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FM调谐器架构的演进,http://www.5idzw.com
超外差接收机
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图4：调频超外差接收机
直到1990年代末期为止，几乎所有商用调频广播接收机设计都是采用某种形式的超外差接收机。图4就是超外差接收机的方块图。超外差接收机先将调频信号转换成一个或多个中频，然后才进行调频解调。此方块图是双中频超外差接收机。射频带通滤波器是能让调频频带通过、但会衰减频带外干扰的一种预选择滤波器。设计人员会在射频带通滤波器的后面增加低噪声放大器 (LNA)，它能利用增益衰减后面各级电路传来的噪声，进而改善接收机的灵敏度。混波器会把信号降频转换到比本地振荡器频率还高出和少于中频频率的位置，因此接收机需要一个镜像抑制带通滤波器 (image-reject BPF) 来选择目标信号和抑制镜像信号。中频带通滤波器IF1 BPF和IF2 BPF是提供信道选择的固定频率滤波器，限幅器则会除去降频信号的振幅变异，然后才将它送到调频解调器。接收机的中频频率通常会低于射频频率，以便设计人员轻松实作耗电较小的增益与滤波功能。
超外差架构能将其增益和滤波功能分散到不同的频率范围，因此不需要高Q值滤波器就能提供良好噪声与干扰效能。然而这种架构需要许多外接元器件，包括射频、镜像和中频带通滤波器以及锁相回路压控振荡器和回路滤波器等，这使它相当庞大而昂贵 [3, 5]。
模拟低中频接收机
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图5：模拟低中频接收机
模拟低中频架构很像是包含一级中频电路的超外差架构，主要区别在于它的射频锁相回路与混波器是利用正交信号所设计，故可提供芯片内建的镜像消除功能。镜像频率与目标信号的距离等于中频频率的两倍，因此中频信号频率如果太低，镜像信号就会比较靠近目标信号，这将迫使设计采用边缘陡峭的高Q值镜像抑制滤波器。但若采用正交混波器，设计人员就能利用镜像消除技术衰减镜像信号 [3, 5, 6]，此时就算中频频率很低也不会造成影响。完成镜像消除后，接着就由中频带通滤波器提供通道选择。同样的，在低中频的位置执行放大 (限幅) 和通道选择要比在高中频或射频更容易。模拟低中频接收机的主要优点是它能减少所需的外部元器件；事实上，工程师若能将射频和中频带通滤波器以及射频锁相回路全部集成到芯片，那么它就完全不需任何外部元器件。模拟低中频接收机的最大缺点是其效能与模拟元器件有关，而模拟元器件又会受到工艺、电压和温度变异影响。这些变异通常会将镜像消除能力限制在25-30dB左右，因此镜像信号可能随着不同的中频选择而变得非常大。过大的镜像信号会干扰目标信号，我们可在FM调谐器的音频输出端听到它在两个不同的本地振荡器频率所产生的干扰。除此之外，边缘抖峭的中频通道滤波器还需要一颗很大的电容和很多的芯片面积。纯模拟设计通常只能提供大约35-40dB的相邻通道选择性 (adjacent channel selectivity)，这使得干扰效能变得很差。此时只要有较大的干扰信号进入调频解调器，系统就可能过载或产生互调失真。
数位低中频接收机
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图6：数位低中频接收机方块图
图6是数位低中频接收机的方块图。数字低中频架构是一种混合信号架构，它会利用模拟数字转换器 (ADC) 把同相位 (I) 和正交相位 (Q) 中频信号转换成数字中频信号，接着再由数字正交混波器把模拟数字转换器输出降频转换至基带。这种架构拥有模拟低中频架构的整合优点以及数字电路实作的可重复性和可靠性。工程师可以利用模拟与数字电路的组合提供优异的镜像抑制能力，这是因为数字电路能完美匹配和进行校准来排除模拟元器件的瑕疵。另一优点是中频低通滤波器不需提供完整通道滤波，许多时候甚至只需提供衰减隔台干扰源 (alternate channel interferer) 所需的滤波能力和模拟数字转换器所需的抗混叠滤波 (anti-aliasing filtering)。工程师已在数字域实作信道滤波功能以提供陡峭的滤波器下降与衰减，并将芯片面积减至最小和利用高密度亚微米CMOS的优点。数字低中频架构的最大缺点是它需要高效能模拟数字转换器 [5]，实际要求则视中频、转换器前面的干扰滤波数量和输入信号的动态范围要求而定。这套架构已通过Silicon Laboratories Aero®接收器成功用在GSM/GPRS移动电话接收机。
实际范例 – Si4700 FM调谐器
Si4700是业界首款利用数字低中频架构和全CMOS工艺技术的收音机调谐器元器件，使得这套功能齐全的整合解决方案只需一颗外接电源旁路电容和不到20平方毫米的电路板面积。图7是Si4700/01 FM调谐器方块图，这款元器件利用Silicon Laboratories已通过考验的Aero数字低中频接收机架构与合成器技术提供更优异的射频效能和干扰抑制能力。数字低中频架构可省下外部元器件，而且不必为了模拟工艺变异在工厂进行调整。这种混合信号架构让DSP执行信道选择、调频解调和立体音频处理，进而提供优于传统模拟架构的更强大效能。
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图7：Si4700/01数位低中频FM调谐器方块图
Si4700 FM调谐器不需任何外部匹配电路就能达到2.5μV的灵敏度水平。它还拥有杰出的过负载耐受性 (overload immunity)，包括108dBμV的IP3以及50dB与70dB的相邻通道选择性和隔台选择性。Si4700利用DSP针对各种信号接收状况提供最佳音质，这种高阶集成度、效能和干扰抑制能力全部来自于数字低中频架构以及利用数字技术实作的通道选择和调频解调功能。除了简化设计和缩短开发时间外，数字低中频架构还通过高集成度省下原本所需的外部元器件，进而提高质量和改善可制造性。
结语
随着FM调谐器采用数字低中频接收机架构，一个新的FM调谐器时代也正式展开。数字架构让调频接收机通过CMOS技术集成到一颗芯片，这为FM调谐器设计带来革命性改变。Silicon Laboratories Si4700 FM调谐器不但证明这样的集成度确能实现，还提供绝佳的灵敏度和抗干扰效能。CMOS技术的不断进步将为数字低中频FM调谐器带来许多好处，因为所有调频信号处理功能都可在数字域实作。单芯片FM调谐器能简化设计流程，让几乎所有的便携式消费电子装置都能轻松导入FM调谐器。功能完整的系统单芯片还会将外部元器件用料减至最少。另外，设计人员还能在IC制造商的测试实验室测试完整系统，确保其运作正常，这有助于提高最终产品的质量与可制造性。消费者需求终将迫使便携式电子产品采用FM调谐器，而新的数字低中频FM调谐器也将继续简化设计和提高可制造性。
参考数据
[1] S. Haykin, Communication Systems, 3rd Edition, Wiley, 1994
[2] R. E. Ziemer, W. H. Tranter, Principles of Communications, Systems, Modulation,
and Noise, Fourth Edition, Wiley, 1995
[3] B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, 1998
，FM调谐器架构的演进
超外差接收机
图4：调频超外差接收机
直到1990年代末期为止，几乎所有商用调频广播接收机设计都是采用某种形式的超外差接收机。图4就是超外差接收机的方块图。超外差接收机先将调频信号转换成一个或多个中频，然后才进行调频解调。此方块图是双中频超外差接收机。射频带通滤波器是能让调频频带通过、但会衰减频带外干扰的一种预选择滤波器。设计人员会在射频带通滤波器的后面增加低噪声放大器 (LNA)，它能利用增益衰减后面各级电路传来的噪声，进而改善接收机的灵敏度。混波器会把信号降频转换到比本地振荡器频率还高出和少于中频频率的位置，因此接收机需要一个镜像抑制带通滤波器 (image-reject BPF) 来选择目标信号和抑制镜像信号。中频带通滤波器IF1 BPF和IF2 BPF是提供信道选择的固定频率滤波器，限幅器则会除去降频信号的振幅变异，然后才将它送到调频解调器。接收机的中频频率通常会低于射频频率，以便设计人员轻松实作耗电较小的增益与滤波功能。
超外差架构能将其增益和滤波功能分散到不同的频率范围，因此不需要高Q值滤波器就能提供良好噪声与干扰效能。然而这种架构需要许多外接元器件，包括射频、镜像和中频带通滤波器以及锁相回路压控振荡器和回路滤波器等，这使它相当庞大而昂贵 [3, 5]。
模拟低中频接收机
图5：模拟低中频接收机
模拟低中频架构很像是包含一级中频电路的超外差架构，主要区别在于它的射频锁相回路与混波器是利用正交信号所设计，故可提供芯片内建的镜像消除功能。镜像频率与目标信号的距离等于中频频率的两倍，因此中频信号频率如果太低，镜像信号就会比较靠近目标信号，这将迫使设计采用边缘陡峭的高Q值镜像抑制滤波器。但若采用正交混波器，设计人员就能利用镜像消除技术衰减镜像信号 [3, 5, 6]，此时就算中频频率很低也不会造成影响。完成镜像消除后，接着就由中频带通滤波器提供通道选择。同样的，在低中频的位置执行放大 (限幅) 和通道选择要比在高中频或射频更容易。模拟低中频接收机的主要优点是它能减少所需的外部元器件；事实上，工程师若能将射频和中频带通滤波器以及射频锁相回路全部集成到芯片，那么它就完全不需任何外部元器件。模拟低中频接收机的最大缺点是其效能与模拟元器件有关，而模拟元器件又会受到工艺、电压和温度变异影响。这些变异通常会将镜像消除能力限制在25-30dB左右，因此镜像信号可能随着不同的中频选择而变得非常大。过大的镜像信号会干扰目标信号，我们可在FM调谐器的音频输出端听到它在两个不同的本地振荡器频率所产生的干扰。除此之外，边缘抖峭的中频通道滤波器还需要一颗很大的电容和很多的芯片面积。纯模拟设计通常只能提供大约35-40dB的相邻通道选择性 (adjacent channel selectivity)，这使得干扰效能变得很差。此时只要有较大的干扰信号进入调频解调器，系统就可能过载或产生互调失真。
数位低中频接收机
图6：数位低中频接收机方块图
图6是数位低中频接收机的方块图。数字低中频架构是一种混合信号架构，它会利用模拟数字转换器 (ADC) 把同相位 (I) 和正交相位 (Q) 中频信号转换成数字中频信号，接着再由数字正交混波器把模拟数字转换器输出降频转换至基带。这种架构拥有模拟低中频架构的整合优点以及数字电路实作的可重复性和可靠性。工程师可以利用模拟与数字电路的组合提供优异的镜像抑制能力，这是因为数字电路能完美匹配和进行校准来排除模拟元器件的瑕疵。另一优点是中频低通滤波器不需提供完整通道滤波，许多时候甚至只需提供衰减隔台干扰源 (alternate channel interferer) 所需的滤波能力和模拟数字转换器所需的抗混叠滤波 (anti-aliasing filtering)。工程师已在数字域实作信道滤波功能以提供陡峭的滤波器下降与衰减，并将芯片面积减至最小和利用高密度亚微米CMOS的优点。数字低中频架构的最大缺点是它需要高效能模拟数字转换器 [5]，实际要求则视中频、转换器前面的干扰滤波数量和输入信号的动态范围要求而定。这套架构已通过Silicon Laboratories Aero®接收器成功用在GSM/GPRS移动电话接收机。
实际范例 – Si4700 FM调谐器
Si4700是业界首款利用数字低中频架构和全CMOS工艺技术的收音机调谐器元器件，使得这套功能齐全的整合解决方案只需一颗外接电源旁路电容和不到20平方毫米的电路板面积。图7是Si4700/01 FM调谐器方块图，这款元器件利用Silicon Laboratories已通过考验的Aero数字低中频接收机架构与合成器技术提供更优异的射频效能和干扰抑制能力。数字低中频架构可省下外部元器件，而且不必为了模拟工艺变异在工厂进行调整。这种混合信号架构让DSP执行信道选择、调频解调和立体音频处理，进而提供优于传统模拟架构的更强大效能。
图7：Si4700/01数位低中频FM调谐器方块图
Si4700 FM调谐器不需任何外部匹配电路就能达到2.5μV的灵敏度水平。它还拥有杰出的过负载耐受性 (overload immunity)，包括108dBμV的IP3以及50dB与70dB的相邻通道选择性和隔台选择性。Si4700利用DSP针对各种信号接收状况提供最佳音质，这种高阶集成度、效能和干扰抑制能力全部来自于数字低中频架构以及利用数字技术实作的通道选择和调频解调功能。除了简化设计和缩短开发时间外，数字低中频架构还通过高集成度省下原本所需的外部元器件，进而提高质量和改善可制造性。
结语
随着FM调谐器采用数字低中频接收机架构，一个新的FM调谐器时代也正式展开。数字架构让调频接收机通过CMOS技术集成到一颗芯片，这为FM调谐器设计带来革命性改变。Silicon Laboratories Si4700 FM调谐器不但证明这样的集成度确能实现，还提供绝佳的灵敏度和抗干扰效能。CMOS技术的不断进步将为数字低中频FM调谐器带来许多好处，因为所有调频信号处理功能都可在数字域实作。单芯片FM调谐器能简化设计流程，让几乎所有的便携式消费电子装置都能轻松导入FM调谐器。功能完整的系统单芯片还会将外部元器件用料减至最少。另外，设计人员还能在IC制造商的测试实验室测试完整系统，确保其运作正常，这有助于提高最终产品的质量与可制造性。消费者需求终将迫使便携式电子产品采用FM调谐器，而新的数字低中频FM调谐器也将继续简化设计和提高可制造性。
参考数据
[1] S. Haykin, Communication Systems, 3rd Edition, Wiley, 1994
[2] R. E. Ziemer, W. H. Tranter, Principles of Communications, Systems, Modulation,
and Noise, Fourth Edition, Wiley, 1995
[3] B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, 1998
，FM调谐器架构的演进
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