機(jī)頂盒無線音頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵琳偉，潘國峰，寇志強(qiáng)，華 中

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2.天津鉑創(chuàng)國茂電子科技發(fā)展有限公司，天津 300384；3.天津中環(huán)電子信息集團(tuán)有限公司，天津 300190）

在三網(wǎng)融合的大背景下，各種數(shù)字機(jī)頂盒在全國得到了廣泛的應(yīng)用，機(jī)頂盒已經(jīng)成為了家庭生活、娛樂不可或缺的一部分，受眾超過10億用戶[1]。機(jī)頂盒成為家庭娛樂工具的同時(shí)，也給家庭內(nèi)部帶來了一些困擾，為了用戶使用機(jī)頂盒時(shí)不影響其他人休息，需要提供一種既方便用戶收聽節(jié)目又不能夠降低音頻質(zhì)量的音頻傳輸系統(tǒng)。本系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)正是基于此目的。系統(tǒng)不僅能夠傳輸CD音質(zhì)音頻，而且方便用戶行動(dòng)不受干擾。

CD高質(zhì)音頻要求傳輸速率高達(dá)1.5 Mbit/s，對(duì)于無線傳輸系統(tǒng)的帶寬和距離要求比較高，因此本系統(tǒng)采用具有穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)的2.4 GHz數(shù)字高速射頻技術(shù)，選取專用芯片nRF24Z1用于音頻無線收發(fā)。nRF24Z1提供了I2S和S/PDIF兩種音頻接口，通信速率最高可達(dá)4 Mbit/s，保證了CD音質(zhì)音頻的無損傳輸[2-4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案作為機(jī)頂盒音頻無線收發(fā)系統(tǒng)，分為2個(gè)部分：發(fā)射端通過RCA或者S/PDIF接口與數(shù)字電視機(jī)頂盒相連，然后將音頻數(shù)據(jù)通過天線發(fā)給接收端；接收端為可移動(dòng)終端，用于接收發(fā)射端傳輸?shù)囊纛l信號(hào)并通過耳機(jī)或者音箱播放。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1、圖2所示。

1.2 發(fā)射端電路設(shè)計(jì)

發(fā)送端主要包括模擬音頻輸入電路、數(shù)字音頻輸入電路、音頻輸入自適應(yīng)電路、生產(chǎn)配對(duì)電路、電源電路和天線電路等6個(gè)部分。發(fā)射端nRF24Z1工作在發(fā)送模式，MODE引腳要拉高[5-6]。

1.2.1 電源電路模塊

本系統(tǒng)采用5 V USB供電，系統(tǒng)內(nèi)部芯片供電電壓全部為3.3 V，因此只需要使用LT1763進(jìn)行電壓變化即可。此芯片恒定輸出電壓3.3 V，輸出電流為500 mA，發(fā)熱量小、噪聲小、外圍電路簡單。

1.2.2 模擬音頻輸入電路

模擬音頻輸入電路將機(jī)頂盒左右聲道音頻信號(hào)傳入ADC，然后ADC通過I2S接入nRF24Z1，從而將模擬信號(hào)通過nRF24Z1發(fā)送給接收端，如圖3所示。

1.2.3 數(shù)字音頻輸入電路

S/PDIF是SONY，PHILIPS數(shù)字音頻接口的簡稱，包括同軸和光纖，用于傳送壓縮音頻信號(hào)。可以解決模擬音頻信號(hào)傳輸中音質(zhì)差、功耗大的問題[7]。本系統(tǒng)通過光纖接口直接與nRF24Z1相連，從而將數(shù)字電視機(jī)頂盒的數(shù)字音頻信號(hào)傳送給用戶，如圖4所示。

1.2.4 天線電路

1.2.5 其他電路

音頻輸入自動(dòng)檢測(cè)電路是本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)，此電路可以檢測(cè)模擬和音頻輸入信號(hào)，然后將檢測(cè)結(jié)果傳送給MCU進(jìn)行處理。如果2種輸入信號(hào)都有，則按照數(shù)字音頻輸入模式處理；如果2種都沒有，則按照模擬音頻輸入模式處理；只有1種信號(hào)輸入，則選擇相應(yīng)模式進(jìn)行處理。

生產(chǎn)配對(duì)模塊用于生產(chǎn)和售后維護(hù)，生產(chǎn)時(shí)可以通過此電路將發(fā)射端和接收端一一配對(duì)，用戶使用過程中如果接收端損壞或丟失也可以通過此電路將新的接收端自己配對(duì)。本部分只需要將一個(gè)按鈕接到微處理器的相應(yīng)外部中斷即可。

MCU是本系統(tǒng)事件處理及控制核心，用于處理音頻輸入模式自適應(yīng)、Z1初始化、配對(duì)處理、接收端音量控制等功能[9]。

1.3 接收端電路設(shè)計(jì)

接收端包括E2PROM、立體聲音頻輸出電路、天線電路以及電源電路等5個(gè)模塊。接收端nRF24Z1工作在音頻接收模式，MODE引腳需要拉低[10]。E2PROM通過SPI接口和nRF24Z1相連接，接收端上電后，nRF24Z1從E2PROM中讀取配置值。為了方便用戶使用，本系統(tǒng)接收端采用可充電鋰電池，充電接口為USB口，充一次電能夠供系統(tǒng)使用9～10 h。

1.3.1 立體聲音頻輸出電路

該系統(tǒng)音頻通過3.5 mm耳機(jī)接口輸出，nRF24Z1接收到音頻信號(hào)后通過I2S接口將音頻數(shù)據(jù)輸入到立體聲DAC中，然后再輸入到耳機(jī)或揚(yáng)聲器，如圖5所示。在nRF24Z1的DI[0～1]引腳分別接音量“±”按鈕，發(fā)射端通過檢測(cè)這兩個(gè)按鈕的動(dòng)作，來控制DAC，從而控制音量輸出的大小。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制部分由發(fā)射端的微控制器完成，軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。接收端開機(jī)后，Z1通過SPI主接口直接從E2PROM中讀取寄存器配置信息，具體流程見圖7。發(fā)射端上電后，微控制器首先初始化單片機(jī)系統(tǒng)和Z1工作模式，使能配對(duì)中斷程序（如果在微控制器運(yùn)行期間接收到中斷則進(jìn)入配對(duì)應(yīng)用中），然后進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)發(fā)射端和接收端建立連接后，可以進(jìn)行音量調(diào)節(jié)等工作。如果發(fā)射端和接收端連接中斷超過1 min，則接收端自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。

2.2 配對(duì)方案設(shè)計(jì)

nRF24Z1的射頻協(xié)議完全由其片內(nèi)硬件處理完成，用戶只需配置射頻通信的地址長度和收發(fā)器的地址即可[8]。本方案協(xié)議地址采用5 byte，地址數(shù)量多達(dá)240。為了防止多套nRF24Z1收發(fā)設(shè)備互相干擾，本系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)了配對(duì)模塊進(jìn)行處理，具體處理流程如圖8所示。生產(chǎn)階段，所有接收端初始地址均為0x0000000000，出廠檢測(cè)的同時(shí)進(jìn)行配對(duì)，有效地防止了多套系統(tǒng)之間互相干擾的問題。同時(shí)，配對(duì)模塊還為售后維護(hù)提供了有效手段，用戶使用的接收端遺失或者損壞時(shí)可以只需購買單獨(dú)的接收端即可。

本模塊主要處理的是隨機(jī)地址產(chǎn)生部分，使用rand（）函數(shù)，如果種子設(shè)置不當(dāng)產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列會(huì)完全一致，無法達(dá)到產(chǎn)生隨機(jī)地址的目的，因此本文提供了一種真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生算法。本算法基于硬件電路設(shè)計(jì)，微處理器的PC2引腳連接在I2C的時(shí)鐘引腳上，因?yàn)镮2C的時(shí)鐘和微控制器的時(shí)鐘是異步的，所以PC2的輸入值為隨機(jī)的。

本算法首先初始化1個(gè)隨機(jī)值Rambyte=0xAA，表示間隔3個(gè)信號(hào)的2個(gè)輸入信號(hào)是相同的，然后每隔3個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，如果輸入信號(hào)Readbit的值相同，則新輸入的信號(hào)值Readbit不變；如果不同則取反，然后將Rambyte左移1位，將Readbit值存儲(chǔ)在Rambyte的最低位，如此經(jīng)過多次循環(huán)獲取8位數(shù)據(jù)即為1 byte。使用同樣方法獲取5 byte即為本方案所需要的隨機(jī)地址。具體公式為

3 AFH設(shè)置

為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，本設(shè)計(jì)案采用PN偽隨機(jī)碼序列設(shè)計(jì)跳頻圖案，nRF24Z1可以支持38個(gè)跳頻點(diǎn)，根據(jù)公式計(jì)算得到序列為：[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]。為了保證頻率變化有一定的間隔，在上述序列基礎(chǔ)上每個(gè)都乘2即為跳頻圖案，然后將相同的跳頻圖案存儲(chǔ)于本系統(tǒng)接收、發(fā)射端的相關(guān)寄存器（CH0～CH37）[12]。

經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，此跳頻圖案系統(tǒng)出現(xiàn)噪聲抖動(dòng)次數(shù)少于順序序列跳頻圖案，抗干擾能力較強(qiáng)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)，本系統(tǒng)達(dá)到了CD級(jí)高音質(zhì)傳輸質(zhì)量，調(diào)整發(fā)射端和接收端的功率可以改變傳輸距離，空曠地最大傳輸距離可以覆蓋半徑100 m的范圍。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的CD音質(zhì)機(jī)頂盒無線音頻收發(fā)系統(tǒng)，最大程度利用了nRF24Z1本身的功能，結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離能夠覆蓋約100 m左右的各個(gè)房間，音頻輸入模式的自適應(yīng)方法更加方便用戶使用，獨(dú)有的配對(duì)方法不僅方便生產(chǎn)，而且便于后期維護(hù)，該系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用于各類數(shù)字電視機(jī)頂盒，為廣大用戶提供了完美的視聽享受。

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