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FM调谐器架构的演进,http://www.5idzw.com
过去十年里，射频通讯电路设计已有长足进展。这些进展来自于全新的射频架构，也是我们一度因为集成度过低、耗电太高和不佳的工艺技术而认为不可能实现的架构。除此之外，高效能和高密度亚微米CMOS技术的出现还将数字技术带入射频领域，大幅改变射频通讯电路的设计方式。设计人员已将这些技术用于全球定位系统 (GPS)、无线网络和移动电话等许多无线通讯标准，同时发展出强大可靠的高集成芯片组解决方案来提高整体系统效能与可靠性。集成外部元器件以及射频电路和数字基带会带来许多好处，包括减少元器件用料 (BOM)、缩小电路板面积、简化电路板层级应用设计和提高可制造性。
把全部系统集成到芯片可以减少所需测试的外部元器件数目，进而提高产品的可制造性。许多现代通讯应用都能看到功能整合的例子，但调频无线电广播标准直到最近都没有太大技术进展。就算进入今日数字时代，许多便携式调频无线电仍需超过15颗外部元器件。无线电制造商仍以早期模拟技术为其设计基础，这些模拟技术多半采用昂贵和低集成度的双极性 (bipolar) 或Bi-CMOS工艺。
尽管FM调谐器 (tuner) 相关产品市场持续成长，其无线电架构却几乎没有任何改变。完全集成式100% CMOS数字低中频架构的出现是FM调谐器无线电架构过去十年来的第一次重大进步。在此之前，设计人员已将数种射频架构用于FM调谐器，它们各有自己的优缺点。为了讨论方便起见，我们将分析传统的调频发射机和调频接收机架构以便了解调频系统的共同架构。我们还将介绍FM调谐器的多种演进结果，它们最后为调频接收器带来全新的数字低中频架构。另外，我们也将解释这套架构如何实现全面性高效能整合，使得整个FM调谐器只需一颗外部旁路电容。
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图1：(a) 调频发射机和 (b) 调频接收机方块图
图1显示传统的调频发射机和接收机。调频发射机先让左右声道的音频信号通过预加重滤波器 (pre-emphasis filter)，然后将信号与RDS (Radio Data System) 数据结合在一起产生复合信息信号m(t)。发射机接着调变信息信号频率并将结果送到射频发射机，由它将信号升频转换至无线电频率并产生输出信号xFM(t)。设计人员可以使用电压控制振荡器 (VCO) 实作调频调变器和射频发射机功能。就理论而言，这种直接调频调变法应能正常工作，但设计人员实际上会利用锁相回路 (PLL) 稳定载波频率以避免频率漂移，同时利用功率放大器驱动天线。
调频接收机使用射频接收机把射频信号xFM(t) 降转至基带。在理想情形下，调频解调器可藉由反向执行调变程序取回原始信息。接收机接着把信息信号m(t) 送给MPX解调器以便将音频和RDS数据分离，再让左右声道音频通过去加重 (de-emphasis) 电路以消除预加重滤波器引进的线性失真。预加重和去加重滤波器的串联不会影响左右声道音频，但能大幅衰减高频噪声与干扰，理论上可将信号杂波比 (SNR) 提高13dB左右 [1, 2]。
FM调谐器效能主要由射频接收机与调频解调器决定。最基本的调频解调器架构就是一个由时域差分器和包络检测器组成的鉴频器 (frequency discriminator)。采用这种解调器时，差分器会把利用相位存储信息的调频信号转换成利用振幅存储信息的调幅信号，然后由包络检测器从振幅中取回信息。调频载波的振幅变动可能会破坏鉴频器的解调输出，因此鉴频器的前面通常会增加一级限幅器以便除去载波的振幅变动。其它常用的调频鉴频器包括Foster-Seeley鉴别器和比例检测器 [1, 2]。制造商过去大都利用分立元器件组成的鉴频器设计调频解调器，例如变压器、晶体管、二极管、电阻和电容；今天，多数设计都已采用IC解决方案。
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图2：典型的锁相回路方块图及其线性模型
锁相回路是目前很受欢迎的一种调频调变架构，图2就是典型的锁相回路方块图及其线性模型。其中PD代表相位检测器 (Phase Detector)，KPD是相位检测器增益，HLF(s) 是回路滤波器转移函数，KVCO/s则是压控振荡器转移函数。锁相回路是一种负反馈系统，它会根据输入信号xFM(t) 锁定反馈信号xVCO(t) 的相位。调频信号xFM(t) 可表示为下列方程式：
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其中Ac是载波振幅，fc是载波频率，KVCO是电压/频率转换常数，m(t) 则代表信息或信息信号。回路锁定后，相位误差fe将保持不变。反馈信号xVCO(t) 可表示为下列方程式：
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在回路锁定时为常数，所以送到压控振荡器的控制电压将等于m(t)。锁相回路的负反馈动作会迫使压控振荡器频率等于输入信号频率；为了做到此点，它会调整压控振荡器的控制电压让相位误差保持不变。我们若从xFM(t) 中移除信息信号，压控振荡器频率将会锁定载波中心频率fc并随其振荡。m(t) 出现后，xFM(t) 会偏离中心频率；此时回路若已锁定，锁相回路就会调整压控振荡器的控制电压来追踪xFM(t) 的频率偏移。由于压控振荡器的输出频率与控制电压成正比 (![]()
)，xFM(t) 的频率偏移又正比于信息信号 ( ![]()
)，所以压控振荡器的控制电压将等于信息信号m(t)。
工程师经常以锁相回路做为调频解调器，因为它们可以让调频临界值低于采用鉴频器的解调器 [1,4]。锁相回路、锁频回路 (FLL) 和带有反馈的频率解调器 (FMFB) 之间关系很密切，它们都能扩大调频解调器的临界值 [4]。虽然此外还有其它的调频解调器架构，但设计人员通常会利用模拟与数字技术在IC里实作这些解调器。
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图3：FM调谐器射频前端的简化方块图
FM调谐器的无线电环境是由其目标信号频带组成，这在美国和欧洲是88-108 MHz，日本则是76-90MHz；另外，它还包括调谐器带宽内的所有其它信号。图3是FM调谐器射频前端的简化方块图。射频带通滤波器 (BPF) 不会衰减频带边缘的通道，因此它通常设计成略大于整个调频频带。高效能FM调谐器则会采用带宽较紧的射频追踪滤波器，以便衰减信号很强的调频信道所造成的频带外和频带内干扰。射频追踪滤波器需要可变带通滤波器和控制机制来改变滤波器的中心频率，所以多数的低成本调频接收机不会使用这种滤波器，这使得处理频带内与频带外信号造成的噪声就成为射频接收机的关键要求之一；其它要求还包括提供信道选择和小信号放大功能，但这不能造成信息信号的信号杂波比下降太多。
，FM调谐器架构的演进
过去十年里，射频通讯电路设计已有长足进展。这些进展来自于全新的射频架构，也是我们一度因为集成度过低、耗电太高和不佳的工艺技术而认为不可能实现的架构。除此之外，高效能和高密度亚微米CMOS技术的出现还将数字技术带入射频领域，大幅改变射频通讯电路的设计方式。设计人员已将这些技术用于全球定位系统 (GPS)、无线网络和移动电话等许多无线通讯标准，同时发展出强大可靠的高集成芯片组解决方案来提高整体系统效能与可靠性。集成外部元器件以及射频电路和数字基带会带来许多好处，包括减少元器件用料 (BOM)、缩小电路板面积、简化电路板层级应用设计和提高可制造性。
把全部系统集成到芯片可以减少所需测试的外部元器件数目，进而提高产品的可制造性。许多现代通讯应用都能看到功能整合的例子，但调频无线电广播标准直到最近都没有太大技术进展。就算进入今日数字时代，许多便携式调频无线电仍需超过15颗外部元器件。无线电制造商仍以早期模拟技术为其设计基础，这些模拟技术多半采用昂贵和低集成度的双极性 (bipolar) 或Bi-CMOS工艺。
尽管FM调谐器 (tuner) 相关产品市场持续成长，其无线电架构却几乎没有任何改变。完全集成式100% CMOS数字低中频架构的出现是FM调谐器无线电架构过去十年来的第一次重大进步。在此之前，设计人员已将数种射频架构用于FM调谐器，它们各有自己的优缺点。为了讨论方便起见，我们将分析传统的调频发射机和调频接收机架构以便了解调频系统的共同架构。我们还将介绍FM调谐器的多种演进结果，它们最后为调频接收器带来全新的数字低中频架构。另外，我们也将解释这套架构如何实现全面性高效能整合，使得整个FM调谐器只需一颗外部旁路电容。
图1：(a) 调频发射机和 (b) 调频接收机方块图
图1显示传统的调频发射机和接收机。调频发射机先让左右声道的音频信号通过预加重滤波器 (pre-emphasis filter)，然后将信号与RDS (Radio Data System) 数据结合在一起产生复合信息信号m(t)。发射机接着调变信息信号频率并将结果送到射频发射机，由它将信号升频转换至无线电频率并产生输出信号xFM(t)。设计人员可以使用电压控制振荡器 (VCO) 实作调频调变器和射频发射机功能。就理论而言，这种直接调频调变法应能正常工作，但设计人员实际上会利用锁相回路 (PLL) 稳定载波频率以避免频率漂移，同时利用功率放大器驱动天线。
调频接收机使用射频接收机把射频信号xFM(t) 降转至基带。在理想情形下，调频解调器可藉由反向执行调变程序取回原始信息。接收机接着把信息信号m(t) 送给MPX解调器以便将音频和RDS数据分离，再让左右声道音频通过去加重 (de-emphasis) 电路以消除预加重滤波器引进的线性失真。预加重和去加重滤波器的串联不会影响左右声道音频，但能大幅衰减高频噪声与干扰，理论上可将信号杂波比 (SNR) 提高13dB左右 [1, 2]。
FM调谐器效能主要由射频接收机与调频解调器决定。最基本的调频解调器架构就是一个由时域差分器和包络检测器组成的鉴频器 (frequency discriminator)。采用这种解调器时，差分器会把利用相位存储信息的调频信号转换成利用振幅存储信息的调幅信号，然后由包络检测器从振幅中取回信息。调频载波的振幅变动可能会破坏鉴频器的解调输出，因此鉴频器的前面通常会增加一级限幅器以便除去载波的振幅变动。其它常用的调频鉴频器包括Foster-Seeley鉴别器和比例检测器 [1, 2]。制造商过去大都利用分立元器件组成的鉴频器设计调频解调器，例如变压器、晶体管、二极管、电阻和电容；今天，多数设计都已采用IC解决方案。
图2：典型的锁相回路方块图及其线性模型
锁相回路是目前很受欢迎的一种调频调变架构，图2就是典型的锁相回路方块图及其线性模型。其中PD代表相位检测器 (Phase Detector)，KPD是相位检测器增益，HLF(s) 是回路滤波器转移函数，KVCO/s则是压控振荡器转移函数。锁相回路是一种负反馈系统，它会根据输入信号xFM(t) 锁定反馈信号xVCO(t) 的相位。调频信号xFM(t) 可表示为下列方程式：
其中Ac是载波振幅，fc是载波频率，KVCO是电压/频率转换常数，m(t) 则代表信息或信息信号。回路锁定后，相位误差fe将保持不变。反馈信号xVCO(t) 可表示为下列方程式：
在回路锁定时为常数，所以送到压控振荡器的控制电压将等于m(t)。锁相回路的负反馈动作会迫使压控振荡器频率等于输入信号频率；为了做到此点，它会调整压控振荡器的控制电压让相位误差保持不变。我们若从xFM(t) 中移除信息信号，压控振荡器频率将会锁定载波中心频率fc并随其振荡。m(t) 出现后，xFM(t) 会偏离中心频率；此时回路若已锁定，锁相回路就会调整压控振荡器的控制电压来追踪xFM(t) 的频率偏移。由于压控振荡器的输出频率与控制电压成正比 (
工程师经常以锁相回路做为调频解调器，因为它们可以让调频临界值低于采用鉴频器的解调器 [1,4]。锁相回路、锁频回路 (FLL) 和带有反馈的频率解调器 (FMFB) 之间关系很密切，它们都能扩大调频解调器的临界值 [4]。虽然此外还有其它的调频解调器架构，但设计人员通常会利用模拟与数字技术在IC里实作这些解调器。
图3：FM调谐器射频前端的简化方块图
FM调谐器的无线电环境是由其目标信号频带组成，这在美国和欧洲是88-108 MHz，日本则是76-90MHz；另外，它还包括调谐器带宽内的所有其它信号。图3是FM调谐器射频前端的简化方块图。射频带通滤波器 (BPF) 不会衰减频带边缘的通道，因此它通常设计成略大于整个调频频带。高效能FM调谐器则会采用带宽较紧的射频追踪滤波器，以便衰减信号很强的调频信道所造成的频带外和频带内干扰。射频追踪滤波器需要可变带通滤波器和控制机制来改变滤波器的中心频率，所以多数的低成本调频接收机不会使用这种滤波器，这使得处理频带内与频带外信号造成的噪声就成为射频接收机的关键要求之一；其它要求还包括提供信道选择和小信号放大功能，但这不能造成信息信号的信号杂波比下降太多。
，FM调谐器架构的演进
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