于CSR公司蓝牙芯片的设计能够与所有现有的及新型蓝牙产品实现互操作。广泛的测试使CSR产品与众不同，并有助于生产可靠以及容易使用的蓝牙耳机产品。广泛的互操作性测试还能确保获得非常愉悦并立竿见影的最终用户体验，这种一流的最终用户体验能减少需占用资源的最终用户技术支持。

本文小结

蓝牙耳机的设计不仅仅与芯片有关，还与无线芯片厂商(如CSR)提供的总体解决方案有关，需要对从板布局布线、软件、合适芯片的选择到参考设计、产品开发以及生产测试(包括互操作性测试)的整个端到端设计过程进行仔细考虑。此外，高质量的本地技术支持对于确保终端产品的成功以及客户满意度也非常重要。

作者：Karen Parnell
产品营销经理
Email：karen.parnell@csr.com
CSR公司