基于nRF24Z1的CD音质无线耳机的设计

基于nRF24Z1的CD音质无线耳机的设计

刘云飞熊建设高翔王曦

（中国海洋大学信息学院电子系，山东青岛 266100）

摘要：介绍了基于nRF24Z1的CD音质无线耳机的设计方案，详细阐述了系统的硬件设计，并给出了软件设计的主要流程，本耳机设计方便，结构简单，可适用于CD音质音频数据的无线传输。

关键词：nRF24Z1；无线；耳机

中图分类号：TN923 文献标识码：B

The Design of A Wireless CD-Quality Headphone Based on nRF24Z1

LIU Yun-fei, XIONG Jian-she, GAO Xiang, WANG Xi

(Ocean University of China, Information College, Electronic

Department,Qingdao, Shandong, 266100)

Abstract: A design of a wireless CD-quality headphone based on nRF24Z1 is described here. The hardware design of system is explained in detail,and the process of software is given.The system’s design is convenient and its structure is simple,and it can be be applied to wireless transmission of CD-quality audio data. Keywords：nRF24Z1; wireless; headphone

1引言：

无线耳机给我们的生活带来了方便，人们对耳机音质的要求也越来越高。CD 数字音频对音频信号的采样频率是44.1kHz，而分辨率则为16bit，由此所产生的数据流为1.41Mbit/s。因此，无线耳机音质能否达到CD的水平，主要看它数传模块能否有足够的带宽来满足以44.1kHz的采样频率和16bit分辨率为背景的1.41Mbit/s的传送速率的要求。本文介绍一种基于nRF24Z1的CD音质无线耳机的设计方案，室内传输距离十米左右，可用于家用CD、车载CD、DVD等需要无线传输高品质音频的场合。可采用普通5号电池供电，使用方便。

2nRF24Z1及其在本设计中相应配置

2.1 nRF24Z1简介

nRF24Z1 是世界领先的2.4GHz无线芯片厂商——挪威Nordic公司生产的“收发合一”的高集成度音频无线数传专用芯片，其高达4Mbit/s的带宽不仅能完全满足CD音质立体声音频所需的1.41Mbit/s的要求,而且还有足够的空间去完成再次传送丢失的数据包，验证接收到的数据包，及分时多路传输等多项作业。nRF24Z1在实现音频信号CD音质高保真传输的技术保证上比蓝牙更胜一筹(蓝牙虽然同为2.4GHz频段产品，可是它的带宽不够充足，其实际传输率仅为720kbit/s左右，这样的数据传输率只能满足于传输语音或经压缩处理所产生的音频流，无法传输CD音质的音频流，听起来当然也就远达不到 CD音质效果。

nRF24Z1芯片工作于2.4GHz自由频段，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,如蓝牙、WLAN等存在成本过高或距离受限等缺点。

芯片采用自适应跳频AFH算法和QOS链路质量控制功能，能自动避开2.4GHz频段干扰（来自房间内带蓝牙技术的产品和其他电器如微波炉、无绳电话等的干扰）具有极高的工作可靠性。工作电压为2.0~3.6伏，方便电池供电。只有1mW的发射功率，完全符合绿色环保产品的要求，功耗极低，发射模块的平均工作电流约为38mA，接收模块的平均工作电流约为40mA，在电池供电的情况下,模块的持续工作时间可达数十小时。片内集成了电压管理器，能够最大限度地抑制噪声。芯片引脚如图1所示。

图1 nRF24Z1芯片引脚图

2.2 芯片接口

音频接口 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接口由CLK、DATA和WS三个引脚组成，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。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接口只需要SPDIO一个引脚，提供了与PC和环绕设备的直接接口。

控制接口标准2线接口或SPI接口用于连接外部微控制器，这两个接口也可用于从接收端读回状态信息。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。本设计就采取不用外部微控制器的方式，只用SPI接口外接EEPROM来对 nRF24Z1进行初始化配置。

2.3 工作模式

应用nRF24Z1进行音频数据的传输需要由一对nRF24Z1来完成，每个芯片都可以双向传送音频数据，有发送和接收两种工作模式。模式的选择由MODE引脚状态来决定，当MODE 引脚置1时，为发送模式，置0时，为接收模式。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。当nRF24Z1处于发送模式时，I2S接口或S/PDIF接口可以用作音频数据的输入接口。nRF24Z1处于接收模式时，MODE引脚必须为低电平。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。MCLK引脚给外部DAC(数模转换器)256Hz的输出频率。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位两种格式。

2.4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。协议地址长度可为4或5个字节，用户可自由选择。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。

数据包以帧的形式传送，每个数据包包括射频地址，有效负载以及CRC校验。数据包发送给接收端后，接收端进行标记校验并给发送器发送一个回执，一旦发送的数据包丢失或者错误，发送端将会在下一个帧进行重发。

3系统结构

图2 系统硬件结构图

采用nRF24Z1设计无线耳机分为发送端和接收端两部分。发送端负责将音频源的音频数据发送给接收端。两部分主要结构原理图如图2所示。发送端主要包括nRF24Z1、ADC、控制按钮、EEPROM和贴片型天线。控制按钮包括开始发送和关闭发送两个，分别接直接数据输入引脚DD[1:0] ,DD[2:0],可直接控制接收端相应的引脚，用来控制接收端的开关。ADC 通过I2S接口与nRF24Z1连接，外接模拟音频源。PC/CD/DVD信号可以通过S/PDIF接口直接与nRF24Z1相连，可接数字音频接口。EEPROM通过SPI接口与nRF24Z1相连，为增强nRF24Z1发射距离，接上贴片型天线。

接收端即耳机端主要包括nRF24Z1、EEPROM、贴片型天线、DAC和扬声器。控制按钮为音量调节、以及开关机，接nRF24Z1的DO[3:0]引脚。DAC通过I2S接口与nRF24Z1相连，外接扬声器。

发送端以及接收端的配置程序通过EEPROM加载到nRF24Z1，对nRF24Z1进行初始化配置。

4系统软件设计

发送端以及接收端主流程图如下所示：

图3发送端流程图4 接收端流程发送端开机后，通过SPI口，读取EEPROM中内容，进行初始化配置：MODE置1，SSEL 置0，I2S口用96KHz接口速率，数据采用16位格式。然后在每一个可用频道发送一个短的

搜寻数据包，等待直到收到接收端的确认回执数据包后，建立连接，并不断发送音频数据。如果发生连接丢失的情况，则返回寻找连接。接收端开机后，首先进行初始化配置：MODE 置0，SSEL置0，I2S口用96KHz接口速率，数据采用16位格式。然后进入等待监听状态，在每个可用频道监听搜寻数据包，一旦发现匹配的搜寻数据包，则发送一个确认回执。建立连接后，不断接收音频数据，并送入DAC，然后通过扬声器发声。如果发生丢失连接的情况，则返回继续监听信号。音量调节功能由中断程序实现。发送端与接收端采用相同的地址设置，地址设为40位。

5跳频通信设置

跳频通信是扩频通信的一种,也是最广泛使用的一种。工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定的规律进行离散变化。跳频通信具有隐蔽性好、抗干扰能力强等特点。预定规律组成的频率序列称为跳频图案。本设计方案中没有采用参考设计中给出的顺序增加频率序列,而是采用了PN伪随机码序列。这种序列具有很好的抗干扰性,具有类似于白噪声一样的自相关性,不易发生串扰。

PN码特点如下：有足够多的地址码;不同码元数平衡相等;有尖锐的白相关特性,即满足

下式：

1

1

()

N j

n n j

N j

n n j

x y

R j x y

--

-

--

-

?

?

?

?

=?

?

?

?

?

∑

∑

01

10

j N

N j

<<-

-<<

其他

m序列就是一个满足上述特性的PN序列。由于本系统设38个跳频点,所以采用5级的m 序列作为PN码,本原多项式为x5+x2+1,最后的序列图案为：16,24,28,14,7,19,9,4,2,17,8,20,10,21,26,29,30,15,23,27,13,22,11,5,18,25,12,6,3, 1。为了保证频率有一定的间隔,在上述序列基础上每个都乘以2即为跳频图案。

经过测试,此跳频序列系统与其他跳频序列系统共存时,出现噪声抖动次数少于顺序序列跳频图案系统,音频噪声出现频率仅为后者的一半,抗干扰能力较强。

发送端接收端双方必须设立相同的跳频设置。跳频传输可以有效避开其他应用2.4GHz 设备的干扰，最大限度利用可利用的频道。

6结束语

本文设计的CD音质无线耳机，结构简单、功耗低、使用方便、抗干扰能力强，能广泛应用于需要无线传输CD音质音频的场合。

本文作者创新之处：利用nRF24Z1设计一种结构简单，成本低，能传输CD音质音频数据的无线耳机。最大程度利用了nRF24Z1本身的功能，精简了系统设计，优化了跳频设置，增强了抗干扰能力，。

参考文献:

[1] 马帅.基于nRF24E1的无线同声传译系统的设计与实现[J].微计算机信息,2007,3-2: 279-281.

[2] 汤炜伟.基于nRF24Z1的无线数字/模拟音频传输系统的设计[J].电子技术应用.

[3] 郑启忠.2.4GHz无线数字音频芯片nRF24Z1及其应用[J] 国电子网.2005..21IC中

作者简介:

刘云飞（1983-），男，汉族，山东高密人，硕士研究生，主要从事电子与通信技术方面的研究。熊建设（1966-），男，汉族，硕士生导师，副教授，主要从事视频会议系统与多媒体通信方面的研究。高翔（1972-），男，汉族，山东烟台人，硕士研究生，研究方向为计算机

网络与通信。王曦（1980-），男，汉族，山东青岛人，硕士研究生，研究方向为计算机网络与多媒体通信。

Biography: LIU Yun-fei(1983-),male, the Han nationality,Gaomi of Shandong Province，Master candidate,majored in Electronic and communication technologies.

XIONG Jian-she,male,the Han nationality,Master mentor,associate professor, majored in Video conference technique and its application.

Gao Xiang(1972-),male, the Han nationality,Yantai of Shandong Province， Master candidate,majored in computer network and communication technologies.

WANG Xi, male,the Han nationality,Qingdao of Shandong Province, Master candidate, majored in computer network and multimedia communication.

通信地址：山东省青岛市崂山区松岭路238号中国海洋大学信息学院电子系05级研究生刘云飞 (邮编：266100)

TEL：138********

E-mail:liuyunfei1983128@1e75dd2d915f804d2b16c1b8

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pe4q.html