基于數字鎖相環(huán)的調頻發(fā)射器架構研究

在過(guò)去的20年里數字便攜設備的出貨量有了巨大的增長(cháng)。許多便攜式設備帶有音頻內容，例如:包括 iPod的MP3播放器、PDA、手機、PMP、便攜式游戲機等等。人們一直在探索不同的途徑，有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式，來(lái)向不同的外部設備傳輸音頻信號，來(lái)和他人分享音樂(lè )內容，或自己用耳機收聽(tīng)。和其它技術(shù)相比，調頻(FM)技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，擁有巨大的現成用戶(hù)群，同時(shí)它具有使用方便、音質(zhì)優(yōu)良、低功耗及低成本的優(yōu)點(diǎn)。因此調頻傳輸提供了非常有吸引力的音頻傳輸解決方案。

　　傳統上，音頻調頻傳輸發(fā)射器(如圖1所示)由兩個(gè)基本模塊組成：一個(gè)是產(chǎn)生立體聲MPX信號的立體聲調制器，另一個(gè)是發(fā)送FM信號的FM單元。依照調頻FM標準，音頻波段信號必須先轉換成MPX信號，然后用一個(gè)高頻的載波(76～108MHz)來(lái)調制。通常會(huì )使用一個(gè)模擬鎖相環(huán)(PLL)來(lái)產(chǎn)生和鎖定該高頻載波到一個(gè)精確的參考時(shí)鐘。立體聲MPX信號的產(chǎn)生則需要對左右音頻信號進(jìn)行正確的加減，合成一個(gè)19KHz的導頻音，還需要一定的預加重來(lái)產(chǎn)生最終的MPX信號。MPX信號被直接耦合到壓控振蕩器(VCO)的控制電壓來(lái)調制載波的相位或頻率，最后FM信號通過(guò)一個(gè)功率放大器被傳送至發(fā)射天線(xiàn)。

　　上述的純模擬方法有三個(gè)缺點(diǎn)：首先，對控制電壓的直接調制需要PLL帶寬非常窄，由于需要使用較大的無(wú)源元器件，加上片上VCO相位噪聲較大，要將環(huán)路濾波器和VCO集成到片上是非常困難的。這就是為什么在傳統的調頻FM發(fā)射器方案中會(huì )有許多外部元器件的主要原因。由于相當數量的外部元器件(包括電感、電容和電阻)需要在使用前進(jìn)行校準，對于系統制造商想要保持低成本同時(shí)又要控制產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性而言，這相當具有挑戰性。其次，由于片上器件在不同信號路徑上的不匹配，模擬放大器里的加減精度受到了限制。這會(huì )直接影響到FM信號的立體聲隔離性能。第三點(diǎn)，模擬電路的性能會(huì )受限于外部器件的噪聲，而提高信噪比的代價(jià)則是犧牲功耗和面積(或意味著(zhù)增加成本)。

　　以上這些缺點(diǎn)導致在便攜式應用領(lǐng)域難以采用傳統的調頻FM發(fā)射器架構來(lái)實(shí)現低成本，高集成，低功耗的調頻FM傳輸方式。

　　為了克服傳統的調頻FM發(fā)射器架構的這些缺點(diǎn)，KT MICRO公司設計并發(fā)表了一款基于數字信號處理技術(shù)(DSP)的高集成調頻FM發(fā)射器芯片－KT0801。該芯片可以為便攜式設備應用提供業(yè)界領(lǐng)先的性能和系統集成度。

　　KT0801的性能特點(diǎn)

　　KT0801擁有雙通道20位ΔΣ音頻ADC、一個(gè)高保真的數字音頻信號處理器以及一個(gè)全集成的射頻RF發(fā)射器。其架構是基于一個(gè)寬帶寬的數字鎖相環(huán)(DPLL)，它可以提供頻率高穩定性和高抗干擾性。片上的LDO使得芯片可以集成到不同電池驅動(dòng)的系統里，支持電源電壓可從1.6V到3.6V。單一電源供電情況下芯片功耗小于20mW，相當于市場(chǎng)上主要競爭方案的一半，因而可以延長(cháng)一倍的電池壽命。

　　圖1：傳統音頻傳輸發(fā)射器架構方框圖。

　　由于它的高集成度，KT0801使用普通的24腳4x4 QFN封裝，僅需要單一的低電壓供電及一塊小尺寸的晶振或一個(gè)外部時(shí)鐘即可工作。不需要外部元件調試或校準也意味著(zhù)真正減少系統集成和維護的代價(jià)并縮減開(kāi)發(fā)上市的時(shí)間。

　　KT0801系統架構

　　基于DSP的調頻FM發(fā)射器架構如圖2所示，它提供了一個(gè)真正的系統級芯片解決方案。和現存的用模擬方式直接頻率調制音頻信息的產(chǎn)品不同，KT MICRO公司實(shí)現了用純數字方式來(lái)進(jìn)行頻率調制、預加重、導頻音和信號合成。

　　圖2： KT0801調頻發(fā)射器的系統架構

　立體聲音頻信號首先由可編程放大器(PGA)和低通濾波器(LPF)模塊進(jìn)行放大和濾波。

　　它們之間的連接既可以是直流耦合也可以是交流耦合。如果選擇交流耦合的話(huà)，片上電路能自動(dòng)提供直流偏置。無(wú)論選擇哪種增益，LPF的3dB頻率被設定在20KHz附近。LPF能夠濾除任何來(lái)自立體聲源的高頻噪聲和LPF自身的噪聲。PGA提供多重增益設定讓FM發(fā)射器可以根據不同的音源優(yōu)化設置。KT MICRO公司特有的電路結構和偏置校準方式可以實(shí)現非常高的線(xiàn)性度和低噪聲，同時(shí)還保持了極低的功耗。

　　經(jīng)過(guò)了放大和濾波之后，立體聲音頻信號由以片上晶振作為時(shí)鐘的ΔΣ模數轉換器(ADC)轉換成數字信號。ΔΣADC特別適用于集成音頻應用因為它以數字電路的復雜度得到極高的模擬性能。除了性能要達到20-bit的動(dòng)態(tài)范圍之外，選擇合理的ADC架構的最重要的因素就是使得從參考電平緩沖電路釋放的電荷必須與信號無(wú)關(guān)，否則會(huì )直接降低聲道的隔離效果。系統中運用了一個(gè)低功耗和低噪聲參考電平緩沖電路。此電路無(wú)需通常使用的片外旁路電容。雙通道模擬前端經(jīng)仔細設計，減小了增益和相位的不匹配。另外系統采用了一個(gè)偏置校準電路以用來(lái)最大地提高動(dòng)態(tài)范圍。

　　經(jīng)ΔΣADC的數字信號被更進(jìn)一步過(guò)濾和降低采樣來(lái)減少波段內的噪聲，其中包括量化噪聲和輸入音頻噪聲。同時(shí)我們在設計中注意減少了通頻帶的紋波。芯片集成了一個(gè)數字高通濾波器來(lái)濾掉直流至20KHz間的噪聲。因為大多數信號處理都是數字實(shí)現，因此數字高通濾波器無(wú)需片外元件，取得精確的3dB頻率。

　　圖3：典型的應用電路

　　數字音頻系統中非常普遍地采用了預加重技術(shù)，因為它能提高整個(gè)系統的SNR性能。在數字領(lǐng)域實(shí)現預加重，無(wú)需外部元件，同時(shí)預加重時(shí)間常數可以很容易地通過(guò)設定一個(gè)寄存器來(lái)調整。MPX信號在數字領(lǐng)域合成后，它被送往DPLL進(jìn)行上變換。

　　因為音頻波段相當窄，典型的PLL在音頻應用中需要外部元件。同時(shí)，由于片上器件線(xiàn)性度非常有限以及其它的非線(xiàn)性因素，要在正常的工藝和溫度變化內搭建一個(gè)適用于所有FM波段的高線(xiàn)性度、寬調諧范圍的PLL是件非常困難的事。因此KT MICRO發(fā)明設計了一系列特有的電路和校準機制來(lái)應付這些問(wèn)題。測量的結果顯示KT0801的設計在從76MHz到108MHz的寬調諧范圍內達到了超過(guò)68dB的 SNR。

　　如圖3所示，KT0801僅僅需要一個(gè)外部時(shí)鐘、一個(gè)立體聲信號源、一個(gè)單一電源及一個(gè)天線(xiàn)就可以實(shí)現高質(zhì)量、低成本的便攜式FM傳輸解決方案。

　　本文小結

　　KT0801運用了一種新的基于數字PLL和DSP的調頻FM發(fā)射器架構，可以有效地消除所有片外元器件，大大減少PCB板的面積。結合其低功耗的功能，KT0801令把調頻FM發(fā)射器集成至所有便攜式設備(如手機、MP3和MP4播放器、便攜式 GPS設備及無(wú)線(xiàn)耳機)成為一件非常輕松的任務(wù)。