機(jī)頂盒數(shù)字音頻的無線轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)芳，林東

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)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(hào)直接從機(jī)頂盒輸出，不在內(nèi)部進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字音頻進(jìn)行無線轉(zhuǎn)發(fā)，在接收端進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，可避免音頻布線的影響以及音頻線上音質(zhì)的損耗［1］。這種方法可有效地減少機(jī)頂盒內(nèi)部的干擾，并保證較好的音質(zhì)。

2.4GHz數(shù)字高速射頻技術(shù)是目前較為成熟的音頻應(yīng)用無線技術(shù)。其抗干擾性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，并且采用完全開放式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。nRF24Z1無線射頻芯片工作于2.4GHz，通信速率高達(dá)4Mbps，實(shí)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(hào)接口。本方案從機(jī)頂盒直接提取數(shù)字音頻S／PDIF信號(hào)，保證了較好的音質(zhì)；通過nRF24Z1無線射頻芯片進(jìn)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(shè)計(jì)

機(jī)頂盒數(shù)字音頻無線轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)字音頻信號(hào)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(jī)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(jī)配置射頻芯片相應(yīng)的寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻無線發(fā)送與接收。nRF24Z1芯片經(jīng)過內(nèi)部處理后輸出I2S數(shù)字音頻信號(hào)，送至數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片以及外圍電路處理，實(shí)現(xiàn)模擬接收。同時(shí)，采用單片機(jī)控制音量的增減。

2 無線射頻芯片功能分析

圖1 機(jī)頂盒數(shù)字音頻無線轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

nRF24Z1是Nordic公司推出的單片式CD音質(zhì)數(shù)字音頻芯片，無線音頻傳輸速率高達(dá)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(shè)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(guān)功能已經(jīng)嵌入到芯片內(nèi)部，芯片提供透明的1.54Mbps的音頻通道，而不需要額外的時(shí)間處理［2］。

3 數(shù)字音頻信號(hào)的提取及接口電路

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

①M(fèi)PEG－2解碼芯片有S／PDIF輸出腳的機(jī)頂盒，將S／PDIF輸出信號(hào)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(hào)。

②對(duì)于只有I2S輸出的MPEG－2解碼芯片，將I2S的DATA、BCLK和LRCK信號(hào)送入PCM／SPDIF轉(zhuǎn)換的芯片，以S／PDIF形式輸出，并加上轉(zhuǎn)換電路即可實(shí)現(xiàn)S／PDIF信號(hào)的提取。

S／PDIF同軸線傳輸?shù)男盘?hào)合并了數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)，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(hào)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(hào)通過電平轉(zhuǎn)換，使其能夠直接輸入到nRF24Z1芯片的S／PDIF輸入引腳。電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 電平轉(zhuǎn)換電路

S／PDIF信號(hào)經(jīng)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(shí)輸出的信號(hào)是反相的，所以將其再經(jīng)過74HC04的另一組反相端口，將信號(hào)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(hào)達(dá)到了nRF24Z1的工作電壓，可直接使用。

4 數(shù)字音頻信號(hào)的無線發(fā)送

nRF24Z1可工作于發(fā)送模式或接收模式。當(dāng)Mode引腳接高電平時(shí)為發(fā)送模式，發(fā)送音頻數(shù)據(jù)；接低電平時(shí)，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(jìn)行控制。

PIC18系列單片機(jī)是Microchip公司推出的增強(qiáng)型8位單片機(jī)，具有高性能的RISC結(jié)構(gòu)CPU、精簡指令集和多種中斷方式，且執(zhí)行速度快、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量大、功能強(qiáng)。此外，具有最大64KB可尋址的線性程序存儲(chǔ)空間和最大3 936字節(jié)的可尋址的線性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。因此選用PIC18系列單片機(jī)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(jī)運(yùn)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(shí)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(yīng)的寄存器配置值，令其啟動(dòng)。

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(fù)位。上電后，單片機(jī)先完成自身的初始化配置，并完成nRF24Z1相應(yīng)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(jìn)行射頻鏈路的初始化，嘗試建立通信鏈路。ATX在有效頻段內(nèi)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(yīng)答包。ATX在每個(gè)頻道上發(fā)送一個(gè)包，并等待一定的時(shí)間以確定是否有應(yīng)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(dāng)收到一個(gè)搜索包時(shí)，ARX將回送一個(gè)應(yīng)答包來確認(rèn)一個(gè)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(yīng)答信號(hào)。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(duì)的接收端收到音頻序列后再進(jìn)行相應(yīng)的處理［4］。

5 數(shù)字音頻信號(hào)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(jī)控制nRF24Z1芯片，音頻接收機(jī)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(shí)現(xiàn)滿意的音頻質(zhì)量，采用QoS機(jī)制。自適應(yīng)跳頻是集成的一部分。自適應(yīng)跳頻算法所使用的頻率由38個(gè)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(shí)間和空中出現(xiàn)的噪聲而進(jìn)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(shí)，發(fā)送端和接收端設(shè)置同一基本跳頻序列，這樣也可以使建鏈時(shí)間最短。

接收端收到數(shù)字音頻無線信號(hào)后，可分別通過S／PDIF或I2S接口輸出音頻信號(hào)。本文采用I2S接口輸出，并選用WM8711BL的DAC芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出模擬音頻并用耳機(jī)接收。WM8711BL芯片具有I2C總線接口，采用PIC18系列單片機(jī)對(duì)其相應(yīng)的寄存器地址進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)樽笥衣暤赖哪M音頻，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的模擬接收。此時(shí)輸出的音量為固定值，為了控制音量的增減，設(shè)置兩個(gè)開關(guān)按鍵，通過PIC18系列單片機(jī)PD0和PD1口進(jìn)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(shí)讓射頻芯片處于掉電模式，通過中斷喚醒或定時(shí)器喚醒功能使其恢復(fù)工作狀態(tài)。

結(jié) 語

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

［1］孫芳.采用FEC技術(shù)的無線數(shù)字音頻傳輸平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，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(qiáng).Nordic中短距離無線應(yīng)用入門與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.