基于nRF24Z1的无线数字/模拟音频传输系统

关键词： nRF24Z1 , 传输系统 , 模拟音频 , 无线数字

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。