无线音频技术综述

12345

　　1前言

　　无线音频系统应用十分广泛，所使用的技术也呈现多样化。如针对个人消费类无线音频设备有蓝牙耳机、无绳电话等；用于各种会议场所、教室、展览馆的无线扩音设备、无线广播会议系统；应用于公园、旅游景点的无线导览系统、无线广播系统；应用于校园的校园调频广播系统，以及各种应用广泛的无线扬声器系统，还包括公共广播系统、公共数字广播系统（DAB）等。而只有了解了各类无线音频技术，才能针对不同的应用，开发出更好的无线音频系统。

　　2无线音频技术

　　从技术方面看，无线音频技术紧密跟随无线通信技术的发展，大体沿着一个由模拟音频到数字音频，由广播通信到近距离高保真音频传输的发展轨迹，快速向前推进。目前应用于无线音频传输的无线通信技术主要分为红外与射频两种方式。

　　红外传输方式由于信号接收对于传输路径的方向性要求高，节点的移动性差，因此使用上受到约束。针对某些定点音频传输应用，如红外耳机、红外电视伴音收发器、红外无线会议音频系统已经有大量产品上市。红外音频传输方式的特点是简单可靠，无电磁污染；其缺点是传输距离近（<10m），传输方向性要求高，功耗大，且易受特种光源干扰，其正在逐渐被射频无线传输方式所取代。

　　3基于射频的无线音频技术

　　3.1模拟无线音频技术

　　在基于射频的无线音频传输方案中，主要可分为模拟无线音频传输以及数字无线音频传输两种方式。1912年由E.H.Armstrong（1890—1954）发明的超外差电路，开创了无线音频传输的先河。随后，各种调制解调技术不断发展，出现了各种调频、调相等多种音频广播技术。直到今天，除了军事领域的大量应用外，广播收音机已经成为一种日常家用电器，受到人们的广泛欢迎。1988年，数字音频广播（DAB）标准的推出，使得公共广播音质大幅提高。与FM，AM相比，数字广播具有音质纯净、抗干扰能力强、便携性好，以及同时可提供信息服务等优势，在欧洲各国已得到普及，中国也在各地开设了多个数字广播电台，进行了许多有益的尝试。

　　目前市售的大部分无线耳机、一部分无线音箱、无线传声器都采用的是FM技术；而从无线电频谱的划分上来看，其中又以76~108MHz的最为常见，而高U段的800~900MHz也在高品质的音频产品中出现过，如森海塞尔的某型无线耳机和舒尔的高品质无线传声器。

　　之所以采用FM技术的无线音频设备普及范围广，是因为FM技术存在很多优点：首先，它的传输距离较远，普通产品可以达到二三十米的距离，在改变发射功率和接收天线灵敏度后还可以增加距离；其次，FM可以实现“广播式”连接，即只要调至相同频率后一个发射机可以匹配多个接收机，比较适合同声翻译设备的应用；最后，FM技术穿透能力强，普通家庭用户使用起来绰绰有余，即便是有墙壁的阻挡也不成问题。但是FM存在保密性不强的缺陷，低段76~108MHz频率的FM信号用收音机就可以捕获，而高段800MHz的传声器信号也容易产生谐波干扰，这也是目前无绳电话普及2.4G技术的原因之一；另外，受到传输带宽的限制，FM无线技术普遍音质不佳，最高22kHz的采样率被称之为“收音机音质”；最后，FM无线技术极易受到干扰、出现串频等现象，稳定性欠佳。

　　3.2数字无线音频技术

　　3.2.1蓝牙

　　2.4G是国际通用的ISM频段（供工业、科学研究和微波医疗使用），无需向当地政府申请只需满足一定发射限制，即可使用，因此是目前发展最为活跃的通信频段，囊括的技术包括蓝牙，ZigBee，WiFi等。目前，蓝牙在无线音频通信领域技术最为成熟，应用也最为广泛。蓝牙技术的设计初衷是面向个人消费者用于替代周边电子设备间的通信数据线缆。蓝牙无线通信技术采用跳频工作方式，成本低，技术成熟，受到大多数厂商的支持与推广，目前在手持移动设备上已经十分普及。用户只需购买一部蓝牙耳机，便可进行音频信号的接收。但蓝牙技术的最大缺点在于目前大多数蓝牙设备通信距离较短（<10m），功耗较高，且由于协议相对复杂，不支持广播式的多人收听，并且由于目前普及的蓝牙芯片通信速率较低，70dB的动态范围，导致音质恶化严重，很大程度上限制了蓝牙技术在无线音频领域的推广。不过，蓝牙技术仍然具有很大潜力，随着新版本的蓝牙主控芯片不断普及，传输带宽不断增加，高保真低延时的蓝牙耳机不久便会出现。目前，最新的蓝牙4.0技术已经基本成型，在相对功耗不变的条件下，通信距离与通信速率都有很大的提高，预计不久便将投产上市，这将完全满足消费者对于高保真无线音频的需求。

12345

3.2.2 ZigBee
　　Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，能够在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。2009年CEL公司创新性地将音频编码器集成进了该公司的ZigBee芯片中，使之具有了实时的双向数字音频传输能力。该方案采用ZigBee标准协议，具有功耗低、传输距离远、组网方式灵活的特点，非常适合数十米内的无线语音单双向传输应用。
3.2.3 WiFi
　　WiFi是目前应用最广泛的无线局域网标准，其最高达每秒上百兆比特的传输速率使之成为高品质无线音频传输的理想选择。目前市场上已经有无线音乐网桥、家庭无线音响系统等产品，就是使用的WiFi协议，进行无线音频的传输。虽然使用WiFi技术进行无线音频的发送，具有信息传输稳定，延迟小的优点，但是仍具有自身缺点，并制约其在个人无线音频中的应用。比如，WiFi的协议堆栈比蓝牙、ZigBee更加复杂，开发难度较高；耗电量巨大，不能够依靠电池长时间供电，使用WiFi协议的无线音频产品一般都使用交流供电，便携性不足。但是即便如此，在高保真家庭影院中，替代繁琐的信号线缆，依靠稳定、高质量、低延迟的数据传输，连接远距离的后置环绕音箱、低音炮等，依然首选WiFi技术。
　　除上述3 种分别基于蓝牙、ZigBee、WiFi技术的2.4G无线音频传输方案以外，目前市场上还存在多种无线音频方案，下面就几种专门针对无线音频系统的解决方案做一简单的介绍。
3.2.4 其他2.4G无线音频技术
　　Kleer公司于2006年推出了KLR3012无线音频芯片。该射频方案使用2.4 GHz频段，可在超过10 m范围内提供2.4 Mb/s的传输速率。这种尺寸为10mm×10mm的模块的成本与蓝牙芯片大致相同，但其平均功率大约是30mW，只为蓝牙功耗的一半。
　　该无线音频方案以KLR3012模块为核心，基于二次采样率无线架构，该架构是由Kleer公司的首席技术官Ralph Mason在多伦多Carlton大学研究提出的。据Kleer公司行销副总裁Ron Glibbery介绍，KLR3012模块采用了high-Q滤波技术采样，其采样频率低于奈奎斯特频率。Kleer表示，该模块可以使无线耳机电池工作10 h，相比而言，那些使用其他无线技术的只能工作1 h。森海塞尔公司最新的无线耳塞系列产品所使用的技术便是该高保真无线音频方案。挪威Nordic半导体公司于2006年底推出了基于2.4G的无线音频方案。该方案基于nRD24V1射频芯片，能够提供最高4 Mb/s的全数字传输带宽。该设计方案包括优化用于高保真音频通信的独特RF协议。
　　该协议采用灵活的跳频技术以提供良好的通信并存性能，从而不会与其他2.4 GHz系统（如Wi-Fi，Bluetooth和无绳电话）相互干扰。此外，该协议还采用了双频率分集技术，以确保在不增加接收天线的情况下实现良好的通信。
　　另一个无线音频方案是由德州仪器（TI）于2010年全新推出的Purepath无线音频架构。该架构面向无线耳机与无线扬声器等消费类、便携式以及高端音频应用的无线音频传输器件。CC8520 是一款采用2.4 GHz片上系统的音频收发器，可通过RF（射频）链路在无噪声与压降的条件下，传输未压缩的CD音质级无线音频。其主要特性和优势是该方案集成完整的RF协议与音频编解码器设置支持，高灵活度低成本，消除了无线接收失败时的噪声（噼噗或咔嗒声），提高了平均压降时间（MTBD）；具有与蓝牙（Bluetooth）、WLAN以及其他2.4 GHz设备的共存性；低时延可实现音频与视频间的更好同步；为使用压缩技术的竞争性专有系统消除了常见的声音失真；支持无任何压缩的16 bit 4.1 kHz或48 kHz音频。
3.2.5 各种无线音频技术的比较
　　表1列出了目前常见的几种无线音频传输技术。

12345

　　4无线音频技术的发展趋势

　　随着物联网产业的蓬勃发展以及三网融合的迅速推广，无线音频技术正面临巨大的机遇。当前，无线音频技术正由模拟无线传输向数字无线传输过渡，传统的模拟调制技术已无法满足高保真音频的高数据速率以及高传输稳定性要求。同时，由于模拟调制技术存在保密性差、串扰严重、频带利用率低等固有缺陷，这些方面都制约了模拟无线音频技术的推广，针对这些方面无线数字音频技术具有较大的优势。各种专门针

　　对数字无线音频的芯片产品大量涌现，专用于高保真音频的低延迟、高质量无线传输协议也被采用。

　　2010年美国联邦通信委员会（FCC）已经明令禁止了UHF频段（700MHz）传声器的销售和使用，借此为公共安全无线通信设备以及未来的包括LTE在内的4G技术扫清障碍。FCC的新规定指出，所有处于UHF频段（700MHz）内的无线传声器设备都将从2010年6月12日后被禁止销售。未来必然会出现大量的GHz数字无线音频技术，用来填补因UHF频段退出所出现的市场空白。

　　总之，数字无线音频市场规模正在扩大，随着无线通信技术的发展，针对不同音频应用领域的无线音频新产品仍将不断涌现。低功耗、小型化、高稳定性的无线音频解决方案仍将具有巨大的市场需求。同时面向各种专业领域的无线音频传输系统也将具有极大的市场潜力。