2.4GHz無線數(shù)字音頻芯片nRF24Z1及其應(yīng)用

nRF24Z1是挪威Nordic半導(dǎo)體公司于2005年推出的單片式CD（Compact Disc，光盤）音質(zhì)無線數(shù)字音頻芯片，其能以24位48kHz的速度處理數(shù)字音頻流。芯片工作于2.4GHz自由頻段，工作電壓為2.0~3.6伏，片內(nèi)集成了電壓管理器，能夠最大限度地抑制噪聲。nRF24Z1有I2S串行接口和S/PDIF接口（索尼/菲利浦?jǐn)?shù)字接口）兩種數(shù)字音頻接口，I2S提供了與各種低成本的A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換）和D/A（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）的無縫連接，S/PDIF 接口提供了與PC和環(huán)繞設(shè)備的直接接口。通過SPI或I2C接口來對芯片進(jìn)行控制。同時還提供了控制信息如音量，平衡，顯示等雙向傳輸?shù)墓δ?，是一個使用、性能、成本相結(jié)合的數(shù)字音頻芯片?？蓱?yīng)用于CD無線耳機(jī)、無線音箱、MP3無線耳機(jī)、無線音頻下載器等系統(tǒng)中。

2.無線音頻系統(tǒng)

nRF24Z1能夠以高達(dá)1.54Mbit/s的速率處理音頻流，音頻數(shù)據(jù)的輸入/輸出、射頻協(xié)議和射頻連接等工作由片內(nèi)的硬件完成。圖1所示為使用nRF24Z1的無線音頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，在該系統(tǒng)中，只需使用簡單的或低速的微控制器或DSP(數(shù)字信號處理器)即可完成系統(tǒng)的控制，微控制器通常通過串行口或并行口控制一些簡單的任務(wù)，如音量調(diào)節(jié)等。

圖1　使用nRF24Z1的無線音頻系統(tǒng)框圖

由圖1可見，音頻數(shù)據(jù)的傳輸是由一對nRF24Z1實現(xiàn)的，音頻數(shù)據(jù)最終提供給接收端的立體聲DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)。nRF24Z1的初始配置由微控制器通過SPI或I2S接口進(jìn)行控制。在接收端，外圍電路如DAC的控制可以由發(fā)送端的nRF24Z1通過控制信道進(jìn)行控制[1]。如果設(shè)計中沒有使用微控制器，則配置數(shù)據(jù)可以通過片外的EEPROM/FLASH存儲器進(jìn)行加載。

在無線音頻流處理系統(tǒng)中，音頻數(shù)據(jù)的流向總是從聲源(如CD播放器)到聲宿(如揚聲器)。本系統(tǒng)中，在聲源端使用nRF24Z1進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送，在聲宿端使用nRF24Z1進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的接收。鑒于上述的收發(fā)差異性，nRF24Z1可能通過MODE引腳設(shè)置其工作于發(fā)射器模式或接收器模式，這兩種模式下，nRF24Z1片內(nèi)工作的模塊和I/O引腳功能都有很大差異。

3.芯片結(jié)構(gòu)

3.1音頻發(fā)射器

當(dāng)nRF24Z1作為音頻發(fā)射器時，MODE引腳必須置為高電平。nRF24Z1作為音頻發(fā)射器時，其片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。I2S接口或S/PDIF接口可以用作音頻數(shù)據(jù)的輸入接口。I2S接口由CLK、DATA和WS三個引腳組成，S/PDIF接口只需要SPDIO一個引腳，在聲源與nRF24Z1距離比較近時，推薦使用I2S接口，反之，推薦使用S/PDIF接口。

圖2　 nRF24Z1作為音頻發(fā)射器時的功能結(jié)構(gòu)圖

3..1.1音頻輸入接口[2]

音頻發(fā)射器的I2S接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32、48和96kHz多種接口速率，音頻數(shù)據(jù)可以采用16位、20位或24位三種數(shù)字格式。nRF24Z1同時也可以用于模擬聲源的數(shù)據(jù)采樣，其采樣頻率為256Hz，此時，MCLK引腳作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘引腳。S/PDIF接口支持32、44.1和48kHz三種采樣速率，音頻數(shù)據(jù)可以采用16位、20位或24位三種數(shù)字格式。

3..1.2控制接口

當(dāng)使用外部微控制器來控制nRF24Z1時，音頻發(fā)射器與音頻接收器的配置和控制數(shù)據(jù)可以通過標(biāo)準(zhǔn)2線接口或SPI接口提供，這兩個接口也可用于從音頻接收器讀回狀態(tài)信息。這兩個接口的寄存器地址相同，不能同時使用。2線接口和SPI接口通過SSEL引腳選用，SSEL引腳為低時選用SPI接口，SSEL引腳為高時，選用標(biāo)準(zhǔn)2線接口。

當(dāng)不使用外部微控制器來控制nRF24Z1時，可以在SPI接口或標(biāo)準(zhǔn)2線接口外掛EEPROM或FLASH存儲器，nRF24Z1在上電或復(fù)位時，從存儲器讀取默認(rèn)的配置數(shù)據(jù)。

3.1. 3直接數(shù)據(jù)輸入引腳

nRF24Z1音頻發(fā)射器有兩個通用輸入引腳DD1和DD0，當(dāng)SSEL引腳為高，DD2引腳和DD1、DD0引腳一起用于直接數(shù)據(jù)輸入，此時，音頻接收器端的DO2、DO1和DO0三個引腳的信號為DD2、DD1和DD0引腳的鏡像。這些用于控制音頻接收器的一些外部開關(guān)，這樣，音頻接收器在沒有微控制器的參與也能實現(xiàn)一些簡單功能(如音量開關(guān))的控制。

3.1.4中斷輸出

在nRF24Z1檢測到?jīng)]有音頻輸入、射頻連接斷開等信息時，其可以通過IRQ引腳給微控制器提供中斷信號，此時，微控制器可以通過控制接口讀取nRF24Z1的狀態(tài)信息。

3.2音頻接收器

nRF24Z1用作音頻接收器時，MODE引腳必須為低電平。nRF24Z1作為音頻接收器時，其片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。此時，I2S接口或S/PDIF接口用作音頻數(shù)據(jù)或其它實時數(shù)據(jù)的輸出接口。

圖3　 nRF24Z1作為音頻接收器時的功能結(jié)構(gòu)圖

射頻連接建立后，用戶可以通過音頻發(fā)射器控制音頻接收器的SPI接口或標(biāo)準(zhǔn)2線接口。這個特性使音頻發(fā)射器能夠?qū)σ纛l接收器的DAC和放大器實現(xiàn)遙控。

3.2. 1音頻輸出接口

音頻接收器的I2S接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32和48 kHz多種接口速率，音頻數(shù)據(jù)為16位格式。在音頻接收器模式下，MCLK引腳給外部DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)256Hz的輸出頻率。音頻接收器的S/PDIF接口支持32、44.1和48kHz三種采樣速率，音頻數(shù)據(jù)可以采用16位或24位三種格式。

3.2.2控制接口

可以在SPI接口或標(biāo)準(zhǔn)2線接口外掛EEPROM或FLASH存儲器，nRF24Z1在上電或復(fù)位時，從存儲器讀取默認(rèn)的配置數(shù)據(jù)。如果沒有外掛存儲器，芯片將使用其自身的默認(rèn)值。在音頻接收器的配置中，SPI接口可以工作于1MHz或0.5MHz的速率。當(dāng)音頻接收器與音頻發(fā)射器建立了射頻連接之后，用戶可以通過音頻發(fā)射器來控制音頻接收器的SPI接口。

在重新啟動時，音頻接收器的2線接口工作于100kHz的速率，之后，用戶可以通過音頻發(fā)射器配置其工作于100kHz、400kHz或1MHz。與音頻發(fā)射器一樣，nRF24Z1音頻接收器工作于SPI接口還是標(biāo)準(zhǔn)2線接口，是由SSEL引腳的電平?jīng)Q定的。

4.射頻通信

4.1射頻協(xié)議

nRF24Z1的射頻協(xié)議完全由其片內(nèi)硬件處理，用戶只需配置射頻通信的地址長度和接收器的地址。協(xié)議地址長度最大為5個字節(jié)，地址的內(nèi)容存放在片內(nèi)存儲器ADDR0~ADDR5，5個字節(jié)依次存放，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。

4.2射頻連接初始化

在射頻連接建立之前，音頻發(fā)射器在所有可用的頻道上，反復(fù)地向音頻接收器發(fā)送搜索信息包，在每個頻道上搜索一段時間，以使音頻接收器能夠接收和處理搜索信息。與此同時，音頻接收器也在所有可用的頻道上監(jiān)聽信息，每個頻道監(jiān)聽一段時間，一旦監(jiān)聽到來自音頻發(fā)射器的搜索信息包，音頻接收器發(fā)送應(yīng)答信息，音頻接收器和音頻發(fā)射器都鎖定該頻道，以準(zhǔn)備通信。nRF24Z1的這種連接方式有助于防止干擾，減少與在2.4G頻段上工作的其它射頻設(shè)備之間的通信碰撞。

4.3跳頻通信

為了提高射頻通信的抗干擾性和可靠性，nRF24Z1支持自適應(yīng)跳頻通信。nRF24Z1具有38個自適應(yīng)通信的工作頻率，各個頻率分別由跳頻寄存器CH0~CH37控制。在跳頻時，nRF24Z1根據(jù)跳頻寄存器中的內(nèi)容，按順序改變工作頻率，也就是說，當(dāng)CH0的頻率受到干擾而無法進(jìn)行射頻連接時，nRF24Z1會使用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，各個跳頻寄存器要通過外部EEPROM或微控制器進(jìn)行初始化。如果想CH0對應(yīng)于頻率2420MHz，則只需在CH0寄存器中寫入20，如果想CH0對應(yīng)于頻率2440MHz，則只需在CH0寄存器中寫入40，這樣，在跳頻通信時，芯片就能夠按順序跳頻到相應(yīng)的頻道。

5.應(yīng)用詳述

圖4　 nRF24Z1發(fā)射器的硬件原理

nRF24Z1發(fā)射器的外圍元器件及其與微控制器的接口原理如圖4所示，nRF24Z1使用SPI接口與外部微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用I2S接口與音頻采樣設(shè)備連接。ANT1和ANT2兩個引腳為nRF24Z1的天線引腳，射頻信號從這兩個引腳平衡輸出。由圖4可知，VDD_PA引腳給天線部分提供直流電源。當(dāng)ANT1和ANT2引腳的兩端負(fù)載阻抗隨輸出功率的變化而改變，目標(biāo)輸出功率為芯片的最大輸出功率0dbm時，該兩引腳的負(fù)載阻抗最好是100Ω+j175Ω，在一般應(yīng)用中，可使用50Ω簡單負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖4中，電阻R3可以保證當(dāng)微控制器復(fù)位時，nRF24Z1寄存中的內(nèi)容保持不變，電阻R4用于防止SPI接口的誤激活，這兩個電阻在使用中可以省去，但這樣做會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電阻R2為nRF24Z1提供參考電流，該電阻為22kΩ時，芯片的通信性能最優(yōu)，改變該電阻的阻值會影響芯片的通信性能。DVDD引腳為nRF24Z1片內(nèi)數(shù)字供電電壓的可調(diào)整輸出引腳，該引腳的主要作用是為芯片提供去耦通路。在應(yīng)用中，DVDD引腳需要接一個33nF的電容到數(shù)字地，而不能用于為其它片外器件的提供電源，也不能直接和VDD引腳連在一起。

PCB(印制電路板)的設(shè)計對整個nRF24Z1通信系統(tǒng)的射頻性能影響很大，PCB設(shè)計不好，可能會造成通信誤碼率高或發(fā)射功率達(dá)到目標(biāo)值，直接影響射頻通信的距離。根據(jù)Nordic公司的推薦，nRF24Z1的電路板至少用兩層板，直流供電電源模塊盡量靠近VDD引腳，盡量避免電源線過長，以減少因電路板工作過程中，因線路耦合帶入過大的干擾[3]。直流供電電源模塊應(yīng)該并接一個4.7uF的電容到數(shù)字地，以達(dá)到穩(wěn)壓和濾波的目的。此外，應(yīng)該把nRF24Z1的電源跟電路板上其它器件的電源隔離開，以減少因其它器件工作過程中電流變化所產(chǎn)生的干擾。nRF24Z1芯片的所有VSS引腳應(yīng)該直接連接到數(shù)字地敷銅層，并在這些引腳附近打些過孔，以使頂層和底層間的敷銅層連接良好。數(shù)字控制信號線最好能夠離晶振部分和電源部分遠(yuǎn)些?？傊?，在設(shè)計PCB時，主要考慮周圍元器件的布置、天線匹配網(wǎng)絡(luò)、走線、電路板的體積和敷銅等方面的影響，設(shè)計者可以從Nordic公司的網(wǎng)站更多的參考資料。

6.結(jié)論

根據(jù)應(yīng)用的需求，挪威Nordic半導(dǎo)體公司推出的CD音質(zhì)的2.4GHz無線數(shù)字音頻收發(fā)芯片nRF24Z1，給無線音頻處理系統(tǒng)提供低成本的選擇，很好的滿足了市場的需求。本文基于應(yīng)用的目的，從技術(shù)的角度闡述了nRF24Z1，為音頻系統(tǒng)設(shè)計師提供技術(shù)參考。nRF24Z1在音頻處理系統(tǒng)中會得到更廣泛的應(yīng)用。