数字音频射频收发芯片nRF24Z1原理及应用

　　nRF24Z1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。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。
　　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。
　　（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。
　　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。