2.4GHz无线数字音频芯片nRF24Z1及其应用

2.4GHz无线数字音频芯片nRF24Z1及其应用

１　　引言　

　　ｎＲＦ２４Ｚ１是挪威Ｎｏｒｄｉｃ半导体公司于２００５年推出的单片式ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ，光盘）音质无线数字音频芯片，其能以２４位４８ｋＨｚ的速度处理数字音频流。芯片工作于２．４ＧＨｚ自由频段，工作电压为

２．０￣３．６伏，片内集成了电压管理器，能够最大限度地抑制噪声。ｎＲＦ２４Ｚ１有Ｉ２Ｓ串行接口和Ｓ／ＰＤＩＦ接口（索尼／菲利浦数字接口）两种数字音频接口，Ｉ２Ｓ提供了与各种低成本的Ａ／Ｄ（模／数转换）和Ｄ／Ａ

（数／模转换）的无缝连接，Ｓ／ＰＤＩＦ　接口提供了与ＰＣ和环绕设备的直接接口。通过ＳＰＩ或Ｉ２Ｃ接口来对芯片进行控制。同时还提供了控制信息如音量，平衡，显示等双向传输的功能，是一个使用、性能、成本相结合的数字音频芯片。可应用于ＣＤ无线耳机、无线音箱、ＭＰ３无线耳机、无线音频下载器等系统中。　

　　２　　无线音频系统　

　　ｎＲＦ２４Ｚ１能够以高达１．５４Ｍｂｉｔ／ｓ的速率处理音频流，音频数据的输入／输出、射频协议和射频连接等工作由片内的硬件完成。图１所示为使用ｎＲＦ２４Ｚ１的无线音频系统的结构框图，在该系统中，只需使用简单的或低速的微控制器或ＤＳＰ（数字信号处理器）即可完成系统的控制，微控制器通常通过串行口或并行口控制一些简单的任务，如音量调节等。　

　　图１　　使用ｎＲＦ２４Ｚ１的无线音频系统框图　　

　　由图１可见，音频数据的传输是由一对ｎＲＦ２４Ｚ１实现的，音频数据最终提供给接收端的立体声ＤＡＣ（数模转换器）。ｎＲＦ２４Ｚ１的初始配置由微控制器通过ＳＰＩ或Ｉ２Ｓ接口进行控制。在接收端，外围电路如ＤＡＣ的控制可以由发送端的ｎＲＦ２４Ｚ１通过控制信道进行控制［１］。如果设计中没有使用微控制器，则配置数据可以通过片外的ＥＥＰＲＯＭ／ＦＬＡＳＨ存储器进行加载。　

　　在无线音频流处理系统中，音频数据的流向总是从声源（如ＣＤ播放器）到声宿（如扬声器）。本系统中，在声源端使用ｎＲＦ２４Ｚ１进行音频数据的发送，在声宿端使用ｎＲＦ２４Ｚ１进行音频数据的接收。鉴于上述的收发差异性，ｎＲＦ２４Ｚ１可能通过ＭＯＤＥ引脚设置其工作于发射器模式或接收器模式，这两种模式下，ｎＲＦ２４Ｚ１片内工作的模块和Ｉ／Ｏ引脚功能都有很大差异。　

　　３　　芯片结构　

　　３．１　　音频发射器　

　　当ｎＲＦ２４Ｚ１作为音频发射器时，ＭＯＤＥ引脚必须置为高电平。ｎＲＦ２４Ｚ１作为音频发射器时，其片内功能结构如图２所示。Ｉ２Ｓ接口或Ｓ／ＰＤＩＦ接口可以用作音频数据的输入接口。Ｉ２Ｓ接口由ＣＬＫ、ＤＡＴＡ和ＷＳ三个引脚组成，Ｓ／ＰＤＩＦ接口只需要ＳＰＤＩＯ一个引脚，在声源与ｎＲＦ２４Ｚ１距离比较近时，推荐使用Ｉ２Ｓ接口，反之，推荐使用Ｓ／ＰＤＩＦ接口。　

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　　图２　　　ｎＲＦ２４Ｚ１作为音频发射器时的功能结构图　

　３．．１．１　　音频输入接口［２］　　

　　音频发射器的Ｉ２Ｓ接口支持８、１１．０２５、１２、１６、２２．０５、２４、３２、４８和９６ｋＨｚ多种接口速率，音频数据可以采用１６位、２０位或２４位三种数字格式。ｎＲＦ２４Ｚ１同时也可以用于模拟声源的数据采样，其采样频率为２５６Ｈｚ，此时，ＭＣＬＫ引脚作为模数转换器的采样时钟引脚。Ｓ／ＰＤＩＦ接口支持３２、４４．１和４８ｋＨｚ三种采样速率，音频数据可以采用１６位、２０位或２４位三种数字格式。　

　　３．．１．２　　控制接口　

　　当使用外部微控制器来控制ｎＲＦ２４Ｚ１时，音频发射器与音频接收器的配置和控制数据可以通过标准２线接口或ＳＰＩ接口提供，这两个接口也可用于从音频接收器读回状态信息。这两个接口的寄存器地址相同，不能同时使用。２线接口和ＳＰＩ接口通过ＳＳＥＬ引脚选用，ＳＳＥＬ引脚为低时选用ＳＰＩ接口，ＳＳＥＬ引脚为高时，选用标准２线接口。　

　　当不使用外部微控制器来控制ｎＲＦ２４Ｚ１时，可以在ＳＰＩ接口或标准２线接口外挂ＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ存储器，ｎＲＦ２４Ｚ１在上电或复位时，从存储器读取默认的配置数据。　

　　１．１．　３　　直接数据输入引脚　

　　ｎＲＦ２４Ｚ１音频发射器有两个通用输入引脚ＤＤ１和ＤＤ０，当ＳＳＥＬ引脚为高，ＤＤ２引脚和ＤＤ１、ＤＤ０引脚一起用于直接数据输入，此时，音频接收器端的ＤＯ２、ＤＯ１和ＤＯ０三个引脚的信号为ＤＤ２、ＤＤ１和ＤＤ０引脚的镜像。这些用于控制音频接收器的一些外部开关，这样，音频接收器在没有微控制器的参与也能实现一些简单功能（如音量开关）的控制。　

　　３．１．４　　中断输出　

　　在ｎＲＦ２４Ｚ１检测到没有音频输入、射频连接断开等信息时，其可以通过ＩＲＱ引脚给微控制器提供中断信号，此时，微控制器可以通过控制接口读取ｎＲＦ２４Ｚ１的状态信息。　

　　３．２　　音频接收器　

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　　ｎＲＦ２４Ｚ１用作音频接收器时，ＭＯＤＥ引脚必须为低电平。ｎＲＦ２４Ｚ１作为音频接收器时，其片内功能结构如图３所示。此时，Ｉ２Ｓ接口或Ｓ／ＰＤＩＦ接口用作音频数据或其它实时数据的输出接口。　

　　图３　　　ｎＲＦ２４Ｚ１作为音频接收器时的功能结构图　　

　　射频连接建立后，用户可以通过音频发射器控制音频接收器的ＳＰＩ接口或标准２线接口。这个特性使音频发射器能够对音频接收器的ＤＡＣ和放大器实现遥控。　

　　１．１．　１　　音频输出接口　

　　音频接收器的Ｉ２Ｓ接口支持８、１１．０２５、１２、１６、２２．０５、２４、３２和４８　ｋＨｚ多种接口速率，音频数据为１６位格式。在音频接收器模式下，ＭＣＬＫ引脚给外部ＤＡＣ（数模转换器）２５６Ｈｚ的输出频率。音频接收器的Ｓ／ＰＤＩＦ接口支持３２、４４．１和４８ｋＨｚ三种采样速率，音频数据可以采用１６位或２４位三种格式。　

　　３．２．２　　控制接口　

　　可以在ＳＰＩ接口或标准２线接口外挂ＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ存储器，ｎＲＦ２４Ｚ１在上电或复位时，从存储器读取默认的配置数据。如果没有外挂存储器，芯片将使用其自身的默认值。在音频接收器的配置中，ＳＰＩ接口可以工作于１ＭＨｚ或０．５ＭＨｚ的速率。当音频接收器与音频发射器建立了射频连接之后，用户可以通过音频发射器来控制音频接收器的ＳＰＩ接口。　　　　在重新启动时，音频接收器的２线接口工作于１００ｋＨｚ的速率，之后，用户可以通过音频发射器配置其工作于１００ｋＨｚ、４００ｋＨｚ或１ＭＨｚ。与音频发射器一样，ｎＲＦ２４Ｚ１音频接收器工作于ＳＰＩ接口还是标准２线接口，是由ＳＳＥＬ引脚的电平决定的。　

　　４　　射频通信　

　　４．１　　射频协议　

　　ｎＲＦ２４Ｚ１的射频协议完全由其片内硬件处理，用户只需配置射频通信的地址长度和接收器的地址。协议地址长度最大为５个字节，地址的内容存放在片内存储器ＡＤＤＲ０￣ＡＤＤＲ５，５个字节依次存放，低字节在前，高字节在后。　

　　４．２　　射频连接初始化　

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　　在射频连接建立之前，音频发射器在所有可用的频道上，反复地向音频接收器发送搜索信息包，在每个频道上搜索一段时间，以使音频接收器能够接收和处理搜索信息。与此同时，音频接收器也在所有可用的频道上监听信息，每个频道监听一段时间，一旦监听到来自音频发射器的搜索信息包，音频接收器发送应答信息，音频接收器和音频发射器都锁定该频道，以准备通信。ｎＲＦ２４Ｚ１的这种连接方式有助于防止干扰，减少与在２．４Ｇ频段上工作的其它射频设备之间的通信碰撞。　

　　４．３　　跳频通信　

　　为了提高射频通信的抗干扰性和可靠性，ｎＲＦ２４Ｚ１支持自适应跳频通信。ｎＲＦ２４Ｚ１具有３８个自适应通信的工作频率，各个频率分别由跳频寄存器ＣＨ０￣ＣＨ３７控制。在跳频时，ｎＲＦ２４Ｚ１根据跳频寄存器中的内容，按顺序改变工作频率，也就是说，当ＣＨ０的频率受到干扰而无法进行射频连接时，ｎＲＦ２４Ｚ１会使用ＣＨ１进行连接，如果ＣＨ１受到干扰，则使用ＣＨ２，依次类推。因此，在跳频通信之前，各个跳频寄存器要通过外部ＥＥＰＲＯＭ或微控制器进行初始化。如果想ＣＨ０对应于频率２４２０ＭＨｚ，则只需在ＣＨ０寄存器中写入２０，如果想ＣＨ０对应于频率２４４０ＭＨｚ，则只需在ＣＨ０寄存器中写入４０，这样，在跳频通信时，芯片就能够按顺序跳频到相应的频道。　

　　５　　应用详述　

　　图４　　　ｎＲＦ２４Ｚ１发射器的硬件原理　　

　　ｎＲＦ２４Ｚ１发射器的外围元器件及其与微控制器的接口原理如图４所示，ｎＲＦ２４Ｚ１使用ＳＰＩ接口与外部微控制器进行数据传输，使用Ｉ２Ｓ接口与音频采样设备连接。ＡＮＴ１和ＡＮＴ２两个引脚为ｎＲＦ２４Ｚ１的天线引脚，射频信号从这两个引脚平衡输出。由图４可知，ＶＤＤ＿ＰＡ引脚给天线部分提供直流电源。当ＡＮＴ１和ＡＮＴ２引脚的两端负载阻抗随输出功率的变化而改变，目标输出功率为芯片的最大输出功率０ｄｂｍ时，该两引脚的负载阻抗最好是１００¦¸＋ｊ１７５¦¸，在一般应用中，可使用５０¦¸简单负载匹配网络。　

　　图４中，电阻Ｒ３可以保证当微控制器复位时，ｎＲＦ２４Ｚ１寄存中的内容保持不变，电阻Ｒ４用于防止ＳＰＩ接口的误激活，这两个电阻在使用中可以省去，但这样做会降低系统的稳定性。电阻Ｒ２为ｎＲＦ２４Ｚ１提供参考电流，该电阻为２２ｋ¦¸时，芯片的通信性能最优，改变该电阻的阻值会影响芯片的通信性能。ＤＶＤＤ引脚为ｎＲＦ２４Ｚ１片内数字供电电压的可调整输出引脚，该引脚的主要作用是为芯片提供去耦通路。在应用中，ＤＶＤＤ引脚需要接一个３３ｎＦ的电容到数字地，而不能用于为其它片外器件的提供电源，也不能直

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接和ＶＤＤ引脚连在一起。　

　ＰＣＢ（印制电路板）的设计对整个ｎＲＦ２４Ｚ１通信系统的射频性能影响很大，ＰＣＢ设计不好，可能会造成通信误码率高或发射功率达到目标值，直接影响射频通信的距离。根据Ｎｏｒｄｉｃ公司的推荐，ｎＲＦ２４Ｚ１的电路板至少用两层板，直流供电电源模块尽量靠近ＶＤＤ引脚，尽量避免电源线过长，以减少因电路板工作过程中，因线路耦合带入过大的干扰［３］。直流供电电源模块应该并接一个４．７ｕＦ的电容到数字地，以达到稳压和滤波的目的。此外，应该把ｎＲＦ２４Ｚ１的电源跟电路板上其它器件的电源隔离开，以减少因其它器件工作过程中电流变化所产生的干扰。ｎＲＦ２４Ｚ１芯片的所有ＶＳＳ引脚应该直接连接到数字地敷铜

层，并在这些引脚附近打些过孔，以使顶层和底层间的敷铜层连接良好。数字控制信号线最好能够离晶振部分和电源部分远些。总之，在设计ＰＣＢ时，主要考虑周围元器件的布置、天线匹配网络、走线、电路板的体积和敷铜等方面的影响，设计者可以从Ｎｏｒｄｉｃ公司的网站更多的参考资料。　

　　６　　结论　

　　根据应用的需求，挪威Ｎｏｒｄｉｃ半导体公司推出的ＣＤ音质的２．４ＧＨｚ无线数字音频收发芯片ｎＲＦ２４Ｚ１，给无线音频处理系统提供低成本的选择，很好的满足了市场的需求。本文基于应用的目的，从技术的角度阐述了ｎＲＦ２４Ｚ１，为音频系统设计师提供技术参考。ｎＲＦ２４Ｚ１在音频处理系统中会得到更广泛的应用。　

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b6h1.html