基于FPGA的语音无线传输系统

1、-. z.基于FPGA的语音无线传输系统 *文轩 程锐 谢磊 杨哲 *川来源：中国科技纵横2016年第20期【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进展编程控制，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开展，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局部。发射

2、局部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

3、速协议接口。设计发送端用FPGA作为控制器，对数字信号进展处理之后，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、警觉振荡器、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

4、号处理局部，具有自动重发丧失数据包和自动产生应答信号等功能。芯片内部有FIFO可以与各种上下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接口与控制器进展数据交换图2。输出功率、频道选择、和协议的设置可以通过SPI接口进展设置。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

5、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局部高速通信。EnHancedShockBurstTM模式下，nRF24L01可以自动处理接收包的应答和丧失包的重发，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，局部片内晶振仍在工作，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，存放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SP

6、I接口对其进展控制或者使用普通的IO口模拟SPI接口对nRF24L01进展配置和数据传输。在对nRF24L01的存放器进展操作前，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，通道一样，工作频率一样。工作流程图如图3、图4、图5、图6。2.2.1 FPGA驱动nRF24L01FPGA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S

7、CK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存放器地址，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各种存放器的参数、循环发送/接收数据。配置存放器时，查找nF24L01d数据手册后按照所需配置对参数进展修改，每次修改存放器值都要严格按照SPI的时序来操作存放器，在操作存放器CE、CSN、SCK、MOSI、MISO的时序逻辑正确才能正确的配置存放器。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进展匹配的配置，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.航空航天大学.2陈欣波，等.Al