Narazil jsem na poměrně zajímavý integrovaný obvod z produkce Texas Instruments, který umožňuje bezztrátový přenos digitálního audia do frekvence 48kHz. Obvod má velmi mnoho variant použití, např. bezdrátová náhrada S/PDIF kabelu, bezdrátová sluchátka, reproduktory, USB zvuková karta apod. Obvod pracuje v pásmu 2.4GHz a využívá proprietární protokol, který by se ovšem měl snášet s přítomností WiFi a Bluetooth. Vzhledem k tomu, že nemám žádné zkušenosti s konstrukcí v oblasti vysokých frekvencí, tak jsem projekt pojal jako výzvu a ještě jsem použil nový D/A převodník PCM5102 a S/PDIF enkodér DIT4096 se kterými také nemám žádné zkušenosti.
Blokové zapojení ukazuje možnosti použití desek v různých částech audio řetězce.
Vstupy a výstupy je možno libovolně kombinovat, případně je možné současně
na jeden master připojit až 4 slave zařízení. Pokud chceme připojit S/PDIF
vstup k masteru, tak je potřeba použít externí dekodér. Např. jeden z mých
dekodérů založených na obvodech DIR9001, nebo CS8416, které jsou součástí
projektu modulárního převodníku.
Řada obvodů CC85XX obsahuje v tuto chvíli 4 obvody. Jejich rozdíly jsou popsané v následující tabulce:
| Označení | Počet zvukových kanálů | Podpora USB |
|---|---|---|
| CC8520 | 2 | NE |
| CC8521 | 2 | ANO |
| CC8530 | 4 | NE |
| CC8531 | 4 | ANO |
Čip obsahuje procesorovou část, mnoho vstupně-výstupních pinů, kompletní rádiovou část a některé verze mají USB rozhraní. Rádiová část používá adaptivní frequency hopping, dopřednou korekci chyb (FEC), bufferování, retransmise při přenosové rychlosti 5, nebo 2 Mbps. Pro přenos více než dvou kanálů je nutné použít vestavěný lehce ztrátový kodek (SLAC), protože již nedostačuje šířka pásma. Řešení používá topologii Master - Slave, kdy k jednomu masteru lze připojit až 4 slave jednotky najednou. Pokud použijeme master v režimu USB, tak se obvod tváří jako standardní USB zvukovka a nevyžaduje žádné ovladače. V tomto režimu také lze ze slave jednotek přenášet HID události jako je regulace hlasitosti, nebo tlačítka stop, play apod. Obvod má také I2C sběrnici, pomocí které může např. nastavovat hlasitost v připojeném D/A převodníku. Obvod se programuje pomocí SPI konektoru např. pomocí programátoru CCDebugger od TI. Pro naprogramování není potřeba znát žádný programovací jazyk, protože firmware na míru se vytvoří pomocí software PurePath Wireless Configurator. Obvod lze programovat opakovaně. Jednou za čas vycházejí nové verze konfigurátoru s novým firmware s novými vlastnostmi. Obvod umožňuje připojit externí zesilovač CC2590 pro zvýšení dosahu vyšším výkonem a zlepšenou citlivostí. Audio data jsou buď ve formátu I2S, nebo jedna strana (master) jako USB audio. Master a slave zařízení se mohou párovat např. tlačítkem, nebo automaticky na základě přítomnosti protistrany, nebo pevného ID sítě.
Zapojení a plošný spoj jsem navrhnul univerzálně, takže ho lze použít v následujících režimech:
V režimu USB master se deska připojí k počítači přes USB, kde se tváří jako USB zvuková karta se dvěma audio kanály. V režimu I2S master se k destičce připojí nějaký zdroj I2S signálu. Pokud např. chceme přenést S/PDIF signál, tak se musí připojit externí S/PDIF dekodér, protože ho deska neobsahuje. Deska se dá napájet buď přes pin +5V na I2S konektoru, nebo přes USB konektor. V režimu Slave lze desku připojit např. přes její S/PDIF výstup k nějakému HiFi receiveru a napájet ji přes USB konektor, nebo použít I2S výstup a desku propojit s kvalitním D/A převodníkem. Můžeme také použít analogový výstup z poměrně kvalitního D/A převodníku a propojit ji s předzesilovačem, nebo koncovým zesilovačem. Lepší obvod umí i horší režimy, takže např. obvod CC8521 lze použít místo CC8520, ale nikoliv naopak. Pokud chceme desku zabudovat do krabičky, je vhodné odpojit vnitřní anténu pomocí R0 a připojit externí přes SMA konektor.
Srdcem zapojení je obvod IC1 CC85XX. Na piny 1 a 2 je připojen USB vstup. Přítomnost zařízení na USB sběrnici se řídí rezistorem R5 ovládaného pinem 19. Na pinu 3 je připojeno tlačítko určené k párování a také se používá jako chip-select pro programování. Piny 4, 5 a 6 slouží k programování obvodu pomocí DEBUG konektoru. Na pin 8 je vyveden signál, který resetuje S/PDIF enkodér a blokuje analogový výstup D/A převodníku při resetu. Pomocí pinu 11 lze obvod zresetovat přes DEBUG konektor. Piny 13 až 16 jsou I2S sběrnice. Podle naprogramování se chovají jako vstup, nebo výstup. Na vývodu 17 je vyveden druhý datový signál I2S sběrnice pro experimenty se dvěma dalšími audio kanály. Na pinech 21 a 22 je připojen krystal 48MHz kmitající na základní frekvenci. Krystaly 48MHz kmitající na 3. harmonické nelze v obvodu použít. Na pinech 24 a 25 je symetrický rádiový vstup/výstup. K němu je připojen symetrizační člen, který impedančně přizpůsobuje výstup pro připojení nesymetrické antény s impedancí 50 ohmů. Na pin 34 je připojena LED signalizující různé provozní stavy, jako nedostupnost signálu, párování a zapnutí. Dále je k obvodu připojeno mnoho blokovacích kondenzátorů dle doporučeného zapojení.
Deska se napájí z 5V, ale protože většina obvodů vyžaduje napájení 3.3V, tak je na desce low-drop stabilizátor IC3 LE33. Kolem něj jsou opět blokovací kondenzátory dle doporučení.
Na I2S výstup je připojen S/PDIF enkodér DIT4096, který je v hardwarovém režimu nastaven pomocí pinů tak, aby akceptoval formát dat z bezdrátového čipu. Jeho výstup je přiveden do optického vysílače OX1 a paralelně přes kondenzátor C24 na odporový dělič R1 a R2, který zajistí impedanční přizpůsobení na přibližně 75 ohmů a snížení výstupního napětí na zhruba 1V.
Paralelně k němu je na I2S sběrnici také připojen D/A převodník PCM5102. Jedná se o poměrně nový typ delta/sigma převodníku, který obsahuje zdroj záporného napětí a díky tomu může mít analogový výstup v úrovni 2.1V RMS linkového výstupu bez vazebního kondenzátoru. Umožňuje také zvolit typ interpolačního filtru buď normálního (FIR), nebo s nízkou latencí (IIR). IIR filtr má výhodu v tom, že potlačuje "preringing", což je věc, na kterou je lidské ucho zvlášť citlivé a bývá to příčinou, proč je zvuk z delta/sigma převodníků hodnocen hůře, než z převodníků bez převzorkování typu R/2R. Okolo něj je pouze několik kondenzátorů na napájecích pinech a výstupní filtr R13, C39 a R14, C40, který má pokles o 3dB na frekvenci 153kHz. Je možné také použít převodníky PCM5100, nebo PCM5101, které mají nepatrně horší parametry.
Osazení desky je hodně náročné. Obvod IC1 v bezvývodovém pouzdře QFN40 se vpodstatě nedá osadit bez pece, nebo horkého vzduchu a pájecí pasty. Já jsem měl přístup k peci na plošné spoje, tak jsem "upekl" desky s obvody IC1, případně IC2 a IC4. Zbytek součástek jsem osazoval ručně. Bohužel se díky nové pastě pájení moc nepodařilo, tak jsem musel všechny vývody následně pomocí tavidla a cínu opravovat. Zde už to chce opravdu silnou lupu, protože i pro normální oči jsou vývody příliš blízko sebe. Naštěstí se podařilo všechny 4 desky v mém případě dobře zapájet.
Po osazení čipů pokračujeme postupným osazováním SMD rezistorů a následně kondenzátorů. Je to dost náročné, protože součástky jsou v pouzdře 0603 a já jsem měl k dispozici trubičkový cín o průměru 0.6mm a relativně velký hrot na mikropáječce. Nicméně při pečlivé práci se to zapájet dá. Dále osadíme stabilizátor IC3 a následně krystal, konektory a mikrospínač. Není nutné osazovat všechny součástky, pokud např. nepotřebujeme S/PDIF výstup, nebo analogový výstup, tak příslušný obvod neosadíme a s ním všechny součástky kolem něj. Neosazené součástky jsou dobře vidět na fotografiích.
Plošný spoj je oboustranný a je navržen do plastové krabičky U-KP50. Snažil jsem se ho navrhnout s důrazem na správné rozmístění součástek z hlediska rušení a stínění. Na plošném spoji je také integrována anténa typu inverzní F na pásmo 2.4GHz. Místo pro krystal je pro klasické pouzdro HC-49, který jsem ovšem pro frekvenci 48MHz nesehnal. Plošný spoj jsem si nechal vyrobit u firmy Seeed Studio.
Zavřená krabička s externí anténou.
Pohled do otevřené krabičky.
Pohled na spodní stranu plně osazené desky s interní anténou.
Pohled na spodní stranu desky bez S/PDIF dekodéru a D/A převodníku s externí anténou.
Pohled na horní stranu desky bez S/PDIF dekodéru a D/A převodníku s externí anténou.
Součástky lze koupit např. u firmy Farnell. Některé SMD tlumivky byly k dispozici pouze ve velikosti 0402. Anténní konektor jsem použil standardní SMA, ale většina antén pro pásmo 2.4GHz je k dispozici s reverzním SMA konektorem, tak jsem si musel vypomoci drátkem vloženým mezi oba konektory. Pozor při výběru krystalu! Krystal musí kmitat na 48MHz na základní frekvenci. Běžně se prodávají krystaly kmitající na 3. harmonické, které vyžadují upravené zapojení oscilátoru. V tomto zapojení pak kmitají na 16MHz, což nechceme.
| označení | hodnota a typ | počet |
|---|---|---|
| C1, C2 | 47pF SMD0603 keramický | 2ks |
| C3 | 220pF SMD0603 keramický | 1ks |
| C4, C5 | 18pF SMD0603 keramický | 2ks |
| C6-C8 | 1pF SMD0603 keramický | 3ks |
| C9, C10 | 16pF SMD0603 keramický | 2ks |
| C11-C28 | 100nF SMD0603 keramický | 18ks |
| C29-C33 | 10uF SMD0603 keramický | 5ks |
| C34-C36 | 1uF SMD0603 keramický | 3ks |
| C37, C38 | 2u2 SMD0603 keramický | 2ks |
| C39, C40 | 2n2 SMD0603 keramický | 2ks |
| IC1 | CC8520 (CC8521, CC8530, CC8531) dle požadavků | 1ks |
| IC2 | DIT4096 | 1ks |
| IC3 | LE33CD SOIC8 | 1ks |
| IC4 | PCM5102 (PCM5100, PCM5101) | 1ks |
| J1 | Molex 3pin 90 stupňů | 1ks |
| L1, L2 | 2nH SMD0603 | 2ks |
| L3 | 1nH SMD0603 | 1ks |
| L4 | 3nH SMD0603 | 1ks |
| L5-L9 | 1nH SMD0603 feritová perlička (FB) | 5ks |
| LED1 | Zelená 3mm 2mA | 1ks |
| OX1 | TOTX177(F,T) Toshiba, GP1FAV31TK0F SHARP | 1ks |
| Q1 | Krystal 48MHz základní frekvence | 1ks |
| R0 | 0R SMD0603 | 1ks |
| R1 | 360R SMD0603 | 1ks |
| R2 | 91R SMD0603 | 1ks |
| R3 | 680R SMD0603 | 1ks |
| R4 | 56k SMD0603 | 1ks |
| R5 | 1k5 SMD0603 | 1ks |
| R6-R12 | 33R SMD0603 | 7ks |
| R13, R14 | 470R SMD0603 | 2ks |
| S1 | mikrospínač 6x6mm | 1ks |
| SV1 | Jumper lišta 2x5 pinů | 1ks |
| SV2 | Jumper lišta 1x7 pinů | 1ks |
| X1 | SMA konektor do PCB 90 stupňů | 1ks |
| X2 | miniUSB zdířka SMD | 1ks |
| X3 | cinch zdířka TOBU3 | 1ks |
Soubory pro PurePath Wireless Configurator.
Celý projekt byl náročnější než všechny mé minulé projekty. Naučil jsem se mnoho při navrhování VF plošného spoje, vyzkoušel jsem si zapojení obvodů CC85XX, DIT4096, PCM5102 a ověřil použitelnost celého řešení. Desky mají o něco menší dosah, než se uvádí v testech. Přičítám to ne úplně přesnému dodržení rozložení spojů z hlediska VF. Dosah s anténami na PCB je asi 5 metrů po místnosti. Do vedlejší místnosti už signál začne vypadávat. Desky s externími anténami mají dosah zhruba do vedlejší místnosti, případně přes strop. Z jednoho konce domu na druhý ovšem již signál vypadává. Někdy v budoucnu se pokusím desky změřit na spektrálním analyzátoru. Přenos digitálního audia je perfektní. Do určité míry rušení zabírá korekce chyb, která zajistí nezměněný přenos digitálního signálu. V případě velkého rušení a slabého signálu už korekce chyb nestačí a v audiu se objeví výpadky. V případě ještě slabšího signálu dojde k rozpojení audio linky. Při zlepšení podmínek se linka opět spojí a hraje dál. Provozní stavy jsou signalizovány pomocí LED.
-
English
Česky