摘 要： 采用WM8739/8731、nRF2401和ATmega48等芯片實現(xiàn)短距離數(shù)字音頻無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計、實現(xiàn)以及ADPCM音頻編碼方法等,為解決低成本采集和傳輸數(shù)字音頻問題提供了一種參考方法。
關(guān)鍵詞： 短距離通信  數(shù)字音頻  無線傳輸  AVR單片機

    與相同傳輸距離的有線音頻傳輸系統(tǒng)相比，無線音頻傳輸系統(tǒng)減少了線纜的開銷，傳輸距離也不再受線纜長度的限制，解決了有線音頻傳輸布線困難、影響美觀和浪費線纜等問題，而且占用空間小、能耗低、使用更加靈活、方便。因此，短距離無線通信已成為當(dāng)前研究的一個熱點。ISM(Industrial Scientific Medical)2.4GHz(2.4G～2.4835GHz)頻段， 由于具有較高的帶寬和相對較低的實現(xiàn)成本，在各種產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。但這種通用性也產(chǎn)生了性能下降與成本增加等問題。目前國內(nèi)外同類無線技術(shù)方案主要是基于藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品方案以及一些小廠商提供的基于2.4GHz的產(chǎn)品方案。在一些特定的應(yīng)用中，追求的目標(biāo)是更低的成本與更高的音質(zhì)， 對通用性的要求并不高， 采用藍(lán)牙或無線局域網(wǎng)技術(shù)則顯然不合適。而在音頻信號處理過程中，由于其數(shù)據(jù)量大，處理算法復(fù)雜，實時性要求比較高，當(dāng)今一些小廠商提供的基于2.4GHz的產(chǎn)品方案^[1]實現(xiàn)成本相應(yīng)較高。
    基于以上特點，本著先進(jìn)性、科學(xué)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的原則，本文設(shè)計一種低成本、適用面廣的無線數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)。
1 數(shù)字音頻無線傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計
    本系統(tǒng)以MCU主控模塊為核心，由發(fā)送子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)組成。發(fā)送部分從音頻輸出設(shè)備采集音頻信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號，再通過SPI接口將數(shù)字音頻信號傳至主控模塊進(jìn)行壓縮編碼處理，壓縮完成的數(shù)據(jù)成幀后經(jīng)串行口傳送給射頻芯片，經(jīng)過射頻芯片內(nèi)部的一系列處理后，將控制信號和音頻數(shù)據(jù)發(fā)送出去（發(fā)送的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一定的功率放大處理，以達(dá)到較好的傳輸效果）。接收部分的工作是其逆過程。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

 

2 系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計及初始配置
    A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊選擇WOLFSON 公司的WM8739和WM8731器件。WM8731是一款帶有集成耳機驅(qū)動器的極低功耗、高質(zhì)量音頻編碼解碼器，專為便攜數(shù)字音頻應(yīng)用而設(shè)計。該器件可以提供CD音質(zhì)的音頻錄音和回放，為16Ω的負(fù)載提供50mW的輸出功率;帶有一個片上時鐘發(fā)生器，支持多種時鐘模式，通過一個16MHz時鐘，該器件可以直接生成44.1kHz、48kHz和96kHz等采樣率，以及MP3標(biāo)準(zhǔn)定義的其他采樣率，完全不需要一個獨立的鎖相環(huán)（phase locked loop）或晶振,支持其他公用的主時鐘頻率，例如12.288MHz。而WM8739與WM8731不同的是,它并沒有將A/D轉(zhuǎn)化和D/A轉(zhuǎn)化集成在一起，它只能用作A/D轉(zhuǎn)換模塊，其他性能與WM8731相同，其價格較WM8731便宜。
    芯片的初始配置如下：
    硬件配置：CSB(Pin20)及MODE(Pin19)均配置為低電平(兩線制傳輸)。
    軟件配置：工作模式選擇從機模式，數(shù)據(jù)順序選擇MSB首先發(fā)送，采樣率控制模式選擇正常模式384分頻，核時鐘同主時鐘一樣(由主控模塊提供，為16MHz)，這樣由核時鐘384分頻即可得到左右聲道的44.1kHz的采樣頻率，該頻率是標(biāo)準(zhǔn)CD 音源的采樣頻率。
    其他的軟件配置字均為缺省值。該配置字由SDIN和SCLK寫入，具體規(guī)則可參考芯片使用手冊[2]。
2.2 RF發(fā)送/接收模塊設(shè)計及初始配置
    RF發(fā)送/接收模塊，選擇NORDIC公司的nRF2401。nRF2401^[3]芯片與藍(lán)牙一樣，都工作在2.4GHz自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻;支持多點間通信，最高傳輸速率達(dá)1Mbps，而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度;采用SoC方法設(shè)計，只需少量外圍元件即可組成射頻收發(fā)電路。
    對該芯片的初始配置如下：對發(fā)送和接收模塊的激活模式分別選擇transmit模式和receive模式，通信模式選擇Direct模式，頻率通道初始配置為2.4GHz，輸出功率增益選擇為-10dBm，晶振頻率選擇16MHz，RF數(shù)據(jù)傳輸速率選擇1Mbps。
    其他的軟件配置字均為缺省值。其配置字由DATA端口串行逐位寫入。
2.3 MCU主控模塊及系統(tǒng)接口設(shè)計
    MCU主控模塊選擇ATMEL公司的AVR ATmega48^[4]。AVR ATmega48是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，131 條指令，大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個時鐘周期，32×8通用工作寄存器，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器；4KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash和256B的EEPROM，擦寫壽命均為10 000次；512B的片內(nèi)SRAM；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作；兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器，一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器，可編程的串行USART 接口，可工作于主機/從機模式的SPI 串行接口。系統(tǒng)接口設(shè)計如下：
    (1)如圖2所示將三個模塊連接在一起。在對各個模塊進(jìn)行初始配置之前，要按照圖2所示的端口連接方向正確設(shè)置端口的輸入輸出模式，然后要對系統(tǒng)的各個時鐘作正確的配置。系統(tǒng)主時鐘由16MHz的外部晶振產(chǎn)生，將外部晶振接ATmega48的PB6和PB7即可。MCLK可由PB0的第二功能將16MHz的系統(tǒng)時鐘輸出，此時鐘將作為WM8739的工作時鐘。ADCLRC可利用PB1的第二功能的定時器輸出比較功能，將該計數(shù)器的上限設(shè)為191即可產(chǎn)生44.1kHz的采樣率對比時鐘。BCLK可利用PB5的第二功能將主時鐘二分頻得到SPI 8MHz總線時鐘。