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数字调频收音机设计
赛普拉斯半导体公司 Gautam Das
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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。

(图片)

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:

(图片)

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。

(图片)

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。 10/24/2012


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