如何设计数字调频收音机 - 全文

关键词： 调频 , 收音机 , FM

作者：赛普拉斯半导体公司Gautam Das

我们正在目睹个人计算领域的不断发展。手机和平板电脑等移动设备即将取代传统的电脑。调频收音机（FM Radio）是发展中国家的一种常见娱乐方式，但这个事实往往被人们所忽略，外加因特网无线电的出现，可能会导致 调频收音机的消亡。OEM厂商通常不会考虑在平板电脑或移动设备上配备调频收音机。然而，许多大都市现在仍然有FM广播电台，而且近期也不会被淘汰掉。

一种微型插件在连接到手机或平板电脑后能给这些移动设备带来 调频收音机功能。这种即插即用型FM接收器采用带微控制器或SOC的FM接收器芯片。微控制器与平板电脑/移动设备上的USB主机进行通信时相当于一个USB器件，能够接收频道扫描、更换频道、输出功率设置等操作的命令。这种即插即用FM接收器配件通过总线供电，可收听本地FM频道，而且其耗电量远远低于移动宽带收音机（因特网收音机）。

调频收音机接收器

调频收音机接收器芯片工作在70 MHz到108 MHz之间，能满足全球频段要求，支持美欧的87.5到108 MHz、日本的76到90 MHz和中国的76到108 MHz标准。通常来说，调频收音机接收器能以50 kHz、100 kHz或200 kHz步进的方式调谐频率。此外，调频收音机还支持无线电数据系统(RDS)/无线电广播数据系统(RBDS)功能，能够通过主机实现完全可编程。RDS除了用于发射音频之外还能接收文本等信息。这些文本可能包括歌曲名称、广播节目名称以及flash新闻等可供显示的内容。在紧急情况下，RDS还可用来发射危急信息。

频段扫描是指FM radio芯片扫描整个FM频段并寻找可用无线电频道的过程。收音机将最强的频道频率存储在其内部存储器中，供主机微控制器或SOC读取。

存储频道后，可通过三种方法调谐到特定频道：

●预设调谐：这种方法是将FM接收器的调谐频率设置为主机定义的特定频道。
●搜索调谐：这种方法是让接收器通过频率增加（上搜）或降低（下搜）的办法自动搜索下一个可用的有效频道。
●步进调谐：这种方法是让接收器通过频率序号的增加（渐进）或降低（渐降）选择下一个频道。

当今大多数无线电接收器芯片都通过I2C和SPI等标准协议与主机进行通信。此外，无线电接收器芯片还会通过生成关键事件中断的方式提醒主机注意，这些事件包括：

●当接收信号强度指示器(RSSI)的值降到阈值水平以下时，信号质量低；
●单声道转换到立体声，或者相反；
●需要无线电数据系统 (RDS) 同步；
●RDS同步丢失；
●RDS缓冲区已满。

由于该嵌入式系统工作在由电池供电的设备上，因此高效的电源管理至关重要。无线电接收器芯片支持多种电源模式，并可由SOC控制，以延长电池使用寿命。因此，接收器芯片支持以下电源模式：

●关机：在此模式中，电源关闭，所有内部稳压器被禁用；
●断电：电源开启，但内部稳压器仍然被禁用；
●待机：稳压器可工作，保持无线电模式；
●上电：这是正常的运行模式，所有稳压器被启用且无线电全面工作。

图1给出了FM接收器的方框图。

2012-10-25 10:31:14 上传

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图1：接收器的方框图

第一阶段是模拟信号处理阶段，该阶段负责将RF天线信号转换为一个较低的中频(IF)数字信号。自动增益控制单元(AGC)将低噪声RF放大器(LNA)保持在其线性工作范围内。混频器用于将接收到的RF信号下变频为较低的中频(IF)信号。而ADC将信号转换为数字格式。在数字域内完成FM解调。此外，数字信号处理器也用于处理RDS数据。

调频收音机配件的实施

图2中的完整FM系统采用通用型FM radio芯片，其简单实施方框图如下所示：

2012-10-25 10:31:14 上传

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图2：系统方框图

随着现代可编程SOC的出现，除了一些无源器件之外，实施完整的设计不再需要额外的外部元件。SOC可以发送命令并通过I2C端口从调FM radio芯片接收状态信息。SOC通过已有的 USB接口与平板电脑相连。平板电脑上的前端应用可以访问FM radio信息，用于进行频道扫描和选择。一旦FM radio接收到锁定特定频率的命令，它会在特定引脚上输出模拟音频。FM radio接收器的模拟输出由SOC进一步处理，得到的数字音频会通过USB传输给平板电脑。FM radio芯片的工作电源由USB总线提供。大多数FM radio芯片需要的电流一般只有几毫安，电压甚至不到1.8V，USB总线完全能够满足这一需求，而且这种功耗对于便携式设备来说完全可以接受。

在SOC中实施收音机配件需要以下资源：

●放大器
●模数转换器(ADC)
●通信协议(I2C/SPI)
●USB接口
●滤波器模块

通常来说，调频收音机芯片输出音频信号的强度约为100mV的水平。放大器用来放大FM接收器的模拟音频信号，随后将信号提供给SOC中的ADC。如方框图所示，模拟音频输出的强度在通过可编程增益放大器(PGA)之后得到了加强。这就能确保整个ADC的输入范围得到了利用，从而在FM radio芯片输出端真实地复制音频。此外，我们也可以采用输入范围较窄的 ADC对信号进行数字化。但是，信号强度越低，就越容易受到系统噪声的影响。

模数转换器(ADC)以44.1 kHz的频率采样放大器的模拟输出，并将其转换为16位的数字信号。采样率设为44.1 kHz是为了满足Nyquist原理，该原理要求采样频率必须至少为最大工作频率的2倍。

通信协议：如I2C或SPI等标准协议，可用于连接SOC和FM接收器。如果使用I2C协议，则SOC将作为主机，无线电接收芯片作为从机，数据速率为100/400 kHz。改变频道或扫描FM频段的命令可由I2C主机通过I2C 总线发送给FM接收芯片。FM接收芯片能够解码预定义的命令，从而执行各种任务。如果使用RDS协议，则接收的数字信息可由控制器通过I2C接口从 FM接收器读取。我们也能读取其它状态信息（如FM radio接收器通过I2C接收到的信号强度指示(RSSI)信息），并在平板电脑或PC上显示出来。

直接存储器存取(DMA)：在许多微控制器中，DMA都是一种强大的特性，有助于减轻存储器不同位置之间的数据传输任务，从而提高性能。DMA可用来将经过转换的数字信息从ADC传输到存储器或直接传输到USB，从而使CPU能够处理其它关键任务。

USB：USB是主机平板电脑与SOC之间的接口。USB中断端点可用来接收主机发送的各种命令，如频道扫描、频道加减等。请注意，如果命令数据比较小，那么USB设备上的控制端点也可用来传输命令。我们可以用控制端点来发送命令。命令可作为厂商定义的命令发送，然而在控制端点上，一个USB数据包最多包含8个字节的数据内容。来自ADC的44.1 kHz数字数据通过同步USB传输模式发送给主机。同步传输在这里是最理想的方式，原因在于它的延迟性能有保障、分配了总线带宽并且没有错误校正和握手过程，因此能保持交付时间的一致性。请注意，CRC字段可以检查错误，但并不予以校正。人耳无法听出偶然的数据错误或传输丢失，除非是频繁的停顿才会引起注意。由于没有错误校正，因此即便数据包有错误也不会中断数据传输。对于同步端点来说，微控制器支持的最大数据包为1023字节。

提高音质

在移动操作系统中，通常采用专用的媒体服务器或媒体引擎来播放音频。如果用户需要，该媒体引擎也可用来增强或修改音频特性。在某些移动处理器中，有专用的DSP硬件实现这一目的。使用媒体引擎或DSP会消耗额外的电量，降低性能，也可能对用户体验造成不利影响。还有一种办法是在SOC中处理音频，然后通过USB将处理后的音频流发送到主机（Host）平板电脑。平板电脑需要做的仅仅是播放音频。利用SOC中的资源还能实现低音、高音等控制选项，使用户可以更加精细地控制音质。这一功能是通过赛普拉斯PSoC 3等器件中的数字滤波器模块(DFB)实现的。DFB模块接收数字输入数据，并将处理后的数字数据进行输出。在本应用中，数据流通过DMA进入DFB，按照音质要求加以过滤，再通过USB发送至终端进行播放。可通过图形用户界面(GUI)控制音质。GUI提供了一个类似于音乐播放器均衡器的界面。整个音频范围可被分为多个分立频段。我们通过改变GUI上的控件位置，可以向 DFB加载新的调节系数，这些系数会改变每个频段的增益，从而改变输出音质。

主机应用

主机运行一个用于控制音频接收器的前端应用。如果主机运行的是Android操作系统，则可以用标准的Java和Android库创建简单的GUI。如果是Windows平板电脑，则可以用C# GUI完成同样的工作。用户通过按钮等控制对象能够实现频道选择、加减频道等操作。

Windows操作系统中的DirectSound驱动程序与USB的同步传输模式配合使用，可将音频流传输到扬声器。这项功能在Windows 7操作系统中同样适用。专为平板电脑设计的Windows 8 操作系统也支持GUI和音频驱动器，且无需任何变化。同步传输目前还无法支持Android平板电脑。Apple的iPad和少数其它iOS设备具有内置的USB主机和同步传输模式，可用于音频播放。

前端主机应用或Windows Form应用可根据用户的如下请求生成事件：

●频道扫描请求
●频道上调请求
●频道下调请求
●从接收器请求接收信号强度指示器 (RSSI)

对于Windows而言，可在Visual Studio中利用C#开发应用。USB设备和端点可通过标准库或SOC制造商提供的定制库来进行访问。库提供了通过USB接口访问SOC的方法和对象。我们可以创建Windows Form来发送命令并显示状态信息，如下所示。

2012-10-25 10:31:14 上传

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图3：FM Radio GUI

可添加按钮等控制对象，用来实施频道扫描、下一频道、上一频道和音量控制等各种不同操作。除此之外，还可以将数字音频录制为.WAV文件。也可以针对Android操作系统和 Apple的iOS开发类似应用。

PSoC 3等现代SOC可以通过单芯片的方式实现即插即用型调频收音机配件。模拟音频放大、数字化、滤波、向主机传输音频流以及控制FM接收器等操作都能得到高效处理。当不工作时，这种由总线供电的设备可以使FM接收器和SOC在待机和断电等低功耗模式下运行，因此它在平板电脑等电池供电的主机中使用时具有很高的能效。平板电脑的时代已然开启，这种微型配件将利用计算设备中的已有资源实现巨大价值。