基于FPGA的語音無線傳輸系統

張文軒++程銳++謝磊++楊哲++劉川

【摘 要】本文介紹了一種基于FPGA與nRF24L01的語音信號的無線傳輸方法。使用FPGA作為主控制器，通過對nRF24L01進行編程控制，實現了語音信號的無線發送與接收。同時nRF24L01可以給被不同種類的控制器所驅動，完成了FPGA與其他控制器通過無線的方式交換數據的功能。

【關鍵詞】FPGA nRF24L01 無線通信

1 引言

隨著通信技術的飛速發展，有線通信受空間區域與布線的影響，無線通信方式無疑擁有更大的優勢。本設計主要針對語音信號的無線傳輸。

系統主要有發射和接收兩大部分。發射部分使用麥克風采集將語音信號轉變成電壓信號，經過放大，帶通濾波后由ADC采集送入FPGA，FPGA對采集到的語音信號處理之后經nRF24L01發射出去；接收端將nRF24L01接收到的信號送入FPGA，然后使用FPGA驅動DAC將數字信號轉變成語音信號，放大濾波后，使用音頻功率放大電路將聲音播放。主要使用的設備有FPGA和nRF24L01。nRF24L01是有NORDIC生產的工作在2.4G頻段的單片無線收發器芯片。它具有工作電壓低、高速率、多頻點、低功耗等特點，被廣泛應用于無線通信。由于FPGA具有時序控制能力強、沒有指令周期、易于實現各種通信協議和控制靈活等優點，通常被用來設計通信設備的高速協議接口。設計發送端用FPGA作為控制器，對數字信號進行處理之后，對nRF24L01編程控制，實現數據的無線發送；接收端使用配對的nRF24L01模塊接收數據，并將數據交給FPGA做進一步處理。

2 原理說明

2.1 nRF24L01介紹

nRF24L01是一款工作在2.4G-2.5G全球開放ISM頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型ShockBurstTM模式控制器、功率放大器、警惕振蕩器、調制器和解調器（圖1）。它擁有最大0dBm的發射功率，無線速率可設置為1MHz或2MHz，125個可用頻點，可以免許可證使用支持六路通道的數據接收，芯片內部集成了所有與RF協議相關的高速信號處理部分，具有自動重發丟失數據包和自動產生應答信號等功能。芯片內部有FIFO可以與各種高低速微處理器配合使用。nRF24L01的通信接口使用SPI協議，接口速率為0-8MHz可以通過SPI接口與控制器進行數據交換（圖2）。輸出功率、頻道選擇、和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。與控制器相連只需要6個IO口：標準的4線SPI協議接口（CSN、SCK、MOSI、MISO）、模式選擇控制CE和中斷輸出IRQ。nRF24L01數據手冊的外圍模塊電路原理圖如圖2。

nRF24L01有四種工作模式：收發模式、待機模式和關機模式。收發模式有ShockBrustTM模式和EnHancedShockBurstTM模式。ShockBrustTM模式下，使用了內部的FIFO，nRF24L01可以與低速控制器相連，輕松實現與單片機低速通信而無線部分高速通信。EnHancedShockBurstTM模式下，nRF24L01可以自動處理接收包的應答和丟失包的重發，而無需控制器的介入。本設計使用了EnHancedShockBurstTM模式。待機模式是為了減小平均電流而設計，部分片內晶振仍在工作，在保證快速啟動的同時減少了平均電流。關機模式不同于掉電模式，此模式下電流消耗最小，寄存器的配置字會被保持在nRF24L01的片內。

2.2 nRF24L01配置

nRF24L01的接口使用了SPI協議，控制器可以使用專用的SPI接口對其進行控制或者使用普通的IO口模擬SPI接口對nRF24L01進行配置和數據傳輸。在對nRF24L01的寄存器進行操作前，需要先進入待機模式或者掉電模式。配置發送端與接收端時要求地址匹配，通道相同，工作頻率相同。工作流程圖如圖3、圖4、圖5、圖6。

2.2.1 FPGA驅動nRF24L01

FPGA器件在設計邏輯電路與時序控制電路有其自身的優勢，本設計里使用FPGA強大的時序控制能力，實現SPI協議，使用四個普通的IO口來與nRF24L01相連接。

2.2.2 1FPGA實現SPI協議

SPI工作原理時序圖如圖7、圖8。

從SPI時序圖上可以看出，每次SPI讀寫操作時需要將CSN拉低，時鐘信號SCK每變化一次發送一位數據或者接收一位數據，讀寫時序都需要先寫入目標寄存器地址，然后寫入數據或者讀取數據，最后拉高CSN。

2.2.3 FPGA配置nRF24L01

在使用FPGA來實現時序邏輯電路時，最常見的方法就是使用狀態機。按照nRF24L01的配置流程圖，狀態機主要分為以下三大類：初始化nRF24L01、配置nRF24L01各種寄存器的參數、循環發送/接收數據。配置寄存器時，查找nF24L01d數據手冊后按照所需配置對參數進行修改，每次修改寄存器值都要嚴格按照SPI的時序來操作寄存器，在操作寄存器CE、CSN、SCK、MOSI、MISO的時序邏輯正確才能正確的配置寄存器。

3 結語

本設計最終完成了FPGA驅動nRF24L01無線傳輸語音信號的功能，系統可以工作在單工，半雙工模式下。本系統也可以應用在FPGA與FPGA的無線數據傳輸；通過對nRF24L01進行匹配的配置，可以完成FPGA與單片機的無線數據交換。該系統可以應用在多種無線傳輸場合，如無線遙控，有源RFID等，對FPGA的無線傳輸提出了一種新的可用的方案。

參考文獻：

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