數字音頻射頻收發(fā)芯片nRF24Z1原理及應用

　　nRF24Z1[1]是Nordic公司推出的單片式CD音質(zhì)無(wú)線(xiàn)數字音頻芯片，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(shí)現音頻數據無(wú)損傳輸和高達4 Mbps的2.4 GHz無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)內核，嵌入了一個(gè)服務(wù)質(zhì)量（QoS）極佳子系統，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轉換器和D/A轉換器的無(wú)縫連接接口，S/PDIF 接口提供了與計算機和環(huán)繞設備的直接接口；SPI或I2C接口以雙向傳輸實(shí)現音量調節、動(dòng)態(tài)平衡、多態(tài)顯示等；多種低功耗模式，極大地延長(cháng)了電池壽命；工作電壓為2.0~3.6 V，片內集成了電壓管理器，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(xiàn)，空曠地傳輸距離在30 m以上，可應用于無(wú)線(xiàn)話(huà)筒、無(wú)線(xiàn)耳機、無(wú)線(xiàn)音箱等系統中。

1 nRF24Z1芯片功能結構

1.1 ATX（音頻發(fā)射）

　　nRF24Z1在射頻連接的音源一方使用時(shí)，MODE引腳接高電平，使nRF24Z1成為一個(gè)ATX，其片內功能結構如圖1所示。音頻數據輸入 由I2S接口或S/PDIF接口承擔。I2S接口由CLK、DATA和WS三個(gè)引腳組成外接A/D轉換器，采樣支持32、44.1、48 ksps，16或24位格式的音頻數據，MCLK引腳提供基礎采樣頻率的256倍作為A/D的系統時(shí)鐘頻率；S/PDIF接口只有SPDIO一個(gè)引腳，采 樣支持32、44.1、48 ksps，16位、20位或24位格式的音頻數據。

　　作為ATX時(shí)，一般外接MCU控制nRF24Z1，ATX與ARX的配置和控制數據可以通過(guò)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(shí)，選用SPI從接口（SCSN、SSCK、SMISO和SMOSI）；SSEL引腳為高時(shí)，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在上電或復位時(shí)，可從存儲器讀取默認的配置數據。

圖1 nRF24Z1作為ATX時(shí)片內功能結構框圖

　　ATX有通用輸入引腳DD0、DD1、DD2（當SSEL=1時(shí)）。此時(shí)，ARX的DO2、DO1和DO0三個(gè)引腳的信號為DD2、DD1和 DD0引腳的鏡像，使ARX在沒(méi)有MCU時(shí)也能實(shí)現一些控制（如音量開(kāi)關(guān)等）。當nRF24Z1檢測到?jīng)]有音頻輸入或射頻連接斷開(kāi)時(shí)，其可以通過(guò)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(shí)，MODE引腳接低電平，使nRF24Z1成為一個(gè)ARX，其片內功能結構如圖2所示。此時(shí)，I2S 接口或S/PDIF接口用作音頻數據或其他實(shí)時(shí)數據的輸出接口。I2S接口外接D/A轉換器，采樣支持32、44.1、48 ksps，16位格式的音頻數據，MCLK引腳提供基礎采樣頻率的256倍作為D/A的系統時(shí)鐘頻率；S/PDIF接口采樣支持32、44.1、48和 96 ksps，16位或24位格式的音頻數據。

圖2 nRF24Z1作為ARX時(shí)片內功能結構框圖

　　射頻連接建立后，通過(guò)ATX控制ARX的SPI主接口或I2C主接口，從而對ARX的D/A轉換器和音頻放大器實(shí)現射頻遙控。而且ARX還監視 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，可驅動(dòng)LED指示燈或者其他標準的CMOS器件；而DO3可編程為8位分辨率的PWM輸出。

　　作為ARX時(shí)，一般使用SPI主接口或I2C主接口外掛EEPROM或Flash存儲器，nRF24Z1在上電或復位時(shí)，從存儲器讀取默認的配 置數據。如果沒(méi)有外掛存儲器，芯片將使用其自身的默認值。當然，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音頻數據傳輸射頻協(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答策略(時(shí)分雙工)、數據完整性策略和CRC檢錯、射頻搜索連接和掉線(xiàn)搜索重連接策略、自適應跳頻策略。

（1） 雙向通信機制和應答策略

雙向通信機制和應答策略如圖3所示。ATX到ARX的通信為實(shí)時(shí)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） 數據完整性策略和CRC檢錯

　　數據完整性策略和CRC檢錯完全通過(guò)硬件實(shí)現, 用戶(hù)只需配置射頻協(xié)議的ATX和ARX的地址。發(fā)送和返回的數據包以數據幀為單位，其幀格式如圖4所示。

圖4 nRF24Z1發(fā)送和返回數據幀格式

　　圖4中，P（引導碼）在數據幀的開(kāi)頭，作為數據流同步使用；ADDR（接收端地址）為片內寄存器ADDR0~ADDR4；ID（數據包標識 碼），其取值為0~63；C（音頻壓縮標識位），1位，表示本幀音頻數據是否壓縮；ACK表示ARX返回ARX所接收到的音頻數據情況；DATA是控制或 寄存器數據，作為收發(fā)雙方傳輸的工作數據；AUDIO DATA為實(shí)時(shí)和重發(fā)的音頻數據，一幀采樣16組立體聲數據，每組32位；CRC檢測本幀數據是否有錯。

　　ARX接收數據時(shí)，nRF24Z1先接收一幀數據包，分別驗證引導碼、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數據，根據DATA數據完成ARX的任務(wù)，再根據C的標識決定本幀音頻數據是否解壓縮，最后按標識碼ID把音頻數據 排隊通過(guò)I2S接口發(fā)送出去。反之，放棄本幀數據，返回有錯誤（ARX的工作狀態(tài)和錯誤內容裝在DATA）的確認碼，要求重發(fā)。其中，PKT1， PKT2，…，PKT8為實(shí)時(shí)音頻數據；X1，X2，…，XN為重發(fā)的音頻數據。

（3） 射頻搜索連接和掉線(xiàn)搜索重連接策略

　　nRF24Z1完成初始配置后或者射頻連接掉線(xiàn)后，在與ARX建立射頻連接之前，ATX在所有可用的頻道上，反復地向ARX發(fā)送搜索信息包，在 每個(gè)頻道上搜索一段時(shí)間，以使ARX能夠接收和處理搜索信息。與此同時(shí)，當地ARX也在所有可用的頻道上監聽(tīng)信息，每個(gè)頻道監聽(tīng)一段時(shí)間，一旦監聽(tīng)到來(lái)自 發(fā)射端的搜索信息包，ARX發(fā)送應答信息，ARX和ATX都鎖定該頻道，以準備通信。

（4） 自適應跳頻策略

　　自適應跳頻策略是屬于QoS策略抗干擾的重要手段，是為了系統保證數字音頻的“透明”無(wú)線(xiàn)傳輸。nRF24Z1共有38個(gè)自適應跳頻通信的工作 頻率，由跳頻寄存器CH0~CH37控制。跳頻時(shí)，nRF24Z1根據跳頻寄存器中的內容按順序改變工作頻率，即當CH0的頻率受到干擾而無(wú)法進(jìn)行RF連 接時(shí)，nRF24Z1會(huì )使用CH1進(jìn)行連接，如果CH1受到干擾，則使用CH2，依次類(lèi)推。因此，在跳頻通信之前，各個(gè)跳頻寄存器要通過(guò)外部EEPROM 或MCU進(jìn)行初始化。

3 基于nRF24Z1芯片的典型應用[23]

3.1 多媒體教室無(wú)線(xiàn)話(huà)筒系統設計

　　為了解決目前多媒體教室所使用以模擬電路為主的無(wú)線(xiàn)話(huà)筒缺陷（音質(zhì)差、功耗大、射頻頻點(diǎn)需要固定，且要錯開(kāi)其他頻點(diǎn)或干擾源），設計了以nRF24Z1芯片為主的典型應用，如圖5所示。

圖5 多媒體教室無(wú)線(xiàn)話(huà)筒系統設計

　　無(wú)線(xiàn)話(huà)筒發(fā)射端為可攜帶的便攜式話(huà)筒，主要由無(wú)線(xiàn)數字音頻nRF24Z1、A/D轉換器、MCU等組成。當nRF24Z1作為發(fā)射端時(shí)，其 MODE引腳必須接到高電平，I2S接口作數字音頻輸入接口。無(wú)線(xiàn)話(huà)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(guò)前置放大，作為A/D 主要的模擬音頻信號源；另外可自帶CD機等其他任何標準的立體聲音源作為另一組模擬音頻信號源。MCU除了通過(guò)I2C兼容接口控制nRF24Z1和A/D 轉換器外，還處理Play（放音/靜音/睡眠）、Mic up（話(huà)筒增益增大）、Mic down（話(huà)筒增益減?。┌存I和指示燈的工作提示。

　　無(wú)線(xiàn)話(huà)筒接收端為固定式接收端，由無(wú)線(xiàn)數字音頻nRF24Z1、EEPROM存儲器、D/A轉換器和音頻功率放大電路組成。因接收端功能比較簡(jiǎn) 單，不再使用微控制器，而是使nRF24Z1工作在主模式狀態(tài)，通過(guò)主SPI接口控制EEPROM存儲器，讀取上電時(shí)在存儲器已設置好的配置數據，同時(shí)通 過(guò)主I2C接口控制D/A轉換器。當nRF24Z1用作音頻接收器時(shí)，MODE引腳必須為低電平，I2S接口作數據音頻輸出接口。

　　由于多媒體教室無(wú)線(xiàn)話(huà)筒收發(fā)兩端使用了以nRF24Z1為主的芯片，其射頻協(xié)議完全由其片內硬件處理，用戶(hù)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(wú)線(xiàn)話(huà)筒射頻發(fā)送和射頻接收控制流程

　　無(wú)線(xiàn)話(huà)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(kāi)電源開(kāi)關(guān)時(shí)，微控制器首先對相關(guān)芯片進(jìn)行初始配置，然后進(jìn)入等待狀態(tài)。當按下Play鍵時(shí)，發(fā)射端先以最小發(fā)射功率（近距離，5 m內有效）和公共地址與當地教室的接收端建立連接，然后發(fā)送私密地址進(jìn)行新的連接，最后以最大發(fā)射功率進(jìn)入正常射頻收發(fā)工作。當走出接收端范圍時(shí)，即失去 連接，系統進(jìn)入自動(dòng)關(guān)機狀態(tài)；或者短時(shí)間連擊Play/Pause鍵（即Stop），系統進(jìn)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)；若系統處于節電睡眠狀態(tài)，按下Play鍵，系統則退出節電模式而進(jìn)入喚醒工作模式。

圖6 nRF24Z1射頻發(fā)送和射頻接收控制流程

　　當接收端電源打開(kāi)時(shí)，系統完成配置初始化，立即以最小功率（近距離）和公共地址監聽(tīng)，接收發(fā)射端控制信號，并接收發(fā)射端發(fā)來(lái)的私密地址，然后進(jìn)行新的地址連接，最后以最大接收功率進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。

結語(yǔ)

　　由上面論述可知，nRF24Z1可以很方便地進(jìn)行傳輸模式設計、地址設計、跳頻設計等。軟件設計非常簡(jiǎn)單，雖然是非標準的射頻協(xié)議， 但卻能完成遵守標準射頻協(xié)議（如藍牙技術(shù)）的數字音頻射頻收發(fā)工作任務(wù)，而且音頻音質(zhì)上超過(guò)了使用藍牙技術(shù)設計的產(chǎn)品[4]。藍牙技術(shù)正是為了遵守復雜的 標準協(xié)議，形成的數據包結構相當復雜，大幅度增加處理量及同步處理要求，使電池消耗迅速增加，因而導致成本高，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，目前難以普及。當然，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(wú)線(xiàn)音頻電路設計中是最好不過(guò)的選擇。

參考文獻

[1] Nordic VLSI ASA Inc. 2.4GHz wireless audio streamer nRF24Z1.2006-11.
[2] nRF24Z1 Headphone Reference Design 1,nRF24Z1HPR1[OL].http://www.nvlsi.no,2006-11-20.
[3] 應俊,陳廣飛.無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通信系統的研制及其在野戰醫療中的應用[J].醫療衛生裝備,2006,27(12):7-8.
[4] 迅通科技.設計最佳的無(wú)線(xiàn)音頻產(chǎn)品[EB/OL].http://www.freqchina.com/wireless%20audio.pdf,2006-10-25.