通信与网络中的基于nRF24Z1的无线数字/模拟音频传输系统
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2020-12-09
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通信与网络中的基于通信与网络中的基于nRF24Z1的无线数字的无线数字/模拟音频传输系统模拟音频传输系统
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nRF
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。
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