如何設計數(shù)字調(diào)頻收音機 - 全文

關鍵詞： 調(diào)頻 , 收音機 , FM

作者：賽普拉斯半導體公司Gautam Das

我們正在目睹個人計算領域的不斷發(fā)展。手機和平板電腦等移動設備即將取代傳統(tǒng)的電腦。調(diào)頻收音機（FM Radio）是發(fā)展中國家的一種常見娛樂方式，但這個事實往往被人們所忽略，外加因特網(wǎng)無線電的出現(xiàn)，可能會導致 調(diào)頻收音機的消亡。OEM廠商通常不會考慮在平板電腦或移動設備上配備調(diào)頻收音機。然而，許多大都市現(xiàn)在仍然有FM廣播電臺，而且近期也不會被淘汰掉。

一種微型插件在連接到手機或平板電腦后能給這些移動設備帶來 調(diào)頻收音機功能。這種即插即用型FM接收器采用帶微控制器或SOC的FM接收器芯片。微控制器與平板電腦/移動設備上的USB主機進行通信時相當于一個USB器件，能夠接收頻道掃描、更換頻道、輸出功率設置等操作的命令。這種即插即用FM接收器配件通過總線供電，可收聽本地FM頻道，而且其耗電量遠遠低于移動寬帶收音機（因特網(wǎng)收音機）。

調(diào)頻收音機接收器

調(diào)頻收音機接收器芯片工作在70 MHz到108 MHz之間，能滿足全球頻段要求，支持美歐的87.5到108 MHz、日本的76到90 MHz和中國的76到108 MHz標準。通常來說，調(diào)頻收音機接收器能以50 kHz、100 kHz或200 kHz步進的方式調(diào)諧頻率。此外，調(diào)頻收音機還支持無線電數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RDS)/無線電廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RBDS)功能，能夠通過主機實現(xiàn)完全可編程。RDS除了用于發(fā)射音頻之外還能接收文本等信息。這些文本可能包括歌曲名稱、廣播節(jié)目名稱以及flash新聞等可供顯示的內(nèi)容。在緊急情況下，RDS還可用來發(fā)射危急信息。

頻段掃描是指FM radio芯片掃描整個FM頻段并尋找可用無線電頻道的過程。收音機將最強的頻道頻率存儲在其內(nèi)部存儲器中，供主機微控制器或SOC讀取。

存儲頻道后，可通過三種方法調(diào)諧到特定頻道：

●預設調(diào)諧：這種方法是將FM接收器的調(diào)諧頻率設置為主機定義的特定頻道。
●搜索調(diào)諧：這種方法是讓接收器通過頻率增加（上搜）或降低（下搜）的辦法自動搜索下一個可用的有效頻道。
●步進調(diào)諧：這種方法是讓接收器通過頻率序號的增加（漸進）或降低（漸降）選擇下一個頻道。

當今大多數(shù)無線電接收器芯片都通過I2C和SPI等標準協(xié)議與主機進行通信。此外，無線電接收器芯片還會通過生成關鍵事件中斷的方式提醒主機注意，這些事件包括：

●當接收信號強度指示器(RSSI)的值降到閾值水平以下時，信號質(zhì)量低；
●單聲道轉(zhuǎn)換到立體聲，或者相反；
●需要無線電數(shù)據(jù)系統(tǒng) (RDS) 同步；
●RDS同步丟失；
●RDS緩沖區(qū)已滿。

由于該嵌入式系統(tǒng)工作在由電池供電的設備上，因此高效的電源管理至關重要。無線電接收器芯片支持多種電源模式，并可由SOC控制，以延長電池使用壽命。因此，接收器芯片支持以下電源模式：

●關機：在此模式中，電源關閉，所有內(nèi)部穩(wěn)壓器被禁用；
●斷電：電源開啟，但內(nèi)部穩(wěn)壓器仍然被禁用；
●待機：穩(wěn)壓器可工作，保持無線電模式；
●上電：這是正常的運行模式，所有穩(wěn)壓器被啟用且無線電全面工作。

圖1給出了FM接收器的方框圖。

2012-10-25 10:31:14 上傳

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圖1：接收器的方框圖

第一階段是模擬信號處理階段，該階段負責將RF天線信號轉(zhuǎn)換為一個較低的中頻(IF)數(shù)字信號。自動增益控制單元(AGC)將低噪聲RF放大器(LNA)保持在其線性工作范圍內(nèi)?；祛l器用于將接收到的RF信號下變頻為較低的中頻(IF)信號。而ADC將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。在數(shù)字域內(nèi)完成FM解調(diào)。此外，數(shù)字信號處理器也用于處理RDS數(shù)據(jù)。

調(diào)頻收音機配件的實施

圖2中的完整FM系統(tǒng)采用通用型FM radio芯片，其簡單實施方框圖如下所示：

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圖2：系統(tǒng)方框圖

隨著現(xiàn)代可編程SOC的出現(xiàn)，除了一些無源器件之外，實施完整的設計不再需要額外的外部元件。SOC可以發(fā)送命令并通過I2C端口從調(diào)FM radio芯片接收狀態(tài)信息。SOC通過已有的 USB接口與平板電腦相連。平板電腦上的前端應用可以訪問FM radio信息，用于進行頻道掃描和選擇。一旦FM radio接收到鎖定特定頻率的命令，它會在特定引腳上輸出模擬音頻。FM radio接收器的模擬輸出由SOC進一步處理，得到的數(shù)字音頻會通過USB傳輸給平板電腦。FM radio芯片的工作電源由USB總線提供。大多數(shù)FM radio芯片需要的電流一般只有幾毫安，電壓甚至不到1.8V，USB總線完全能夠滿足這一需求，而且這種功耗對于便攜式設備來說完全可以接受。

在SOC中實施收音機配件需要以下資源：

●放大器
●模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)
●通信協(xié)議(I2C/SPI)
●USB接口
●濾波器模塊

通常來說，調(diào)頻收音機芯片輸出音頻信號的強度約為100mV的水平。放大器用來放大FM接收器的模擬音頻信號，隨后將信號提供給SOC中的ADC。如方框圖所示，模擬音頻輸出的強度在通過可編程增益放大器(PGA)之后得到了加強。這就能確保整個ADC的輸入范圍得到了利用，從而在FM radio芯片輸出端真實地復制音頻。此外，我們也可以采用輸入范圍較窄的 ADC對信號進行數(shù)字化。但是，信號強度越低，就越容易受到系統(tǒng)噪聲的影響。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以44.1 kHz的頻率采樣放大器的模擬輸出，并將其轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號。采樣率設為44.1 kHz是為了滿足Nyquist原理，該原理要求采樣頻率必須至少為最大工作頻率的2倍。

通信協(xié)議：如I2C或SPI等標準協(xié)議，可用于連接SOC和FM接收器。如果使用I2C協(xié)議，則SOC將作為主機，無線電接收芯片作為從機，數(shù)據(jù)速率為100/400 kHz。改變頻道或掃描FM頻段的命令可由I2C主機通過I2C 總線發(fā)送給FM接收芯片。FM接收芯片能夠解碼預定義的命令，從而執(zhí)行各種任務。如果使用RDS協(xié)議，則接收的數(shù)字信息可由控制器通過I2C接口從 FM接收器讀取。我們也能讀取其它狀態(tài)信息（如FM radio接收器通過I2C接收到的信號強度指示(RSSI)信息），并在平板電腦或PC上顯示出來。

直接存儲器存取(DMA)：在許多微控制器中，DMA都是一種強大的特性，有助于減輕存儲器不同位置之間的數(shù)據(jù)傳輸任務，從而提高性能。DMA可用來將經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)字信息從ADC傳輸?shù)酱鎯ζ骰蛑苯觽鬏數(shù)経SB，從而使CPU能夠處理其它關鍵任務。

USB：USB是主機平板電腦與SOC之間的接口。USB中斷端點可用來接收主機發(fā)送的各種命令，如頻道掃描、頻道加減等。請注意，如果命令數(shù)據(jù)比較小，那么USB設備上的控制端點也可用來傳輸命令。我們可以用控制端點來發(fā)送命令。命令可作為廠商定義的命令發(fā)送，然而在控制端點上，一個USB數(shù)據(jù)包最多包含8個字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。來自ADC的44.1 kHz數(shù)字數(shù)據(jù)通過同步USB傳輸模式發(fā)送給主機。同步傳輸在這里是最理想的方式，原因在于它的延遲性能有保障、分配了總線帶寬并且沒有錯誤校正和握手過程，因此能保持交付時間的一致性。請注意，CRC字段可以檢查錯誤，但并不予以校正。人耳無法聽出偶然的數(shù)據(jù)錯誤或傳輸丟失，除非是頻繁的停頓才會引起注意。由于沒有錯誤校正，因此即便數(shù)據(jù)包有錯誤也不會中斷數(shù)據(jù)傳輸。對于同步端點來說，微控制器支持的最大數(shù)據(jù)包為1023字節(jié)。

提高音質(zhì)

在移動操作系統(tǒng)中，通常采用專用的媒體服務器或媒體引擎來播放音頻。如果用戶需要，該媒體引擎也可用來增強或修改音頻特性。在某些移動處理器中，有專用的DSP硬件實現(xiàn)這一目的。使用媒體引擎或DSP會消耗額外的電量，降低性能，也可能對用戶體驗造成不利影響。還有一種辦法是在SOC中處理音頻，然后通過USB將處理后的音頻流發(fā)送到主機（Host）平板電腦。平板電腦需要做的僅僅是播放音頻。利用SOC中的資源還能實現(xiàn)低音、高音等控制選項，使用戶可以更加精細地控制音質(zhì)。這一功能是通過賽普拉斯PSoC 3等器件中的數(shù)字濾波器模塊(DFB)實現(xiàn)的。DFB模塊接收數(shù)字輸入數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)字數(shù)據(jù)進行輸出。在本應用中，數(shù)據(jù)流通過DMA進入DFB，按照音質(zhì)要求加以過濾，再通過USB發(fā)送至終端進行播放?？赏ㄟ^圖形用戶界面(GUI)控制音質(zhì)。GUI提供了一個類似于音樂播放器均衡器的界面。整個音頻范圍可被分為多個分立頻段。我們通過改變GUI上的控件位置，可以向 DFB加載新的調(diào)節(jié)系數(shù)，這些系數(shù)會改變每個頻段的增益，從而改變輸出音質(zhì)。

主機應用

主機運行一個用于控制音頻接收器的前端應用。如果主機運行的是Android操作系統(tǒng)，則可以用標準的Java和Android庫創(chuàng)建簡單的GUI。如果是Windows平板電腦，則可以用C# GUI完成同樣的工作。用戶通過按鈕等控制對象能夠?qū)崿F(xiàn)頻道選擇、加減頻道等操作。

Windows操作系統(tǒng)中的DirectSound驅(qū)動程序與USB的同步傳輸模式配合使用，可將音頻流傳輸?shù)綋P聲器。這項功能在Windows 7操作系統(tǒng)中同樣適用。專為平板電腦設計的Windows 8 操作系統(tǒng)也支持GUI和音頻驅(qū)動器，且無需任何變化。同步傳輸目前還無法支持Android平板電腦。Apple的iPad和少數(shù)其它iOS設備具有內(nèi)置的USB主機和同步傳輸模式，可用于音頻播放。

前端主機應用或Windows Form應用可根據(jù)用戶的如下請求生成事件：

●頻道掃描請求
●頻道上調(diào)請求
●頻道下調(diào)請求
●從接收器請求接收信號強度指示器 (RSSI)

對于Windows而言，可在Visual Studio中利用C#開發(fā)應用。USB設備和端點可通過標準庫或SOC制造商提供的定制庫來進行訪問。庫提供了通過USB接口訪問SOC的方法和對象。我們可以創(chuàng)建Windows Form來發(fā)送命令并顯示狀態(tài)信息，如下所示。

2012-10-25 10:31:14 上傳

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圖3：FM Radio GUI

可添加按鈕等控制對象，用來實施頻道掃描、下一頻道、上一頻道和音量控制等各種不同操作。除此之外，還可以將數(shù)字音頻錄制為.WAV文件。也可以針對Android操作系統(tǒng)和 Apple的iOS開發(fā)類似應用。

PSoC 3等現(xiàn)代SOC可以通過單芯片的方式實現(xiàn)即插即用型調(diào)頻收音機配件。模擬音頻放大、數(shù)字化、濾波、向主機傳輸音頻流以及控制FM接收器等操作都能得到高效處理。當不工作時，這種由總線供電的設備可以使FM接收器和SOC在待機和斷電等低功耗模式下運行，因此它在平板電腦等電池供電的主機中使用時具有很高的能效。平板電腦的時代已然開啟，這種微型配件將利用計算設備中的已有資源實現(xiàn)巨大價值。