机顶盒无线音频收发系统的设计与实现

邵琳伟，潘国峰，寇志强，华 中

（1.河北工业大学，天津 300130；2.天津铂创国茂电子科技发展有限公司，天津 300384；3.天津中环电子信息集团有限公司，天津 300190）

在三网融合的大背景下，各种数字机顶盒在全国得到了广泛的应用，机顶盒已经成为了家庭生活、娱乐不可或缺的一部分，受众超过10亿用户[1]。机顶盒成为家庭娱乐工具的同时，也给家庭内部带来了一些困扰，为了用户使用机顶盒时不影响其他人休息，需要提供一种既方便用户收听节目又不能够降低音频质量的音频传输系统。本系统的研究与设计正是基于此目的。系统不仅能够传输CD音质音频，而且方便用户行动不受干扰。

CD高质音频要求传输速率高达1.5 Mbit/s，对于无线传输系统的带宽和距离要求比较高，因此本系统采用具有稳定性强、抗干扰性强等特点的2.4 GHz数字高速射频技术，选取专用芯片nRF24Z1用于音频无线收发。nRF24Z1提供了I2S和S/PDIF两种音频接口，通信速率最高可达4 Mbit/s，保证了CD音质音频的无损传输[2-4]。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

本设计方案作为机顶盒音频无线收发系统，分为2个部分：发射端通过RCA或者S/PDIF接口与数字电视机顶盒相连，然后将音频数据通过天线发给接收端；接收端为可移动终端，用于接收发射端传输的音频信号并通过耳机或者音箱播放。本系统总体设计框图如图1、图2所示。

1.2 发射端电路设计

发送端主要包括模拟音频输入电路、数字音频输入电路、音频输入自适应电路、生产配对电路、电源电路和天线电路等6个部分。发射端nRF24Z1工作在发送模式，MODE引脚要拉高[5-6]。

1.2.1 电源电路模块

本系统采用5 V USB供电，系统内部芯片供电电压全部为3.3 V，因此只需要使用LT1763进行电压变化即可。此芯片恒定输出电压3.3 V，输出电流为500 mA，发热量小、噪声小、外围电路简单。

1.2.2 模拟音频输入电路

模拟音频输入电路将机顶盒左右声道音频信号传入ADC，然后ADC通过I2S接入nRF24Z1，从而将模拟信号通过nRF24Z1发送给接收端，如图3所示。

1.2.3 数字音频输入电路

S/PDIF是SONY，PHILIPS数字音频接口的简称，包括同轴和光纤，用于传送压缩音频信号。可以解决模拟音频信号传输中音质差、功耗大的问题[7]。本系统通过光纤接口直接与nRF24Z1相连，从而将数字电视机顶盒的数字音频信号传送给用户，如图4所示。

1.2.4 天线电路

1.2.5 其他电路

音频输入自动检测电路是本设计的亮点，此电路可以检测模拟和音频输入信号，然后将检测结果传送给MCU进行处理。如果2种输入信号都有，则按照数字音频输入模式处理；如果2种都没有，则按照模拟音频输入模式处理；只有1种信号输入，则选择相应模式进行处理。

生产配对模块用于生产和售后维护，生产时可以通过此电路将发射端和接收端一一配对，用户使用过程中如果接收端损坏或丢失也可以通过此电路将新的接收端自己配对。本部分只需要将一个按钮接到微处理器的相应外部中断即可。

MCU是本系统事件处理及控制核心，用于处理音频输入模式自适应、Z1初始化、配对处理、接收端音量控制等功能[9]。

1.3 接收端电路设计

接收端包括E2PROM、立体声音频输出电路、天线电路以及电源电路等5个模块。接收端nRF24Z1工作在音频接收模式，MODE引脚需要拉低[10]。E2PROM通过SPI接口和nRF24Z1相连接，接收端上电后，nRF24Z1从E2PROM中读取配置值。为了方便用户使用，本系统接收端采用可充电锂电池，充电接口为USB口，充一次电能够供系统使用9～10 h。

1.3.1 立体声音频输出电路

该系统音频通过3.5 mm耳机接口输出，nRF24Z1接收到音频信号后通过I2S接口将音频数据输入到立体声DAC中，然后再输入到耳机或扬声器，如图5所示。在nRF24Z1的DI[0～1]引脚分别接音量“±”按钮，发射端通过检测这两个按钮的动作，来控制DAC，从而控制音量输出的大小。

2 系统软件设计

2.1 软件流程设计

本系统控制部分由发射端的微控制器完成，软件设计流程如图6所示。接收端开机后，Z1通过SPI主接口直接从E2PROM中读取寄存器配置信息，具体流程见图7。发射端上电后，微控制器首先初始化单片机系统和Z1工作模式，使能配对中断程序（如果在微控制器运行期间接收到中断则进入配对应用中），然后进入等待状态。当发射端和接收端建立连接后，可以进行音量调节等工作。如果发射端和接收端连接中断超过1 min，则接收端自动进入休眠模式。

2.2 配对方案设计

nRF24Z1的射频协议完全由其片内硬件处理完成，用户只需配置射频通信的地址长度和收发器的地址即可[8]。本方案协议地址采用5 byte，地址数量多达240。为了防止多套nRF24Z1收发设备互相干扰，本系统发射端设计了配对模块进行处理，具体处理流程如图8所示。生产阶段，所有接收端初始地址均为0x0000000000，出厂检测的同时进行配对，有效地防止了多套系统之间互相干扰的问题。同时，配对模块还为售后维护提供了有效手段，用户使用的接收端遗失或者损坏时可以只需购买单独的接收端即可。

本模块主要处理的是随机地址产生部分，使用rand（）函数，如果种子设置不当产生的伪随机序列会完全一致，无法达到产生随机地址的目的，因此本文提供了一种真随机数产生算法。本算法基于硬件电路设计，微处理器的PC2引脚连接在I2C的时钟引脚上，因为I2C的时钟和微控制器的时钟是异步的，所以PC2的输入值为随机的。

本算法首先初始化1个随机值Rambyte=0xAA，表示间隔3个信号的2个输入信号是相同的，然后每隔3个信号进行比较，如果输入信号Readbit的值相同，则新输入的信号值Readbit不变；如果不同则取反，然后将Rambyte左移1位，将Readbit值存储在Rambyte的最低位，如此经过多次循环获取8位数据即为1 byte。使用同样方法获取5 byte即为本方案所需要的随机地址。具体公式为

3 AFH设置

为了提高系统抗干扰能力，本设计案采用PN伪随机码序列设计跳频图案，nRF24Z1可以支持38个跳频点，根据公式计算得到序列为：[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]。为了保证频率变化有一定的间隔，在上述序列基础上每个都乘2即为跳频图案，然后将相同的跳频图案存储于本系统接收、发射端的相关寄存器（CH0～CH37）[12]。

经过反复测试，此跳频图案系统出现噪声抖动次数少于顺序序列跳频图案，抗干扰能力较强。

4 实验数据

经多次反复试验，本系统达到了CD级高音质传输质量，调整发射端和接收端的功率可以改变传输距离，空旷地最大传输距离可以覆盖半径100 m的范围。测试结果如表1所示。

表1 测试结果

5 结论

本文设计的CD音质机顶盒无线音频收发系统，最大程度利用了nRF24Z1本身的功能，结构简单、功耗低、使用方便、抗干扰能力强，传输距离能够覆盖约100 m左右的各个房间，音频输入模式的自适应方法更加方便用户使用，独有的配对方法不仅方便生产，而且便于后期维护，该系统能够广泛应用于各类数字电视机顶盒，为广大用户提供了完美的视听享受。

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