如何设计数字调频收音机
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。
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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。
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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。
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