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支持双麦克风的蓝牙无线接收器及在教学中的应用

[日期:2017-10-19]   来源:河北教育教学论坛杂志社  作者:河北教育教学论坛杂志社   阅读: 2[字体: ]


支持双麦克风的蓝牙无线接收器及在教学中的应用(2p)

A dual-channel wireless Bluetooth receiver and Its Application in Teaching
Zhang Hong sheng Chen Hong yue Zhu Ren yi
(Chongqing University of Post and Telecommunication)
摘要:针对教学互动环节中需要师生同时使用麦克风的需求,设计了一种支持双麦克风的蓝牙无线接收器。该接收器可同时采集两个蓝牙麦克风的声音并放大,并直接驱动多媒体教室已有的音箱设备,具有声音清晰、安装简便的特点。
关键词:蓝牙;双通道麦克风;多媒体教学
Abstract:Two wireless microphones are needed for both the teacher and the student during the interaction in class. In order to meet such a requirement, a dual-c
hannel wireless Bluetooth receiver is designed. The receiver can receive and amplify two channel speeches simultaneously from two independent wireless Bluetooth microphones, and drive the loudspeaker in the classroom directly. The solution has clear sound and is easy to set and maintain.
KeyWords:Bluetooth, Dual ChannelMicrophone, Multimedia Teaching

0引言
现代教育注重教学环节的互动,特别是在课堂教学中,师生之间的互问互答对调动课堂气氛、提高教学效果都起着重要作用。但是目前的大多数多媒体教室中,只有老师配备了麦克风,学生回答的音质效果得不到保证,在一定程度上影响了教学效果。因此,设计一种音质良好、使用简单的双麦克风方案,对于进一步提升教学效果有着积极意义。
在当前建设多媒体校园的大背景下,蓝牙麦克风作为一种新的教学设备在很多学校得到应用。蓝牙无线麦克风利用蓝牙技术的自动跳频、对频、数据更正、错误重传等诸多技术优势[1],把蓝牙技术与数字音频处理技术完美的结合,有效地克服了传统麦克风在教学扩音应用中的不足。为了进一步满足课堂上师生互动的需求,本文给出了一种双麦克风的蓝牙无线音频接收方案。
1系统总体方案设计
为了能够同时互不影响的接收两路蓝牙麦克风的声音,采用了两个独立的蓝牙接收模块,这两个模块的输出经混音、放大后,接入教室中多媒体控制台的音频功放,进而驱动音箱发出声音。系统的整体方案如图1所示。


图1系统总体方案图

由于每个蓝牙接收模块都需要接收天线,为降低成本,采用了功分及阻抗匹配电路,使得两个蓝牙模块可以共用一个接收天线。两个蓝牙模块的输出采用混音电路合成为一路音频。由于大多数蓝牙模块都是按驱动耳机来设计的,为提高其驱动能力,增加了音频放大电路。同时,考虑到不同的应用需求,将输出音频同时经过两路放大。这样做的目的是为了在驱动教室内音箱发声的同时,还可以驱动另外一个音频设备。例如在教室实时录播系统中,可以将接口1的音频接入到多媒体教室的音箱功放上,接口2接入到录播系统的录音输入。这样录播系统就相当于直接采集到了老师和学生说话的原始声音,避免了传统的开放式录音方法(将录音的麦克风置于讲台或黑板后)无法消除教室内环境噪音的缺点。
2 硬件电路设计
2.1 蓝牙接收模块
蓝牙接收部分采用市面上通用的高集成度蓝牙音频传输模块设计,蓝牙接收模块已经封装了蓝牙的全部底层操作,可以实现与麦克风的自动配对并输出音频信号,使得用户只需要通过串口对其有关参数和工作模式进行简单的配置即可。该蓝牙模块的传输距离不小于15米,可以满足大多数教室的需求。对于容量较大的阶梯教室,可以配备一个增益高的蓝牙天线(如吸盘式天线或吸顶天线),并通过馈线引出到教室顶部中央的位置,从而提高其覆盖范围。
考虑到学校内教室多且距离近,为避免相邻教室的误配对,将蓝牙接收模块的配对门限和通信门限分别设立为不同的数值[2]。配对门限设置为一个较高的数值,这样只有当麦克风十分靠近蓝牙接收天线时(一般小于3米)才能成功连接,从而避免相邻教室的误配对。而通信门限相对较低,这样当蓝牙配对成功后,即使在几百平米的阶梯教室内,也可以手持话筒任意走动,不会出现传输中断的现象。
2.2音频放大电路
音频放大电路选用OPA2353芯片[3]来设计。OPA2353具有可单电源供电、输入输出轨到轨、带宽大、信噪比高、驱动能力强等优点[4]。该芯片在音频频带内(0 - 20KHz)的开环增益为120dB,信噪比大于107dB,完全满足高品质音频放大的需求。OPA2353内部含有两个运算放大器,可同时实现两路放大。图2给出了音频放大电路的电路图。

图2基于OPA2353的音频放大电路

以图2音频放大电路为例,其放大倍数为:(1)
针对后级音频设备不同的输入要求,可以调节Rx的值,实现放大倍数在0~6dB范围之内变化,达到与后级设备的最佳匹配,从而提高系统的性能。
3设计结果及测试
按照上述方案设计的接收器实物如图3所示。位置①为天线接口,位置②和③分别为蓝牙模块1和蓝牙模块2,位置④和⑥分别为音频输出接口1和音频输出接口2,位置⑤为供电接口。音频放大电路位于蓝牙模块下方,被蓝牙模块遮挡而不可见。

图3设计结果的实物图
该装置在作者所在大学的多媒体录播教室中进行了测试。其中蓝牙天线采用吸盘天线;接口1的放大倍数设置为1,与多媒体教室的音箱功放连接;接口2的放大倍数设置为4,与录播系统的录音输入连接。试验结果如下:
1) 在标准的60座的教室内,蓝牙天线吸附于讲台上的多媒体控制台金属外壳上,在上课前将两路麦克风凑近讲台完成配对后,则教师和所有座位的学生都可以正常使用麦克风,没有语音中断现象。老师无论在讲台上,还是走入课堂中,声音保持连续,无中断现象。
2) 在200座的大阶梯教室中,如果蓝牙天线放在讲台上,则最后几排的部分学生在使用麦克风时,会出现语音不连贯的现象。通过将蓝牙天线移至室内靠中央的位置,上述现象得到有效解决。
3) 在蓝牙保持连接的情况下,其音质较传统的小蜜蜂式话筒有显著的改善,且在讲话过程中,教师和学生可分别通过手中的蓝牙麦克风进行音量调整。
4) 连接接口2的录播系统的音质得到大幅度提升,录制视频中的教师和学生的声音都十分清晰,相较于原来的开放式录音方案,背景噪音显著降低。

4总结

给出了一种双通道蓝牙无线接收器的设计方案,介绍了其工作原理、电路结构和测试结果。该装置可以加装在多媒体教室的现有音频系统中,使得教学过程中教师和学生可以同时使用蓝牙无线话筒,增强了师生互动,提高了教学效果。该装置还可以显著改善教室录播系统的录音质量,具有良好的应用价值。

参考文献
[1] Bluetooth wireless technology in the home. R. Shepherd. IEEE Xplore. 2010
[2]基于BC03蓝牙模组的无线有源音箱设计[J]. 杨本全,陈爱华,叶剑超.现代电子技术. 2011(17)
[3]集成运算放大器的特性及其在音频放大器中的应用(十)---低电压、低功耗运算放大器OPA2353[J]. 张达. 实用影音技术. 2011(08)
[4]符鹤,周忠华,彭智朝. 蓝牙技术的原理及其应用[J]. 微型电脑应用,2006,(07):60-61+6
致谢
本论文得到重庆市高等教育学会高等教育科学研究课题(CQGJ13C446)、重庆邮电大学教学改革项目(XJG1505,2015YL-04,2016YL-03,XJG1617)以及重庆市本科高校"三特行动计划"特色专业(微电子科学与工程)建设经费的支持。


作者简介:张红升(1980-),男,博士,副教授,重庆邮电大学,研究方向:数字多媒体广播。
陈鸿跃(1993-),男,硕士研究生在读,重庆邮电大学,研究方向:数字多媒体广播。
朱仁义(1993-),男,硕士研究生在读,重庆邮电大学,研究方向:数字多媒体广播。
基金项目:重庆市高等教育学会高等教育科学研究课题(CQGJ13C446)、重庆邮电大学教学改革项目(XJG1505,2015YL-04,2016YL-03,XJG1617)以及重庆市本科高校"三特行动计划"特色专业(微电子科学与工程)建设项目。
收稿日期:2017-03-16