主標題: Bluetooth Speaker DIY
副標題: 藍芽喇叭DIY - 系統架構的幾點建議
/** 2017/09/06 再update **/
想不到又寫了第三篇與藍芽相關的文章, 對我個人而言, 應該是藍芽這規格的完結篇了吧. 請參閱
http://greatsound168.pixnet.net/blog/post/343767195
/** 2017/08/17 再update **/
以藍芽接收器來當無線傳輸的工具, 限於藍芽的先天限制（頻寬與資料壓縮問題）, 就算是試聽過Bluetooth V4.0, 號稱Lossless compression (無損失壓縮)的APT-X技術, 在音質上仍無法令我感受到太大的改善, 所以我往Chromecast (Wi-Fi傳輸)的方向前進.
在測試完Chromecast, Chromecast Audio, 與Philips藍芽接收器後, 有了一點心得分享, 有興趣的同好可以參考個人之新文章
"Chromecast Wi-Fi無線傳輸與Bluetooth藍芽傳輸之音質比較"
http://greatsound168.pixnet.net/blog/post/343521544
/** 於2016/9/18 update, 完成文章後半段,藍芽喇叭DIY的系統架構建議 **/
~* 藍芽傳輸在剛開始發展的時候, 受限於頻寬與傳輸速率, 不可免的使用了lossy compression (較新的APT-X號稱Lossless, 恕在下還未深入研究過), 所以音質比CD差這是可以預期的, 本文僅就如何讓藍芽訊號轉為類比訊號後的聲音"比較好聽", 無法改變數位訊號經過lossy compression的缺點與事實, 所以請勿有超越CD音質的過度期待唷 *~
話說約一年前, 曾經買了幾個藍芽接收器, 接上大系統試播Youtube音樂, 但覺得效果不好, 所以就束之高閣了.
最近在測後級PCB, 在工作桌上簡單架起小系統試聽, 懶的搬CD Player, 所以就找來藍芽接收器來當訊號源.
剛好老婆最近在準備音樂欣賞的教材, 花蠻多時間上網找音樂資料與試聽, 因為我也要測後級的可靠度, 準備連續開機Run-in 24小時, 就讓老婆的Notebook連上藍芽, 用測試的小系統找資料聽音樂.
其實之前幫幾個好朋友組音響時, 都有幫忙裝上這藍芽接收器, 真的是蠻方便, 大家也都蠻喜歡的. 其實不是直接把藍芽接收器裝上擴大機就好, 直接裝上去真的不好聽, 經過幾次的實驗與測試, 發現是藍芽接收器的在小音量時動態壓縮(也跟手機的音量控制分段太少有關), 細節與音場都壓得扁扁的了, 聽起來很緊很不耐聽. 最後加了一台用OPA做的"前前級"而得到蠻大的改善.
如上圖, 還一連做了二台呢, 呵呵.
試聽了一陣子, 老婆覺得很方便, 暗示我能不能幫她做一台, 她想送給大象音樂教室, 以後上音樂欣賞之類的課程會很方便.
我一聽大象音樂有需要, 二話不說馬上答應, 呵呵. (大象音樂對小兒真的不錯, 知道小兒喜歡玩具車, 只要7-11有集點送玩具車, 就主動幫小兒收集貼紙, 像之前的藍寶堅尼與法拉利, 到最近的Mini Cooper. 最近大家都很認真地為小兒多喝了好幾杯冰咖啡, 光衝著這一點, 我當然要聊表心意呀, 呵呵)
原本以為二個小時可以解決, 最後搞了快20個小時, 真的是老話一句. "要發出聲音很簡單, 但要發出"好"聲音還真是沒那麼簡單, 一點都不能偷懶呀", 呵呵.
其實, 我也做過一對送張老師, 加上"前前級"後, 他覺得效果不錯, 甚至鼓勵我開發產品販售. 之前提過張老師是有玩音響器材的管樂老師, 張老師的夫人是大提琴老師, 就跟我認識的大部分的音樂"女"老師一樣, 會玩到完整前後級音響系統的女老師比較少, 絕大部分都是希望"一鍵搞定", 大系統要開前級再開後級, 還要熱機切換Input Select之類的, 真是太麻煩了. (張老師的夫人跟我太太一樣, 對我們這群男人辛苦構建的音響大系統都沒興趣, 不是不喜歡聽, 是覺得太麻煩. 她們都有自己的音響小系統來聽音樂, 哈哈).
所以張老師的建議是開發"桌上型"簡易系統的藍芽喇叭, 不需設定不用說明書, 簡單的"一鍵搞定"即可. 這類的產品低階的可能幾百塊, 高階有品牌的要價幾萬塊. 我個人覺得技術上完全沒有問題, 但這類產品的重點在於"品牌"與"ID(工業設計)", 現階段的我應該沒有施力點, 所以就沒花時間在此類產品上了.
最後的成品如上圖, 不錯看吧, 呵呵.(送人的還做的這麼漂亮, 還花了20個小時, 誠意十足吧!) 因為考量要直接把擴大機放在喇叭上方, 看看手邊的現成的機箱, 之前用來裝12AU7 Buffer的機箱最適合. 懶得再下單訂購, 直接拆了裡面的12AU7 Buffer拿來用. 艷紅色面板加上原本訂製給喇叭用的銘牌, 真的還蠻漂亮蠻搭的.
這一台確定不會拿來量產, 所以這一篇文章不會放在Tango Product line的文章分類中, 原本要放在"胡搞瞎搞"裡, 但花了20個小時實作試聽, 真的還是有些經驗可以與DIY同好分享, 所以最後放在"DIY經驗分享"的文章分類中, 希望有興趣DIY的同好可以少走些冤枉路.
一開始真的只花了二個小時就讓藍芽喇叭系統發出聲音了. 系統架構很直接, 因為要做可移動式的藍芽喇叭在教室播放音樂, 而非固定式的音響系統, 所以就規劃成一個聲道(一支喇叭), 也為了塞進目前選定的機箱, 所以把PCB左聲道裁掉只剩單聲道, 但保留所有的功能(電源, 直流偵測, 與延時開關). 基本架構就是"裝了VR的後級", (這架構在正規音響器材並不少見, 個人以前買過外型酷似飛碟造型的Audio Innovations alto擴大機就採用這種簡易而直接的架構,http://carbon4copy.blogspot.tw/2011/04/audio-innovations-alto-mk2.html ). 訊號路徑從藍芽接收器當Input, 接到VR當音量控制, 再到後級作訊號放大.
上示波器檢查訊號, 波形都還蠻漂亮的, 一次OK, 呵呵. 但一開聲, 還真的不好聽, 哎呀真是的. 雖然是送人的, 但不好聽還真的不好意思送出去呢. 找來老婆聽看看, 她也說跟以前的作品差蠻多的. 哎呀, 面子問題, 只好硬著頭皮找問題了, 有時候真想把自己標準降低一點, 何必自找麻煩呢, 呵呵.
上段有提到, 之前發現藍芽接收器在小音量時動態被壓縮, 細節與音場都壓扁了. (現代的錄音或說音樂檔案, 錄音或轉檔時的電平都蠻高的, 使用藍芽接收器播放時, 聲音不會那麼難聽. 但是部分的老錄音或古典音樂錄音, 錄音時的電平就小許多. 用藍芽接收器播放時, 動態與音場真的都出不來) 那時候的解決方法是用OPA(Operational Amp, 運算放大器)做成一台"前前級"來解決. ("前前級"的意思是在前級<Pre-Amp>之前再加一級放大, 不純粹只是放大倍率的考量, 也為了後級靈敏度搭配)
手邊還有二個品牌的藍芽接收器, 就來個有圖有真相, 從輸出電平來測量與解釋吧.
上圖是Philips藍芽接收器. 測試方法是在YouTube找一段1KHz Sine Wave的音樂片段, 用手機播放經藍芽傳輸到Philips藍芽接收器, 用示波器量測最大輸出電平. 手機音量開至最大, 量到訊號大小為3.2Vpp.
用同樣的方法, 量測另一個Toshiba藍芽接收器, 量測得到的訊號大小是2.0Vpp.
Toshiba藍芽接收器比上一個Philips的輸出訊號小蠻多的(大約只有62.5%), 我相信跟二者使用的電源電壓有關係. Philips使用DC9V, 而Toshiba使用DC5V.
根據查詢的資料, DVD Player的輸出電平為0.775Vrms (即2.17Vpp)
但為了了解時測量值與Spec.相差多少, 所以又找了三台CD/DVD Player來測試比較.
測試方法是將一片測試CD, 其中內含1KHz Sine Wave訊號, 經CD/DVD Player播放後, 再以示波器量測波形與Vpp. 結果如上圖所示. 我個人想法是這三台CD/DVD Player的輸出電平的差別主要的來自D/A Converter之後到Analog Out之間的緩衝級對輸出阻抗與增益有不同的設計與調整 (因為Source是Digital訊號, 經D/A converter轉成Analog訊號時, 輸出電平應該一樣) 其實這緩衝級(Buffer)正是調音所能發揮的好地方. (CD/DVD Player使用市電110VAC, 在設計上電源的使用上沒有太大限制, 但藍芽接收器大多使用9VDC或5VDC, 電源上的限制使得使用緩衝級來調音的方法很難實現, 請看文章後半段的2016/09/18 update)
基本上, 輸出電平大致與Spec.差不多. 我個人經驗是D/A converter當然影響聲音甚巨. 但將輸出電平稍為調高(大約10~20%)聲音相當討喜. 這也是為什麼會有"前前級"這器材的需求.
從實測, 可以發現Toshiba的輸出電平約2.0Vpp, 相對於其他播放器(BT or CD/DVD)雖然小一點, 但也還在Spec.範圍內. 所以不好聽的問題出在哪?
當然D/A converter會是個大問題, 藍芽接收器小小一個, 價錢一千塊不到, 您說能用多好多精密的D/A converter設計呢? (再回想一下, 如果藍芽傳輸採用Lossy compression, 再加低階的D/A Converter處理, 這樣的音質真的劣化蠻多的) 但這點是沒辦法改善的, 一分錢一分貨. (當然把switch電源改為線性電源會有改善, 但改善幅度多大? 值得嗎? 寫了這麼大一篇, 如果只是建議換線性電源, 那就太"淺"了, 呵呵)
還有其他方法嗎?
第一次的架構: 加上VR的後級, Signal Path: Input -> VR -> Power Amp. 真的不太好聽.
所以把前級加回去. 第二次的架構與Signal Path變為 Input -> VR -> Pre-Amp -> Power Amp.
用OPA2134做了一個單聲道的前級, 架高在後級PCB的左上方. 示波器量測訊號當然沒問題, 聲音表現有改善但我還是不滿意. (音場打開了, 動態也出來了, 但小音量聆聽時動態與細節仍略嫌不足. 手機控制音量的格數或許只有10幾格, 在擴大機音量固定, 用手機控制音量時, 在最適合音量的上下一格調整時, 聲音表現相差蠻多的)
這邊有二個重點
1. 前級放大倍數: 一般來說, 前級放大倍數為10倍(這也有二種說法, 一說是電壓放大10倍, 另一說是功率放大10倍, 相當於電壓3.3倍), 但倍數會不會太大?
2. 架構: 是該Input -> VR -> Pre-Amp -> Power Amp? 還是Input -> Pre-Amp -> VR -> Power Amp? (一般來說Input -> VR -> Pre-Amp -> Power Amp較常見)
這是在繞口令嗎? 差別在哪裡? 呵呵 差別在於VR與Pre-Amp的順序
(有興趣的同好可以先想想, 下段分曉. 沒興趣的可以直接看結論, 呵呵)
想通了嗎? 還是放棄了呢? 呵呵
"VR在前Pre-Amp在後"是"先衰減再放大"
而"Pre-Amp在前VR在後"則是"先放大再衰減"
回想一下目前藍芽接收器的瓶頸在哪? "小音量時, 動態壓縮, 缺少細節與音場", 如果再採用一般架構Input -> VR -> Pre-Amp -> Power Amp, "先衰減再放大", 我相信改善效果不大.
但如果改成Input -> Pre-Amp -> VR -> Power Amp, "先放大再衰減". 才是正確與有效的解法.
後級放大倍數(大約30倍)不夠嗎? 一定要加前級放大(1~10倍)? (我上段有暗示, 10倍放大似乎太大)
其實除了放大倍數之外, 另一個重點是"輸入靈敏度"
上圖是Samsung手機音量控制的測量值, 測量方式是用在手機播放1 KHz sinewave, 經由藍芽傳輸到Toshiba藍芽接收器, 用示波器與數位電表量測Vpp.
如圖可以看到Samsung手機的音量控制只有16格. 精準度十分不足, 請看第15格與第16格(滿格)的級距十分大, 第15是滿格時的62.5%(1.25/2). 如此的音量級距相當大, 且15格之前的動態真的被壓縮的蠻嚴重的.
~* 2016/09/18 Update *~
這篇文章我上次寫到一半就擱筆, 沒有寫出建議與結論, 但我很驚訝的發現這一篇文章的瀏覽數相當多, 讓我感覺到不好意思. 所以趁中秋假期把這邊文章的後半段寫完.
我沒有拆開手邊的Philips與Toshiba這二個藍芽接收器來研究, 但我去找二個市售的藍芽接收模組來玩.
稍微研究一下後發現雖是同時期販售的產品, 但架構與支援的規格還相差蠻多的
左邊的模組使用ISSC的IS1684S, 只支援到Bluetooth V3.0
右邊的模組使用CSR 8630, 支援下一代的Bluetooth V4.0. 也就是support multi-point (可連接二個devices for music playback)
在主IC規格上, CSR8630(日前已推出更新的CSR8635)比起IS1684S已經強大太多了. Module設計者在系統架構上更加advanced, 在Audio output interface外加MV358 (Dual Low-Voltage Rail-to-Rail Output Operational Amplifier), 理論上對後一級(擴大機)的推動力會更好, 音質應該會更佳. (也是因為CSR8630的Audio output是differential, 所以還是需要外部元件吧) (我不做Product Marketing已經很久了, 所以就不用再更深入探索了, 呵呵)
關於Bluetooth Speaker DIY(藍芽喇叭DIY)的架構建議(單純在架構上的建議, 先不討論擴大機功率與喇叭效率 ...等), 我整理如下
1. 如果使用藍芽接收器, 建議把手機音量開到最大, 而用擴大機的音量控制來控制系統音量(頂多在15格-16格之間做音量控制), 雖然比較麻煩(手機控制音量比較方便), 但手機音量控制的級距太大, 音量太小時, 動態被壓縮的蠻嚴重的.
2. 如果您有DIY擴大機的能力, 建議使用 "藍芽接收器 -> 前級放大 -> 音量VR ->後級放大"的架構 (先放大再衰減)
3. 如果您有DIY能力但卻不想動擴大機, 可以使用OPA(運算放大器)做個"前前級"(不要做到放大10倍這麼大), 接在藍芽接收器與擴大機之間. 動態與音場呈現會大幅改善. 在音質方面, 藍芽轉出來的聲音, 個人覺得大多高音較刺耳而低頻較不足, 可以加個低頻補償線路來改善
(被動式的RLC補償線路, 做低頻補償時, 講明了就是低頻衰減的比較少, 而高頻衰減的比較多. 經過補償線路後, 效率稍降低, 低頻衰減少, 高頻衰減多, 整體聽起來就有低頻加強的效果. 這也順帶解決了藍芽音樂高頻較刺耳的問題)
4. 前前級的放大倍率與前級可接受的最高入電壓Vin(p-p), 要精算過. 一般來說如果使用電晶體或OPA的前級, 比較沒有要注意的地方. 但如果是真空管前級, 那就得考慮Vg之設定, 不要把前前級的放大倍率設的過高而讓放大後的Vin振幅超出Vg, 那就會發生如下的失真. 如果您沒用示波器看, 您沒有考慮輸入最大電壓, 科學是一板一眼的, 失真隨時發生在缺乏考慮的不良設計之下.
全文完!! 如文中有任何疑義之處, 歡迎路過高手與前輩, 不吝指正, 再次感謝瀏覽, 謝謝!!
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