基于nRF24Z1的無線數(shù)字/模擬音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

ISM 2.4GHz (Industrial Scientific Medical 2.4GHz-2.4835GHz)頻段是全球開放的公用頻段,具有高帶寬和低成本實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。選用具備高帶寬特點(diǎn)的ISM2.4GHz的傳輸系統(tǒng)更能適應(yīng)CD音質(zhì)音頻的傳輸。而2.4GHz的其他系統(tǒng),如監(jiān)牙、WLAN等存在成本過高或距離受限等缺點(diǎn),所以本系統(tǒng)使用了專用的ISM音頻無線收發(fā)芯片nRF24Z1。nRF24Z1提供了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)音頻I2S接口以及S／PDIF數(shù)字音頻接口,使得音頻的傳輸成本大大降低。而且通信速率高達(dá)4Mbps,實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸率為1.536Mbps,保證了48kbps采樣率16bit采樣的音頻無損傳輸。

1 芯片介紹

nRF24Z1是挪威Nordic公司推出的CD音質(zhì)無線數(shù)字音頻傳輸收發(fā)芯片,工作于ISM 2.4GHz頻段。該芯片最大輸出功率為+0dBm,接收靈敏度為-83dBm。片內(nèi)集成了PLL、時(shí)鐘控制和恢復(fù)模塊、TDM QoS模塊、GFSK模塊、I2C接口、SPI接口,RF的LNA和PA等等,并且片內(nèi)集成了I2S和S／PDIF兩種工業(yè)音頻標(biāo)準(zhǔn)接口。I2S接口可以與各種音頻A／D、D／A直接相連,S／PDIF則可以與各種環(huán)繞立體聲設(shè)備直接相連。

芯片的射頻工作方式是GFSK,高斯頻率偏移鍵控,在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通信中,這種方式被廣泛采用,誤碼率較低。

為保證通信低誤碼率,芯片還采用了QoS的服務(wù)質(zhì)量策略。策略包括雙向通信機(jī)制和應(yīng)答策略(時(shí)分雙工)、數(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯(cuò)、自適應(yīng)跳頻、掉線搜索重連策略。

雙向通信機(jī)制和應(yīng)答策略可見圖1,ATX到ARX的通信為音頻信道,而ARX到ATX的通信是控制信道?？刂菩诺赖男畔ㄍ托畔?、寄存器信息以及管腳狀態(tài)信息等。

QoS部分包括數(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯(cuò),完全通過硬件實(shí)現(xiàn),在音頻信道發(fā)送的幀里面包括多個(gè)包,每個(gè)包由RF地址、有效音頻數(shù)據(jù)、若干CRC位組成,當(dāng)接收端收到的Packel的CRC得到檢驗(yàn)后,將會(huì)通過控制信道給ATX回送信息。若CRC檢驗(yàn)不正確,則發(fā)送端將不正確的一個(gè)或若干個(gè)包在下一個(gè)幀內(nèi)重傳。

自適應(yīng)跳頻是抗干擾的重要手段,本文2.4節(jié)中有詳細(xì)論述。

掉線搜索重連是保障連接可靠性的措施,當(dāng)連接丟失時(shí)發(fā)射器自動(dòng)按照射頻圖案搜索,每個(gè)頻道卜搜索一段時(shí)間,同理接收器也在每個(gè)頻道上監(jiān)聽,一旦建立連接則鎖定該頻道,同時(shí)依次按跳頻圖案順序跳頻。

芯片的初始配置町以由EEPROM或者M(jìn)CU通過SPI、I2C接口完成。芯片處于發(fā)送模式還是接收模式南MODE管腳電平?jīng)Q定。

nRF24Zl采用QFN36封裝,全部管腳列表可以參考芯片文檔,與操作芯片相關(guān)的管腳如表1所示。

2 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)組成圖

本系統(tǒng)保證數(shù)字／模擬音頻的“透明”無線傳輸,即接收板輸出到音箱／耳機(jī)等的音頻信號(hào)和音源輸人到發(fā)射板的音頻信號(hào)相比無失真。對(duì)于數(shù)字音頻,為滿足S／PDIF標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)字信號(hào);對(duì)于模擬音頻,為雙聲道模擬信號(hào)。

本系統(tǒng)組成主要由nRF24Zl、AD／DA、MCU、RFPA等組成,發(fā)送端組成如圖2。

接收端組成圖如圖3。

2.2 系統(tǒng)說明

本系統(tǒng)一路模擬音源從AD采樣得來,通過I2S音頻接門傳輸?shù)絥RF24Z1進(jìn)行發(fā)送,接收端的nRF24Z1收到音頻數(shù)據(jù)后時(shí)鐘恢復(fù)出MCLK(I2S的主時(shí)鐘),同時(shí)進(jìn)行音頻的D／A轉(zhuǎn)換和放大,最后通過揚(yáng)聲器輸出。

另一路數(shù)字音源通過DVD／CD機(jī)的同軸／光纖接口取出,并通過S／PDIF音頻接口傳輸?shù)絥RF24Z1發(fā)送,接收端的nRF24Z1收到音頻數(shù)據(jù)后將音頻傳輸?shù)?.1數(shù)字功放音箱。這兩路都是實(shí)現(xiàn)音頻的無損“透明”傳輸。

圖2和圖3中的BALUN結(jié)構(gòu)是射頻的雙端轉(zhuǎn)單端網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),由電容電感組成。因?yàn)樘炀€是單端,nRF24Z1的射頻接口是雙端平衡輸入或者輸出,所以需要轉(zhuǎn)換。

射頻放大器(RF PA)的作用是能使發(fā)射端在處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)具有較大發(fā)射功率,實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的傳輸距離。各部分的工作方式由各自的VDD_PA信號(hào)決定。以接收端為例(如圖3),當(dāng)處于接收音頻數(shù)據(jù)時(shí),VDD_PA為低電平,它控制兩個(gè)RF Switch都扳到下部,RF信號(hào)通過傳輸線直接進(jìn)入nRF24Z1;當(dāng)處于回送控制數(shù)據(jù)和寄存器信息時(shí),VDD_PA為高電平,兩個(gè)RF Switch都扳到上部,同時(shí)啟動(dòng)RF PA,以較大的功率發(fā)送,實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的發(fā)射距離。

發(fā)送端工作方式類似。一般情況下,接收端和發(fā)送端的PA是交替打開和關(guān)閉的。

2.3 系統(tǒng)配置和工作流程

系統(tǒng)配置方法和系統(tǒng)的工作流程如圖4。

2.4 跳頻序列和圖案

本系統(tǒng)采用自適應(yīng)跳頻的方式,屬于QoS策略的一部分。

跳頻通信是擴(kuò)頻通信的一種,也是最廣泛使用的一種。工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行離散變化。跳頻通信具有隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。預(yù)定規(guī)律組成的頻率序列稱為跳頻圖案。

本系統(tǒng)并沒有采用參考設(shè)計(jì)中給出的順序增加頻率序列,而是采用了PN偽隨機(jī)碼序列。這種序列具有很好的抗干擾性,具有類似于白噪聲一樣的自相關(guān)性,難以被監(jiān)聽和發(fā)生串?dāng)_。

PN碼特點(diǎn)如下：有足夠多的地址碼;不同碼元數(shù)平衡相等;有尖銳的白相關(guān)特性,即滿足下式：

m序列就是一個(gè)滿足上述特性的PN序列。由于本系統(tǒng)有38個(gè)跳頻點(diǎn),所以采用了5級(jí)的m序列作為PN碼,本原多項(xiàng)式為x5+x2+1,最后的序列圖案為：16,24,28,14,7,19,9,4,2,17,8,20,10,21,26,29,30,15,23,27,13,22,11,5,18,25,12,6,3,1。為了保證頻率有一定的間隔,在上述序列基礎(chǔ)上每個(gè)都乘以2即為跳頻圖案。

經(jīng)過測(cè)試,此跳頻序列系統(tǒng)與其他跳頻序列系統(tǒng)共存時(shí),出現(xiàn)噪聲抖動(dòng)次數(shù)少于順序序列跳頻圖案系統(tǒng),音頻噪聲出現(xiàn)頻率僅為后者的一半,抗干擾能力較強(qiáng)。

2.5 射頻放大器設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)射頻放大器時(shí),應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1) 放大器模塊要滿足增益要求,包括大小、穩(wěn)定性、功耗等,也要滿足其他的S參數(shù)要求。本系統(tǒng)采用的是SiGe公司的Class A放大器PA2423L,其輸出峰值功率為+22.5dbm。

(2) 放大器的輸入輸出要盡量隔離。由于放大器的增益很高,容易造成輸出回到輸入的正反饋振蕩,所以在輸入輸出端的元件要盡量靠近管腳,走線避免有尖角,防止長引線和尖角的天線效應(yīng),并且做好阻抗匹配。如圖5。

(3) 出于EMI／EMC方面的考慮,需要在PCB板上每隔λ／20(或更小)的地方打孔。

(4) PA離AD／DA等模擬部分和關(guān)鍵數(shù)字部分必須有一定距離?？刂菩盘?hào)和RF信號(hào)盡量不要交叉,迫不得已的情況下可以交義,但是最好正交。盡量避免破壞RF信號(hào)底面鋪銅的完整性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)訃包括了傳輸模式選擇、地址選擇、地址碼設(shè)計(jì)、跳頻圖案設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)時(shí)首先需要選擇系統(tǒng)是傳輸數(shù)字音頻還是模擬音頻,這一點(diǎn)可以通過MCU外部的管腳電平狀態(tài)確定。其次需要選擇合適的地址和地址碼,寫入內(nèi)部寄存器,用于區(qū)別兩套不同的傳輸系統(tǒng)。跳頻圖案設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

由于MCU和nRF24Z1的SPI接口速率較高,可達(dá)到1Mbps,所以在軟件中需要對(duì)時(shí)序做準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)。另外,本系統(tǒng)為了消除開機(jī)POP噪盧的影響,在開機(jī)時(shí)進(jìn)行延時(shí)操作,可以檢測(cè)無線連接的狀態(tài)并采取相應(yīng)的措施。

數(shù)字和模擬音頻的無線傳輸是一個(gè)熱點(diǎn)話題,本系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了以上的系統(tǒng)功能,通過軟件設(shè)計(jì)、跳頻設(shè)計(jì)、放大器設(shè)計(jì)等,使數(shù)字／模擬音頻傳輸系統(tǒng)達(dá)到了CD高音質(zhì)傳輸指標(biāo),傳輸距離達(dá)到了室外80米以上,室內(nèi)30米以上。輻射方面也達(dá)到了FCC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。另外,本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的商業(yè)前景,將在PC多媒體、家庭影院、汽車電子等方面有廣泛的應(yīng)用。