基于FPGA的语音无线传输系统

张文轩++程锐++谢磊++杨哲++刘川

【摘 要】本文介绍了一种基于FPGA与nRF24L01的语音信号的无线传输方法。使用FPGA作为主控制器，通过对nRF24L01进行编程控制，实现了语音信号的无线发送与接收。同时nRF24L01可以给被不同种类的控制器所驱动，完成了FPGA与其他控制器通过无线的方式交换数据的功能。

【关键词】FPGA nRF24L01 无线通信

1 引言

随着通信技术的飞速发展，有线通信受空间区域与布线的影响，无线通信方式无疑拥有更大的优势。本设计主要针对语音信号的无线传输。

系统主要有发射和接收两大部分。发射部分使用麦克风采集将语音信号转变成电压信号，经过放大，带通滤波后由ADC采集送入FPGA，FPGA对采集到的语音信号处理之后经nRF24L01发射出去；接收端将nRF24L01接收到的信号送入FPGA，然后使用FPGA驱动DAC将数字信号转变成语音信号，放大滤波后，使用音频功率放大电路将声音播放。主要使用的设备有FPGA和nRF24L01。nRF24L01是有NORDIC生产的工作在2.4G频段的单片无线收发器芯片。它具有工作电压低、高速率、多频点、低功耗等特点，被广泛应用于无线通信。由于FPGA具有时序控制能力强、没有指令周期、易于实现各种通信协议和控制灵活等优点，通常被用来设计通信设备的高速协议接口。设计发送端用FPGA作为控制器，对数字信号进行处理之后，对nRF24L01编程控制，实现数据的无线发送；接收端使用配对的nRF24L01模块接收数据，并将数据交给FPGA做进一步处理。

2 原理说明

2.1 nRF24L01介绍

nRF24L01是一款工作在2.4G-2.5G全球开放ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型ShockBurstTM模式控制器、功率放大器、警惕振荡器、调制器和解调器（图1）。它拥有最大0dBm的发射功率，无线速率可设置为1MHz或2MHz，125个可用频点，可以免许可证使用支持六路通道的数据接收，芯片内部集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，具有自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等功能。芯片内部有FIFO可以与各种高低速微处理器配合使用。nRF24L01的通信接口使用SPI协议，接口速率为0-8MHz可以通过SPI接口与控制器进行数据交换（图2）。输出功率、频道选择、和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。与控制器相连只需要6个IO口：标准的4线SPI协议接口（CSN、SCK、MOSI、MISO）、模式选择控制CE和中断输出IRQ。nRF24L01数据手册的外围模块电路原理图如图2。

nRF24L01有四种工作模式：收发模式、待机模式和关机模式。收发模式有ShockBrustTM模式和EnHancedShockBurstTM模式。ShockBrustTM模式下，使用了内部的FIFO，nRF24L01可以与低速控制器相连，轻松实现与单片机低速通信而无线部分高速通信。EnHancedShockBurstTM模式下，nRF24L01可以自动处理接收包的应答和丢失包的重发，而无需控制器的介入。本设计使用了EnHancedShockBurstTM模式。待机模式是为了减小平均电流而设计，部分片内晶振仍在工作，在保证快速启动的同时减少了平均电流。关机模式不同于掉电模式，此模式下电流消耗最小，寄存器的配置字会被保持在nRF24L01的片内。

2.2 nRF24L01配置

nRF24L01的接口使用了SPI协议，控制器可以使用专用的SPI接口对其进行控制或者使用普通的IO口模拟SPI接口对nRF24L01进行配置和数据传输。在对nRF24L01的寄存器进行操作前，需要先进入待机模式或者掉电模式。配置发送端与接收端时要求地址匹配，通道相同，工作频率相同。工作流程图如图3、图4、图5、图6。

2.2.1 FPGA驱动nRF24L01

FPGA器件在设计逻辑电路与时序控制电路有其自身的优势，本设计里使用FPGA强大的时序控制能力，实现SPI协议，使用四个普通的IO口来与nRF24L01相连接。

2.2.2 1FPGA实现SPI协议

SPI工作原理时序图如图7、图8。

从SPI时序图上可以看出，每次SPI读写操作时需要将CSN拉低，时钟信号SCK每变化一次发送一位数据或者接收一位数据，读写时序都需要先写入目标寄存器地址，然后写入数据或者读取数据，最后拉高CSN。

2.2.3 FPGA配置nRF24L01

在使用FPGA来实现时序逻辑电路时，最常见的方法就是使用状态机。按照nRF24L01的配置流程图，状态机主要分为以下三大类：初始化nRF24L01、配置nRF24L01各种寄存器的参数、循环发送/接收数据。配置寄存器时，查找nF24L01d数据手册后按照所需配置对参数进行修改，每次修改寄存器值都要严格按照SPI的时序来操作寄存器，在操作寄存器CE、CSN、SCK、MOSI、MISO的时序逻辑正确才能正确的配置寄存器。

3 结语

本设计最终完成了FPGA驱动nRF24L01无线传输语音信号的功能，系统可以工作在单工，半双工模式下。本系统也可以应用在FPGA与FPGA的无线数据传输；通过对nRF24L01进行匹配的配置，可以完成FPGA与单片机的无线数据交换。该系统可以应用在多种无线传输场合，如无线遥控，有源RFID等，对FPGA的无线传输提出了一种新的可用的方案。

参考文献：

[1]谭晖.Nordic中短距离无线应用入门与实践.北京航空航天大学出版社.

[2]陈欣波，等.Altera FPGA工程师成长手册.清华大学出版社杨军.

[3]杨军，蔡光卉，黄倩，等.基于FPGA的数字系统设计与实践.

[4]阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社，2009，12.

[5]李亚彬.基于无线控制与无线传输的数据采集系统[D].南京：南京理工大学，2007，6.