FM調(diào)諧器架構(gòu)的演進(jìn)

過去十年里，射頻通訊電路設(shè)計(jì)已有長(zhǎng)足進(jìn)展。這些進(jìn)展來(lái)自于全新的射頻架構(gòu)，也是我們一度因?yàn)榧啥冗^低、耗電太高和不佳的工藝技術(shù)而認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)。除此之外，高效能和高密度亞微米CMOS技術(shù)的出現(xiàn)還將數(shù)字技術(shù)帶入射頻領(lǐng)域，大幅改變射頻通訊電路的設(shè)計(jì)方式。設(shè)計(jì)人員已將這些技術(shù)用于全球定位系統(tǒng)(GPS)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)電話等許多無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)發(fā)展出強(qiáng)大可靠的高集成芯片組解決方案來(lái)提高整體系統(tǒng)效能與可靠性。集成外部元器件以及射頻電路和數(shù)字基帶會(huì)帶來(lái)許多好處，包括減少元器件用料(BOM)、縮小電路板面積、簡(jiǎn)化電路板層級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)和提高可制造性。

把全部系統(tǒng)集成到芯片可以減少所需測(cè)試的外部元器件數(shù)目，進(jìn)而提高產(chǎn)品的可制造性。許多現(xiàn)代通訊應(yīng)用都能看到功能整合的例子，但調(diào)頻無(wú)線電廣播標(biāo)準(zhǔn)直到最近都沒有太大技術(shù)進(jìn)展。就算進(jìn)入今日數(shù)字時(shí)代，許多便攜式調(diào)頻無(wú)線電仍需超過15顆外部元器件。無(wú)線電制造商仍以早期模擬技術(shù)為其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，這些模擬技術(shù)多半采用昂貴和低集成度的雙極性(bipolar)或Bi-CMOS工藝。

盡管FM調(diào)諧器(tuner)相關(guān)產(chǎn)品市場(chǎng)持續(xù)成長(zhǎng)，其無(wú)線電架構(gòu)卻幾乎沒有任何改變。完全集成式100%CMOS數(shù)字低中頻架構(gòu)的出現(xiàn)是FM調(diào)諧器無(wú)線電架構(gòu)過去十年來(lái)的第一次重大進(jìn)步。在此之前，設(shè)計(jì)人員已將數(shù)種射頻架構(gòu)用于FM調(diào)諧器，它們各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。為了討論方便起見，我們將分析傳統(tǒng)的調(diào)頻發(fā)射機(jī)和調(diào)頻接收機(jī)架構(gòu)以便了解調(diào)頻系統(tǒng)的共同架構(gòu)。我們還將介紹FM調(diào)諧器的多種演進(jìn)結(jié)果，它們最后為調(diào)頻接收器帶來(lái)全新的數(shù)字低中頻架構(gòu)。另外，我們也將解釋這套架構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)全面性高效能整合，使得整個(gè)FM調(diào)諧器只需一顆外部旁路電容。


圖1：(a)調(diào)頻發(fā)射機(jī)和(b)調(diào)頻接收機(jī)方塊圖

圖1顯示傳統(tǒng)的調(diào)頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。調(diào)頻發(fā)射機(jī)先讓左右聲道的音頻信號(hào)通過預(yù)加重濾波器(pre-emphasisfilter)，然后將信號(hào)與RDS(RadioDataSystem)數(shù)據(jù)結(jié)合在一起產(chǎn)生復(fù)合信息信號(hào)m(t)。發(fā)射機(jī)接著調(diào)變信息信號(hào)頻率并將結(jié)果送到射頻發(fā)射機(jī)，由它將信號(hào)升頻轉(zhuǎn)換至無(wú)線電頻率并產(chǎn)生輸出信號(hào)xFM(t)。設(shè)計(jì)人員可以使用電壓控制振蕩器(VCO)實(shí)作調(diào)頻調(diào)變器和射頻發(fā)射機(jī)功能。就理論而言，這種直接調(diào)頻調(diào)變法應(yīng)能正常工作，但設(shè)計(jì)人員實(shí)際上會(huì)利用鎖相回路(PLL)穩(wěn)定載波頻率以避免頻率漂移，同時(shí)利用功率放大器驅(qū)動(dòng)天線。

調(diào)頻接收機(jī)使用射頻接收機(jī)把射頻信號(hào)xFM(t)降轉(zhuǎn)至基帶。在理想情形下，調(diào)頻解調(diào)器可藉由反向執(zhí)行調(diào)變程序取回原始信息。接收機(jī)接著把信息信號(hào)m(t)送給MPX解調(diào)器以便將音頻和RDS數(shù)據(jù)分離，再讓左右聲道音頻通過去加重(de-emphasis)電路以消除預(yù)加重濾波器引進(jìn)的線性失真。預(yù)加重和去加重濾波器的串聯(lián)不會(huì)影響左右聲道音頻，但能大幅衰減高頻噪聲與干擾，理論上可將信號(hào)雜波比(SNR)提高13dB左右[1,2]。

FM調(diào)諧器效能主要由射頻接收機(jī)與調(diào)頻解調(diào)器決定。最基本的調(diào)頻解調(diào)器架構(gòu)就是一個(gè)由時(shí)域差分器和包絡(luò)檢測(cè)器組成的鑒頻器(frequencydiscriminator)。采用這種解調(diào)器時(shí)，差分器會(huì)把利用相位存儲(chǔ)信息的調(diào)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成利用振幅存儲(chǔ)信息的調(diào)幅信號(hào)，然后由包絡(luò)檢測(cè)器從振幅中取回信息。調(diào)頻載波的振幅變動(dòng)可能會(huì)破壞鑒頻器的解調(diào)輸出，因此鑒頻器的前面通常會(huì)增加一級(jí)限幅器以便除去載波的振幅變動(dòng)。其它常用的調(diào)頻鑒頻器包括Foster-Seeley鑒別器和比例檢測(cè)器[1,2]。制造商過去大都利用分立元器件組成的鑒頻器設(shè)計(jì)調(diào)頻解調(diào)器，例如變壓器、晶體管、二極管、電阻和電容；今天，多數(shù)設(shè)計(jì)都已采用IC解決方案。


圖2：典型的鎖相回路方塊圖及其線性模型

鎖相回路是目前很受歡迎的一種調(diào)頻調(diào)變架構(gòu)，圖2就是典型的鎖相回路方塊圖及其線性模型。其中PD代表相位檢測(cè)器(PhaseDetector)，KPD是相位檢測(cè)器增益，HLF(s)是回路濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)，KVCO/s則是壓控振蕩器轉(zhuǎn)移函數(shù)。鎖相回路是一種負(fù)反饋系統(tǒng)，它會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)xFM(t)鎖定反饋信號(hào)xVCO(t)的相位。調(diào)頻信號(hào)xFM(t)可表示為下列方程式：


其中Ac是載波振幅，fc是載波頻率，KVCO是電壓/頻率轉(zhuǎn)換常數(shù)，m(t)則代表信息或信息信號(hào)?；芈锋i定后，相位誤差f_e將保持不變。反饋信號(hào)xVCO(t)可表示為下列方程式：



在回路鎖定時(shí)為常數(shù)，所以送到壓控振蕩器的控制電壓將等于m(t)。鎖相回路的負(fù)反饋動(dòng)作會(huì)迫使壓控振蕩器頻率等于輸入信號(hào)頻率；為了做到此點(diǎn)，它會(huì)調(diào)整壓控振蕩器的控制電壓讓相位誤差保持不變。我們?nèi)魪膞FM(t)中移除信息信號(hào)，壓控振蕩器頻率將會(huì)鎖定載波中心頻率fc并隨其振蕩。m(t)出現(xiàn)后，xFM(t)會(huì)偏離中心頻率；此時(shí)回路若已鎖定，鎖相回路就會(huì)調(diào)整壓控振蕩器的控制電壓來(lái)追蹤xFM(t)的頻率偏移。由于壓控振蕩器的輸出頻率與控制電壓成正比()，xFM(t)的頻率偏移又正比于信息信號(hào)()，所以壓控振蕩器的控制電壓將等于信息信號(hào)m(t)。

工程師經(jīng)常以鎖相回路做為調(diào)頻解調(diào)器，因?yàn)樗鼈兛梢宰屨{(diào)頻臨界值低于采用鑒頻器的解調(diào)器[1,4]。鎖相回路、鎖頻回路(FLL)和帶有反饋的頻率解調(diào)器(FMFB)之間關(guān)系很密切，它們都能擴(kuò)大調(diào)頻解調(diào)器的臨界值[4]。雖然此外還有其它的調(diào)頻解調(diào)器架構(gòu)，但設(shè)計(jì)人員通常會(huì)利用模擬與數(shù)字技術(shù)在IC里實(shí)作這些解調(diào)器。


圖3：FM調(diào)諧器射頻前端的簡(jiǎn)化方塊圖

FM調(diào)諧器的無(wú)線電環(huán)境是由其目標(biāo)信號(hào)頻帶組成，這在美國(guó)和歐洲是88-108MHz，日本則是76-90MHz；另外，它還包括調(diào)諧器帶寬內(nèi)的所有其它信號(hào)。圖3是FM調(diào)諧器射頻前端的簡(jiǎn)化方塊圖。射頻帶通濾波器(BPF)不會(huì)衰減頻帶邊緣的通道，因此它通常設(shè)計(jì)成略大于整個(gè)調(diào)頻頻帶。高效能FM調(diào)諧器則會(huì)采用帶寬較緊的射頻追蹤濾波器，以便衰減信號(hào)很強(qiáng)的調(diào)頻信道所造成的頻帶外和頻帶內(nèi)干擾。射頻追蹤濾波器需要可變帶通濾波器和控制機(jī)制來(lái)改變?yōu)V波器的中心頻率，所以多數(shù)的低成本調(diào)頻接收機(jī)不會(huì)使用這種濾波器，這使得處理頻帶內(nèi)與頻帶外信號(hào)造成的噪聲就成為射頻接收機(jī)的關(guān)鍵要求之一；其它要求還包括提供信道選擇和小信號(hào)放大功能，但這不能造成信息信號(hào)的信號(hào)雜波比下降太多。

超外差接收機(jī)


圖4：調(diào)頻超外差接收機(jī)

直到1990年代末期為止，幾乎所有商用調(diào)頻廣播接收機(jī)設(shè)計(jì)都是采用某種形式的超外差接收機(jī)。圖4就是超外差接收機(jī)的方塊圖。超外差接收機(jī)先將調(diào)頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)或多個(gè)中頻，然后才進(jìn)行調(diào)頻解調(diào)。此方塊圖是雙中頻超外差接收機(jī)。射頻帶通濾波器是能讓調(diào)頻頻帶通過、但會(huì)衰減頻帶外干擾的一種預(yù)選擇濾波器。設(shè)計(jì)人員會(huì)在射頻帶通濾波器的后面增加低噪聲放大器(LNA)，它能利用增益衰減后面各級(jí)電路傳來(lái)的噪聲，進(jìn)而改善接收機(jī)的靈敏度?；觳ㄆ鲿?huì)把信號(hào)降頻轉(zhuǎn)換到比本地振蕩器頻率還高出和少于中頻頻率的位置，因此接收機(jī)需要一個(gè)鏡像抑制帶通濾波器(image-rejectBPF)來(lái)選擇目標(biāo)信號(hào)和抑制鏡像信號(hào)。中頻帶通濾波器IF1BPF和IF2BPF是提供信道選擇的固定頻率濾波器，限幅器則會(huì)除去降頻信號(hào)的振幅變異，然后才將它送到調(diào)頻解調(diào)器。接收機(jī)的中頻頻率通常會(huì)低于射頻頻率，以便設(shè)計(jì)人員輕松實(shí)作耗電較小的增益與濾波功能。

超外差架構(gòu)能將其增益和濾波功能分散到不同的頻率范圍，因此不需要高Q值濾波器就能提供良好噪聲與干擾效能。然而這種架構(gòu)需要許多外接元器件，包括射頻、鏡像和中頻帶通濾波器以及鎖相回路壓控振蕩器和回路濾波器等，這使它相當(dāng)龐大而昂貴[3,5]。

模擬低中頻接收機(jī)


圖5：模擬低中頻接收機(jī)

模擬低中頻架構(gòu)很像是包含一級(jí)中頻電路的超外差架構(gòu)，主要區(qū)別在于它的射頻鎖相回路與混波器是利用正交信號(hào)所設(shè)計(jì)，故可提供芯片內(nèi)建的鏡像消除功能。鏡像頻率與目標(biāo)信號(hào)的距離等于中頻頻率的兩倍，因此中頻信號(hào)頻率如果太低，鏡像信號(hào)就會(huì)比較靠近目標(biāo)信號(hào)，這將迫使設(shè)計(jì)采用邊緣陡峭的高Q值鏡像抑制濾波器。但若采用正交混波器，設(shè)計(jì)人員就能利用鏡像消除技術(shù)衰減鏡像信號(hào)[3,5,6]，此時(shí)就算中頻頻率很低也不會(huì)造成影響。完成鏡像消除后，接著就由中頻帶通濾波器提供通道選擇。同樣的，在低中頻的位置執(zhí)行放大(限幅)和通道選擇要比在高中頻或射頻更容易。模擬低中頻接收機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是它能減少所需的外部元器件；事實(shí)上，工程師若能將射頻和中頻帶通濾波器以及射頻鎖相回路全部集成到芯片，那么它就完全不需任何外部元器件。模擬低中頻接收機(jī)的最大缺點(diǎn)是其效能與模擬元器件有關(guān)，而模擬元器件又會(huì)受到工藝、電壓和溫度變異影響。這些變異通常會(huì)將鏡像消除能力限制在25-30dB左右，因此鏡像信號(hào)可能隨著不同的中頻選擇而變得非常大。過大的鏡像信號(hào)會(huì)干擾目標(biāo)信號(hào)，我們可在FM調(diào)諧器的音頻輸出端聽到它在兩個(gè)不同的本地振蕩器頻率所產(chǎn)生的干擾。除此之外，邊緣抖峭的中頻通道濾波器還需要一顆很大的電容和很多的芯片面積。純模擬設(shè)計(jì)通常只能提供大約35-40dB的相鄰?fù)ǖ肋x擇性(adjacentchannelselectivity)，這使得干擾效能變得很差。此時(shí)只要有較大的干擾信號(hào)進(jìn)入調(diào)頻解調(diào)器，系統(tǒng)就可能過載或產(chǎn)生互調(diào)失真。

數(shù)位低中頻接收機(jī)


圖6：數(shù)位低中頻接收機(jī)方塊圖

圖6是數(shù)位低中頻接收機(jī)的方塊圖。數(shù)字低中頻架構(gòu)是一種混合信號(hào)架構(gòu)，它會(huì)利用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)把同相位(I)和正交相位(Q)中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號(hào)，接著再由數(shù)字正交混波器把模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出降頻轉(zhuǎn)換至基帶。這種架構(gòu)擁有模擬低中頻架構(gòu)的整合優(yōu)點(diǎn)以及數(shù)字電路實(shí)作的可重復(fù)性和可靠性。工程師可以利用模擬與數(shù)字電路的組合提供優(yōu)異的鏡像抑制能力，這是因?yàn)閿?shù)字電路能完美匹配和進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)排除模擬元器件的瑕疵。另一優(yōu)點(diǎn)是中頻低通濾波器不需提供完整通道濾波，許多時(shí)候甚至只需提供衰減隔臺(tái)干擾源(alternatechannelinterferer)所需的濾波能力和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器所需的抗混疊濾波(anti-aliasingfiltering)。工程師已在數(shù)字域?qū)嵶餍诺罏V波功能以提供陡峭的濾波器下降與衰減，并將芯片面積減至最小和利用高密度亞微米CMOS的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字低中頻架構(gòu)的最大缺點(diǎn)是它需要高效能模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器[5]，實(shí)際要求則視中頻、轉(zhuǎn)換器前面的干擾濾波數(shù)量和輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍要求而定。這套架構(gòu)已通過SiliconLaboratoriesAero®接收器成功用在GSM/GPRS移動(dòng)電話接收機(jī)。

實(shí)際范例CSi4700FM調(diào)諧器
Si4700是業(yè)界首款利用數(shù)字低中頻架構(gòu)和全CMOS工藝技術(shù)的收音機(jī)調(diào)諧器元器件，使得這套功能齊全的整合解決方案只需一顆外接電源旁路電容和不到20平方毫米的電路板面積。圖7是Si4700/01FM調(diào)諧器方塊圖，這款元器件利用SiliconLaboratories已通過考驗(yàn)的Aero數(shù)字低中頻接收機(jī)架構(gòu)與合成器技術(shù)提供更優(yōu)異的射頻效能和干擾抑制能力。數(shù)字低中頻架構(gòu)可省下外部元器件，而且不必為了模擬工藝變異在工廠進(jìn)行調(diào)整。這種混合信號(hào)架構(gòu)讓DSP執(zhí)行信道選擇、調(diào)頻解調(diào)和立體音頻處理，進(jìn)而提供優(yōu)于傳統(tǒng)模擬架構(gòu)的更強(qiáng)大效能。



圖7：Si4700/01數(shù)位低中頻FM調(diào)諧器方塊圖

Si4700FM調(diào)諧器不需任何外部匹配電路就能達(dá)到2.5μV的靈敏度水平。它還擁有杰出的過負(fù)載耐受性(overloadimmunity)，包括108dBμV的IP3以及50dB與70dB的相鄰?fù)ǖ肋x擇性和隔臺(tái)選擇性。Si4700利用DSP針對(duì)各種信號(hào)接收狀況提供最佳音質(zhì)，這種高階集成度、效能和干擾抑制能力全部來(lái)自于數(shù)字低中頻架構(gòu)以及利用數(shù)字技術(shù)實(shí)作的通道選擇和調(diào)頻解調(diào)功能。除了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和縮短開發(fā)時(shí)間外，數(shù)字低中頻架構(gòu)還通過高集成度省下原本所需的外部元器件，進(jìn)而提高質(zhì)量和改善可制造性。

結(jié)語(yǔ)
隨著FM調(diào)諧器采用數(shù)字低中頻接收機(jī)架構(gòu)，一個(gè)新的FM調(diào)諧器時(shí)代也正式展開。數(shù)字架構(gòu)讓調(diào)頻接收機(jī)通過CMOS技術(shù)集成到一顆芯片，這為FM調(diào)諧器設(shè)計(jì)帶來(lái)革命性改變。SiliconLaboratoriesSi4700FM調(diào)諧器不但證明這樣的集成度確能實(shí)現(xiàn)，還提供絕佳的靈敏度和抗干擾效能。CMOS技術(shù)的不斷進(jìn)步將為數(shù)字低中頻FM調(diào)諧器帶來(lái)許多好處，因?yàn)樗姓{(diào)頻信號(hào)處理功能都可在數(shù)字域?qū)嵶鳌涡酒現(xiàn)M調(diào)諧器能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，讓幾乎所有的便攜式消費(fèi)電子裝置都能輕松導(dǎo)入FM調(diào)諧器。功能完整的系統(tǒng)單芯片還會(huì)將外部元器件用料減至最少。另外，設(shè)計(jì)人員還能在IC制造商的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完整系統(tǒng)，確保其運(yùn)作正常，這有助于提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量與可制造性。消費(fèi)者需求終將迫使便攜式電子產(chǎn)品采用FM調(diào)諧器，而新的數(shù)字低中頻FM調(diào)諧器也將繼續(xù)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和提高可制造性。

參考數(shù)據(jù)
[1]S.Haykin,CommunicationSystems,3rdEdition,Wiley,1994
[2]R.E.Ziemer,W.H.Tranter,PrinciplesofCommunications,Systems,Modulation,
andNoise,FourthEdition,Wiley,1995
[3]B.Razavi,RFMicroelectronics,PrenticeHall,1998
[4]W.Mohr,“RapidApproximativeCalculationandOptimizationofPLL-FM-DemodulatorThreshold”,Proc.oftheIEEEInt.SymposiumonCircuitsandSystems,June7-9,1988,HelsinkiFinland,pgs.595C598.
[5]T.Tuttle,IntroductiontoWirelessReceiverDesign,ISSCC2002Tutorial,Feb2002
[6]A.Abidi,“RFCMOSComesofAge”,IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.39,no.4,Apr2004,pgs.549C561