基于nRF24Z1的无线数字/模拟音频传输系统的设计

当前，随着居住和办公环境空间的增长，音频的布线在大型会议室、汽车等场所越来越难以实现，成本越来越高，迫切需要无线传输高质量的音频。CD音质音频的传输速率就达到1.5Mbps以上，因此对无线系统提出了更高的带宽和距离要求。
  
        ISM 2.4GHz (Industrial Scientific Medical 2.4GHz-2.4835GHz)频段是全球开放的公用频段，具有高带宽和低成本实现的优势。选用具备高带宽特点的ISM2.4GHz的传输系统更能适应CD音质音频的传输。而2.4GHz的其他系统，如监牙、WLAN等存在成本过高或距离受限等缺点，所以本系统使用了专用的ISM音频无线收发芯片nRF24Z1。
  
        nRF24Z1提供了标准的工业音频I2S接口以及S／PDIF数字音频接口，使得音频的传输成本大大降低。而且通信速率高达4Mbps，实际数据传输率为1.536Mbps，保证了48kbps采样率16bit采样的音频无损传输。
   
       1 芯片介绍
  
        nRF24Z1是挪威Nordic公司推出的CD音质无线数字音频传输收发芯片，工作于ISM 2.4GHz频段。该芯片最大输出功率为+0dBm，接收灵敏度为-83dBm。片内集成了PLL、时钟控制和恢复模块、TDM QoS模块、GFSK模块、I2C接口、SPI接口，RF的LNA和PA等等，并且片内集成了I2S和S／PDIF两种工业音频标准接口。I2S接口可以与各种音频A／D、D／A直接相连，S／PDIF则可以与各种环绕立体声设备直接相连。
  
        芯片的射频工作方式是GFSK，高斯频率偏移键控，在点对点的无线通信中，这种方式被广泛采用，误码率较低。
  
        为保证通信低误码率，芯片还采用了QoS的服务质量策略。策略包括双向通信机制和应答策略(时分双工)、数据完整性策略和CRC检错、自适应跳频、掉线搜索重连策略。
  
        双向通信机制和应答策略可见图1，ATX到ARX的通信为音频信道，而ARX到ATX的通信是控制信道。控制信道的信息包括同送信息、寄存器信息以及管脚状态信息等。
   
   
          QoS部分包括数据完整性策略和CRC检错，完全通过硬件实现，在音频信道发送的帧里面包括多个包，每个包由RF地址、有效音频数据、若干CRC位组成，当接收端收到的Packel的CRC得到检验后，将会通过控制信道给ATX回送信息。若CRC检验不正确，则发送端将不正确的一个或若干个包在下一个帧内重传。
  
        自适应跳频是抗干扰的重要手段，本文2.4节中有详细论述。
  
        掉线搜索重连是保障连接可靠性的措施，当连接丢失时发射器自动按照射频图案搜索，每个频道卜搜索一段时间，同理接收器也在每个频道上监听，一旦建立连接则锁定该频道，同时依次按跳频图案顺序跳频。
  
        芯片的初始配置町以由EEPROM或者MCU通过SPI、I2C接口完成。芯片处于发送模式还是接收模式南MODE管脚电平决定。
  
        nRF24Zl采用QFN36封装，全部管脚列表可以参考芯片文档，与操作芯片相关的管脚如表1所示。
  
  
   
          2 系统组成
  
        2.1 系统组成图

        本系统保证数字／模拟音频的“透明”无线传输，即接收板输出到音箱／耳机等的音频信号和音源输人到发射板的音频信号相比无失真。对于数字音频，为满足S／PDIF标准的串行数字信号；对于模拟音频，为双声道模拟信号。
  
        本系统组成主要由nRF24Zl、AD／DA、MCU、RFPA等组成，发送端组成如图2。
   
   
   
  
        接收端组成图如图3。
   
   
  
       2.2 系统说明
  
        本系统一路模拟音源从AD采样得来，通过I2S音频接门传输到nRF24Z1进行发送，接收端的nRF24Z1收到音频数据后时钟恢复出MCLK(I2S的主时钟)，同时进行音频的D／A转换和放大，最后通过扬声器输出。
  
        另一路数字音源通过DVD／CD机的同轴／光纤接口取出，并通过S／PDIF音频     
   接口传输到nRF24Z1发送，接收端的nRF24Z1收到音频数据后将音频传输到5.1数字功放音箱。这两路都是实现音频的无损“透明”传输。
  
        图2和图3中的BALUN结构是射频的双端转单端网络转换结构，由电容电感组成。因为天线是单端，nRF24Z1的射频接口是双端平衡输入或者输出，所以需要转换。
  
        射频放大器(RF PA)的作用是能使发射端在处于发射状态时具有较大发射功率，实现较远的传输距离。各部分的工作方式由各自的VDD_PA信号决定。以接收端为例(如图3)，当处于接收音频数据时，VDD_PA为低电平，它控制两个RF Switch都扳到下部，RF信号通过传输线直接进入nRF24Z1；当处于回送控制数据和寄存器信息时，VDD_PA为高电平，两个RF Switch都扳到上部，同时启动RF PA，以较大的功率发送，实现较远的发射距离。
  
        发送端工作方式类似。一般情况下，接收端和发送端的PA是交替打开和关闭的。
  
        2.3 系统配置和工作流程
  
        系统配置方法和系统的工作流程如图4。
   
   
   
  
        2.4 跳频序列和图案
  
        本系统采用自适应跳频的方式，属于QoS策略的一部分。
  
        跳频通信是扩频通信的一种，也是最广泛使用的一种。工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定的规律进行离散变化。跳频通信具有隐蔽性好、抗干扰能力强等特点。预定规律组成的频率序列称为跳频图案。
  
        本系统并没有采用参考设计中给出的顺序增加频率序列，而是采用了PN伪随机码序列。这种序列具有很好的抗干扰性，具有类似于白噪声一样的自相关性，难以被监听和发生串扰。
  
        PN码特点如下：有足够多的地址码；不同码元数平衡相等；有尖锐的白相关特性，即满足下式：
   
          m序列就是一个满足上述特性的PN序列。由于本系统有38个跳频点，所以采用了5级的m序列作为PN码，本原多项式为x5+x2+1，最后的序列图案为：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。为了保证频率有一定的间隔，在上述序列基础上每个都乘以2即为跳频图案。
  
        经过测试，此跳频序列系统与其他跳频序列系统共存时，出现噪声抖动次数少于顺序序列跳频图案系统，音频噪声出现频率仅为后者的一半，抗干扰能力较强。      
   2.5 射频放大器设计和电路设计
  
        设计射频放大器时，应注意以下几点：
  
        (1) 放大器模块要满足增益要求，包括大小、稳定性、功耗等，也要满足其他的S参数要求。本系统采用的是SiGe公司的Class A放大器PA2423L，其输出峰值功率为+22.5dbm。
  
        (2) 放大器的输入输出要尽量隔离。由于放大器的增益很高，容易造成输出回到输入的正反馈振荡，所以在输入输出端的元件要尽量靠近管脚，走线避免有尖角，防止长引线和尖角的天线效应，并且做好阻抗匹配。如图5。
   
   
          (3) 出于EMI／EMC方面的考虑，需要在PCB板上每隔λ／20(或更小)的地方打孔。
  
        (4) PA离AD／     
   DA等模拟部分和关键数字部分必须有一定距离。控制信号和RF信号尽量不要交叉，迫不得已的情况下可以交义，但是最好正交。尽量避免破坏RF信号底面铺铜的完整性。
  
        3 系统软件设计
  
        本系统的软件设讣包括了传输模式选择、地址选择、地址码设计、跳频图案设计等。设计时首先需要选择系统是传输数字音频还是模拟音频，这一点可以通过MCU外部的管脚电平状态确定。其次需要选择合适的地址和地址码，写入内部寄存器，用于区别两套不同的传输系统。跳频图案设计是软件设计的重点。
  
        由于MCU和nRF24Z1的SPI接口速率较高，可达到1Mbps，所以在软件中需要对时序做准确的设计。另外，本系统为了消除开机POP噪卢的影响，在开机时进行延时操作，可以检测无线连接的状态并采取相应的措施。
  
        数字和模拟音频的无线传输是一个热点话题，本系统较好地实现了以上的系统功能，通过软件设计、跳频设计、放大器设计等，使数字／模拟音频传输系统达到了CD高音质传输指标，传输距离达到了室外80米以上，室内30米以上。辐射方面也达到了FCC的相关标准。另外，本系统具有很强的商业前景，将在PC多媒体、家庭影院、汽车电子等方面有广泛的应用。