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(yōu)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(jiān)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(fā)芯片nRF24Z1。nRF24Z1提供了標準的工業(yè)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(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(yè)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(huán)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?？刂菩诺赖男畔ㄍ托畔ⅰ⒓拇嫫餍畔⒁约肮苣_狀態(tài)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(fā)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(fā)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(jié)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(fā)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(jiān)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)射端在處于發(fā)射狀態(tài)時具有較大發(fā)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(fā)送,實現較遠的發(fā)射距離。

    發(fā)送端工作方式類似。一般情況下,接收端和發(fā)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(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預定的規(guī)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(guī)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(jiān)聽和發(fā)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。

    2.5 射頻放大器設計和電路設計

    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(wěn)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?？刂菩盘柡蚏F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(tài)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(qū)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(tài)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(yè)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。