摘 要： 采用WM8739/8731、nRF2401和ATmega48等芯片實現短距離數字音頻無線傳輸系統的設計，詳細介紹了系統的軟硬件設計、實現以及ADPCM音頻編碼方法等,為解決低成本采集和傳輸數字音頻問題提供了一種參考方法。
關鍵詞： 短距離通信 數字音頻 無線傳輸 AVR單片機
與相同傳輸距離的有線音頻傳輸系統相比，無線音頻傳輸系統減少了線纜的開銷，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成本，在各種產品中得到了廣泛的應用。但這種通用性也產生了性能下降與成本增加等問題。目前國內外同類無線技術方案主要是基于藍牙技術的產品方案以及一些小廠商提供的基于2.4GHz的產品方案。在一些特定的應用中，追求的目標是更低的成本與更高的音質， 對通用性的要求并不高， 采用藍牙或無線局域網技術則顯然不合適。而在音頻信號處理過程中，由于其數據量大，處理算法復雜，實時性要求比較高，當今一些小廠商提供的基于2.4GHz的產品方案[1]實現成本相應較高。
基于以上特點，本著先進性、科學性、穩定性、經濟性相統一的原則，本文設計一種低成本、適用面廣的無線數字音頻傳輸系統。
1 數字音頻無線傳輸系統方案設計
本系統以MCU主控模塊為核心，由發送子系統和接收子系統組成。發送部分從音頻輸出設備采集音頻信號，經過A/D轉換模塊將模擬信號轉換為數字音頻信號，再通過SPI接口將數字音頻信號傳至主控模塊進行壓縮編碼處理，壓縮完成的數據成幀后經串行口傳送給射頻芯片，經過射頻芯片內部的一系列處理后，將控制信號和音頻數據發送出去（發送的數據需要進行一定的功率放大處理，以達到較好的傳輸效果）。接收部分的工作是其逆過程。系統原理框圖如圖1所示。
2 系統各模塊的硬件設計與實現
2.1 A/D和D/A轉換模塊設計及初始配置
A/D和D/A轉換模塊選擇WOLFSON 公司的WM8739和WM8731器件。WM8731是一款帶有集成耳機驅動器的極低功耗、高質量音頻編碼解碼器，專為便攜數字音頻應用而設計。該器件可以提供CD音質的音頻錄音和回放，為16Ω的負載提供50mW的輸出功率;帶有一個片上時鐘發生器，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標準定義的其他采樣率，完全不需要一個獨立的鎖相環（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轉化和D/A轉化集成在一起，它只能用作A/D轉換模塊，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，數據順序選擇MSB首先發送，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，該頻率是標準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，具體規則可參考芯片使用手冊[2]。
2.2 RF發送/接收模塊設計及初始配置
RF發送/接收模塊，選擇NORDIC公司的nRF2401。nRF2401[3]芯片與藍牙一樣，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1Mbps，而且比藍牙具有更高的傳輸速度;采用SoC方法設計，只需少量外圍元件即可組成射頻收發電路。
對該芯片的初始配置如下：對發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數據傳輸速率選擇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主控模塊及系統接口設計
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，采用先進的RISC結構，131 條指令，大多數指令的執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的系統內可編程 Flash和256B的EEPROM，擦寫壽命均為10 000次；512B的片內SRAM；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區，通過片上Boot程序實現系統內編程，真正的同時讀寫操作；兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數器，一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數器，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。系統接口設計如下：
(1)如圖2所示將三個模塊連接在一起。在對各個模塊進行初始配置之前，要按照圖2所示的端口連接方向正確設置端口的輸入輸出模式，然后要對系統的各個時鐘作正確的配置。系統主時鐘由16MHz的外部晶振產生，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，將該計數器的上限設為191即可產生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。
