基于nRF24Z1的CD音质无线数字音频传输系统
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。
2.4 跳频序列和图案
本系统采用自适应跳频的方式,属于QoS策略的一部分。
跳频通信是扩频通信的一种,也是最广泛使用的一种。工作原
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