手持設(shè)備中的FM功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 TEA5760工作原理

　　NXP公司推出的TEA5760收音機(jī)芯片，具有高性能、低成本、外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)，I2C總線控制簡(jiǎn)單。TEA5760工作原理框圖如圖1所示。

圖1 TEA5760工作原理框圖

　　低噪放大器的輸入阻抗和外接的LC調(diào)頻信號(hào)輸入電路組成了一個(gè)76～108 MHz的帶通濾波器。低噪放大器的增益受自動(dòng)增益電路AGC控制，AGC的作用是穩(wěn)定接收信號(hào)幅度，抑制鄰近電臺(tái)信號(hào)產(chǎn)生的交叉調(diào)制部分。放大后的FM信號(hào)進(jìn)入正交混頻（IQ_MIXER）與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生中頻(IF)信號(hào)。與傳統(tǒng)超外差式收音機(jī)固定中頻為 10.7 MHz不同，其固定中頻為225 kHz，有助于降低芯片功耗和成本。然后，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行放大限幅等信號(hào)處理，抑制干擾信號(hào)，消除寄生調(diào)幅。中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)器解調(diào)得到立體聲調(diào)制信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)靜噪處理進(jìn)行立體聲解調(diào)，還原出被調(diào)制的立體聲音頻信號(hào)輸出。其中，本振信號(hào)由鎖相環(huán)(PLL)頻率合成數(shù)字調(diào)頻系統(tǒng)產(chǎn)生，CPU通過(guò)I2C總線對(duì)可編程分頻器的分頻系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使壓控振蕩器（VCO）輸出本振頻率變化（150～217 MHz），從而達(dá)到數(shù)字化調(diào)臺(tái)的目的。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　系統(tǒng)采用VIA Telecom公司的CDMA手機(jī)平臺(tái)，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)“Camera+MP3+FM”功能，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

　　系統(tǒng)基帶芯片以ARM7TDMI為控制核心，輔以2個(gè)DSP核處理調(diào)制解調(diào)功能和音頻編解碼功能。芯片內(nèi)嵌MP3解碼器，通過(guò)I2S接口輸出解碼后數(shù)字信號(hào)至音頻DAC WM8976。WM8976內(nèi)置輸出功率為900 mW外放功放和40 mW耳機(jī)功放，可直接驅(qū)動(dòng)手機(jī)外部揚(yáng)聲器和耳機(jī)。FM部分則通過(guò)耳機(jī)線作天線，RF信號(hào)通過(guò)耳機(jī)線進(jìn)入TEA5760，基帶芯片通過(guò)I2C總線向TEA5760寫(xiě)控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)臺(tái)，并從TEA5760的狀態(tài)字讀取信息以實(shí)現(xiàn)電臺(tái)存儲(chǔ)。輸出的R、L音頻信號(hào)比較微弱，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，通過(guò)WM8976的模擬輸入通道AUXR、AUXL，可通過(guò)對(duì)音頻DAC的控制，實(shí)現(xiàn)該信號(hào)切換至揚(yáng)聲器或耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的功率放大。同時(shí)，因?yàn)門(mén)EA5760本身不帶音量控制功能，而WM8976可調(diào)節(jié)音量，這樣也可實(shí)現(xiàn)對(duì)FM音頻音量進(jìn)行調(diào)節(jié)。Camera則由Mtekvision公司的MV3019實(shí)現(xiàn)對(duì)130萬(wàn)像素圖像的JPEG編解碼，顯示屏為120×160像素260K色TFT LCD,外擴(kuò)512 Mb NAND Flash則用于對(duì)圖片和MP3歌曲的存放。電源管理部分PMU負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電的LDO,DC/DC以及鋰電池的充電進(jìn)行管理。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

　　調(diào)頻收音部分電路原理圖如圖3所示。

圖3 調(diào)頻收音部分電路原理圖

　　由系統(tǒng)分析可知，該部分由基帶IC、收音芯片TEA5760和音頻DAC芯片WM8976組成。射頻信號(hào)從耳機(jī)地線引入，進(jìn)入LC輸入回路組成的76～108 MHz的帶通濾波器。其中，電感L2采用高精度、高Q值、低噪聲電感(Murata公司的LQW15ANR12J00)，從而使輸入回路具有良好的選擇性和較高的傳輸系數(shù)。圖中，耳機(jī)地線經(jīng)過(guò)LC并聯(lián)電路接地，起隔離作用,這樣FM信號(hào)可以損耗很小地進(jìn)入芯片。供電由LDO 3.0 V提供，因與系統(tǒng)其他部分共用，在設(shè)計(jì)中用磁珠隔離。系統(tǒng)時(shí)鐘由BBIC的CG_CK端輸出，即為32.768 kHz，2個(gè)10 kΩ分壓電阻用于減小輸入TEA5760的時(shí)鐘電壓幅度。在本振回路中，電感L1采用高精度、高Q值、低噪聲電感(Murata公司的LQW15AN47NJ00)?；鶐C通過(guò)I2C接口對(duì)TEA5760進(jìn)行控制，GPIO[23]連接BUSEN用于控制總線的使能。由于在設(shè)計(jì)中使用查詢方式，中斷線INTX未接。TEA5760 VAFL、VAFR輸出的左右聲道音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔直電容輸入WM8976的模擬通道AUXL、AUXR，最后輸出至耳機(jī)與揚(yáng)聲器。

　　由于牽涉到高頻電路等特殊性,在設(shè)計(jì)中尤為注意：

① 電路對(duì)整個(gè)參考時(shí)鐘的要求比較高，頻偏為±20×10-6，幅度為1.15～1.95 V，否則VCO等部分無(wú)法正常工作，從而導(dǎo)致搜臺(tái)失敗。
② 在多層板設(shè)計(jì)中，調(diào)頻收音部分電路下方不要走高速線；特別是在VCO電路部分，如果無(wú)法回避則需要有地層隔離，避免干擾。
③ 系統(tǒng)設(shè)計(jì)布局中，盡量遠(yuǎn)離DC/DC電源等干擾性比較強(qiáng)的電路。在收音工作時(shí)，盡量關(guān)閉其他工作電源，使對(duì)其影響降到最低。
④ 與芯片引腳相連的分立器件盡量靠近引腳，參考時(shí)鐘到芯片的距離盡量短而粗。
⑤ 耳機(jī)旁的隔離電感應(yīng)該在電路板上緊靠耳機(jī)接口放置以增加接收的靈敏度，并且電感的直流阻抗應(yīng)當(dāng)盡量小，以降低音頻的功率損耗。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　平臺(tái)采用Nucleus Plus操作系統(tǒng)，調(diào)頻收音功能的實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)在對(duì)TEA5760驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，然后再由應(yīng)用層來(lái)調(diào)用。驅(qū)動(dòng)程序主要完成預(yù)置NxpFmPreset(void)、自動(dòng)搜索NxpFmAutosearch(void)以及手動(dòng)搜索NxpFmHandsearch(void)等幾個(gè)功能函數(shù)的設(shè)計(jì)。芯片內(nèi)部帶有6字節(jié)的控制寄存器和16字節(jié)的狀態(tài)寄存器，基帶IC通過(guò)I2C總線向TEA5760寫(xiě)控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)臺(tái)等操作，同時(shí)讀TEA5760的狀態(tài)字并實(shí)現(xiàn)臺(tái)存儲(chǔ)。

　　其中自動(dòng)搜索主要包括搜索頻率的設(shè)定、信號(hào)強(qiáng)度level的讀取、中頻計(jì)數(shù)器的讀取、有效頻道的判別等過(guò)程，其工作流程如圖4所示。

　　設(shè)定起始頻率為Blandlimitlow，取step為100 kHz，根據(jù)頻率鎖相環(huán)轉(zhuǎn)換計(jì)算公式推出PLL值。

式中: NDEC為PLL十進(jìn)制數(shù)值；FRF為想要調(diào)的電臺(tái)的頻率；FIF為中頻頻率225 kHz；FREFS為參考頻率32.768 kHz。然后，通過(guò)設(shè)置控制寄存器設(shè)定信號(hào)強(qiáng)度閾值SSL_threshold、Auto向上搜索模式等；等待自動(dòng)調(diào)諧完成標(biāo)志位FRRF置位,并通過(guò)查詢位BLF判斷是否已頻率越界，若在頻率范圍內(nèi)則通過(guò)讀取中頻計(jì)數(shù)器的值來(lái)判斷是否為有效電臺(tái)；最后需要對(duì)頻道進(jìn)行High/Low Injection的優(yōu)化選擇。手動(dòng)搜索則相當(dāng)于自動(dòng)搜索的一個(gè)步進(jìn)頻率的搜索過(guò)程。

圖4 自動(dòng)搜索工作流程

　　在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是：

① 芯片I2C通信協(xié)議不支持sub address，當(dāng)需要讀取/更改比較靠后的狀態(tài)/命令字節(jié)時(shí)，前面的字節(jié)都必須一并讀取/寫(xiě)入。
② 在自動(dòng)搜臺(tái)中采用比較優(yōu)化的算法，需要先把信號(hào)強(qiáng)度閾值設(shè)定為最高，全程搜索并保存；然后，降低信號(hào)強(qiáng)度閾值至中等，并且再次全程搜索并保存（同時(shí)需要去掉上次已收到的相同電臺(tái)）；最后，降低信號(hào)強(qiáng)度閾值至最低，再次重復(fù)搜索。

4 測(cè)試結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)對(duì)平臺(tái)FM功能模塊的指標(biāo)測(cè)試，在SNR=26 dB、最大頻偏為22.5 kHz條件下，接收靈敏度為1.5 μVemf，立體聲隔離度為35 dB，單聲道信噪比為55 dB，立體聲信噪比為50 dB，工作電流約14 mA。本文采用TEA5760在手機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻收音功能，該方案外圍器件少，控制簡(jiǎn)單，性價(jià)比較高，在便攜式設(shè)備中有一定的推廣價(jià)值。