24GHz無線數(shù)字音頻芯片nRF24Z1及其應(yīng)用

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2.4GHz無線數(shù)字音頻芯片nRF24Z1及其應(yīng)用

１引言

ｎＲＦ２４Ｚ１是挪威Ｎｏｒｄｉｃ半導(dǎo)體公司于２００５年推出的單片式ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ，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(duì)芯片進(jìn)行控制。同時(shí)還提供了控制信息如音量，平衡，顯示等雙向傳輸?shù)墓δ埽且粋€(gè)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(jiǎn)單的或低速的微控制器或ＤＳＰ（數(shù)字信號(hào)處理器）即可完成系統(tǒng)的控制，微控制器尋常通過串行口或并行口控制一些簡(jiǎn)單的任務(wù)，如音量調(diào)理等。

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(duì)ｎＲＦ２４Ｚ１實(shí)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］。假使設(shè)計(jì)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(chǔ)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(yáng)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(shí)，ＭＯＤＥ引腳必需置為高電平。ｎＲＦ２４Ｚ１作為音頻發(fā)射器時(shí)，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(gè)引腳組成，Ｓ／ＰＤＩＦ接口只需要ＳＰＤＩＯ一個(gè)引腳，在聲源與ｎＲＦ２４Ｚ１距離比較近時(shí)，推薦使用Ｉ２Ｓ接口，反之，推薦使用Ｓ／ＰＤＩＦ接口。

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圖２ｎＲＦ２４Ｚ１作為音頻發(fā)射器時(shí)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(shí)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(shí)，ＭＣＬＫ引腳作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)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(shí)，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(gè)接口也可用于從音頻接收器讀回狀態(tài)信息。這兩個(gè)接口的寄放器地址一致，不能同時(shí)使用。２線接口和ＳＰＩ接口通過ＳＳＥＬ引腳選用，ＳＳＥＬ引腳為低時(shí)選用ＳＰＩ接口，ＳＳＥＬ引腳為高時(shí)，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(shí)，可以在ＳＰＩ接口或標(biāo)準(zhǔn)２線接口外掛ＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器，ｎＲＦ２４Ｚ１在上電或復(fù)位時(shí)，從存儲(chǔ)器讀取默認(rèn)的配置數(shù)據(jù)。

１．１．３直接數(shù)據(jù)輸入引腳

ｎＲＦ２４Ｚ１音頻發(fā)射器有兩個(gè)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(shí)，音頻接收器端的ＤＯ２、ＤＯ１和ＤＯ０三個(gè)引腳的信號(hào)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(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單功能（如音量開關(guān)）的控制。

３．１．４中斷輸出

在ｎＲＦ２４Ｚ１檢測(cè)到?jīng)]有音頻輸入、射頻連接斷開等信息時(shí)，其可以通過ＩＲＱ引腳給微控制器提供中斷信號(hào)，此時(shí)，微控制器可以通過控制接口讀?。睿遥疲玻矗冢钡臓顟B(tài)信息。

３．２音頻接收器

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

圖３ｎＲＦ２４Ｚ１作為音頻接收器時(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)遙控。

１．１．１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４８ｋＨｚ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(chǔ)器，ｎＲＦ２４Ｚ１在上電或復(fù)位時(shí)，從存儲(chǔ)器讀取默認(rèn)的配置數(shù)據(jù)。假使沒有外掛存儲(chǔ)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(dòng)時(shí)，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(zhǎng)度和接收器的地址。協(xié)議地址長(zhǎng)度最大為５個(gè)字節(jié)，地址的內(nèi)容存放在片內(nèi)存儲(chǔ)器ＡＤＤＲ０￣ＡＤＤＲ５，５個(gè)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

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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)送探尋信息包，在每個(gè)頻道上探尋一段時(shí)間，以使音頻接收器能夠接收和處理探尋信息。與此同時(shí)，音頻接收器也在所有可用的頻道上監(jiān)聽信息，每個(gè)頻道監(jiān)聽一段時(shí)間，一旦監(jiān)聽到來自音頻發(fā)射器的探尋信息包，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?jìng)€(gè)自適應(yīng)通信的工作頻率，各個(gè)頻率分別由跳頻寄放器ＣＨ０￣ＣＨ３７控制。在跳頻時(shí)，ｎＲＦ２４Ｚ１根據(jù)跳頻寄放器中的內(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(shí)，ｎＲＦ２４Ｚ１會(huì)使用ＣＨ１進(jìn)行連接，假使ＣＨ１受到干擾，則使用ＣＨ２，依次類推。因此，在跳頻通信之前，各個(gè)跳頻寄放器要通過外部ＥＥＰＲＯＭ或微控制器進(jìn)行初始化。假使想ＣＨ０對(duì)應(yīng)于頻率２４２０ＭＨｚ，則只需在ＣＨ０寄放器中寫入２０，假使想ＣＨ０對(duì)應(yīng)于頻率２４４０ＭＨｚ，則只需在ＣＨ０寄放器中寫入４０，這樣，在跳頻通信時(shí)，芯片就能夠按順序跳頻到相應(yīng)的頻道。

５應(yīng)用詳述

圖４ｎＲＦ２４Ｚ１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(gè)引腳為ｎＲＦ２４Ｚ１的天線引腳，射頻信號(hào)從這兩個(gè)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(shí)，該兩引腳的負(fù)載阻抗最好是１００＋ｊ１７５，在一般應(yīng)用中，可使用５０簡(jiǎn)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(shí)，ｎＲＦ２４Ｚ１寄放中的內(nèi)容保持不變，電阻Ｒ４用于防止ＳＰＩ接口的誤激活，這兩個(gè)電阻在使用中可以省去，但這樣做會(huì)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２２ｋ時(shí)，芯片的通信性能最優(yōu)，改變?cè)撾娮璧淖柚禃?huì)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(gè)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

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接和ＶＤＤ引腳連在一起。

ＰＣＢ（印制電路板）的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)ｎＲＦ２４Ｚ１通信系統(tǒng)的射頻性能影響很大，ＰＣＢ設(shè)計(jì)不好，可能會(huì)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(zhǎng)，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)當(dāng)并接一個(gè)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)當(dāng)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)當(dāng)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(hào)線最好能夠離晶振部分和電源部分遠(yuǎn)些?？傊?，在設(shè)計(jì)ＰＣＢ時(shí)，主