基于nRF24Z1的無線數字/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)頻段是全球開放的公用頻段,具有高帶寬和低成本實現的優勢。選用具備高帶寬特點的ISM2.4GHz的傳輸系統更能適應CD音質音頻的傳輸。而2.4GHz的其他系統,如監牙、WLAN等存在成本過高或距離受限等缺點,所以本系統使用了專用的ISM音頻無線收發芯片nRF24Z1。nRF24Z1提供了標準的工業音頻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,實際數據傳輸率為1.536Mbps,保證了48kbps采樣率16bit采樣的音頻無損傳輸。
1 芯片介紹
nRF24Z1是挪威Nordic公司推出的CD音質無線數字音頻傳輸收發芯片,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,在點對點的無線通信中,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的服務質量策略。策略包括雙向通信機制和應答策略(時分雙工)、數據完整性策略和CRC檢錯、自適應跳頻、掉線搜索重連策略。
雙向通信機制和應答策略可見圖1,ATX到ARX的通信為音頻信道,而ARX到ATX的通信是控制信道。控制信道的信息包括同送信息、寄存器信息以及管腳狀態信息等。
QoS部分包括數據完整性策略和CRC檢錯,完全通過硬件實現,在音頻信道發送的幀里面包括多個包,每個包由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,將會通過控制信道給ATX回送信息。若CRC檢驗不正確,則發送端將不正確的一個或若干個包在下一個幀內重傳。
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。
掉線搜索重連是保障連接可靠性的措施,當連接丟失時發射器自動按照射頻圖案搜索,每個頻道卜搜索一段時間,同理接收器也在每個頻道上監聽,一旦建立連接則鎖定該頻道,同時依次按跳頻圖案順序跳頻。
芯片的初始配置町以由EEPROM或者MCU通過SPI、I2C接口完成。芯片處于發送模式還是接收模式南MODE管腳電平決定。
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”無線傳輸,即接收板輸出到音箱／耳機等的音頻信號和音源輸人到發射板的音頻信號相比無失真。對于數字音頻,為滿足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,發送端組成如圖2。
接收端組成圖如圖3。
2.2 系統說明
本系統一路模擬音源從AD采樣得來,通過I2S音頻接門傳輸到nRF24Z1進行發送,接收端的nRF24Z1收到音頻數據后時鐘恢復出MCLK(I2S的主時鐘),同時進行音頻的D／A轉換和放大,最后通過揚聲器輸出。
另一路數字音源通過DVD／CD機的同軸／光纖接口取出,并通過S／PDIF音頻接口傳輸到nRF24Z1發送,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。這兩路都是實現音頻的無損“透明”傳輸。
圖2和圖3中的BALUN結構是射頻的雙端轉單端網絡轉換結構,由電容電感組成。因為天線是單端,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)的作用是能使發射端在處于發射狀態時具有較大發射功率,實現較遠的傳輸距離。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,VDD_PA為低電平,它控制兩個RF Switch都扳到下部,RF信號通過傳輸線直接進入nRF24Z1;當處于回送控制數據和寄存器信息時,VDD_PA為高電平,兩個RF Switch都扳到上部,同時啟動RF PA,以較大的功率發送,實現較遠的發射距離。
發送端工作方式類似。一般情況下,接收端和發送端的PA是交替打開和關閉的。
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。工作原理是收發雙方傳輸信號的載波頻率按照預定的規律進行離散變化。跳頻通信具有隱蔽性好、抗干擾能力強等特點。預定規律組成的頻率序列稱為跳頻圖案。
本系統并沒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,具有類似于白噪聲一樣的自相關性,難以被監聽和發生串擾。
PN碼特點如下：有足夠多的地址碼;不同碼元數平衡相等;有尖銳的白相關特性,即滿足下式：
m序列就是一個滿足上述特性的PN序列。由于本系統有38個跳頻點,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都乘以2即為跳頻圖案。
經過測試,此跳頻序列系統與其他跳頻序列系統共存時,出現噪聲抖動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,應注意以下幾點：
(1) 放大器模塊要滿足增益要求,包括大小、穩定性、功耗等,也要滿足其他的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,走線避免有尖角,防止長引線和尖角的天線效應,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等模擬部分和關鍵數字部分必須有一定距離。控制信號和RF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。設計時首先需要選擇系統是傳輸數字音頻還是模擬音頻,這一點可以通過MCU外部的管腳電平狀態確定。其次需要選擇合適的地址和地址碼,寫入內部寄存器,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。
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序做準確的設計。另外,本系統為了消除開機POP噪盧的影響,在開機時進行延時操作,可以檢測無線連接的狀態并采取相應的措施。
數字和模擬音頻的無線傳輸是一個熱點話題,本系統較好地實現了以上的系統功能,通過軟件設計、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的相關標準。另外,本系統具有很強的商業前景,將在PC多媒體、家庭影院、汽車電子等方面有廣泛的應用。
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