嚴芳，林東

（福州大學 物理與信息工程學院，福州 350002）

引 言

模擬音頻受外界影響較大，穩(wěn)定性差。因此數(shù)字音頻漸漸取代模擬音頻成為現(xiàn)代音頻的主要形式。數(shù)字音頻信號直接從機頂盒輸出，不在內部進行D／A轉換，并將數(shù)字音頻進行無線轉發(fā)，在接收端進行D／A轉換，可避免音頻布線的影響以及音頻線上音質的損耗［1］。這種方法可有效地減少機頂盒內部的干擾，并保證較好的音質。

2.4GHz數(shù)字高速射頻技術是目前較為成熟的音頻應用無線技術。其抗干擾性強、傳輸距離遠，并且采用完全開放式的網絡協(xié)議。nRF24Z1無線射頻芯片工作于2.4GHz，通信速率高達4Mbps，實際音頻數(shù)據(jù)傳輸率為1.54Mbps，且具有S／PDIF數(shù)字音頻信號接口。本方案從機頂盒直接提取數(shù)字音頻S／PDIF信號，保證了較好的音質；通過nRF24Z1無線射頻芯片進行發(fā)送和接收，保證了音頻無損無線傳輸。

1 系統(tǒng)總體方案設計

機頂盒數(shù)字音頻無線轉發(fā)系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)字音頻信號的提取與傳輸、數(shù)字音頻無線發(fā)送、數(shù)字音頻無線接收三部分組成。大部分的機頂盒都具有數(shù)字音頻S／PDIF輸出接口，且一般采用同軸線輸出。射頻芯片nRF24Z1既可用在音源端發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，也可用在接收端接收音頻數(shù)據(jù)。采用PIC18系列單片機配置射頻芯片相應的寄存器，實現(xiàn)數(shù)字音頻無線發(fā)送與接收。nRF24Z1芯片經過內部處理后輸出I2S數(shù)字音頻信號，送至數(shù)模轉換芯片以及外圍電路處理，實現(xiàn)模擬接收。同時，采用單片機控制音量的增減。

2 無線射頻芯片功能分析

圖1 機頂盒數(shù)字音頻無線轉發(fā)系統(tǒng)的總體結構框圖

nRF24Z1是Nordic公司推出的單片式CD音質數(shù)字音頻芯片，無線音頻傳輸速率高達48ksps，16位，無需任何壓縮。它工作在全球通用的2.4GHz頻段，以極低的成本提供高性能和高集成度的解決方案；具有I2S和S／PDIF數(shù)字音頻接口，方便與ADC／DAC直接連接，或者與具有數(shù)字音頻輸出口的設備直接相連。由于所有與音頻I／O、RF協(xié)議和RF鏈路管理的有關功能已經嵌入到芯片內部，芯片提供透明的1.54Mbps的音頻通道，而不需要額外的時間處理［2］。

3 數(shù)字音頻信號的提取及接口電路

大部分的機頂盒都具有S／PDIF同軸輸出口。對于不具有S／PDIF直接輸出接口的機頂盒，可以自己增加S／PDIF光纖／同軸輸出接口。對于不同的機頂盒采用不同的加裝方法：

①MPEG－2解碼芯片有S／PDIF輸出腳的機頂盒，將S／PDIF輸出信號引出，送到緩沖放大器和同軸RCA端子就可以輸出數(shù)字S／PDIF信號。

②對于只有I2S輸出的MPEG－2解碼芯片，將I2S的DATA、BCLK和LRCK信號送入PCM／SPDIF轉換的芯片，以S／PDIF形式輸出，并加上轉換電路即可實現(xiàn)S／PDIF信號的提取。

S／PDIF同軸線傳輸?shù)男盘柡喜⒘藬?shù)據(jù)和時鐘信號，頻率高且具有尖銳的邊緣特性。同軸線具有75Ω的特性阻抗，并且輸出的S／PDIF信號電壓只有0.5Vpp，不能直接連接CMOS芯片。所以要將輸出的S／PDIF信號通過電平轉換，使其能夠直接輸入到nRF24Z1芯片的S／PDIF輸入引腳。電平轉換電路如圖2所示。

圖2 電平轉換電路

S／PDIF信號經過前端電路將電壓抬高，然后通過74HC04反相放大器放大至TTL電平，但此時輸出的信號是反相的，所以將其再經過74HC04的另一組反相端口，將信號再反相回來。注意要將74HC04的14和7引腳分別接到＋3.3V和地上，使電路正常工作；S／PDIF信號達到了nRF24Z1的工作電壓，可直接使用。

4 數(shù)字音頻信號的無線發(fā)送

nRF24Z1可工作于發(fā)送模式或接收模式。當Mode引腳接高電平時為發(fā)送模式，發(fā)送音頻數(shù)據(jù)；接低電平時，則接收音頻數(shù)據(jù)。nRF24Z1芯片的發(fā)送端和接收端分別采用MCU進行控制。

PIC18系列單片機是Microchip公司推出的增強型8位單片機，具有高性能的RISC結構CPU、精簡指令集和多種中斷方式，且執(zhí)行速度快、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量大、功能強。此外，具有最大64KB可尋址的線性程序存儲空間和最大3 936字節(jié)的可尋址的線性數(shù)據(jù)存儲空間。因此選用PIC18系列單片機來控制nRF24Z1芯片［3］。

nRF24Z1具有串行主接口和串行從接口。如果選擇串行主接口，則由nRF24Z1控制單片機運作。為了方便功能的增加，選擇nRF24Z1的串行從接口，采用I2C總線通信模式。將PIC18F46K20的RC3和RC4引腳分別接nRF24Z1的SSCL和SSDA引腳，并采用模擬I2C總線通信的方法實現(xiàn)連接。I2C總線通信模式連接成功后，由I2C總線向nRF24Z1寫入相應的寄存器配置值，令其啟動。

nRF24Z1的ATX端接入＋5V直流電源，ARX端接上＋3V電壓后，nRF24Z1執(zhí)行上電復位。上電后，單片機先完成自身的初始化配置，并完成nRF24Z1相應寄存器的初始化配置。nRF24Z1發(fā)送端初始化配置如表1所列。

表1 nRF24Z1發(fā)送端初始化配置

初始化配置完成后，ATX和ARX間將進行射頻鏈路的初始化，嘗試建立通信鏈路。ATX在有效頻段內探訪具有正確ID的ARX單元，通過在所有可能的頻道上發(fā)送短的搜索包來試圖與ARX建立鏈接，直到收到來自ARX的應答包。ATX在每個頻道上發(fā)送一個包，并等待一定的時間以確定是否有應答。而ARX也在所有可用的頻道上監(jiān)聽搜索包來試圖與ATX建立鏈接。當收到一個搜索包時，ARX將回送一個應答包來確認一個可用的鏈接。鏈路建立后，發(fā)射模塊給接收模塊發(fā)送私密地址，接收模塊將配置私密的地址，然后返回應答信號。鏈路建立后音頻序列將通過nRF24Z1以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送出去，配對的接收端收到音頻序列后再進行相應的處理［4］。

5 數(shù)字音頻信號的無線接收

nRF24Z1的Mode腳接低電平，處于音頻接收模式。同樣采用PIC18系列單片機控制nRF24Z1芯片，音頻接收機的配置和控制數(shù)據(jù)通過I2C接口輸入。nRF24Z1接收端初始化配置如表2所列。

表2 nRF24Z1接收端初始化配置

為了實現(xiàn)滿意的音頻質量，采用QoS機制。自適應跳頻是集成的一部分。自適應跳頻算法所使用的頻率由38個頻率寄存器所指定。發(fā)送端和接收端所使用的工作頻率根據(jù)時間和空中出現(xiàn)的噪聲而進行改變。跳頻序列也由連續(xù)寄存器CH0～CH37指定。因此在初始化配置時，發(fā)送端和接收端設置同一基本跳頻序列，這樣也可以使建鏈時間最短。

接收端收到數(shù)字音頻無線信號后，可分別通過S／PDIF或I2S接口輸出音頻信號。本文采用I2S接口輸出，并選用WM8711BL的DAC芯片進行數(shù)模轉換，輸出模擬音頻并用耳機接收。WM8711BL芯片具有I2C總線接口，采用PIC18系列單片機對其相應的寄存器地址進行初始化配置。WM8711BL初始化配置如表3所列。

DAC芯片將數(shù)字音頻轉變?yōu)樽笥衣暤赖哪M音頻，實現(xiàn)相應的模擬接收。此時輸出的音量為固定值，為了控制音量的增減，設置兩個開關按鍵，通過PIC18系列單片機PD0和PD1口進行控制。

表3 WM8711BL初始化配置

為了能夠節(jié)省電量的損耗，平時讓射頻芯片處于掉電模式，通過中斷喚醒或定時器喚醒功能使其恢復工作狀態(tài)。

結 語

本文介紹了如何將機頂盒音頻信號通過nRF24Z1射頻芯片實現(xiàn)數(shù)字音頻無線傳輸。采用PIC18系統(tǒng)單片機進行配置，處理速度快。整個系統(tǒng)傳輸速率高、體積小、攜帶方便，且通信距離遠，可廣泛用于無線耳機、無線音響等產品中。

［1］孫芳.采用FEC技術的無線數(shù)字音頻傳輸平臺的設計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學，2007：19－20.

［2］NORDIC Semiconductor.Nordic 2.4GHz wireless audio streamer nRF24z1［EB／OL］.（2007－12－03）［2011－10］.http：／／www.nordicsemi.no.

［3］Microchip. PIC18F23K20／24K20／25K20／26K20／43K20／44K20／45K20／46K20Data Sheet［EB／OL］.［2011－10］.http：／／www.microchip.com.

［4］譚強.Nordic中短距離無線應用入門與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.