Hi-Fi 级蓝牙音频接收器

本文记录我使用 CSR8675 和 AK4493EQ 制作蓝牙音频接收器的过程和经验。

随着蓝牙传输速率的提升以及更加先进的音频编解码器的出现，使用蓝牙传送近乎无损的音频不再是非常困难的事。目前行业内，CSR（已被 Qualcomm 收购）的 aptX 及 aptX HD 编码器、Sony 的 LDAC 编码器，都能够实现高质量的蓝牙音频传输。CSR 出品的 CSR8675 就是一枚支持 aptX HD 编码的多功能蓝牙芯片，它是制作 Hi-Fi 级蓝牙音频接收器的理想选择。

目前，在淘宝上由很多使用 CSR8675 的蓝牙接收 / 解码器，但都多多少少存在一些问题。价格在 100 – 200 元左右的设备，多采用了 PCM5102 / ES9023 等低端解码芯片，解码质量不尽人意。而 300 元以上的中高端设备，虽然采用了较好的解码芯片（如 AK4490），但由于 CSR8675 的 I2S 输出没有 MCLK 支持，这些解码芯片又要求 MCLK 输入，因此只能采取输出 S/PDIF，再由 AK4113 等接收芯片转换为 I2S 信号的做法，使实际效果大打折扣。

实际购买两款产品后发现，这两款产品的 PCB 设计都不太规范，数模信号没有分离，也没有一点接地，噪声较大。下图即为其中一款。

现有的产品令我深感失望，所以我决定自己设计并制作一款接收器。我计划自己设计电路和 PCB，但利用上图机器的外壳和电源变压器，因此 PCB 尺寸、螺丝孔位置和输入输出连接器的布局必须和原板相同。

实际制作出的产品具有如下几个优势：

1. 设计简洁。本产品直接将蓝牙芯片的 I2S 信号输入 DAC 芯片，省略了中间 S/PDIF 信号的转换过程，保证了信号的质量。
2. 使用方便。市面上的蓝牙 / 光纤双输入的产品，必须通过选择开关手动切换输入信号源，而本产品利用了 CSR8675 内置的输入源自动切换，无需手动切换。
3. 音质更好。本产品使用了 AsahiKASEI 公司顶级解码芯片 AK4493EQ，具有良好的外围电路设计，配以 I2C 控制的软控音量调节，能够取得较低的失真，从而达到较好的音质。
4. 是同类产品的先驱者。本产品采用的 ICS501 PLL 升频芯片及 I2C 软控方案，都是同类产品中从未出现过的，具有开创性的意义。

核心芯片的选择

在蓝牙芯片的选择上，支持 aptX HD 的唯一一款芯片是 CSR8675，所以自然是别无它选。CSR8675 采用了 BGA 封装，脚位较多且不便于焊接，因此使用 BTM875-B 转接板是最好的选择。它包含了运行 CSR8675 所需要的最小组件，只需接上 3.3V 电源就能工作。

机器的 DAC 芯片，我选择了 AKM 公司于 2017 年底发布的 AK4493EQ，是热销的上一代芯片 AK4490EQ 的升级版。它能够以简单的外围元件（仅需一个外置的低通滤波器）达到不错的性能，并且相比起其他芯片来说，价格并不昂贵（仅 30 人民币 / 片）。

这块芯片与 CSR8675 搭配的最大问题，在上文提到过，是其必须要求 MCLK 输入，而 CSR8675 恰好不提供 MCLK 输出。我以一个不知道是否标准、但能够工作的办法解决了这个问题。

缺少的 MCLK

I2S 协议至少需要 3 个传输线：位时钟 BCK（SCK）、声道选择 LRCK（WS）、数据 SDATA。

BCK 信号用于确定传输的每一位，即每发送一位数字音频数据，BCK 上都有一个脉冲。在一般的应用中， \(f_{BCK} = 2 \times 32 \times f_s（采样率）\) 。即使音频位深度只有 16 位或 24 位，依然会占用 32 个 BCK，多出来的位全部为 0。

LRCK 用于确定传输的声道，为高电平时传输左声道数据，为低电平时传输右声道数据。\(f_{LRCK} = f_s\)。

SDATA 即为真正的音频数据。

I2S 有时还需要另外一个主时钟 MCLK，供芯片内部逻辑使用。像 PCM5102 这样的解码芯片不需要这个时钟，它会产生自己的内部时钟；但 AK4493 需要这个时钟来驱动其内部的过采样逻辑和数字滤波器。MCLK 的频率要求因厂家而异；AK4493 可以使用的 MCLK 频率如下图：

我们可以观察到，\(f_s\) 在 96 kHz 以下时，AK4493 都能以
\(256 \times f_s\) 的 MCLK 频率工作。而 BCK 始终是 \(64 \times f_s\)，于是我们可以把 BCK 倍频 4 倍，作为 MCLK 信号。

经过一番寻找，我找到了能够满足要求的芯片：ICS501。ICS501 是一个 PLL 倍频芯片，可以将输入信号的频率提升到一定倍数后输出。它支持的升频倍数有 9 种，在这里我们选择 4 倍放大。

电路设计

解码器部分的电路结构相对较复杂，由电源退耦部分、MCLK 生成部分、低通滤波部分组成。 由于目前个人水平较低，没有自信进行较复杂的电路分析，所以这部分的设计均按照“贴近官方数据手册”的原则来进行。

DAC 供电部分

AK4493 的供电分为 3 部分：数字 3.3V 供电，模拟 3.3V 供电，模拟 5V 供电。其中，数字 3.3V 和模拟 3.3V 各由一路 SPX1117-3.3 提供，5V 供电则直接由 7805 提供。数字供电和模拟供电分离，降低了干扰带来的噪声。

3.3V 的稳压芯片选择了成本稍高的 SPX1117 而不是常用的 AMS1117。前者的数据手册上明确允许使用 MLCC 电容作为输出电容，这种电容具有较小的体积和 ESR（等效串联电阻），可以达到较好的效果并节省 PCB 空间。

各路电源均按照官方数据手册的要求设置了退耦电容。由于使用的是低 ESR 的 MLCC 电容，所以容量比官方数据手册的容量稍小。

AK4493 除了正常工作所需的供电外，左右声道各有一路参考供电（VREFHL / VREFLL / VREFHR / VREFLR）。这路供电的作用是给输出信号提供参考电压，因此需要极小的噪声。在官方数据手册中，使用了 220 μF 的电容进行滤波；考虑到如此大的电容值（尤其是因为使用了 MLCC）可能会对稳压芯片的工作带来干扰，所以在供电时了一个 5 欧姆电阻，并使用两个 100μF 1206 封装的 MLCC 电容并联。实际组装时，因为没找到 1206 封装的电阻，所以使用了磁珠来代替，也取得了很好的效果。

MCLK 倍频部分

该部分电路非常简单，给 ICS501 提供了频率为 \(64 \times f_s\) 的 BCK 输入，连接其 S0、S1 控制脚使其进行 4 倍频。输出串联了一个 33Ω 的消振电阻，然后连接到 AK4493 的 MCLK 输入。 消振电阻的作用是防止振铃和过冲现象产生。

ICS501 芯片的供电串接了一个磁珠，并按照官方数据手册的推荐值并联了一个 10nF 电容。这样可以尽量减少噪声的产生。

低通滤波器部分

AK4493 采用的过采样 Σ-Δ 解码架构会将信号进行过采样，然后使用数字滤波器将音频段内的噪声滤除，留下音频带外的噪声。这部分带外噪声是数字滤波器无法去除的，它需要使用外部低通滤波器进行处理。常见的 DAC 架构中，Σ-Δ 架构是外围电路比较简单的架构，其他架构的 DAC 芯片通常需要更复杂的外围电路。

低通滤波器的电路结构和元件取值均照搬了官方数据手册的示例。此处选用了 0dB 增益的低通滤波电路，因为我的后级功放的增益较大，此处即使没有增益，在聆听时也能够达到足够的音量。

为低通滤波电路选购电容时，如果希望使用 MLCC 电容，则需要注意选用 NP0 / C0G 规格。这种电容的容量变化率较小，也几乎没有逆压电效应，适合作为信号通路的耦合电容使用。常用的 X5R / X7R 电容具有压电效应，会对信号耦合带来干扰，甚至导致信号失真，不适合用于信号通路，只适合用于滤波、退耦用途。

为了达到最佳效果，我没有使用 MLCC 电容，而使用了松下 ECHU（堆叠金属化 PPS 薄膜电容）系列。这种电容具有误差低（仅 2%）、频率稳定性极佳的特点，能够尽量减少低通滤波电路带来的失真。

运算放大器选用了 NJR 公司出品的 Hi-End 级音频运放 MUSES8920，好货无需多言。

蓝牙部分

由于 CSR8675 所需的核心组件都集成在 BTM875-B 核心板上，所以蓝牙部分的外围电路相对比较简单，仅有两个 LED 的限流电阻和 I2C 通讯总线的上拉电阻。

I2C 总线与 AK4493 相连，用于对 AK4493 进行配置和调整音量。使用 I2C 实现的无损硬件音量调节也是本产品的亮点之一。

蓝牙供电部分与 DAC 供电部分完全相同。

输入 / 输出部分

输入部分由 Toslink 光纤接收器（用于接收机顶盒的数字输出）和 SMA 接口（用于连接蓝牙天线）组成。Toslink 接收器的供电和输出也完全按照官方数据手册的电路设计，力求达到最佳效果。

I2S_EN 输出连接到了 P_EN 插针，可以引出作为后方功放的电源控制，无需每次都手动开关功放。

电源部分

为了追求更好的信噪比，本产品使用了全模拟供电。12V 变压器输出连接到一个全桥整流器进行整流，然后经过了两个 25V 2200μF 电容进行整流。考虑到部分家庭供电电压可能会达到 240V，导致输出变压器电压较高，主滤波电容的耐压值选用了 25V 而非 16V。滤波后，一对 78/7912 稳压芯片，加上一对 100μF 的输出电容， 产生的
±12V 供电作为低通滤波器运放的供电。其中 +12V 又经过了一个 7805 将电压降至 5V，作为整个系统所需的 5V 供电。

接地部分

许多 DIYer 因为担心地线环路带来的噪声，选择了不连接市电地线。这种行为不符合相关的国家标准，并且为产品带来了严重的漏电隐患，是万万不可取的。我在制作中使用了许多厂机采用的阻容并联接地方式，既使系统接地与市电接地相通，又避免了环地问题。

地线上可能会通过由感应噪声产生的电流，因此我使用了 4 个 0805 贴片电阻并联，来防止这个电流使电阻过热。而电容应选择耐压 250V 以上的器件，防止瞬间的感应电将其损坏。

PCB 设计

除了良好的电路设计以外，科学合理的元件布局和布线也是优秀的产品不可或缺的一个元素。在布线时，需要将数字电路和模拟电路分开布局，从而减少噪声。

为了使布线更加清晰可见，下面的 3D 图片均为 Altium Designer 的 3D Layout 视图。

数字部分

数字部分的布局布线遵循“缩短引线长度”、“降低地线阻抗”的原则。由于数字电路对环地问题不敏感，因此采用了大面积铺地，来降低地线阻抗。

模拟部分

模拟部分的布线要求相对较低，只需注意单点接地即可。

总体布局

这个设计中，螺丝孔、电源连接插座、光纤输入接口与原机完全相同，可以直接替代原机主板。

以上图纸均为第二版图纸，而下文实物是修改前的第一版图纸，有细微的区别。

实物制作

元器件选择

为了达到最佳性能，7812 / 7912 / 7805 均选用了 ON 公司的 MC78/9 系列产品。该系列产品相比常见的 LM78/9，具有较高的噪音指标。低压差稳压（LDO）也选用了性能较好的 SPX1117 系列。

电容的选择也非常关键。退耦 / 滤波部分的贴片电容，全部选用了三星 X7R 电容，而信号通道的贴片电容全部选用 Panasonic 的 ECHU 电容。这些电容都具有极低的 ESR，能够满足产品的需求，降低噪声、减少输出失真。

主滤波电容选用了 Panasonic FM 系列超低阻电容。实际安装时发现此电容过高，因此计划更换为 ELNA RA2 电容。

制作

在淘宝花 35 元进行了 PCB 打样，拿到了 PCB 板。购买相应元件，使用烙铁焊接后，洗去松香，然后涂上助焊剂，使用风枪融化元件引脚，使其位置更加整齐。焊接完成后：

问题

第一版的设计和制作主要存在 4 个问题。

1. 安装孔距离布线太近（如上图），安装铜柱时，铜柱和螺帽可能会划破绝缘漆导致短路。
2. 左下角的 7912 芯片画反。
3. 购买的 Panasonic FM 主滤波电容的尺寸为 \(13 \times 35 mm\)，高度太高导致无法合上顶盖。
4. 忘记打泪滴。

在第二版中对这些问题进行了相应的修复：

1. 在安装孔周围增加空间，避免离走线过近。并且将螺丝孔直接和市电地连接，避免了需要手动连接的麻烦。
2. 纠正了芯片方向。
3. 预计将主电容更换为 ELNA RA2 电容，相同容量尺寸为 \(12.5 \times 25 mm\)，没有过高的问题。
4. 增加泪滴。

CSR8675 固件的编译与修改

AK4493 芯片分为硬控模式和软控模式。硬控模式非常简单，通过不同的引脚控制设备功能。但它的缺点是可控的功能较少，并且无法进行音量控制。软控模式则是通过 3-wire bus 或者 I2C 来写入芯片寄存器，从而控制芯片。与硬控模式相反，软控模式可以操控芯片的所有功能，特别是本项目的重点——DAC 层面的音量调节。

在一些论坛中可以找到 CSR8675 的 I2S 输出固件，但这些固件都无法满足我们的要求，因为它们无法通过 I2C 来配置 AK4493。我们需要定制 CSR8675 的固件选项，方可达到最佳的效果。

如果你不想自己进行这方面的配置，也可以直接在文末下载我已经配置好的固件。

安装 ADK

首先我们下载并安装 CSR8675 所使用的 ADK（开发工具包），这里我们使用最新的 CSR ADK 4.3.1.5。首先安装基础文件 ADK_CSR867x.WIN4.3.1.5.exe，然后安装 aptX 编码器插件 ADK_CSR867x.WIN4.3.1.5 aptX Codec Add-on.exe。安装好后，可以在开始菜单中找到相应程序。

打开工程并调整选项

安装完成后，打开用于开发固件的 xIDE，并选择 Project -> Open Workspace…，选择 C:\ADK_CSR867x.WIN4.3.1.5\apps\sink\soundbar.xiw。打开后，可以看到我们的主要工程 vm – ‘soundbar’ 以及一些用于解码的 Kalimba 工程。

我们先要修改 vm – ‘soundbar’ 工程的配置。右击 soundbar 工程，选择 Properties，在 Build System 菜单项内即可找到工程的配置。我们需要将 Wired Audio 、Extra Codecs、Hi Res Audio 选项打开，将 Hardware Variant 选为 H13179v2_H13478v2，Software Variant 选为 Soundbar-Subwoofer（其实我不知道 Soundbar-Mozart 是什么），然后项目应该就可以编译了。

给出我的配置选项供参考：

启用 aptX 编码器

不过为了启用 aptX 和 aptX HD，我们还需要在 soundbar.mak 中取消注释 aptX 解码器和 aptX HD 解码器的项目文件。

如图，去除相关代码前面的注释符号 # 即可。

有关启用 aptX 解码器的详细信息，请参见 <ADK 安装目录>\doc\support\adkdocs\support\cs-314161-an.pdf。

修改 I2S 插件

CSR8675 的固件支持使用一个 GPIO 来控制后方 DAC 芯片的电源，并在打开电源后使用 I2C 配置设备。但它的控制方式有一个问题：在拉高电源脚后，会立即发送 I2C 指令，此时 DAC 芯片还来不及初始化，导致写入命令失败。为了解决这个问题，我们需要对 CSR8675 的 I2S 插件进行少许修改，为 I2C 配置命令加入一定的重试次数。

为此，我们自定义一个函数 I2cWriteWithRetry，来取代官方的函数 I2cTransfer。这个函数可以允许最多 40 次写入尝试，只有当成功时才会返回。

static void I2cWriteWithRetry(uint16 address, const uint8 *tx, uint8 tx_len)
{
    uint8 retries = 40;
    do
    {
        I2cReset();
        retries--;
        PanicZero(retries);
    } while (I2cTransfer(address, tx, (uint16)(tx_len - 1), NULL, 0) != tx_len);
}

修改后的代码文件如下：

修改 I2S 插件代码后，需要重新编译插件。只需运行开始菜单中的 VM libraries 即可。

连接设备

CSR8675 使用 SPI 进行通讯。PCB 上已经预留 SPI 接口，且其针脚顺序与我购买的下载器相同（方形为接地），使用杜邦线将其连接即可。

连接设备后，打开 BlueFlash 工具，若能看到 Process Running 的提示，即代表连接成功。

使用 PSTool 读取蓝牙频偏

使用 BlueFlash 抹除闪存

编译并下载固件

在编译固件之前，必须先连接设备，编译器方可获取设备类型、闪存大小等信息。连接设备后，点击 xIDE Build -> Build Active Project 即可编译。编译完成后，点击 Debug -> Run 即可下载并运行固件。

下载固件后，由于此时没有进行设备配置，所以应用程序无法正常运行，会提示 Out of memory initialising globals。这是正常的现象，在下一步中使用 PSTool 导入设备配置就可以解决这个问题。

使用 PSTool 合入设备配置

<开坑待填>

总结

在本项目中，我初步熟悉了数模混合电路 PCB 的设计技巧，并掌握了贴片元件的焊接以及热风枪的使用方法，收获颇丰。

实际产品的听感也十分良好。使用我三年前自制的功放，搭配
Seas H1215 中低音单元 + Scanspeaker 9300 高音单元的音箱，其声场开阔、乐器定位准确、细节丰富，低频有力、中频细腻、高频延伸到位，相比我之前购买淘宝套件制作的任何一款 DAC 、买到的两款蓝牙接收器，都要好很多。

总体来说，本次制作除了第一版设计稍有瑕疵外，总体效果无论是从功能还是从听感来看，都是令人满意的。

设计资料

如果想获得 CSR ADK 相关资料，可以给我发送邮件。

本作品使用基于以下许可授权：Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.