數(shù)字音頻射頻收發(fā)芯片nRF24Z1原理及應(yīng)用

　　nRF24Z1[1]是Nordic公司推出的單片式CD音質(zhì)無(wú)線數(shù)字音頻芯片，采用了最新的MegaZtream平臺(tái)，能以高達(dá)48 kHz，24位即1.54 Mbps的速率實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)無(wú)損傳輸和高達(dá)4 Mbps的2.4 GHz無(wú)線射頻收發(fā)內(nèi)核，嵌入了一個(gè)服務(wù)質(zhì)量（QoS）極佳子系統(tǒng)，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(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的無(wú)縫連接接口，S/PDIF 接口提供了與計(jì)算機(jī)和環(huán)繞設(shè)備的直接接口；SPI或I2C接口以雙向傳輸實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)、動(dòng)態(tài)平衡、多態(tài)顯示等；多種低功耗模式，極大地延長(zhǎng)了電池壽命；工作電壓為2.0~3.6 V，片內(nèi)集成了電壓管理器，能夠最大限度地抑制噪聲；36腳6 mm×6 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，空曠地傳輸距離在30 m以上，可應(yīng)用于無(wú)線話筒、無(wú)線耳機(jī)、無(wú)線音箱等系統(tǒng)中。

1  nRF24Z1芯片功能結(jié)構(gòu)

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(nèi)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。音頻數(shù)據(jù)輸入 由I2S接口或S/PDIF接口承擔(dān)。I2S接口由CLK、DATA和WS三個(gè)引腳組成外接A/D轉(zhuǎn)換器，采樣支持32、44.1、48 ksps，16或24位格式的音頻數(shù)據(jù)，MCLK引腳提供基礎(chǔ)采樣頻率的256倍作為A/D的系統(tǒng)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(shù)據(jù)。

　　作為ATX時(shí)，一般外接MCU控制nRF24Z1，ATX與ARX的配置和控制數(shù)據(jù)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(chǔ)器，nRF24Z1在上電或復(fù)位時(shí)，可從存儲(chǔ)器讀取默認(rèn)的配置數(shù)據(jù)。

圖1  nRF24Z1作為ATX時(shí)片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)框圖

　　ATX有通用輸入引腳DD0、DD1、DD2（當(dāng)SSEL=1時(shí)）。此時(shí)，ARX的DO2、DO1和DO0三個(gè)引腳的信號(hào)為DD2、DD1和 DD0引腳的鏡像，使ARX在沒(méi)有MCU時(shí)也能實(shí)現(xiàn)一些控制（如音量開(kāi)關(guān)等）。當(dāng)nRF24Z1檢測(cè)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(hào)。

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(nèi)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。此時(shí)，I2S 接口或S/PDIF接口用作音頻數(shù)據(jù)或其他實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸出接口。I2S接口外接D/A轉(zhuǎn)換器，采樣支持32、44.1、48 ksps，16位格式的音頻數(shù)據(jù)，MCLK引腳提供基礎(chǔ)采樣頻率的256倍作為D/A的系統(tǒng)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(shù)據(jù)。

圖2  nRF24Z1作為ARX時(shí)片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)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(duì)ARX的D/A轉(zhuǎn)換器和音頻放大器實(shí)現(xiàn)射頻遙控。而且ARX還監(jiān)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(qū)動(dòng)LED指示燈或者其他標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器，nRF24Z1在上電或復(fù)位時(shí)，從存儲(chǔ)器讀取默認(rèn)的配 置數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有外掛存儲(chǔ)器，芯片將使用其自身的默認(rèn)值。當(dāng)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(shù)據(jù)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(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)、射頻搜索連接和掉線搜索重連接策略、自適應(yīng)跳頻策略。

（1）  雙向通信機(jī)制和應(yīng)答策略

雙向通信機(jī)制和應(yīng)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(rèn)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(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯(cuò)

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

圖4  nRF24Z1發(fā)送和返回?cái)?shù)據(jù)幀格式

　　圖4中，P（引導(dǎo)碼）在數(shù)據(jù)幀的開(kāi)頭，作為數(shù)據(jù)流同步使用；ADDR（接收端地址）為片內(nèi)寄存器ADDR0~ADDR4；ID（數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí) 碼），其取值為0~63；C（音頻壓縮標(biāo)識(shí)位），1位，表示本幀音頻數(shù)據(jù)是否壓縮；ACK表示ARX返回ARX所接收到的音頻數(shù)據(jù)情況；DATA是控制或 寄存器數(shù)據(jù)，作為收發(fā)雙方傳輸?shù)墓ぷ鲾?shù)據(jù)；AUDIO DATA為實(shí)時(shí)和重發(fā)的音頻數(shù)據(jù)，一幀采樣16組立體聲數(shù)據(jù)，每組32位；CRC檢測(cè)本幀數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)。

　　ARX接收數(shù)據(jù)時(shí)，nRF24Z1先接收一幀數(shù)據(jù)包，分別驗(yàn)證引導(dǎo)碼、ARX地址和校驗(yàn)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(rèn)碼，然后讀出DATA數(shù)據(jù)，根據(jù)DATA數(shù)據(jù)完成ARX的任務(wù)，再根據(jù)C的標(biāo)識(shí)決定本幀音頻數(shù)據(jù)是否解壓縮，最后按標(biāo)識(shí)碼ID把音頻數(shù)據(jù) 排隊(duì)通過(guò)I2S接口發(fā)送出去。反之，放棄本幀數(shù)據(jù)，返回有錯(cuò)誤（ARX的工作狀態(tài)和錯(cuò)誤內(nèi)容裝在DATA）的確認(rèn)碼，要求重發(fā)。其中，PKT1， PKT2，…，PKT8為實(shí)時(shí)音頻數(shù)據(jù)；X1，X2，…，XN為重發(fā)的音頻數(shù)據(jù)。

（3）  射頻搜索連接和掉線搜索重連接策略

　　nRF24Z1完成初始配置后或者射頻連接掉線后，在與ARX建立射頻連接之前，ATX在所有可用的頻道上，反復(fù)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(dāng)?shù)谹RX也在所有可用的頻道上監(jiān)聽(tīng)信息，每個(gè)頻道監(jiān)聽(tīng)一段時(shí)間，一旦監(jiān)聽(tīng)到來(lái)自 發(fā)射端的搜索信息包，ARX發(fā)送應(yīng)答信息，ARX和ATX都鎖定該頻道，以準(zhǔn)備通信。

（4）  自適應(yīng)跳頻策略

　　自適應(yīng)跳頻策略是屬于QoS策略抗干擾的重要手段，是為了系統(tǒng)保證數(shù)字音頻的“透明”無(wú)線傳輸。nRF24Z1共有38個(gè)自適應(yīng)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(jù)跳頻寄存器中的內(nèi)容按順序改變工作頻率，即當(dāng)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(yīng)用[23]

3.1  多媒體教室無(wú)線話筒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為了解決目前多媒體教室所使用以模擬電路為主的無(wú)線話筒缺陷（音質(zhì)差、功耗大、射頻頻點(diǎn)需要固定，且要錯(cuò)開(kāi)其他頻點(diǎn)或干擾源），設(shè)計(jì)了以nRF24Z1芯片為主的典型應(yīng)用，如圖5所示。

圖5  多媒體教室無(wú)線話筒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　無(wú)線話筒發(fā)射端為可攜帶的便攜式話筒，主要由無(wú)線數(shù)字音頻nRF24Z1、A/D轉(zhuǎn)換器、MCU等組成。當(dāng)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(shù)字音頻輸入接口。無(wú)線話筒輸入的主信號(hào)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(hào)源；另外可自帶CD機(jī)等其他任何標(biāo)準(zhǔn)的立體聲音源作為另一組模擬音頻信號(hào)源。MCU除了通過(guò)I2C兼容接口控制nRF24Z1和A/D 轉(zhuǎn)換器外，還處理Play（放音/靜音/睡眠）、Mic up（話筒增益增大）、Mic  down（話筒增益減?。┌存I和指示燈的工作提示。

　　無(wú)線話筒接收端為固定式接收端，由無(wú)線數(shù)字音頻nRF24Z1、EEPROM存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)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(chǔ)器，讀取上電時(shí)在存儲(chǔ)器已設(shè)置好的配置數(shù)據(jù)，同時(shí)通 過(guò)主I2C接口控制D/A轉(zhuǎn)換器。當(dāng)nRF24Z1用作音頻接收器時(shí)，MODE引腳必須為低電平，I2S接口作數(shù)據(jù)音頻輸出接口。

　　由于多媒體教室無(wú)線話筒收發(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(nèi)硬件處理，用戶只需配置發(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)線話筒射頻發(fā)送和射頻接收控制流程

　　無(wú)線話筒發(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(duì)相關(guān)芯片進(jìn)行初始配置，然后進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)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(nèi)有效）和公共地址與當(dāng)?shù)亟淌业慕邮斩私⑦B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(dāng)走出接收端范圍時(shí)，即失去 連接，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)；或者短時(shí)間連擊Play/Pause鍵（即Stop），系統(tǒng)進(jìn)入電源關(guān)機(jī)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(tǒng)處于節(jié)電睡眠狀態(tài)，按下Play鍵，系統(tǒng)則退出節(jié)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(dāng)接收端電源打開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)完成配置初始化，立即以最小功率（近距離）和公共地址監(jiān)聽(tīng)，接收發(fā)射端控制信號(hào)，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(jié)語(yǔ)

　　由上面論述可知，nRF24Z1可以很方便地進(jìn)行傳輸模式設(shè)計(jì)、地址設(shè)計(jì)、跳頻設(shè)計(jì)等。軟件設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，雖然是非標(biāo)準(zhǔn)的射頻協(xié)議， 但卻能完成遵守標(biāo)準(zhǔn)射頻協(xié)議（如藍(lán)牙技術(shù)）的數(shù)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(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品[4]。藍(lán)牙技術(shù)正是為了遵守復(fù)雜的 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，形成的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)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(dǎo)致成本高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，目前難以普及。當(dāng)然，藍(lán)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)線音頻電路設(shè)計(jì)中是最好不過(guò)的選擇。

參考文獻(xiàn)

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[3]  應(yīng)俊,陳廣飛.無(wú)線語(yǔ)音通信系統(tǒng)的研制及其在野戰(zhàn)醫(yī)療中的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2006,27(12):7-8.
[4]  迅通科技.設(shè)計(jì)最佳的無(wú)線音頻產(chǎn)品[EB/OL].http://www.freqchina.com/wireless%20audio.pdf,2006-10-25.