论文部分内容阅读
摘要： 现有的无线耳机产品，由于价格、音质、体积等方面的制约，未能得到广泛应用。本文综述了国内外现有近距离无线音频传输技术与产品现状，针对上述问题，设计了基于nRF24Z1新型芯片的解决方案，通过测试，效果良好，达到了产品化水平。
关键词： 无线耳机 nRF24Z1 基本原理 硬件设计
随着多媒体计算机、家庭影院走入千家万户，设备间纷杂的互连线困扰着越来越多的人。有线耳机以其听音效果好、不干扰他人的优点受到大家的青睐，但其连线成为限制人们活动空间的最主要因素，在某些场合尤显不便。为此，无线耳机应运而生，为人们摆脱束缚提供了途径。
近一两年来，某些半导体公司推出了适用于无线耳机的新器件。这些器件具有很高的集成度和完善的功能，提供小体积的封装并使用很少的外围器件，功耗也维持在较低的水平，为问题的解决带来了可能。nRF24Z1是Nordic公司推出的业内首个单片式CD音质无线数字音频解决方案，采用了Nordic最新的4Mbit/s MegaZtreamTM技术和超低功耗技术，在一个6x6mm的封装中提供了包括无线传输以及数字音频接口在内的完整功能。MegaZtreamTM采用4Mbps的 2.4GHz无线收发内核，为高品质音频的传输提供了足够的带宽，同时还提供了接收端向发送端回送控制信息的功能。其主要特性如下：
提供的I2S音频接口可与该接口的低成本AD，DA连接，SPDIF音频接口可与PC和环绕设备连接；输入最高支持24bit分辨率和96Ksps的采样率，输出最高支持16bit分辨率和48Ksps的采样率。
支持CRC冗余检测、回送确认、检错重传，以及通过改换频点避让受干扰频道的功能，具有一定的抗干扰能力。
支持多种低功耗模式，192Kbit/s数据率平均电流5mA，1.5Mbit/s数据率平均电流15mA，空闲模式耗电3uA。
内置了电源稳压器，电源电压范围为2.0V至3.6V，对电源噪声和波纹的要求较低，外部电源可使用DC-DC稳压器。
采用6x6mm QFN 封装，外部元件较少，有效减小了产品的体积。
一、基本原理
基于nRF24Z1的典型音频传输系统框图如下：
（1） I2S源端nRF24Z1部分
该nRF24Z1的26脚MODE被拉至VDD，即配置为音频发射器模式。nRF24Z1的I2S输入接口与AT89C51SND1C的I2S输出接口连接，接受来自AT89C51SND1C的音频流。nRF24Z1的SPI从设备接口与AT89C51SND1C的SPI接口连接，使得AT89C51SND1C可对nRF24Z1进行配置。
U4 25AA640为64Kbytes EEPROM，存储nRF24Z1配置信息，为可选器件。
nY1，nR1，nC1，nC2与nRF24Z1内部的振荡器构成晶振电路。nC3，nC4为nRF24Z1内部射频功率放大器电源的去耦电容。nL1，nL2，nL3及nC5，nC6，nC7构成差分转单端的阻抗匹配电路，RF处接50Ohm天线即可。nR2为nRF24Z1提供参考电流。nC8，nC9为nRF24Z1电源去耦电容。nR3为SPI接口MISO下拉电阻。
AT89C51SND1C芯片是Atmel公司的产品，cY1，cR1，cC1，cC2与AT89C51SND1C内部的振荡器构成晶振电路。cR2，cC3，cC4构成AT89C51SND1C内部锁相环的滤波电路。cC5—cC8为电源去耦电容。cC9为上电复位电容，与AT89C51SND1C内部下拉电阻构成的RC网络在上电时提供一个复位信号。P1为ISP选择跳线，复位时该跳线短接，即将nISP拉低，则AT89C51SND1C进入在系统编程模式，可使用Atmel公司提供的ISP工具FLIP通过USB接口对其编程。5个LED显示AT89C51SND1C的工作状态以及锂电池充电状态，cR3~cR6，pR4为限流电阻。S1为触式开关，S2为左拨、右拨、下按三输入开关，向AT89C51SND1C提供输入信号。J1为USB接口，cR8，cR9为端接电阻，确保USB信号的质量；AT89C51SND1C通过ENA_USB管脚控制Q1、cR12构成的反向器控制USB D+线上拉电阻cR10，根据USB标准，当D+线上有1.5kOhm电阻上拉至3.3V电平时，认为有USB全速设备介入端口，该部分实现了AT89C51SND1C控制是否作为USB从设备接入主机。
（2） I2S源端外部存储器部分
K9F2G08为Samsung公司生产的2Gbit容量NAND型Flash存储器。其数据总线和控制信号与AT89C51SND1C相连，由AT89C51SND1C提供时序信号以及相关指令。
（3） I2S源端DAC部分
UDA1334是Philips公司生产的具有I2S音频接口的低功耗音频数模转换器，具有高线性、宽动态范围、低失真的特点，支持8到100kHz的采样频率，并具有静音、去加重处理等功能。
uR1—uR4，uC1—uC4构成左右声道的带通滤波电路，以消除低频、高频干扰。uR5为系统时钟端接电阻，确保时钟信号质量。uR6，uR7，uC5~uC10构成数字、模拟电源和参考电压的滤波电路。J2为耳机插孔。
（4） I2S源端电源管理部分
MAX1921是Maxim公司生产的降压型电压转换器，可提供高达400mA的电流， LTC4055是Linear公司为电池供电的便携式设备设计的USB电源管理器及锂电池充电器。
pC1为MAX1921的输入去耦电容。pR1为MAX1921输出电压反馈电阻。pL1，pL2，pC2，pC3为MAX1921的输出滤波电路。pR2，pR3为LTC4055的USB限流、充电限流电阻。pC4为LTC4055控制充电时间的电容。pC5为LTC4055的输入去耦电容。Bat为锂电池接口。
2.S/PDIF源端
S/PDIF源端整体框图如下：
由于终端比较简单，这里给出完整原理图：
nRF24Z1的26管脚MODE被拉至地，即配置为音频接收器模式。nRF24Z1的I2S输出接口与UDA1334的I2S输入接口连接，将音频流传入UDA1334。nRF24Z1的SPI主设备接口与64Kbytes EEPROM 25AA640连接，在启动时获取配置信息。
基于nRF24Z1的方案在音质上与市场上的高端产品相近，且主要受限于耳机扬声器部分而非无线传输和音频输出部分。在nRF24Z1终端使用简单的单片机及对其控制可以降低成本，并能提供更有好的用户操作界面。
参考文献：
［1］董在望，陈雅琴，雷有华，肖华庭.通信电路原理（第二版）.北京：高等教育出版社，2002.
［2］高文焕，刘润生.电子线路基础.北京：高等教育出版社，1997.
［3］薛正辉，杨仕明，李伟明，任武.微波固态电路.北京：北京理工大学出版社，2004.
［4］Eric Bogatin著.李玉山，李丽平等译.信号完整性分析.北京：电子工业出版社，2005.
关键词： 无线耳机 nRF24Z1 基本原理 硬件设计
随着多媒体计算机、家庭影院走入千家万户，设备间纷杂的互连线困扰着越来越多的人。有线耳机以其听音效果好、不干扰他人的优点受到大家的青睐，但其连线成为限制人们活动空间的最主要因素，在某些场合尤显不便。为此，无线耳机应运而生，为人们摆脱束缚提供了途径。
近一两年来，某些半导体公司推出了适用于无线耳机的新器件。这些器件具有很高的集成度和完善的功能，提供小体积的封装并使用很少的外围器件，功耗也维持在较低的水平，为问题的解决带来了可能。nRF24Z1是Nordic公司推出的业内首个单片式CD音质无线数字音频解决方案，采用了Nordic最新的4Mbit/s MegaZtreamTM技术和超低功耗技术，在一个6x6mm的封装中提供了包括无线传输以及数字音频接口在内的完整功能。MegaZtreamTM采用4Mbps的 2.4GHz无线收发内核，为高品质音频的传输提供了足够的带宽，同时还提供了接收端向发送端回送控制信息的功能。其主要特性如下：
提供的I2S音频接口可与该接口的低成本AD，DA连接，SPDIF音频接口可与PC和环绕设备连接；输入最高支持24bit分辨率和96Ksps的采样率，输出最高支持16bit分辨率和48Ksps的采样率。
支持CRC冗余检测、回送确认、检错重传，以及通过改换频点避让受干扰频道的功能，具有一定的抗干扰能力。
支持多种低功耗模式，192Kbit/s数据率平均电流5mA，1.5Mbit/s数据率平均电流15mA，空闲模式耗电3uA。
内置了电源稳压器，电源电压范围为2.0V至3.6V，对电源噪声和波纹的要求较低，外部电源可使用DC-DC稳压器。
采用6x6mm QFN 封装，外部元件较少，有效减小了产品的体积。
一、基本原理
基于nRF24Z1的典型音频传输系统框图如下：
（1） I2S源端nRF24Z1部分
该nRF24Z1的26脚MODE被拉至VDD，即配置为音频发射器模式。nRF24Z1的I2S输入接口与AT89C51SND1C的I2S输出接口连接，接受来自AT89C51SND1C的音频流。nRF24Z1的SPI从设备接口与AT89C51SND1C的SPI接口连接，使得AT89C51SND1C可对nRF24Z1进行配置。
U4 25AA640为64Kbytes EEPROM，存储nRF24Z1配置信息，为可选器件。
nY1，nR1，nC1，nC2与nRF24Z1内部的振荡器构成晶振电路。nC3，nC4为nRF24Z1内部射频功率放大器电源的去耦电容。nL1，nL2，nL3及nC5，nC6，nC7构成差分转单端的阻抗匹配电路，RF处接50Ohm天线即可。nR2为nRF24Z1提供参考电流。nC8，nC9为nRF24Z1电源去耦电容。nR3为SPI接口MISO下拉电阻。
AT89C51SND1C芯片是Atmel公司的产品，cY1，cR1，cC1，cC2与AT89C51SND1C内部的振荡器构成晶振电路。cR2，cC3，cC4构成AT89C51SND1C内部锁相环的滤波电路。cC5—cC8为电源去耦电容。cC9为上电复位电容，与AT89C51SND1C内部下拉电阻构成的RC网络在上电时提供一个复位信号。P1为ISP选择跳线，复位时该跳线短接，即将nISP拉低，则AT89C51SND1C进入在系统编程模式，可使用Atmel公司提供的ISP工具FLIP通过USB接口对其编程。5个LED显示AT89C51SND1C的工作状态以及锂电池充电状态，cR3~cR6，pR4为限流电阻。S1为触式开关，S2为左拨、右拨、下按三输入开关，向AT89C51SND1C提供输入信号。J1为USB接口，cR8，cR9为端接电阻，确保USB信号的质量；AT89C51SND1C通过ENA_USB管脚控制Q1、cR12构成的反向器控制USB D+线上拉电阻cR10，根据USB标准，当D+线上有1.5kOhm电阻上拉至3.3V电平时，认为有USB全速设备介入端口，该部分实现了AT89C51SND1C控制是否作为USB从设备接入主机。
（2） I2S源端外部存储器部分
K9F2G08为Samsung公司生产的2Gbit容量NAND型Flash存储器。其数据总线和控制信号与AT89C51SND1C相连，由AT89C51SND1C提供时序信号以及相关指令。
（3） I2S源端DAC部分
UDA1334是Philips公司生产的具有I2S音频接口的低功耗音频数模转换器，具有高线性、宽动态范围、低失真的特点，支持8到100kHz的采样频率，并具有静音、去加重处理等功能。
uR1—uR4，uC1—uC4构成左右声道的带通滤波电路，以消除低频、高频干扰。uR5为系统时钟端接电阻，确保时钟信号质量。uR6，uR7，uC5~uC10构成数字、模拟电源和参考电压的滤波电路。J2为耳机插孔。
（4） I2S源端电源管理部分
MAX1921是Maxim公司生产的降压型电压转换器，可提供高达400mA的电流， LTC4055是Linear公司为电池供电的便携式设备设计的USB电源管理器及锂电池充电器。
pC1为MAX1921的输入去耦电容。pR1为MAX1921输出电压反馈电阻。pL1，pL2，pC2，pC3为MAX1921的输出滤波电路。pR2，pR3为LTC4055的USB限流、充电限流电阻。pC4为LTC4055控制充电时间的电容。pC5为LTC4055的输入去耦电容。Bat为锂电池接口。
2.S/PDIF源端
S/PDIF源端整体框图如下：
由于终端比较简单，这里给出完整原理图：
nRF24Z1的26管脚MODE被拉至地，即配置为音频接收器模式。nRF24Z1的I2S输出接口与UDA1334的I2S输入接口连接，将音频流传入UDA1334。nRF24Z1的SPI主设备接口与64Kbytes EEPROM 25AA640连接，在启动时获取配置信息。
基于nRF24Z1的方案在音质上与市场上的高端产品相近，且主要受限于耳机扬声器部分而非无线传输和音频输出部分。在nRF24Z1终端使用简单的单片机及对其控制可以降低成本，并能提供更有好的用户操作界面。
参考文献：
［1］董在望，陈雅琴，雷有华，肖华庭.通信电路原理（第二版）.北京：高等教育出版社，2002.
［2］高文焕，刘润生.电子线路基础.北京：高等教育出版社，1997.
［3］薛正辉，杨仕明，李伟明，任武.微波固态电路.北京：北京理工大学出版社，2004.
［4］Eric Bogatin著.李玉山，李丽平等译.信号完整性分析.北京：电子工业出版社，2005.