手持設(shè)備中的FM功能設(shè)計與實現(xiàn)

介紹如何在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)調(diào)頻收音功能，重點闡述NXP公司的FM芯片TEA5760的工作原理、硬軟件設(shè)計及要點，并給出了測試結(jié)果。該方案具有高性能、低成本、體積小、控制方便等優(yōu)點，適合應(yīng)用于手機等便攜式設(shè)備中。

　　隨著手機、PDA、MP3播放器等便攜式設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，將調(diào)頻收音功能集成到其中也受到了消費者的青瞇。本文利用芯片TEA5760設(shè)計并實現(xiàn)了集成于手持設(shè)備的調(diào)頻收音功能。

1 TEA5760工作原理

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

500)this.width=500" border=0>

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)頻信號輸入電路組成了一個76～108 MHz的帶通濾波器。低噪放大器的增益受自動增益電路AGC控制，AGC的作用是穩(wěn)定接收信號幅度，抑制鄰近電臺信號產(chǎn)生的交叉調(diào)制部分。放大后的FM信號進入正交混頻（IQ_MIXER）與本振信號進行混頻，產(chǎn)生中頻(IF)信號。與傳統(tǒng)超外差式收音機固定中頻為 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，對中頻信號進行放大限幅等信號處理，抑制干擾信號，消除寄生調(diào)幅。中頻信號經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)得到立體聲調(diào)制信號，最后經(jīng)過靜噪處理進行立體聲解調(diào)，還原出被調(diào)制的立體聲音頻信號輸出。其中，本振信號由鎖相環(huán)(PLL)頻率合成數(shù)字調(diào)頻系統(tǒng)產(chǎn)生，CPU通過I2C總線對可編程分頻器的分頻系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使壓控振蕩器（VCO）輸出本振頻率變化（150～217 MHz），從而達到數(shù)字化調(diào)臺的目的。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)簡介

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

500)this.width=500" border=0>

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I2S接口輸出解碼后數(shù)字信號至音頻DAC WM8976。WM8976內(nèi)置輸出功率為900 mW外放功放和40 mW耳機功放，可直接驅(qū)動手機外部揚聲器和耳機。FM部分則通過耳機線作天線，RF信號通過耳機線進入TEA5760，基帶芯片通過I2C總線向 TEA5760寫控制字來實現(xiàn)手動或自動調(diào)臺，并從TEA5760的狀態(tài)字讀取信息以實現(xiàn)電臺存儲。輸出的R、L音頻信號比較微弱，無法直接驅(qū)動耳機，通過WM8976的模擬輸入通道AUXR、AUXL，可通過對音頻DAC的控制，實現(xiàn)該信號切換至揚聲器或耳機，實現(xiàn)了對信號的功率放大。同時，因為 TEA5760本身不帶音量控制功能，而WM8976可調(diào)節(jié)音量，這樣也可實現(xiàn)對FM音頻音量進行調(diào)節(jié)。Camera則由Mtekvision公司的 MV3019實現(xiàn)對130萬像素圖像的JPEG編解碼，顯示屏為120×160像素260K色TFT LCD,外擴512 Mb NAND Flash則用于對圖片和MP3歌曲的存放。電源管理部分PMU負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)供電的LDO,DC/DC以及鋰電池的充電進行管理。

2.2 硬件設(shè)計

　　調(diào)頻收音部分電路原理圖如圖3所示。

500)this.width=500" border=0>

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。射頻信號從耳機地線引入，進入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，耳機地線經(jīng)過LC并聯(lián)電路接地，起隔離作用,這樣FM信號可以損耗很小地進入芯片。供電由LDO 3.0 V提供，因與系統(tǒng)其他部分共用，在設(shè)計中用磁珠隔離。系統(tǒng)時鐘由BBIC的CG_CK端輸出，即為32.768 kHz，2個10 kΩ分壓電阻用于減小輸入TEA5760的時鐘電壓幅度。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I2C接口對TEA5760進行控制，GPIO[23]連接BUSEN用于控制總線的使能。由于在設(shè)計中使用查詢方式，中斷線INTX未接。TEA5760 VAFL、VAFR輸出的左右聲道音頻信號，經(jīng)過隔直電容輸入WM8976的模擬通道AUXL、AUXR，最后輸出至耳機與揚聲器。

　　由于牽涉到高頻電路等特殊性,在設(shè)計中尤為注意：

　?、?電路對整個參考時鐘的要求比較高，頻偏為±20×10-6，幅度為1.15～1.95 V，否則VCO等部分無法正常工作，從而導(dǎo)致搜臺失敗。
　?、?在多層板設(shè)計中，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，如果無法回避則需要有地層隔離，避免干擾。
　?、?系統(tǒng)設(shè)計布局中，盡量遠(yuǎn)離DC/DC電源等干擾性比較強的電路。在收音工作時，盡量關(guān)閉其他工作電源，使對其影響降到最低。
　?、?與芯片引腳相連的分立器件盡量靠近引腳，參考時鐘到芯片的距離盡量短而粗。
　　⑤ 耳機旁的隔離電感應(yīng)該在電路板上緊靠耳機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

　　平臺采用Nucleus Plus操作系統(tǒng)，調(diào)頻收音功能的實現(xiàn)主要體現(xiàn)在對TEA5760驅(qū)動程序的設(shè)計，然后再由應(yīng)用層來調(diào)用。驅(qū)動程序主要完成預(yù)置 NxpFmPreset(void)、自動搜索NxpFmAutosearch(void)以及手動搜索NxpFmHandsearch(void)等幾個功能函數(shù)的設(shè)計。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I2C總線向TEA5760寫控制字來實現(xiàn)手動或自動調(diào)臺等操作，同時讀TEA5760的狀態(tài)字并實現(xiàn)臺存儲。

　　其中自動搜索主要包括搜索頻率的設(shè)定、信號強度level的讀取、中頻計數(shù)器的讀取、有效頻道的判別等過程，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)換計算公式推出PLL值。

500)this.width=500" border=0>

式中: NDEC為PLL十進制數(shù)值；FRF為想要調(diào)的電臺的頻率；FIF為中頻頻率225 kHz；FREFS為參考頻率32.768 kHz。然后，通過設(shè)置控制寄存器設(shè)定信號強度閾值SSL_threshold、Auto向上搜索模式等；等待自動調(diào)諧完成標(biāo)志位FRRF置位,并通過查詢位BLF判斷是否已頻率越界，若在頻率范圍內(nèi)則通過讀取中頻計數(shù)器的值來判斷是否為有效電臺；最后需要對頻道進行High/Low Injection的優(yōu)化選擇。手動搜索則相當(dāng)于自動搜索的一個步進頻率的搜索過程。

500)this.width=500" border=0>

圖4 自動搜索工作流程

　　在軟件設(shè)計時需要注意的是：

　?、?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，前面的字節(jié)都必須一并讀取/寫入。
　　② 在自動搜臺中采用比較優(yōu)化的算法，需要先把信號強度閾值設(shè)定為最高，全程搜索并保存；然后，降低信號強度閾值至中等，并且再次全程搜索并保存（同時需要去掉上次已收到的相同電臺）；最后，降低信號強度閾值至最低，再次重復(fù)搜索。

　　4 測試結(jié)果

　　經(jīng)過對平臺FM功能模塊的指標(biāo)測試，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在手機平臺上實現(xiàn)了調(diào)頻收音功能，該方案外圍器件少，控制簡單，性價比較高，在便攜式設(shè)備中有一定的推廣價值。

　　參考文獻

　　[1] Philips Semiconductors. TEA5760UK Preliminary IC Specification. Version 2.6, 　　2006.
　　[2] VIA Telecom. CBP6.0 Specification.Version12D, 2006.
　　[3] Wolfson microelectronics. WM8976 Specification.Version3.0, 2006.
　　[4] 葉澤剛,孫龍杰,楊波． 便攜調(diào)頻收音機的設(shè)計[J]. 電聲技術(shù)，2006(5)：41-　　43.
　　[5] 李杰,劉福華. 數(shù)字式調(diào)頻收音機設(shè)計[J]. 電聲技術(shù)，2003(6)：37-40.

鮑軍民（碩士、工程師），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、無線終端。