基于nRF24Z1的無(wú)線(xiàn)數字/模擬音頻傳輸系統的設計
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ISM 2.4GHz (Industrial Scientific Medical 2.4GHz-2.4835GHz)頻段是全球開(kāi)放的公用頻段,具有高帶寬和低成本實(shí)現的優(yōu)勢。選用具備高帶寬特點(diǎn)的ISM2.4GHz的傳輸系統更能適應CD音質(zhì)音頻的傳輸。而2.4GHz的其他系統,如監牙、WLAN等存在成本過(guò)高或距離受限等缺點(diǎn),所以本系統使用了專(zhuān)用的ISM音頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF24Z1。nRF24Z1提供了標準的工業(yè)音頻I2S接口以及S／PDIF數字音頻接口,使得音頻的傳輸成本大大降低。而且通信速率高達4Mbps,實(shí)際數據傳輸率為1.536Mbps,保證了48kbps采樣率16bit采樣的音頻無(wú)損傳輸。
1 芯片介紹
nRF24Z1是挪威Nordic公司推出的CD音質(zhì)無(wú)線(xiàn)數字音頻傳輸收發(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。片內集成了PLL、時(shí)鐘控制和恢復模塊、TDM QoS模塊、GFSK模塊、I2C接口、SPI接口,RF的LNA和PA等等,并且片內集成了I2S和S／PDIF兩種工業(yè)音頻標準接口。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)對點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)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制和應答策略(時(shí)分雙工)、數據完整性策略和CRC檢錯、自適應跳頻、掉線(xiàn)搜索重連策略。
雙向通信機制和應答策略可見(jiàn)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部分包括數據完整性策略和CRC檢錯,完全通過(guò)硬件實(shí)現,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、有效音頻數據、若干CRC位組成,當接收端收到的Packel的CRC得到檢驗后,將會(huì )通過(guò)控制信道給ATX回送信息。若CRC檢驗不正確,則發(fā)送端將不正確的一個(gè)或若干個(gè)包在下一個(gè)幀內重傳。
自適應跳頻是抗干擾的重要手段,本文2.4節中有詳細論述。
掉線(xiàn)搜索重連是保障連接可靠性的措施,當連接丟失時(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)頻道上監聽(tīng),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(guò)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 系統組成
2.1 系統組成圖
本系統保證數字／模擬音頻的“透明”無(wú)線(xiàn)傳輸,即接收板輸出到音箱／耳機等的音頻信號和音源輸人到發(fā)射板的音頻信號相比無(wú)失真。對于數字音頻,為滿(mǎn)足S／PDIF標準的串行數字信號;對于模擬音頻,為雙聲道模擬信號。
本系統組成主要由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 系統說(shuō)明
本系統一路模擬音源從AD采樣得來(lái),通過(guò)I2S音頻接門(mén)傳輸到nRF24Z1進(jìn)行發(fā)送,接收端的nRF24Z1收到音頻數據后時(shí)鐘恢復出MCLK(I2S的主時(shí)鐘),同時(shí)進(jìn)行音頻的D／A轉換和放大,最后通過(guò)揚聲器輸出。
另一路數字音源通過(guò)DVD／CD機的同軸／光纖接口取出,并通過(guò)S／PDIF音頻接口傳輸到nRF24Z1發(fā)送,接收端的nRF24Z1收到音頻數據后將音頻傳輸到5.1數字功放音箱。這兩路都是實(shí)現音頻的無(wú)損“透明”傳輸。
圖2和圖3中的BALUN結構是射頻的雙端轉單端網(wǎng)絡(luò )轉換結構,由電容電感組成。因為天線(xiàn)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)現較遠的傳輸距離。各部分的工作方式由各自的VDD_PA信號決定。以接收端為例(如圖3),當處于接收音頻數據時(shí),VDD_PA為低電平,它控制兩個(gè)RF Switch都扳到下部,RF信號通過(guò)傳輸線(xiàn)直接進(jìn)入nRF24Z1;當處于回送控制數據和寄存器信息時(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)現較遠的發(fā)射距離。
發(fā)送端工作方式類(lèi)似。一般情況下,接收端和發(fā)送端的PA是交替打開(kāi)和關(guān)閉的。
2.3 系統配置和工作流程
系統配置方法和系統的工作流程如圖4。
2.4 跳頻序列和圖案
本系統采用自適應跳頻的方式,屬于QoS策略的一部分。
跳頻通信是擴頻通信的一種,也是最廣泛使用的一種。工作原理是收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預定的規律進(jìn)行離散變化。跳頻通信具有隱蔽性好、抗干擾能力強等特點(diǎn)。預定規律組成的頻率序列稱(chēng)為跳頻圖案。
本系統并沒(méi)有采用參考設計中給出的順序增加頻率序列,而是采用了PN偽隨機碼序列。這種序列具有很好的抗干擾性,具有類(lèi)似于白噪聲一樣的自相關(guān)性,難以被監聽(tīng)和發(fā)生串擾。
PN碼特點(diǎn)如下：有足夠多的地址碼;不同碼元數平衡相等;有尖銳的白相關(guān)特性,即滿(mǎn)足下式：
m序列就是一個(gè)滿(mǎn)足上述特性的PN序列。由于本系統有38個(gè)跳頻點(diǎn),所以采用了5級的m序列作為PN碼,本原多項式為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,在上述序列基礎上每個(gè)都乘以2即為跳頻圖案。
經(jīng)過(guò)測試,此跳頻序列系統與其他跳頻序列系統共存時(shí),出現噪聲抖動(dòng)次數少于順序序列跳頻圖案系統,音頻噪聲出現頻率僅為后者的一半,抗干擾能力較強。
設計射頻放大器時(shí),應注意以下幾點(diǎn)：
(1) 放大器模塊要滿(mǎn)足增益要求,包括大小、穩定性、功耗等,也要滿(mǎn)足其他的S參數要求。本系統采用的是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(xiàn)避免有尖角,防止長(cháng)引線(xiàn)和尖角的天線(xiàn)效應,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)鍵數字部分必須有一定距離?？刂菩盘柡蚏F信號盡量不要交叉,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信號底面鋪銅的完整性。
3 系統軟件設計
本系統的軟件設訃包括了傳輸模式選擇、地址選擇、地址碼設計、跳頻圖案設計等。設計時(shí)首先需要選擇系統是傳輸數字音頻還是模擬音頻,這一點(diǎn)可以通過(guò)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(xiě)入內部寄存器,用于區別兩套不同的傳輸系統。跳頻圖案設計是軟件設計的重點(diǎn)。
由于MCU和nRF24Z1的SPI接口速率較高,可達到1Mbps,所以在軟件中需要對時(shí)序做準確的設計。另外,本系統為了消除開(kāi)機POP噪盧的影響,在開(kāi)機時(shí)進(jìn)行延時(shí)操作,可以檢測無(wú)線(xiàn)連接的狀態(tài)并采取相應的措施。
數字和模擬音頻的無(wú)線(xiàn)傳輸是一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題,本系統較好地實(shí)現了以上的系統功能,通過(guò)軟件設計、跳頻設計、放大器設計等,使數字／模擬音頻傳輸系統達到了CD高音質(zhì)傳輸指標,傳輸距離達到了室外80米以上,室內30米以上。輻射方面也達到了FCC的相關(guān)標準。另外,本系統具有很強的商業(yè)前景,將在PC多媒體、家庭影院、汽車(chē)電子等方面有廣泛的應用。
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