数字音频射频收发芯片nRF24Z1原理及应用

　　nRF24Z1[1]是Nordic公司推出的单片式CD音质无线数字音频芯片，采用了最新的MegaZtream平台，能以高达48 kHz，24位即1.54 Mbps的速率实现音频数据无损传输和高达4 Mbps的2.4 GHz无线射频收发内核，嵌入了一个服务质量（QoS）极佳子系统，为高品质音频传输提供了足够的带宽；I2S 接口提供了与各种低成本A/D转换器和D/A转换器的无缝连接接口，S/PDIF 接口提供了与计算机和环绕设备的直接接口；SPI或I2C接口以双向传输实现音量调节、动态平衡、多态显示等；多种低功耗模式，极大地延长了电池寿命；工作电压为2.0~3.6 V，片内集成了电压管理器，能够最大限度地抑制噪声；36脚6 mm×6 mm QFN封装，需要非常少的外围元件。使用2.4 GHz小型杆状天线，空旷地传输距离在30 m以上，可应用于无线话筒、无线耳机、无线音箱等系统中。

1  nRF24Z1芯片功能结构

1.1  ATX（音频发射）

　　nRF24Z1在射频连接的音源一方使用时，MODE引脚接高电平，使nRF24Z1成为一个ATX，其片内功能结构如图1所示。音频数据输入 由I2S接口或S/PDIF接口承担。I2S接口由CLK、DATA和WS三个引脚组成外接A/D转换器，采样支持32、44.1、48 ksps，16或24位格式的音频数据，MCLK引脚提供基础采样频率的256倍作为A/D的系统时钟频率；S/PDIF接口只有SPDIO一个引脚，采 样支持32、44.1、48 ksps，16位、20位或24位格式的音频数据。

　　作为ATX时，一般外接MCU控制nRF24Z1，ATX与ARX的配置和控制数据可以通过I2C从接口或SPI从接口提供，并可从ARX读回 状态信息。SSEL引脚为低时，选用SPI从接口（SCSN、SSCK、SMISO和SMOSI）；SSEL引脚为高时，选用I2C从接口（SSCL、 SSDA）。如果不外接MCU，也可使用SPI主接口（MCSN、MMISO、MMOSI和MSCK）或I2C主接口（MSDA、MSCL）外挂 EEPROM或Flash存储器，nRF24Z1在上电或复位时，可从存储器读取默认的配置数据。

图1  nRF24Z1作为ATX时片内功能结构框图

　　ATX有通用输入引脚DD0、DD1、DD2（当SSEL=1时）。此时，ARX的DO2、DO1和DO0三个引脚的信号为DD2、DD1和 DD0引脚的镜像，使ARX在没有MCU时也能实现一些控制（如音量开关等）。当nRF24Z1检测到没有音频输入或射频连接断开时，其可以通过IRQ引 脚给MCU提供中断信号。

1.2  ARX（音频接收）

　　nRF24Z1在射频连接的音宿一方使用时，MODE引脚接低电平，使nRF24Z1成为一个ARX，其片内功能结构如图2所示。此时，I2S 接口或S/PDIF接口用作音频数据或其他实时数据的输出接口。I2S接口外接D/A转换器，采样支持32、44.1、48 ksps，16位格式的音频数据，MCLK引脚提供基础采样频率的256倍作为D/A的系统时钟频率；S/PDIF接口采样支持32、44.1、48和 96 ksps，16位或24位格式的音频数据。

图2  nRF24Z1作为ARX时片内功能结构框图

　　射频连接建立后，通过ATX控制ARX的SPI主接口或I2C主接口，从而对ARX的D/A转换器和音频放大器实现射频遥控。而且ARX还监视 输入DI[3∶0]引脚，如有变化，就把引脚的变化送回ATX，或者使ARX从睡眠状态中回到工作状态。ARX的DO[2∶0]受ATX的DI[2∶0] 控制，可驱动LED指示灯或者其他标准的CMOS器件；而DO3可编程为8位分辨率的PWM输出。

　　作为ARX时，一般使用SPI主接口或I2C主接口外挂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。当然，ARX也可外接MCU，由SSEL引脚的电平决定接收端工作于SPI从接口还是I2C从接 口。

2  nRF24Z1音频数据传输射频协议

　　nRF24Z1芯片的射频工作方式是采用GFSK（高斯频率偏移键控），而且为保证通信低误码率,芯片还采用了QoS（服务质量）策略。该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、射频搜索连接和掉线搜索重连接策略、自适应跳频策略。

（1）  双向通信机制和应答策略

双向通信机制和应答策略如图3所示。ATX到ARX的通信为实时和重发的音频信道,而ARX与ATX的双向通信则是控制信道。控制信道的信息包括确认信息、寄存器信息以及引脚状态信息等。

图3  nRF24Z1双向通道

（2）  数据完整性策略和CRC检错

　　数据完整性策略和CRC检错完全通过硬件实现, 用户只需配置射频协议的ATX和ARX的地址。发送和返回的数据包以数据帧为单位，其帧格式如图4所示。

图4  nRF24Z1发送和返回数据帧格式

　　图4中，P（引导码）在数据帧的开头，作为数据流同步使用；ADDR（接收端地址）为片内寄存器ADDR0~ADDR4；ID（数据包标识 码），其取值为0~63；C（音频压缩标识位），1位，表示本帧音频数据是否压缩；ACK表示ARX返回ARX所接收到的音频数据情况；DATA是控制或 寄存器数据，作为收发双方传输的工作数据；AUDIO DATA为实时和重发的音频数据，一帧采样16组立体声数据，每组32位；CRC检测本帧数据是否有错。

　　ARX接收数据时，nRF24Z1先接收一帧数据包，分别验证引导码、ARX地址和校验码正确后，就返回表示接收正确（ARX工作状态装在 DATA）的确认码，然后读出DATA数据，根据DATA数据完成ARX的任务，再根据C的标识决定本帧音频数据是否解压缩，最后按标识码ID把音频数据 排队通过I2S接口发送出去。反之，放弃本帧数据，返回有错误（ARX的工作状态和错误内容装在DATA）的确认码，要求重发。其中，PKT1， PKT2，…，PKT8为实时音频数据；X1，X2，…，XN为重发的音频数据。

（3）  射频搜索连接和掉线搜索重连接策略

　　nRF24Z1完成初始配置后或者射频连接掉线后，在与ARX建立射频连接之前，ATX在所有可用的频道上，反复地向ARX发送搜索信息包，在 每个频道上搜索一段时间，以使ARX能够接收和处理搜索信息。与此同时，当地ARX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 发射端的搜索信息包，ARX发送应答信息，ARX和ATX都锁定该频道，以准备通信。

（4）  自适应跳频策略

　　自适应跳频策略是属于QoS策略抗干扰的重要手段，是为了系统保证数字音频的“透明”无线传输。nRF24Z1共有38个自适应跳频通信的工作 频率，由跳频寄存器CH0~CH37控制。跳频时，nRF24Z1根据跳频寄存器中的内容按顺序改变工作频率，即当CH0的频率受到干扰而无法进行RF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MCU进行初始化。

3  基于nRF24Z1芯片的典型应用[23]

3.1  多媒体教室无线话筒系统设计

　　为了解决目前多媒体教室所使用以模拟电路为主的无线话筒缺陷（音质差、功耗大、射频频点需要固定，且要错开其他频点或干扰源），设计了以nRF24Z1芯片为主的典型应用，如图5所示。

图5  多媒体教室无线话筒系统设计

　　无线话筒发射端为可携带的便携式话筒，主要由无线数字音频nRF24Z1、A/D转换器、MCU等组成。当nRF24Z1作为发射端时，其 MODE引脚必须接到高电平，I2S接口作数字音频输入接口。无线话筒输入的主信号源选用有良好声学性能、贴片电容式硅麦克风，通过前置放大，作为A/D 主要的模拟音频信号源；另外可自带CD机等其他任何标准的立体声音源作为另一组模拟音频信号源。MCU除了通过I2C兼容接口控制nRF24Z1和A/D 转换器外，还处理Play（放音/静音/睡眠）、Mic up（话筒增益增大）、Mic  down（话筒增益减小）按键和指示灯的工作提示。

　　无线话筒接收端为固定式接收端，由无线数字音频nRF24Z1、EEPROM存储器、D/A转换器和音频功率放大电路组成。因接收端功能比较简 单，不再使用微控制器，而是使nRF24Z1工作在主模式状态，通过主SPI接口控制EEPROM存储器，读取上电时在存储器已设置好的配置数据，同时通 过主I2C接口控制D/A转换器。当nRF24Z1用作音频接收器时，MODE引脚必须为低电平，I2S接口作数据音频输出接口。

　　由于多媒体教室无线话筒收发两端使用了以nRF24Z1为主的芯片，其射频协议完全由其片内硬件处理，用户只需配置发射端和接收端公共地址，以及发射端唯一的私密地址。

3.2  无线话筒射频发送和射频接收控制流程

　　无线话筒发射端由微控制器控制（nRF24Z1工作在从模式），接收端由nRF24Z1主模式控制，其射频发送和射频接收控制流程如图6所示。 发射端打开电源开关时，微控制器首先对相关芯片进行初始配置，然后进入等待状态。当按下Play键时，发射端先以最小发射功率（近距离，5 m内有效）和公共地址与当地教室的接收端建立连接，然后发送私密地址进行新的连接，最后以最大发射功率进入正常射频收发工作。当走出接收端范围时，即失去 连接，系统进入自动关机状态；或者短时间连击Play/Pause键（即Stop），系统进入电源关机模式而降低功耗；或者接连按Play键，使其处于暂 停静音或工作放音交替状态；若系统处于节电睡眠状态，按下Play键，系统则退出节电模式而进入唤醒工作模式。

图6  nRF24Z1射频发送和射频接收控制流程

　　当接收端电源打开时，系统完成配置初始化，立即以最小功率（近距离）和公共地址监听，接收发射端控制信号，并接收发射端发来的私密地址，然后进行新的地址连接，最后以最大接收功率进入正常的工作状态。

结语

　　由上面论述可知，nRF24Z1可以很方便地进行传输模式设计、地址设计、跳频设计等。软件设计非常简单，虽然是非标准的射频协议， 但却能完成遵守标准射频协议（如蓝牙技术）的数字音频射频收发工作任务，而且音频音质上超过了使用蓝牙技术设计的产品[4]。蓝牙技术正是为了遵守复杂的 标准协议，形成的数据包结构相当复杂，大幅度增加处理量及同步处理要求，使电池消耗迅速增加，因而导致成本高，开发周期长，目前难以普及。当然，蓝牙技术 互换性好，但是如果发射端和接收端都使用同一芯片，那么nRF24Z1芯片在无线音频电路设计中是最好不过的选择。

参考文献

[1]  Nordic VLSI ASA Inc. 2.4GHz wireless audio streamer nRF24Z1.2006-11.
[2]  nRF24Z1 Headphone Reference Design 1,nRF24Z1HPR1[OL].http://www.nvlsi.no,2006-11-20.
[3]  应俊,陈广飞.无线语音通信系统的研制及其在野战医疗中的应用[J].医疗卫生装备,2006,27(12):7-8.
[4]  迅通科技.设计最佳的无线音频产品[EB/OL].http://www.freqchina.com/wireless%20audio.pdf,2006-10-25.