數(shù)字音頻射頻收發(fā)芯片nRF24Z1原理及應(yīng)用
nRF24Z1[1]是Nordic公司推出的單片式CD音質(zhì)無線數(shù)字音頻芯片,采用了最新的MegaZtream平臺,能以高達48 kHz,24位即1.54 Mbps的速率實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)無損傳輸和高達4 Mbps的2.4 GHz無線射頻收發(fā)內(nèi)核,嵌入了一個服務(wù)質(zhì)量(QoS)極佳子系統(tǒng),為高品質(zhì)音頻傳輸提供了足夠的帶寬;I2S 接口提供了與各種低成本A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的無縫連接接口,S/PDIF 接口提供了與計算機和環(huán)繞設(shè)備的直接接口;SPI或I2C接口以雙向傳輸實現(xiàn)音量調(diào)節(jié)、動態(tài)平衡、多態(tài)顯示等;多種低功耗模式,極大地延長了電池壽命;工作電壓為2.0~3.6 V,片內(nèi)集成了電壓管理器,能夠最大限度地抑制噪聲;36腳6 mm6 mm QFN封裝,需要非常少的外圍元件。使用2.4 GHz小型桿狀天線,空曠地傳輸距離在30 m以上,可應(yīng)用于無線話筒、無線耳機、無線音箱等系統(tǒng)中。
1.1 ATX(音頻發(fā)射)
nRF24Z1在射頻連接的音源一方使用時,MODE引腳接高電平,使nRF24Z1成為一個ATX,其片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。音頻數(shù)據(jù)輸入 由I2S接口或S/PDIF接口承擔(dān)。I2S接口由CLK、DATA和WS三個引腳組成外接A/D轉(zhuǎn)換器,采樣支持32、44.1、48 ksps,16或24位格式的音頻數(shù)據(jù),MCLK引腳提供基礎(chǔ)采樣頻率的256倍作為A/D的系統(tǒng)時鐘頻率;S/PDIF接口只有SPDIO一個引腳,采 樣支持32、44.1、48 ksps,16位、20位或24位格式的音頻數(shù)據(jù)。
作為ATX時,一般外接MCU控制nRF24Z1,ATX與ARX的配置和控制數(shù)據(jù)可以通過I2C從接口或SPI從接口提供,并可從ARX讀回 狀態(tài)信息。SSEL引腳為低時,選用SPI從接口(SCSN、SSCK、SMISO和SMOSI);SSEL引腳為高時,選用I2C從接口(SSCL、 SSDA)。如果不外接MCU,也可使用SPI主接口(MCSN、MMISO、MMOSI和MSCK)或I2C主接口(MSDA、MSCL)外掛 EEPROM或Flash存儲器,nRF24Z1在上電或復(fù)位時,可從存儲器讀取默認的配置數(shù)據(jù)。
圖1 nRF24Z1作為ATX時片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)框圖
ATX有通用輸入引腳DD0、DD1、DD2(當(dāng)SSEL=1時)。此時,ARX的DO2、DO1和DO0三個引腳的信號為DD2、DD1和 DD0引腳的鏡像,使ARX在沒有MCU時也能實現(xiàn)一些控制(如音量開關(guān)等)。當(dāng)nRF24Z1檢測到?jīng)]有音頻輸入或射頻連接斷開時,其可以通過IRQ引 腳給MCU提供中斷信號。
1.2 ARX(音頻接收)
nRF24Z1在射頻連接的音宿一方使用時,MODE引腳接低電平,使nRF24Z1成為一個ARX,其片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。此時,I2S 接口或S/PDIF接口用作音頻數(shù)據(jù)或其他實時數(shù)據(jù)的輸出接口。I2S接口外接D/A轉(zhuǎn)換器,采樣支持32、44.1、48 ksps,16位格式的音頻數(shù)據(jù),MCLK引腳提供基礎(chǔ)采樣頻率的256倍作為D/A的系統(tǒng)時鐘頻率;S/PDIF接口采樣支持32、44.1、48和 96 ksps,16位或24位格式的音頻數(shù)據(jù)。
圖2 nRF24Z1作為ARX時片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)框圖
射頻連接建立后,通過ATX控制ARX的SPI主接口或I2C主接口,從而對ARX的D/A轉(zhuǎn)換器和音頻放大器實現(xiàn)射頻遙控。而且ARX還監(jiān)視 輸入DI[3∶0]引腳,如有變化,就把引腳的變化送回ATX,或者使ARX從睡眠狀態(tài)中回到工作狀態(tài)。ARX的DO[2∶0]受ATX的DI[2∶0] 控制,可驅(qū)動LED指示燈或者其他標(biāo)準(zhǔn)的CMOS器件;而DO3可編程為8位分辨率的PWM輸出。
作為ARX時,一般使用SPI主接口或I2C主接口外掛EEPROM或Flash存儲器,nRF24Z1在上電或復(fù)位時,從存儲器讀取默認的配 置數(shù)據(jù)。如果沒有外掛存儲器,芯片將使用其自身的默認值。當(dāng)然,ARX也可外接MCU,由SSEL引腳的電平?jīng)Q定接收端工作于SPI從接口還是I2C從接 口。
2 nRF24Z1音頻數(shù)據(jù)傳輸射頻協(xié)議
nRF24Z1芯片的射頻工作方式是采用GFSK(高斯頻率偏移鍵控),而且為保證通信低誤碼率,芯片還采用了QoS(服務(wù)質(zhì)量)策略。該策略包括雙向通信機制和應(yīng)答策略(時分雙工)、數(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯、射頻搜索連接和掉線搜索重連接策略、自適應(yīng)跳頻策略。
(1) 雙向通信機制和應(yīng)答策略
雙向通信機制和應(yīng)答策略如圖3所示。ATX到ARX的通信為實時和重發(fā)的音頻信道,而ARX與ATX的雙向通信則是控制信道??刂菩诺赖男畔ù_認信息、寄存器信息以及引腳狀態(tài)信息等。
圖3 nRF24Z1雙向通道
(2) 數(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯
數(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯完全通過硬件實現(xiàn), 用戶只需配置射頻協(xié)議的ATX和ARX的地址。發(fā)送和返回的數(shù)據(jù)包以數(shù)據(jù)幀為單位,其幀格式如圖4所示。
圖4 nRF24Z1發(fā)送和返回數(shù)據(jù)幀格式
圖4中,P(引導(dǎo)碼)在數(shù)據(jù)幀的開頭,作為數(shù)據(jù)流同步使用;ADDR(接收端地址)為片內(nèi)寄存器ADDR0~ADDR4;ID(數(shù)據(jù)包標(biāo)識 碼),其取值為0~63;C(音頻壓縮標(biāo)識位),1位,表示本幀音頻數(shù)據(jù)是否壓縮;ACK表示ARX返回ARX所接收到的音頻數(shù)據(jù)情況;DATA是控制或 寄存器數(shù)據(jù),作為收發(fā)雙方傳輸?shù)墓ぷ鲾?shù)據(jù);AUDIO DATA為實時和重發(fā)的音頻數(shù)據(jù),一幀采樣16組立體聲數(shù)據(jù),每組32位;CRC檢測本幀數(shù)據(jù)是否有錯。
ARX接收數(shù)據(jù)時,nRF24Z1先接收一幀數(shù)據(jù)包,分別驗證引導(dǎo)碼、ARX地址和校驗碼正確后,就返回表示接收正確(ARX工作狀態(tài)裝在 DATA)的確認碼,然后讀出DATA數(shù)據(jù),根據(jù)DATA數(shù)據(jù)完成ARX的任務(wù),再根據(jù)C的標(biāo)識決定本幀音頻數(shù)據(jù)是否解壓縮,最后按標(biāo)識碼ID把音頻數(shù)據(jù) 排隊通過I2S接口發(fā)送出去。反之,放棄本幀數(shù)據(jù),返回有錯誤(ARX的工作狀態(tài)和錯誤內(nèi)容裝在DATA)的確認碼,要求重發(fā)。其中,PKT1, PKT2,…,PKT8為實時音頻數(shù)據(jù);X1,X2,…,XN為重發(fā)的音頻數(shù)據(jù)。
(3) 射頻搜索連接和掉線搜索重連接策略
nRF24Z1完成初始配置后或者射頻連接掉線后,在與ARX建立射頻連接之前,ATX在所有可用的頻道上,反復(fù)地向ARX發(fā)送搜索信息包,在 每個頻道上搜索一段時間,以使ARX能夠接收和處理搜索信息。與此同時,當(dāng)?shù)谹RX也在所有可用的頻道上監(jiān)聽信息,每個頻道監(jiān)聽一段時間,一旦監(jiān)聽到來自 發(fā)射端的搜索信息包,ARX發(fā)送應(yīng)答信息,ARX和ATX都鎖定該頻道,以準(zhǔn)備通信。
(4) 自適應(yīng)跳頻策略
自適應(yīng)跳頻策略是屬于QoS策略抗干擾的重要手段,是為了系統(tǒng)保證數(shù)字音頻的“透明”無線傳輸。nRF24Z1共有38個自適應(yīng)跳頻通信的工作 頻率,由跳頻寄存器CH0~CH37控制。跳頻時,nRF24Z1根據(jù)跳頻寄存器中的內(nèi)容按順序改變工作頻率,即當(dāng)CH0的頻率受到干擾而無法進行RF連 接時,nRF24Z1會使用CH1進行連接,如果CH1受到干擾,則使用CH2,依次類推。因此,在跳頻通信之前,各個跳頻寄存器要通過外部EEPROM 或MCU進行初始化。
3 基于nRF24Z1芯片的典型應(yīng)用[23]
3.1 多媒體教室無線話筒系統(tǒng)設(shè)計
為了解決目前多媒體教室所使用以模擬電路為主的無線話筒缺陷(音質(zhì)差、功耗大、射頻頻點需要固定,且要錯開其他頻點或干擾源),設(shè)計了以nRF24Z1芯片為主的典型應(yīng)用,如圖5所示。
圖5 多媒體教室無線話筒系統(tǒng)設(shè)計
無線話筒發(fā)射端為可攜帶的便攜式話筒,主要由無線數(shù)字音頻nRF24Z1、A/D轉(zhuǎn)換器、MCU等組成。當(dāng)nRF24Z1作為發(fā)射端時,其 MODE引腳必須接到高電平,I2S接口作數(shù)字音頻輸入接口。無線話筒輸入的主信號源選用有良好聲學(xué)性能、貼片電容式硅麥克風(fēng),通過前置放大,作為A/D 主要的模擬音頻信號源;另外可自帶CD機等其他任何標(biāo)準(zhǔn)的立體聲音源作為另一組模擬音頻信號源。MCU除了通過I2C兼容接口控制nRF24Z1和A/D 轉(zhuǎn)換器外,還處理Play(放音/靜音/睡眠)、Mic up(話筒增益增大)、Mic down(話筒增益減?。┌存I和指示燈的工作提示。
無線話筒接收端為固定式接收端,由無線數(shù)字音頻nRF24Z1、EEPROM存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器和音頻功率放大電路組成。因接收端功能比較簡 單,不再使用微控制器,而是使nRF24Z1工作在主模式狀態(tài),通過主SPI接口控制EEPROM存儲器,讀取上電時在存儲器已設(shè)置好的配置數(shù)據(jù),同時通 過主I2C接口控制D/A轉(zhuǎn)換器。當(dāng)nRF24Z1用作音頻接收器時,MODE引腳必須為低電平,I2S接口作數(shù)據(jù)音頻輸出接口。
由于多媒體教室無線話筒收發(fā)兩端使用了以nRF24Z1為主的芯片,其射頻協(xié)議完全由其片內(nèi)硬件處理,用戶只需配置發(fā)射端和接收端公共地址,以及發(fā)射端唯一的私密地址。
3.2 無線話筒射頻發(fā)送和射頻接收控制流程
無線話筒發(fā)射端由微控制器控制(nRF24Z1工作在從模式),接收端由nRF24Z1主模式控制,其射頻發(fā)送和射頻接收控制流程如圖6所示。 發(fā)射端打開電源開關(guān)時,微控制器首先對相關(guān)芯片進行初始配置,然后進入等待狀態(tài)。當(dāng)按下Play鍵時,發(fā)射端先以最小發(fā)射功率(近距離,5 m內(nèi)有效)和公共地址與當(dāng)?shù)亟淌业慕邮斩私⑦B接,然后發(fā)送私密地址進行新的連接,最后以最大發(fā)射功率進入正常射頻收發(fā)工作。當(dāng)走出接收端范圍時,即失去 連接,系統(tǒng)進入自動關(guān)機狀態(tài);或者短時間連擊Play/Pause鍵(即Stop),系統(tǒng)進入電源關(guān)機模式而降低功耗;或者接連按Play鍵,使其處于暫 停靜音或工作放音交替狀態(tài);若系統(tǒng)處于節(jié)電睡眠狀態(tài),按下Play鍵,系統(tǒng)則退出節(jié)電模式而進入喚醒工作模式。
圖6 nRF24Z1射頻發(fā)送和射頻接收控制流程
當(dāng)接收端電源打開時,系統(tǒng)完成配置初始化,立即以最小功率(近距離)和公共地址監(jiān)聽,接收發(fā)射端控制信號,并接收發(fā)射端發(fā)來的私密地址,然后進行新的地址連接,最后以最大接收功率進入正常的工作狀態(tài)。
結(jié)語
由上面論述可知,nRF24Z1可以很方便地進行傳輸模式設(shè)計、地址設(shè)計、跳頻設(shè)計等。軟件設(shè)計非常簡單,雖然是非標(biāo)準(zhǔn)的射頻協(xié)議, 但卻能完成遵守標(biāo)準(zhǔn)射頻協(xié)議(如藍牙技術(shù))的數(shù)字音頻射頻收發(fā)工作任務(wù),而且音頻音質(zhì)上超過了使用藍牙技術(shù)設(shè)計的產(chǎn)品[4]。藍牙技術(shù)正是為了遵守復(fù)雜的 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,形成的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,大幅度增加處理量及同步處理要求,使電池消耗迅速增加,因而導(dǎo)致成本高,開發(fā)周期長,目前難以普及。當(dāng)然,藍牙技術(shù) 互換性好,但是如果發(fā)射端和接收端都使用同一芯片,那么nRF24Z1芯片在無線音頻電路設(shè)計中是最好不過的選擇。
參考文獻
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[2] nRF24Z1 Headphone Reference Design 1,nRF24Z1HPR1[OL].http://www.nvlsi.no,2006-11-20.
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[4] 迅通科技.設(shè)計最佳的無線音頻產(chǎn)品[EB/OL].http://www.freqchina.com/wireless%20audio.pdf,2006-10-25.
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