基于數(shù)字鎖相環(huán)的調(diào)頻發(fā)射器架構(gòu)研究

在過去的20年里數(shù)字便攜設(shè)備的出貨量有了巨大的增長。許多便攜式設(shè)備帶有音頻內(nèi)容，例如:包括 iPod的MP3播放器、PDA、手機(jī)、PMP、便攜式游戲機(jī)等等。人們一直在探索不同的途徑，有線或無線的方式，來向不同的外部設(shè)備傳輸音頻信號(hào)，來和他人分享音樂內(nèi)容，或自己用耳機(jī)收聽。和其它技術(shù)相比，調(diào)頻(FM)技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，擁有巨大的現(xiàn)成用戶群，同時(shí)它具有使用方便、音質(zhì)優(yōu)良、低功耗及低成本的優(yōu)點(diǎn)。因此調(diào)頻傳輸提供了非常有吸引力的音頻傳輸解決方案。

　　傳統(tǒng)上，音頻調(diào)頻傳輸發(fā)射器(如圖1所示)由兩個(gè)基本模塊組成：一個(gè)是產(chǎn)生立體聲MPX信號(hào)的立體聲調(diào)制器，另一個(gè)是發(fā)送FM信號(hào)的FM單元。依照調(diào)頻FM標(biāo)準(zhǔn)，音頻波段信號(hào)必須先轉(zhuǎn)換成MPX信號(hào)，然后用一個(gè)高頻的載波(76～108MHz)來調(diào)制。通常會(huì)使用一個(gè)模擬鎖相環(huán)(PLL)來產(chǎn)生和鎖定該高頻載波到一個(gè)精確的參考時(shí)鐘。立體聲MPX信號(hào)的產(chǎn)生則需要對(duì)左右音頻信號(hào)進(jìn)行正確的加減，合成一個(gè)19KHz的導(dǎo)頻音，還需要一定的預(yù)加重來產(chǎn)生最終的MPX信號(hào)。MPX信號(hào)被直接耦合到壓控振蕩器(VCO)的控制電壓來調(diào)制載波的相位或頻率，最后FM信號(hào)通過一個(gè)功率放大器被傳送至發(fā)射天線。

　　上述的純模擬方法有三個(gè)缺點(diǎn)：首先，對(duì)控制電壓的直接調(diào)制需要PLL帶寬非常窄，由于需要使用較大的無源元器件，加上片上VCO相位噪聲較大，要將環(huán)路濾波器和VCO集成到片上是非常困難的。這就是為什么在傳統(tǒng)的調(diào)頻FM發(fā)射器方案中會(huì)有許多外部元器件的主要原因。由于相當(dāng)數(shù)量的外部元器件(包括電感、電容和電阻)需要在使用前進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)于系統(tǒng)制造商想要保持低成本同時(shí)又要控制產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性而言，這相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。其次，由于片上器件在不同信號(hào)路徑上的不匹配，模擬放大器里的加減精度受到了限制。這會(huì)直接影響到FM信號(hào)的立體聲隔離性能。第三點(diǎn)，模擬電路的性能會(huì)受限于外部器件的噪聲，而提高信噪比的代價(jià)則是犧牲功耗和面積(或意味著增加成本)。

　　以上這些缺點(diǎn)導(dǎo)致在便攜式應(yīng)用領(lǐng)域難以采用傳統(tǒng)的調(diào)頻FM發(fā)射器架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)低成本，高集成，低功耗的調(diào)頻FM傳輸方式。

　　為了克服傳統(tǒng)的調(diào)頻FM發(fā)射器架構(gòu)的這些缺點(diǎn)，KT MICRO公司設(shè)計(jì)并發(fā)表了一款基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)的高集成調(diào)頻FM發(fā)射器芯片－KT0801。該芯片可以為便攜式設(shè)備應(yīng)用提供業(yè)界領(lǐng)先的性能和系統(tǒng)集成度。

　　KT0801的性能特點(diǎn)

　　KT0801擁有雙通道20位ΔΣ音頻ADC、一個(gè)高保真的數(shù)字音頻信號(hào)處理器以及一個(gè)全集成的射頻RF發(fā)射器。其架構(gòu)是基于一個(gè)寬帶寬的數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)，它可以提供頻率高穩(wěn)定性和高抗干擾性。片上的LDO使得芯片可以集成到不同電池驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)里，支持電源電壓可從1.6V到3.6V。單一電源供電情況下芯片功耗小于20mW，相當(dāng)于市場(chǎng)上主要競(jìng)爭(zhēng)方案的一半，因而可以延長一倍的電池壽命。

　　圖1：傳統(tǒng)音頻傳輸發(fā)射器架構(gòu)方框圖。

　　由于它的高集成度，KT0801使用普通的24腳4x4 QFN封裝，僅需要單一的低電壓供電及一塊小尺寸的晶振或一個(gè)外部時(shí)鐘即可工作。不需要外部元件調(diào)試或校準(zhǔn)也意味著真正減少系統(tǒng)集成和維護(hù)的代價(jià)并縮減開發(fā)上市的時(shí)間。

　　KT0801系統(tǒng)架構(gòu)

　　基于DSP的調(diào)頻FM發(fā)射器架構(gòu)如圖2所示，它提供了一個(gè)真正的系統(tǒng)級(jí)芯片解決方案。和現(xiàn)存的用模擬方式直接頻率調(diào)制音頻信息的產(chǎn)品不同，KT MICRO公司實(shí)現(xiàn)了用純數(shù)字方式來進(jìn)行頻率調(diào)制、預(yù)加重、導(dǎo)頻音和信號(hào)合成。

　　圖2： KT0801調(diào)頻發(fā)射器的系統(tǒng)架構(gòu)

　立體聲音頻信號(hào)首先由可編程放大器(PGA)和低通濾波器(LPF)模塊進(jìn)行放大和濾波。

　　它們之間的連接既可以是直流耦合也可以是交流耦合。如果選擇交流耦合的話，片上電路能自動(dòng)提供直流偏置。無論選擇哪種增益，LPF的3dB頻率被設(shè)定在20KHz附近。LPF能夠?yàn)V除任何來自立體聲源的高頻噪聲和LPF自身的噪聲。PGA提供多重增益設(shè)定讓FM發(fā)射器可以根據(jù)不同的音源優(yōu)化設(shè)置。KT MICRO公司特有的電路結(jié)構(gòu)和偏置校準(zhǔn)方式可以實(shí)現(xiàn)非常高的線性度和低噪聲，同時(shí)還保持了極低的功耗。

　　經(jīng)過了放大和濾波之后，立體聲音頻信號(hào)由以片上晶振作為時(shí)鐘的ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。ΔΣADC特別適用于集成音頻應(yīng)用因?yàn)樗詳?shù)字電路的復(fù)雜度得到極高的模擬性能。除了性能要達(dá)到20-bit的動(dòng)態(tài)范圍之外，選擇合理的ADC架構(gòu)的最重要的因素就是使得從參考電平緩沖電路釋放的電荷必須與信號(hào)無關(guān)，否則會(huì)直接降低聲道的隔離效果。系統(tǒng)中運(yùn)用了一個(gè)低功耗和低噪聲參考電平緩沖電路。此電路無需通常使用的片外旁路電容。雙通道模擬前端經(jīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)，減小了增益和相位的不匹配。另外系統(tǒng)采用了一個(gè)偏置校準(zhǔn)電路以用來最大地提高動(dòng)態(tài)范圍。

　　經(jīng)ΔΣADC的數(shù)字信號(hào)被更進(jìn)一步過濾和降低采樣來減少波段內(nèi)的噪聲，其中包括量化噪聲和輸入音頻噪聲。同時(shí)我們?cè)谠O(shè)計(jì)中注意減少了通頻帶的紋波。芯片集成了一個(gè)數(shù)字高通濾波器來濾掉直流至20KHz間的噪聲。因?yàn)榇蠖鄶?shù)信號(hào)處理都是數(shù)字實(shí)現(xiàn)，因此數(shù)字高通濾波器無需片外元件，取得精確的3dB頻率。

　　圖3：典型的應(yīng)用電路

　　數(shù)字音頻系統(tǒng)中非常普遍地采用了預(yù)加重技術(shù)，因?yàn)樗芴岣哒麄€(gè)系統(tǒng)的SNR性能。在數(shù)字領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)預(yù)加重，無需外部元件，同時(shí)預(yù)加重時(shí)間常數(shù)可以很容易地通過設(shè)定一個(gè)寄存器來調(diào)整。MPX信號(hào)在數(shù)字領(lǐng)域合成后，它被送往DPLL進(jìn)行上變換。

　　因?yàn)橐纛l波段相當(dāng)窄，典型的PLL在音頻應(yīng)用中需要外部元件。同時(shí)，由于片上器件線性度非常有限以及其它的非線性因素，要在正常的工藝和溫度變化內(nèi)搭建一個(gè)適用于所有FM波段的高線性度、寬調(diào)諧范圍的PLL是件非常困難的事。因此KT MICRO發(fā)明設(shè)計(jì)了一系列特有的電路和校準(zhǔn)機(jī)制來應(yīng)付這些問題。測(cè)量的結(jié)果顯示KT0801的設(shè)計(jì)在從76MHz到108MHz的寬調(diào)諧范圍內(nèi)達(dá)到了超過68dB的 SNR。

　　如圖3所示，KT0801僅僅需要一個(gè)外部時(shí)鐘、一個(gè)立體聲信號(hào)源、一個(gè)單一電源及一個(gè)天線就可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本的便攜式FM傳輸解決方案。

　　本文小結(jié)

　　KT0801運(yùn)用了一種新的基于數(shù)字PLL和DSP的調(diào)頻FM發(fā)射器架構(gòu)，可以有效地消除所有片外元器件，大大減少PCB板的面積。結(jié)合其低功耗的功能，KT0801令把調(diào)頻FM發(fā)射器集成至所有便攜式設(shè)備(如手機(jī)、MP3和MP4播放器、便攜式 GPS設(shè)備及無線耳機(jī))成為一件非常輕松的任務(wù)。