基于Qualcomm QCC3086蓝牙低功耗音频Auracast™广播之无线听诊器设计方案

        2019年COVID-19 新冠肺炎疫情开始在全球大爆发，每天从新闻上可以看到各地确诊人数不断向上攀升。如何降低接触感染机率并对已感染的病患提供有效和精确的诊断一直是医护人员的心声和要求。 虽然目前市面上已有蓝牙无线电子听诊器，改善了近距离跟病人接触感染的风险，但是目前市售的蓝牙听诊器都只能对应一个蓝牙无线耳机或手机，无法让所有的医生同时间都听到心肺音来做病情的讨论。所以本设计方案提出一款蓝牙低功耗Auracast™广播听诊器，可以广播发送听诊音频讯号给无限个Auracast™认证的蓝牙耳机或蓝牙喇叭来收听，这样就可以避免近距离接触病患和外部噪音干扰，让医护人员可以更安全聆听微弱心肺音来做精确的判断。       

        本设计方案采用蓝牙低功耗的广播音频（Broadcast Audio）功能，让一个Auracast™蓝牙低功耗发射器的传播音频到接收范围内已通过Auracast™认证接收设备，来接收播放音频，且接收设备数量不限。蓝牙低功耗广播引入了低功耗等时通道（Isochronous Channel）的概念这是一项用于音频传输的关键功能。等时通道旨在实现在不同的蓝牙设备之间同步音频流，以提供更高质量和更一致的音频体验。以下是有关蓝牙低功耗的等时通道的一些优点：

• 高品质音频：等时通道可提供高达 384 kbps 的音频数据速率，可提供高品质音频。
• 时间同步：数据在音源和接收器处都进行了时间戳记，确保播放在各个设备上保持同步。
• 错误校正：数据中的错误被检测和校正以保持音质。
• 功率控制：数据以与播放速率匹配的速率传输，最大限度地减少功耗。

        蓝牙低功耗等时通道有两种型式： 

• 连接式等时通道 (Connected Isochronous Channels)：需要两个设备建立GATT连接之后才可以使用的用来传输的通道。
• 广播式等时通道 (Broadcast Isochronous Channels)：使用广播来传输音频。 连接式等时通道主要用于多重串流和分享等应用，而广播式等时通道主要用于广播等应用。

         图1是Auracast™ 工作方式。Auracast™发射器发送出含有广播资讯的Auracast™广播（分享），并且向Auracast™辅助设备(如手机或平板等装置)提供关于广播的资讯（例如名称、内容、编解码器配置等）以及一个或多个串流（如左和右边立体声串流）。

 
图1 Auracast™ 工作方式(图片来源：蓝牙技术联盟) 

        Auracast™辅助设备利用蓝牙低功耗技术扫描Auracast™广播，并提供使用者一个可选择任何一个Auracast™广播（分享）连接的使用者界面，这就很像在手机上选择要连接的无线网路分享器。在使用者选定了要连接的Auracast™广播（分享）之后，Auracast™辅助设备会向Auracast™接收器（如耳机、助听器等）提供加入Auracast™广播所需的必要资讯，然后开始接收并且播放串流。

听诊头结构

        听诊头：通常由金属制成，用于放置在患者身上以收集身体内部的声音。听诊头由听筒和膜片所组成(参见图2)。

• 听筒：用于放大收集到的声音。
• 膜片：位于听诊头和听筒之间，用于收集和传递声音。

滤波和麦克风放大线路

        麦克风放大器是可以选择专门为低损耗电源所设计的功率放大器且具有自动增益控制（Automatic Gain Control, AGC）功能，可以自动调整增益以避免过大的输入而产生失真，并且确保输出都能够保持一定的音量输出。另外在其基本电路中，可以在输出端和输入端添加了一阶低通滤波器，以滤除高频杂讯，有助于提高在实际应用中的性能，确保输出信号的纯净性和可靠性。

蓝牙低功耗广播线路 

        此次设计采用Qualcomm 所推出的QCC3086蓝牙芯片作为蓝牙低功耗广播发射平台，本方案设计使用QCC3086开发板方便后读讯号的量测。本设计方案将利用蓝牙低功耗 LC3编码解码音频。设计听诊头的麦克风收到心肺音后，经过麦克风放大器和滤波线路传送到QCC3086类比讯号输入，再透过QCC3086蓝牙无线广播功能传到蓝牙耳机，或蓝牙喇叭等其他设备播放使用。图3是QCC3086基本线路图。

• QCC3086 是一款单芯片蓝牙音讯 SoC 平台，旨在以 USB 转接器或Line in的形式实现丰富的功能，为任何来源设备带来 Snapdragon Sound™ 技术套件。
• QCC3086是 Qualcomm S3 Gen 2 声音平台产品组合，提供符合蓝牙 5.4 标准的 双模设备，利用经典蓝牙和 LE 音频，以及 Snapdragon Sound 功能为源设备提供支援。
• QCC3086 结合了 Snapdragon Sound 和 LE Audio，可提供低于 20 毫秒的超低延迟，实现无延迟无线音讯以及用于游戏内聊天的语音反向通道。当仅提供游戏音讯时，延迟会进一步减少。
• QCC3086 也透过 Qualcomm® aptX™ Adaptive 和 aptX Voice 提供 Snapdragon Sound 支持，旨在实现高达 24 位元 96kHz 的音乐串流和超宽频语音免持通话。
• OEM 可以利用QCC3086将 Auracast™ 广播音讯功能添加到适配器和适配器中，以便与电话、笔记型电脑、电视和各种其他音讯设备等来源设备一起使用。QCC3086 专为新兴的Bluetooth® LE Audio 音讯标准而设计，旨在支援 Auracast™ 广播音讯和 LE 音讯单播音乐和语音。 

图3 QCC3086 基本线路图

        本设计方案探讨蓝牙低功耗广播听诊器的广播功能，这项功能具有独特的能力，允许多个蓝牙低功耗接收装置同时接收到一个广播。第一组待测物Qualcomm QCC5181 Earbud RDP 蓝牙主动降噪耳机的左耳机放置于GRAS 45C人工耳模型的左耳廓位置，如图4所示。同时，第二组待测物QCC5181 Headset 开发板配合有线耳机被放置于GRAS 45C人工耳模型的右耳廓上，如图5所示。

图4 Qualcomm Earbud RDP(左耳)    


图5  QCC5181开发板接有线耳机(右耳)

         使用Audio Precision APx500 V8.1软体 和Audio Precision APx525B，我们进行了阶梯频率扫描的设定，并将讯号Level设定为100mVrms进行输出。随后，我们对Qualcomm QCC5181 Earbud RDP蓝牙主动降噪耳机的左耳和QCC5181 Headset开发板的右耳进行了RMS Level的量测，以观察其输出的表现。从图6的测试结果中，我们可以明确地观察到两个待测物的因为硬体设计的不同，所以输出音量存在差异。然而，值得注意的是，尽管音量存在差异，但其频率响应曲线的走势是相似的。这意味着在不同的音量设定下，两个设备在频率响应上都展现出一致性。

 

图6 Qualcomm RDP蓝牙主动降噪耳机左耳跟QCC5181开发板右耳RMS Level输出

        另外使用APx 500软体的DUT Delay功能量测第一待测物Qualcomm Earbud RDP左耳和第二待测物QCC5181 Headset开发板右耳输出延迟，结果如(图7)。因为产品应用为蓝牙广播听诊器，需精确的传送听诊音频，所以根据Basic Audio Profile (https://www.bluetooth.com/specifications/bap-1-0/)设定成High-Reliability。依据多次量测的结果可以得出不同待测物之间的延迟和规格几乎相同。

 
图7 Qualcomm Earbud RDP左耳跟QCC5181Headset 发板右耳延迟时间

      我们得以确定蓝牙低功耗广播听诊器在广播功能上展现了高度的准确性，能够精准地将发送至每一个接收端。搭配蓝牙耳机，不仅突显了蓝牙技术在听诊器和耳机产品中的潜在应用，而且也强调了其在实际操作和功能性能上的优势。我们可以更有信心地认为蓝牙技术对于现代医疗和个人聆听装置的进步具有显著的贡献。

        传统听诊器在临床应用中持续保持其主导地位，主要因其经济实惠、操作简单及耐用性。然而，其音质较为有限，容易受到周围环境噪音的干扰，进而影响医疗诊断的准确性。电子式听诊器作为传统听诊器的现代化演进，带来了显著的改进。特别是在特定条件下，例如大型患者、微弱的声音或高噪音环境，电子式听诊器展现了其优越性。本设计方案提出蓝牙低功耗广播听诊器，提供了一套完整的电子式听诊器解决方案。此系统不仅适用于医学教育和临床诊断，而且具有多种优点，包括：

1. 可以同时提供多种听诊模式，包括心音、肺音、杂音等，方便医生进行诊断。
2. 能够增强听诊音量，从而提高听诊效能。
3. 具有数据储存和分析功能，助于医学研究和教育。
4. 低功耗和快速连接特性可优化其使用效能，减少对大型电池的依赖。

        蓝牙低功耗广播听诊器设计方案，作为现代医学诊断工具的一部分，因其高质量的音质、先进的滤波技术、数据记录功能和远程听诊能力将有助于提高临床听诊的效率和准确性，并为医生提供更全面的诊断信息。