產學合作案結案報告書產學合作案結案報告書產學合作案結案報告書產學合作案結案報告書 華電子華電子華電子華電子 95959595 委字委字委字委字 004004004004 號號號號

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甲方甲方甲方甲方：：：：匯仲電訊股份有限公司匯仲電訊股份有限公司匯仲電訊股份有限公司匯仲電訊股份有限公司

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計劃主持人計劃主持人計劃主持人計劃主持人：：：：陳國良博士陳國良博士陳國良博士陳國良博士

摘要

由於這個不斷發展的市場上競爭日益激烈，盡量縮短新產品上市

時間已成為藍芽耳機設計人員面臨的主要壓力之一。藍芽耳機的發展

提高了消費者對它的期望值，設計人員需要實現 DSP、回波抵銷、噪

音抑制、晶片上電池充電電路和交換式電源供應器(SMPS)等功能以滿

足不斷提升的用戶需求。另外，設計人員仍需選擇合適的藍芽晶片、

藍芽堆疊、耳機規格軟體(headset profile software)、軟硬體開發

套件、參考設計、互通作業性測試和最終的藍芽認證組織測試。這一

過程非常漫長，往往使設計人員很少有時間甚至沒時間考慮差異化問

題。為了取悅更多的用戶，通常需要加強實用性、易用性和美觀性方

面的設計，因此設計人員發現想盡快和低成本的滿足這些附加要求將

是一個艱鉅的挑戰。

一一一一 設計流程設計流程設計流程設計流程

藍芽耳機市場在過去五年中發展非常迅速，總出貨量從 2003 年

的 700 萬個上升到 2005 年的 6,000 多萬個。2006 年供應量還將繼續

增加。再加上行動手機的不斷普及，藍芽技術正成為全球都接受的一

種通訊方式。藍芽技術的先進性、性能、電池消耗、近距離通訊以及

立法方面的變化使藍芽市場取得了巨大的成功。然而，耳機設計人員

為了取得設計成功正面臨著各方面的挑戰。

不過，實際發展是 WiFi 搶先了 Bluetooth 一步，成為 WLAN的主

流，以致 Bluetooth轉變訴求，將未來路線定位在 WPAN 領域，但即

便如此，Bluetooth也要面臨相近新規格的挑戰，包括 Wireless USB、

ZigBee 等。對此 Bluetooth 的制訂機構：Bluetooth SIG（Special

Interest Group）也有所因應，於 2004年 3月發表 Bluetooth 2.0

＋EDR（Enhanced Data Rate）版，從規格字樣中即可看出，此版最

主要是在提升 Bluetooth 的傳輸率，使其更具競爭力

2003 年 Bluetooth推出 1.2版，此版有諸多的強化，如加速裝置

偵測、加入、到運作的反應時間，強化了原有跳頻機制的調應性

（Adaptive Frequency Hopping；AFH）、擴充 SCO（Synchronous

Connection-Oriented）連線功能、強化錯誤偵測、流量控制、同步

能力等，此版被列入 IEEE 802.15.1a，同時此版也在規格書上的編排

進行大改變，將「核心系統」與「協定、互通」進行拆分。

Bluetooth列入 IEEE 標準後，由於 Bluetooth與 WiFi皆在 2.4GHz

頻段運作，為了降低兩者在同一區域內同時運作的相互干擾，IEEE增

訂了 IEEE 802.15.2，以此強化兩者同區並用的可行性。

在典型的單聲道耳機設計中，有許多晶片上功能可以用來減少材

料清單(BOM)以及設計尺寸和重量。設計人員希望在元件內部放置更

多模組，但這將導致在單一封裝中整合多個矽晶片，從而增加成本。

最實用的解決方案是在單一元件中整合射頻、記憶體、介面、微控制

器、電池充電電路、時脈發生器、DAC和 SMPS，減少相關的 ROM 大小。

需要的外部元件僅是平衡-不平衡變壓器(balun)、濾波器、揚聲器、

話筒、電池、按鈕和 LED。

盡可能採用小型無鉛封裝以滿足全球 RoHS標準，並方便生產加

工，因而保持成本的低廉。影響耳機整體尺寸的主要因素是電池，專

為耳機設計的鋰離子電池體積約為 5mm × 12mm × 45mm，比標準的 8mm

× 8mm 元件封裝要大得多

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藍芽較低層硬體和韌體通常是由藍芽規格預先定義，市場上耳機

間的主要區別是耳機應用程式碼的靈活性及其互通作業性測試的等

級和廣泛性。像電池充電電路和 SMPS 等一些元件級性能是專門為耳

機設計，不過大部份耳機特有的性能是由軟體定義的。市場上主要有

兩種耳機：一種是基於快閃記憶體的耳機，其藍芽軟體就儲存在快閃

記憶體中；另一種是基於 ROM 的耳機，其耳機軟體儲存在晶片上的 ROM

中，用戶可配置的一些功能則儲存在外部 EEPROM 中。這些功能可以

透過編程來滿足實際的耳機人機介面(HMI)要求。

雖然採用快閃記憶體的耳機可提供軟體升級，因而連接新話機，

但廣泛的互通作業性測試顯示，基於 ROM 的耳機產量將會更多，而生

產成本也會更低。

在經過一段時間的沈寂後，從 2003 年底開始，藍芽市場開始復

甦，不僅在手機上配置藍芽(相信不久藍芽將與照相機一樣成為手機

的標準配置)，在筆記型電腦、汽車、MP3 上也開始內建藍芽技術。

在爭奪藍芽解決方案的競爭中，英國的 CSR(Cambridge Silicon Radio)

公司已爭取到諾基亞、IBM、摩托羅拉以及 Sony等客戶，成為藍芽方

案的主要供應商。

CSR的設計特點是將射頻晶片和基頻控制晶片整合在一塊 6 × 6mm的

晶片上，所以對周邊零配件的要求相當高，其中對電源控制晶片的主

要要求是：瞬態響應好，抑制噪音能力強；外型小。目前，CSR藍芽

方案的電源控制晶片採用了 Torex的產品，以 BlueCore2 藍芽耳機方

案為例，搭配了 XCS621B(LDO)+XCS921A(DC/DC)，其中 XCS621B 用於

麥克風的偏壓電路，XCS921A用於藍芽晶片的供電。

在耳機應用中對控

制噪音的要求是非

常嚴格的，特別是

人耳能聽到的

20Hz~20kHz的頻

段範圍，而且由於

藍芽工作的頻段

2.4GHz是一個開

放頻段，所以要求

電源晶片有很高的抑制噪音能力。從圖 2 的麥克風偏壓電路來看，CSR

採用了 XCS621B 高速 LDO 系列，該系列 LDO的抑制噪音能力在 1kHz

時>75dB；在 10kHz時>70dB，因此可以比常規產品省略 1個過濾噪音

的旁路電容，有利於成本控制以及電路外型控制。

從圖 3 的藍芽晶片供電電路來看，最大的變化是用 DC/DC取代了 LDO。

由於 LDO供電的效率不高，有相當大的電能會被浪費，為了延長電池

的使用時間，在最新的設計方案中推薦使用 DC/DC 轉換器 XCS921A 系

列。該系列採用同步整流技術，內建了 P溝道和 N溝道 MOS 晶體管，

供電效率可以達到 90%以上。另外，為了控制 DC/DC 所產生的噪音，

XCS921A 系列透過採用限流 PFM 技術，將紋波電壓控制在 10mV以內。

圖 2：麥克風偏壓電路。

由於 XCS921A不使用額外的濾波電路直接為藍芽晶片供電，簡化了電

路的設計並降低了

生產成本。

為滿足耳機設計上

對元件大小的苛刻

的要求， XCS621B

和 XCS921A都能提

供 USP-6B封裝

(2.0 × 1.8 ×

0.8mm)，此封裝基於晶片級封裝概念，省略了常規晶片中的外引腳，

是常規 SOT-25封裝面積的 44%，適合用於要求小尺寸的電子設備上。

1. 硬體開發

設計藍芽單聲道耳機的第一步是印刷電路板(PCB)和藍芽 IC的硬體開

發。參考板設計是設計過程的最重要部份，因為它定義了推薦的 PCB

佈局，指明了元件和分離元件放置的位置以及如何實現低成本的印刷

電路板天線。元件的佈局和位置是設計過程中特別重要的部份，因為

它們會影響射頻性能。將已經通過所有藍芽認證測試的硬體參考設計

圖 3：XCS921A 典型電路。

作為設計起點可以有效減輕佈局設計負擔，參考設計對確定電路板元

件之間的干擾和元件上的電磁干擾(EMI)也具有重要的指導意義。

採用來自 CSR 公司的 BlueVOX方案，設計人員可以有兩種參考設計選

擇，一種是採用鋰電池的設計，一種是採用原型電池(primary cell，

AAA)的設計。這兩種設計都以 BlueCore4-Headset ROM 為基礎，它具

有晶片上開關模式穩壓器和音訊編解碼器，並經過全面的測試。藍芽

單晶片提供經全面認證的藍芽系統 v2.0 和帶 6Mb 內部 ROM 的 EDR，並

透過 CSR的 Headset v4應用軟體進行預載入。該應用軟體內含耳機

和免提規格、HMI 配置與應用策略。兩個參考設計都符合藍芽規格，

並全部使用經互通作業測試過的元件。

2. 軟體開發

一旦設立好硬體參考設計，設計人員必須評估整合在 ROM 中的標準軟

體解決方案是否合適。如前所述，藍芽軟體遵從一定的藍芽標準，因

此對大多數藍芽元件來說是非常相似的。設計人員可透過修改

BlueVOX軟體開發套件(SDK)來定製元件，實現一些專有的特性，例如

可能需要特殊程式碼支援和硬體介面的特殊開關類型。不過，設計人

員可使用經過全面測試的標準軟體來減少相當多的開發時間。

設計人員必須確定其它一些規格，如用於 EDR和 eSCO的免提規格

(HFP)v1.5、耳機規格(HSP) v1.1、免提規格(HFP)v1.0 以及人機介面

(HMI)配置和應用策略。Headset v4軟體向設計人員提供了完整的藍

芽軟體解決方案，實際使用時只需做少量修改。Headset v4還具有帶

高音(treble)增強的風噪消減濾波器，可用來改善聲音品質，並透過

BlueVOX 配置器實現完全可配置的 HMI。將參考設計透過提供的

SPI/UART電纜連接到執行 Windows 的 PC上後，設計人員就可以全面

評估藍芽應用程式碼，透過適當修改使之適合附加的硬體規格和 HMI

配置。

設計人員利用標準的 Headset v4軟體可以直接進行 HMI的配置。在

基於 ROM 的耳機中，電路板上靠近藍芽 IC的地方需配置一個外部 I2C

串列 EEPROM，用於存放配置 HMI的永久儲存值(PS鍵)。對大多數應

用來說，採用 TSSOP或 MLP封裝的 32Kb EEPROM就足夠了。

EEPROM 的功能是存放兩套永久儲存鍵，第一套是非標準值，第二套用

於特殊應用規格。如果使用 CSR 標準耳機軟體 Headset v4，那麼就可

以使用一款名為‘Configurator’的工具方便快速地配置用於定義

HMI設置的 PS鍵。這種方法非常靈活，在多數情況下均能滿足大部份

要求。

3. 應用測試和藍芽認證

在軟體和硬體開發完成後就進入對包括即將用於大量產的軟體和硬

體在內的整個參考設計最終測試和認證階段。設計人員必須執行大量

測試，包括訊號輸出、相對於接收到的訊號強度指示器(RSSI)的誤碼

率(BER)性能和訊息通道干擾。

對使用藍芽無線技術的所有產品來說，藍芽認證要求符合一定的測試

標準。要求使用藍芽標誌的藍芽元件需要經過藍芽認證才能賦予產品

擁有藍芽無線性能的標誌。另外，認證也能確保設計人員設計元件符

合標準藍芽規格，並達到一定的互通作業性等級。藍芽認證要求在無

線鏈路、協議、架構和資訊要求方面達到標準要求，設計人員也被要

求提交一致性聲明，並取得 FCC和 CE等組織的認可。

測試和認證過程可能要花幾個星期的時間，特別是在做過修改和使用

了許多第三方元件的情況下時間會很長。不過，即將由藍芽 SIG 定稿

的最新已認證產品列表(QPL)方案可以讓設計人員透過參考藍芽最終

產品列表(EPL)中的 QPL數字而節省大量時間和成本。使用 BlueVOX

等解決方案的設計人員可以從通過全面藍芽認證過程(包括應用軟

體、韌體和元件級測試)的參考設計中受益。如果最終設計基於的參

考設計來自上述新方案生效後的開發套件，那麼設計人員就無需申請

認證了。最終設計提交時需附帶 CSR QPL 標誌，如果要求獲得全球認

證，還需要得到 FCC和 CE認可。

結論結論結論結論

設計藍芽耳機的設計人員正面臨越來越艱鉅的挑戰，他們必須在最短

時間內滿足功能、成本和技術方面的要求。藍芽 SIG和無線連接領域

中的廠商已經廣泛意識到設計人員在一個成熟市場中所面臨的挑

戰，各公司開始整合所有必要的硬體、軟體、設計說明以及對先進藍

芽耳機設計各種支援，而讓設計人員專心進行新產品定製，並以最快

的速度上市。

對所有藍芽耳機設計人員來說關鍵是減少軟硬體設計複雜性，這可透

過採用外部元件很少的完整單聲道耳機解決方案並根據要求加以定

製化實現，這樣做可以同時減少開發和製造方面的時間和成本。