摘 要：介紹了ISM音頻收發(fā)主芯片nRF24Z1的功能和特性以及基于它的無(wú)線數(shù)字/音頻傳輸系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程、nRF24Z1的配置方法、跳頻" title="跳頻">跳頻圖案的選擇以及射頻放大器的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：nRF24Z1? ISM? 跳頻? 射頻放大器
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??? 當(dāng)前，隨著居住和辦公環(huán)境空間的增長(zhǎng)，音頻的布線在大型會(huì)議室、汽車(chē)等場(chǎng)所越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)，成本越來(lái)越高，迫切需要無(wú)線傳輸高質(zhì)量的音頻。CD音質(zhì)音頻的傳輸速率就達(dá)到1.5Mbps以上，因此對(duì)無(wú)線系統(tǒng)提出了更高的帶寬和距離要求。
??? 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(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。選用具備高帶寬特點(diǎn)的ISM 2.4GHz的傳輸系統(tǒng)更能適應(yīng)CD音質(zhì)音頻的傳輸。而2.4GHz的其他系統(tǒng)，如藍(lán)牙、WLAN等存在成本過(guò)高或距離受限等缺點(diǎn)，所以本系統(tǒng)使用了專(zhuān)用的ISM音頻無(wú)線收發(fā)芯片nRF24Z1。nRF24Z1提供了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)音頻I2S接口以及S/PDIF" title="S/PDIF">S/PDIF數(shù)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(dá)4Mbps，實(shí)際數(shù)據(jù)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[1]
??? nRF24Z1是挪威Nordic公司推出的CD音質(zhì)無(wú)線數(shù)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(nèi)集成了PLL、時(shí)鐘控制和恢復(fù)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(nèi)集成了I2S和S/PDIF兩種工業(yè)音頻標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(duì)點(diǎn)的無(wú)線通信中，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(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)、自適應(yīng)跳頻、掉線搜索重連策略。
??? 雙向通信機(jī)制和應(yīng)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ɑ厮托畔ⅰ⒓拇嫫餍畔⒁约肮苣_狀態(tài)信息等。
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??? QoS部分包括數(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯(cuò)，完全通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，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(shù)據(jù)、若干CRC位組成，當(dāng)接收端" title="接收端">接收端收到的Packet的CRC得到檢驗(yàn)后，將會(huì)通過(guò)控制信道給ATX回送信息。若CRC檢驗(yàn)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(nèi)重傳。
??? 自適應(yīng)跳頻是抗干擾的重要手段，本文2.4節(jié)中有詳細(xì)論述。
??? 掉線搜索重連是保障連接可靠性的措施，當(dāng)連接丟失時(shí)發(fā)射器自動(dòng)按照射頻圖案搜索，每個(gè)頻道上搜索一段時(shí)間，同理接收器也在每個(gè)頻道上監(jiān)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。
??? 芯片的初始配置可以由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由MODE管腳電平?jīng)Q定。
nRF24Z1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。
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2 系統(tǒng)組成
2.1 系統(tǒng)組成圖
??? 本系統(tǒng)保證數(shù)字/模擬音頻" title="模擬音頻">模擬音頻的“透明”無(wú)線傳輸，即接收板輸出到音箱/耳機(jī)等的音頻信號(hào)和音源輸入到發(fā)射板的音頻信號(hào)相比無(wú)失真。對(duì)于數(shù)字音頻，為滿(mǎn)足S/PDIF標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)字信號(hào)；對(duì)于模擬音頻，為雙聲道模擬信號(hào)。
??? 本系統(tǒng)組成主要由nRF24Z1、AD/DA、MCU、RFPA等組成，發(fā)送端組成如圖2。
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??? 接收端組成圖如圖3。
2.2 系統(tǒng)說(shuō)明
??? 本系統(tǒng)一路模擬音源從AD采樣得來(lái)，通過(guò)I2S音頻接口傳輸?shù)絥RF24Z1進(jìn)行發(fā)送，接收端的nRF24Z1收到音頻數(shù)據(jù)后時(shí)鐘恢復(fù)出MCLK（I2S的主時(shí)鐘），同時(shí)進(jìn)行音頻的D/A轉(zhuǎn)換和放大，最后通過(guò)揚(yáng)聲器輸出。
??? 另一路數(shù)字音源通過(guò)DVD/CD機(jī)的同軸/光纖接口取出，并通過(guò)S/PDIF音頻接口傳輸?shù)絥RF24Z1發(fā)送，接收端的nRF24Z1收到音頻數(shù)據(jù)后將音頻傳輸?shù)?.1數(shù)字功放音箱。這兩路都是實(shí)現(xiàn)音頻的無(wú)損“透明”傳輸。
??? 圖2和圖3中的BALUN結(jié)構(gòu)是射頻的雙端轉(zhuǎn)單端網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，由電容電感組成。因?yàn)樘炀€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(zhuǎn)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(xiàn)較遠(yuǎn)的傳輸距離。各部分的工作方式由各自的VDD_PA信號(hào)決定。以接收端為例(如圖3)，當(dāng)處于接收音頻數(shù)據(jù)時(shí)，VDD_PA為低電平，它控制兩個(gè)RF Switch都扳到下部，RF信號(hào)通過(guò)傳輸線直接進(jìn)入nRF24Z1；當(dāng)處于回送控制數(shù)據(jù)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(xiàn)較遠(yuǎn)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(tǒng)配置和工作流程[1]
??? 系統(tǒng)配置方法和系統(tǒng)的工作流程如圖4。
2.4 跳頻序列和圖案[3][4][6]
??? 本系統(tǒng)采用自適應(yīng)跳頻的方式，屬于QoS策略的一部分。
??? 跳頻通信是擴(kuò)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(hào)的載波頻率按照預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行離散變化。跳頻通信具有隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。預(yù)定規(guī)律組成的頻率序列稱(chēng)為跳頻圖案。
??? 本系統(tǒng)并沒(méi)有采用參考設(shè)計(jì)中給出的順序增加頻率序列，而是采用了PN偽隨機(jī)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(jiān)聽(tīng)和發(fā)生串?dāng)_。
??? PN碼特點(diǎn)如下：有足夠多的地址碼；不同碼元數(shù)平衡相等；有尖銳的自相關(guān)特性，即滿(mǎn)足下式：
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??? 經(jīng)過(guò)測(cè)試，此跳頻序列系統(tǒng)與其他跳頻序列系統(tǒng)共存時(shí)，出現(xiàn)噪聲抖動(dòng)次數(shù)少于順序序列跳頻圖案系統(tǒng)，音頻噪聲出現(xiàn)頻率僅為后者的一半，抗干擾能力較強(qiáng)。
2.5 射頻放大器設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)[1][5][6]
??? 設(shè)計(jì)射頻放大器時(shí)，應(yīng)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(wěn)定性、功耗等，也要滿(mǎn)足其他的S參數(shù)要求。本系統(tǒng)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，走線避免有尖角,防止長(zhǎng)引線和尖角的天線效應(yīng)，并且做好阻抗匹配。如圖5。
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??? (3)出于EMI/EMC方面的考慮，需要在PCB板上每隔?姿/20(或更小)的地方打孔。
??? (4)PA離AD/DA等模擬部分和關(guān)鍵數(shù)字部分必須有一定距離?？刂菩盘?hào)和RF信號(hào)盡量不要交叉，迫不得已的情況下可以交叉，但是最好正交。盡量避免破壞RF信號(hào)底面鋪銅的完整性。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括了傳輸模式選擇、地址選擇、地址碼設(shè)計(jì)、跳頻圖案設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)時(shí)首先需要選擇系統(tǒng)是傳輸數(shù)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(nèi)部寄存器，用于區(qū)別兩套不同的傳輸系統(tǒng)。跳頻圖案設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
??? 由于MCU和nRF24Z1的SPI接口速率較高，可達(dá)到1Mbps，所以在軟件中需要對(duì)時(shí)序做準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)。另外，本系統(tǒng)為了消除開(kāi)機(jī)POP噪聲的影響，在開(kāi)機(jī)時(shí)進(jìn)行延時(shí)操作，可以檢測(cè)無(wú)線連接的狀態(tài)并采取相應(yīng)的措施。
??? 數(shù)字和模擬音頻的無(wú)線傳輸是一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題，本系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了以上的系統(tǒng)功能，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)、跳頻設(shè)計(jì)、放大器設(shè)計(jì)等，使數(shù)字/模擬音頻傳輸系統(tǒng)達(dá)到了CD高音質(zhì)傳輸指標(biāo)，傳輸距離達(dá)到了室外80米以上，室內(nèi)30米以上。輻射方面也達(dá)到了FCC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。另外，本系統(tǒng)具有很強(qiáng)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(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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[6] 黃智偉.無(wú)線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.