基于ｎＲＦ２４Ｚ新型芯片的無線耳機設計

摘要： 現有的無線耳機產品，由于價格、音質、體積等方面的制約，未能得到廣泛應用。本文綜述了國內外現有近距離無線音頻傳輸技術與產品現狀，針對上述問題，設計了基于nRF24Z1新型芯片的解決方案，通過測試，效果良好，達到了產品化水平。

關鍵詞： 無線耳機 nRF24Z1 基本原理 硬件設計

隨著多媒體計算機、家庭影院走入千家萬戶，設備間紛雜的互連線困擾著越來越多的人。有線耳機以其聽音效果好、不干擾他人的優點受到大家的青睞，但其連線成為限制人們活動空間的最主要因素，在某些場合尤顯不便。為此，無線耳機應運而生，為人們擺脫束縛提供了途徑。

近一兩年來，某些半導體公司推出了適用于無線耳機的新器件。這些器件具有很高的集成度和完善的功能，提供小體積的封裝并使用很少的外圍器件，功耗也維持在較低的水平，為問題的解決帶來了可能。nRF24Z1是Nordic公司推出的業內首個單片式CD音質無線數字音頻解決方案，采用了Nordic最新的4Mbit/s MegaZtream^TM技術和超低功耗技術，在一個6x6mm的封裝中提供了包括無線傳輸以及數字音頻接口在內的完整功能。MegaZtream^TM采用4Mbps的 2.4GHz無線收發內核，為高品質音頻的傳輸提供了足夠的帶寬，同時還提供了接收端向發送端回送控制信息的功能。其主要特性如下：

提供的I2S音頻接口可與該接口的低成本AD，DA連接，SPDIF音頻接口可與PC和環繞設備連接；輸入最高支持24bit分辨率和96Ksps的采樣率，輸出最高支持16bit分辨率和48Ksps的采樣率。

支持CRC冗余檢測、回送確認、檢錯重傳，以及通過改換頻點避讓受干擾頻道的功能，具有一定的抗干擾能力。

支持多種低功耗模式，192Kbit/s數據率平均電流5mA，1.5Mbit/s數據率平均電流15mA，空閑模式耗電3uA。

內置了電源穩壓器，電源電壓范圍為2.0V至3.6V，對電源噪聲和波紋的要求較低，外部電源可使用DC-DC穩壓器。

采用6x6mm QFN 封裝，外部元件較少，有效減小了產品的體積。

一、基本原理

基于nRF24Z1的典型音頻傳輸系統框圖如下：

在此系統中，源端由控制器、音源、作為音頻發射器（ATX）的nRF24Z1組成，終端由作為音頻接收器的nRF24Z1、配置用EEPROM、數模轉換器組成。源端，控制器通過SPI接口對nRF24Z1的寄存器進行配置、讀取，音源通過I2S或S/PDIF接口將音頻流傳入nRF24Z1。終端，nRF24Z1通過SPI接口從EEPROM中讀取寄存器配置信息，通過I2S接口將音頻流傳入DAC，并為DAC提供主時鐘。

源端和終端的nRF24Z1被正確配置后，可認為在源端的音源和終端的DAC之間建立了一條數字音頻鏈路，從而達到音頻傳輸的目的。

下面主要介紹nRF24Z1作為音頻發射器和音頻接收器的原理。

1. nRF24Z1作為音頻發射器（ATX）

作為音頻發射器的nRF24Z1集成了電源管理，作為主設備的SPI、I2C接口，作為從設備的SPI、I2C接口，直接數據傳送接口，中斷輸出管腳，音頻I2S、S/PDIF輸入接口，分時復用和QoS管理器，射頻接口，晶振、時鐘管理等主要部分。電源管理部分降低了外部電源的波紋和噪聲要求，并為內部的低電壓數字部分提供電源；nRF24Z1可通過主設備接口從外部存儲器中讀取配置信息；外部控制器可通過從設備接口管理nRF24Z1，通過直接數據傳送接口獲取、控制作為音頻接收器端nRF24Z1的輸入、輸出，通過nRF24Z1的中斷輸出管腳捕獲其中斷；音源可通過I2S或S/PDIF接口向nRF24Z1傳入音頻流；分時復用和QoS管理器負責射頻傳輸的上層協議實現；射頻接口使用Nordic公司的ShockBurst^TM技術進行數據傳送；晶振、時鐘管理為nRF24Z1提供各種時鐘。

2. nRF24Z1作為音頻接收器（ARX）

作為音頻接收器的nRF24Z1集成了電源管理，作為主設備的SPI、I2C接口，直接數據傳送接口，音頻I2S、S/PDIF輸入接口，分時復用和QoS管理器，射頻接口，晶振、時鐘管理等主要部分。電源管理部分降低了外部電源的波紋和噪聲要求，并為內部的低電壓數字部分提供電源；nRF24Z1可通過主設備接口從外部存儲器中讀取配置信息；輸入或輸出信號可通過直接數據傳送接口虛擬到音頻發射器的直接數據傳輸接口；DAC可通過I2S或S/PDIF接口從nRF24Z1得到音頻流；分時復用和QoS管理器負責射頻傳輸的上層協議實現；射頻接口使用Nordic公司的ShockBurst^TM技術進行數據傳送；晶振、時鐘管理為nRF24Z1提供各種時鐘以及外部DAC的主時鐘。

二、硬件設計

為驗證nRF24Z1功能，并積累設計經驗，源端選擇I2S、S/PDIF兩種接口的音源，終端則要求盡量減小體積和功耗。為此，源端采用了具有I2S接口的MP3解碼芯片AT89C51SND1C和具有S/PDIF接口的USB立體聲音頻編解碼器PCM2906兩種芯片提供音源。終端則選擇了具有I2S接口的4.4mm SSOP16封裝低功耗音頻DAC芯片UDA1334。

1.原理圖及分析

這里分別介紹I2S源端、S/PDIF源端和終端的電路原理。

（1）首先介紹I2S源端。I2S源端整體框圖如下：

（1） I2S源端nRF24Z1部分

該nRF24Z1的26腳MODE被拉至VDD，即配置為音頻發射器模式。nRF24Z1的I2S輸入接口與AT89C51SND1C的I2S輸出接口連接，接受來自AT89C51SND1C的音頻流。nRF24Z1的SPI從設備接口與AT89C51SND1C的SPI接口連接，使得AT89C51SND1C可對nRF24Z1進行配置。

U4 25AA640為64Kbytes EEPROM，存儲nRF24Z1配置信息，為可選器件。

nY1，nR1，nC1，nC2與nRF24Z1內部的振蕩器構成晶振電路。nC3，nC4為nRF24Z1內部射頻功率放大器電源的去耦電容。nL1，nL2，nL3及nC5，nC6，nC7構成差分轉單端的阻抗匹配電路，RF處接50Ohm天線即可。nR2為nRF24Z1提供參考電流。nC8，nC9為nRF24Z1電源去耦電容。nR3為SPI接口MISO下拉電阻。

AT89C51SND1C芯片是Atmel公司的產品，cY1，cR1，cC1，cC2與AT89C51SND1C內部的振蕩器構成晶振電路。cR2，cC3，cC4構成AT89C51SND1C內部鎖相環的濾波電路。cC5—cC8為電源去耦電容。cC9為上電復位電容，與AT89C51SND1C內部下拉電阻構成的RC網絡在上電時提供一個復位信號。P1為ISP選擇跳線，復位時該跳線短接，即將nISP拉低，則AT89C51SND1C進入在系統編程模式，可使用Atmel公司提供的ISP工具FLIP通過USB接口對其編程。5個LED顯示AT89C51SND1C的工作狀態以及鋰電池充電狀態，cR3~cR6，pR4為限流電阻。S1為觸式開關，S2為左撥、右撥、下按三輸入開關，向AT89C51SND1C提供輸入信號。J1為USB接口，cR8，cR9為端接電阻，確保USB信號的質量；AT89C51SND1C通過ENA_USB管腳控制Q1、cR12構成的反向器控制USB D+線上拉電阻cR10，根據USB標準，當D+線上有1.5kOhm電阻上拉至3.3V電平時，認為有USB全速設備介入端口，該部分實現了AT89C51SND1C控制是否作為USB從設備接入主機。

（2） I2S源端外部存儲器部分

K9F2G08為Samsung公司生產的2Gbit容量NAND型Flash存儲器。其數據總線和控制信號與AT89C51SND1C相連，由AT89C51SND1C提供時序信號以及相關指令。

（3） I2S源端DAC部分

UDA1334是Philips公司生產的具有I2S音頻接口的低功耗音頻數模轉換器，具有高線性、寬動態范圍、低失真的特點，支持8到100kHz的采樣頻率，并具有靜音、去加重處理等功能。

uR1—uR4，uC1—uC4構成左右聲道的帶通濾波電路，以消除低頻、高頻干擾。uR5為系統時鐘端接電阻，確保時鐘信號質量。uR6，uR7，uC5~uC10構成數字、模擬電源和參考電壓的濾波電路。J2為耳機插孔。

（4） I2S源端電源管理部分

MAX1921是Maxim公司生產的降壓型電壓轉換器，可提供高達400mA的電流， LTC4055是Linear公司為電池供電的便攜式設備設計的USB電源管理器及鋰電池充電器。

pC1為MAX1921的輸入去耦電容。pR1為MAX1921輸出電壓反饋電阻。pL1，pL2，pC2，pC3為MAX1921的輸出濾波電路。pR2，pR3為LTC4055的USB限流、充電限流電阻。pC4為LTC4055控制充電時間的電容。pC5為LTC4055的輸入去耦電容。Bat為鋰電池接口。

2.S/PDIF源端

S/PDIF源端整體框圖如下：

此外，為方便調試，實際原理圖中還將nRF24Z1和PCM2906的各個主要管腳引出，還包括EEPROM從SOIC封裝轉換為DIP封裝的部分。

(1) S/PDIF源端nRF24Z1部分

nRF24Z1對于S/PDIF接口和I2S接口差別僅在于寄存器配置，電路原理圖一致，故這里不再給出該部分的原理圖及說明，可參考I2S源端nRF24Z1部分的說明。所不同的僅在于S/PDIF源端必須使用EEPROM進行配置，所以EEPROM為必選。

(2) S/PDIF源端電源管理部分

使用LM1117-33將USB的5V電源轉換為3.3V為nRF24Z1和25AA640提供電源，C23，C24為電源去耦電容。P3跳線為測量nRF24Z1消耗電流而設置。

3.終端部分原理圖

終端部分整體框圖如下：

由于終端比較簡單，這里給出完整原理圖：

nRF24Z1的26管腳MODE被拉至地，即配置為音頻接收器模式。nRF24Z1的I2S輸出接口與UDA1334的I2S輸入接口連接，將音頻流傳入UDA1334。nRF24Z1的SPI主設備接口與64Kbytes EEPROM 25AA640連接，在啟動時獲取配置信息。

基于nRF24Z1的方案在音質上與市場上的高端產品相近，且主要受限于耳機揚聲器部分而非無線傳輸和音頻輸出部分。在nRF24Z1終端使用簡單的單片機及對其控制可以降低成本，并能提供更有好的用戶操作界面。

參考文獻：

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