TI Sub－1G无线SoC方案改善无线麦克风的工作距离

作者：Albin Zhang

进入智能时代以来，随着互联网、物联网、新概念教育/会议、直播经济等产业蓬勃发展，使用者对于麦克风的需求越来越多样。特别是对于麦克风的话音质量、便携性、通信距离、待机和使用时间、用户体验等都提出了一些新的需求。本文就着重给大家介绍一下基于TI的无线MCU芯片开发出的无线麦克风解决方案。

无线麦克风将麦克风产生的音频信号转换为无线电信号，无线电信号由发射器通过空气发送到接收器。 接收器将无线电信号转换回音频信号，然后通过音响系统发送。 它们消除了对电缆的需求，因此您不再被束缚在音响系统上。 随着音质和可靠性的持续技术进步和改进，无线麦克风比以往任何时候都更经济实惠，更受欢迎。 市场潜力非常大。

无线麦克风的最大优点就是便携性。但是，在有一些场景下，对于无线麦克风通信距离和抗干扰性要求很高，比如大型会议室、大型教室、演唱会现场等，另外，随着WiFi，蓝牙，zigbee等工作在2.4GHz频段设备的布置和使用越来越广泛，对于无线麦克风的频段规避也提出了更苛刻的需求。Sub-1G由于物理传输特性等原因，可以更好的解决上述痛点。本文也会着重介绍TI提供的基于CC131x的单芯片Sub-1G解决方案。

本文会涉及：

1.Sub-1G频段的优点及中国地区相关无线ISM频段介绍
2.TI无线Audio/Voice Plugin的介绍
3.基于CC1312的低延迟高音质解决方案

Sub-1G频段的优点及中国地区相关无线ISM频段介绍

这里我们先引用一个Friis传输公式。



这是一个表征自由空间的无线信号传输公式。可以简单的看出，在其他参数不变的情况下，接收端的接收信号强度和波长的平方成正比，也就是说，使用更低的频段（也就是波长更长），可以传输更远的距离。另外，在一个真实非理想场景下，更长的波长也可以提供更好的绕射衍射的性能。所以，使用Sub-1G频段，可以提供更好的传输通信距离。

另外，如果空间干扰电平太大，也势必对于接收机的解调信噪比提出了更高的要求。2.4GHz频段由于wifi,蓝牙等设备的普及，空间噪声电平越来越高。这样势必大大影响了工作在2.4GHz频段的无线麦克风设备的实得接收机灵敏度。简单说，就是通信距离变短。目前在Sub-1G频段，特别是在民用领域设备还很有限，统计上来讲，可以有更低的噪声和干扰，所以有更好的传输性能。

但是sub-1G频段也有一定的局限性，第一，由于波长比较长，在相同性能情况下，天线的尺寸会大于2.4GHz频段，这样对于有些小型化设备来说还是比较受限。第二，对于Sub-1G频段每个国家的合规ISM（Industrial Scientific Medical）频段都不相同。所以对于不同国家地区需要设计调试不同的产品。

下面是中国开放给无线麦克风的频段。具体信息，请参考工信部原文。微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求

TI无线Audio/Voice Plugin

下图是无线麦克风的简略框图。一个无线麦克风由基础的电源、信号传输、编解码等部分构成。

关于无线部分，TI提供了基于不同的物理层通讯的音频解决方案。 无线的音频码流可以基于不同的物理层设备进行传输。SimpleLink Audio Plugin 可以工作在TI不同的基于不同通信协议之上，比如WiFi， 低功耗蓝牙，或者私有无线模式。下图就是软件基本框图。SDK可以在这里下载。

上图中绿色框图部分的芯片可以是支持不同协议的芯片。基于目前产品，推荐物料如下：

BLE: CC2640R2F, CC2642R, CC2652R
2.4GHz: CC8520
WiFi: CC3220S, CC3235S,
Sub-1G: CC1310, CC1312R, CC1311R3

如下是音频插件里开箱默认的配置和性能:

开箱演示:

     - 点到点的单向网络。可以实现一到多的传输。
     - 音频质量
          sample rate: 16kHz
          bit depth: 16 bits
          MONO mode
          compresion: OPUS (bit rate: 24kHz, complexity: 3)
     - 射频配置
          frequency: 868 MHz （EU band）
          symbol rate: 50 kBaud

基于CC1312的低延迟高音质解决方案

在TI标准的插件代码中，采用了一些比较流行的编解码压缩方案，所以，可以最大程度的节约频谱资源。并且较低的空中码率，也可以提升通信距离和抗干扰性。但是，在某些场景当中，为了更好的体验，需要无线麦克风具有端到端低延迟的特性。一般的语音要求在10mS之内。TI也提供了一套不经过压缩直接传输的方案。

性能如下：

音频质量: CD quality
          sample rate: 44.1kHz
          bit depth: 16 bits
          MONO mode
          compresion: None (PCM audio)
Audio latency (end-to-end): 8.8ms
        - 射频配置:
          frequency: 433MHz
          symbol rate: 1Mbit

具体演示和介绍可以参考培训视频。也可以参见e2eChina。