一種新型的調頻收音機電臺搜索方案

　　摘 要 本文提出了一種調頻收音機電臺搜索的改進(jìn)方案，克服了現有技術(shù)關(guān)于調頻收音機搜索電臺時(shí)容易產(chǎn)生誤判現象的不足。該設計同時(shí)利用輸入信號強度指示和頻偏信息來(lái)判斷電臺。在實(shí)際測試顯示，該方案能有效地提高調頻收音機搜索電臺的準確度。

　　關(guān)鍵詞 調頻收音機;電臺搜索;頻偏;輸入信號強度指示

　　1 引言

　　調頻體制以其較強的抗干擾能力等特性在音頻廣播、電視、VHS HiFi、Laser Disc以及無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域都得到了廣泛應用。傳統的超外差式調頻信號接收機，信號解調需要采用高Q值的中頻聲表面波濾波器或晶體濾波器來(lái)實(shí)現。隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)以及超大規模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統的模擬設備逐漸被數字模擬混合設備所代替。文獻[1]提出了使用可調電容和線(xiàn)性濾波器的數?；旌想娐穪?lái)替代FM解調中使用的精確的外部器件和調整的方法，文獻[2]中提出了一種利用信號帶內具有理想線(xiàn)性特性的FIR濾波器進(jìn)行調頻信號鑒頻的方法，但所需 FIR濾波器階數達到數千階，對系統工作時(shí)鐘以及系統存儲容量的要求都很高。文獻[3]中提出了采用sinc3抽取濾波器和三點(diǎn)近似法微分器用于FM解調，大大降低了數字IC實(shí)現高性能FM調頻接收機的復雜度。

　　在用數字實(shí)現的FM調頻接收機中，如何快速準確地搜索到電臺所在的頻道是一個(gè)商用數字FM調頻接收機必須解決的難題。

　　現今調頻收音機選擇電臺時(shí)常用的方法為：調頻信號解調前都有限幅電路，該限幅電路的電流與輸入信號強度的對數在相當大的范圍內成正比。利用接收信號強度指示(RSSI)電路(該電路檢測限幅電路的電流)可得出輸入信號的強度，從而選擇電臺。此種方法的應用例如，在移動(dòng)通信中的手持設備用接收信號強度指示表示接收信號的大小。

　　在文獻[3]提到的解調方案中，接收信號強度可以用數字下變頻后信號能量(I2+Q2)來(lái)表征。

　　雖然上述方法具有實(shí)現電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但卻存在容易誤判的缺陷。調頻收音機信號帶寬最大為180KHz左右，而搜臺頻率間隔分為50KHz、100KHz 和200KHz三種。當遇到一個(gè)強電臺并且其信號帶寬大，用頻率間隔為50KHz和100KHz搜臺時(shí)，上述方法在180KHz內指示的信號強度都大于設定門(mén)限(該門(mén)限一般為最弱電臺信號強度)，會(huì )誤判為2-3個(gè)電臺，嚴重影響搜臺的準確性。同時(shí)在實(shí)際測試中發(fā)現，由于信號帶寬的瞬時(shí)變化和信道干擾等影響，這種寬調頻信號帶寬帶來(lái)的信號強度指示在相應帶寬內全較強并不一定符合中心對稱(chēng)的原則，無(wú)法利用對稱(chēng)原則獲取準確的電臺頻率。

　　因此本文在此基礎上提出了一種新型的設計方案，大幅度改進(jìn)了調頻收音機搜臺的準確性，同時(shí)還保持了電路的簡(jiǎn)潔。

　　2 調頻信號正交解調原理

　　設調頻信號表達式為：　　

 　　其中，a(t)表示受到信道噪聲和其他干擾影響后隨時(shí)間變化的調頻信號幅度，m(t)為調制信號，ωc為信號載波。

　　將式(1)所示的調頻信號與本地產(chǎn)生的正交載波相乘可得：　　

 　　對sI(t)和sQ(t)分別進(jìn)行FIR低通濾波[4]，[3]后可得：

 　　對I(t)與Q(t)分別求導數[1]可得：

 　　將式(2)與式(5)、式(3)與式(4)分別相乘再除以(2)、(3)的平方和可得m(t)：

 　　3 改進(jìn)方案

　　圖1是改進(jìn)后的調頻收音機工作框圖，在考量接收信號強度指示的同時(shí)，還同時(shí)參考接收信號的頻偏來(lái)決定是否是準確的電臺。

　　此時(shí)如果接收到的調頻信號載波與本地設定的解調正交波有一個(gè)頻率差△w ，即不是準確的電臺，則有：　　

 　　將(7)代入前述(2)～(6)的解碼過(guò)程，可得：

 　　考慮到音頻信號m(t)是交流信號，則解碼輸出的直流成分即為 。

　　這樣，定義兩個(gè)門(mén)限來(lái)衡量搜臺結果。門(mén)限1：定義一個(gè)恰當門(mén)限為Ka(根據輸入信號強度，對應RSSI的檢測值)。

　　門(mén)限2：定義一個(gè)恰當門(mén)限為Kb(根據頻偏的大小，對應頻偏的檢測值)。

　　定義兩個(gè)步驟來(lái)檢測搜臺：

　　步驟1：檢測圖1中的接收信號強度指示檢測模塊的輸出(RSSI)>Ka;

　　步驟2：檢測頻偏幅度檢測模塊輸出(頻偏幅度檢測值)

　　當步驟1、2同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，該信號即為正常臺。

　　4 測試結果

　　由于音頻信號頻率范圍一般為300Hz～15KHz，FM最大頻偏(已調載頻信號的最大瞬時(shí)頻率與載頻之差)為±75KHz，標準單音調制度(調制度指調頻信號的峰值頻偏與系統最大頻偏的百分比)為30%和100%，對應頻偏為±22.5KHz和±75KHz。FM最大調制頻偏一般有22.5KHz和 75KHz。

　　考慮晶振的誤差小于100PPM最大造成本振誤差頻偏為10KHz，則Kb參考設為10KHz。如果繼續以50KHz頻率間隔搜臺，即本振以 50KHz步進(jìn)來(lái)選擇電臺，在正常臺兩邊搜索的本振頻偏最少為40KHz，其檢測值大于門(mén)限Kb，因而不會(huì )選擇這個(gè)頻率為正常臺。由于本振頻偏越大，直流檢測值越大，所以不會(huì )把一個(gè)正常臺誤判為多個(gè)臺。

　　圖2中展現了部分測試數據。其中Ka設定為21db，Kb參考設為10KHz?！　?/p>

 　　(a) 101.5～102.2Mhz RSSI與頻偏關(guān)系圖　　

 　　(b) 103.5～104.2Mhz RSSI與頻偏關(guān)系圖　　

 　　(c) 105.5～106.2Mhz RSSI與頻偏關(guān)系圖

　　圖2 FPGA測試結果

　　首先可以看到RSSI指示的實(shí)測值在有臺處相對噪底有大于6db的信號增強，因此可以順利的初步定位電臺所在的頻率。但同時(shí)可以在圖2中看到在以確切頻率為中心的100Khz范圍內信號能量都比較強，而且不一定遵循對稱(chēng)原則如a、b。這主要是來(lái)源于測量瞬間干擾和調制信號的大小。因此簡(jiǎn)單的求取對稱(chēng)中心的方案并不合適。

　　其次，圖2中頻偏的測量結果顯示，在確切電臺頻率為中心的 100KHz內，如果信號的能量足夠強，超過(guò)設定的門(mén)限21db，即調頻信號沒(méi)有淹沒(méi)在噪底中(圖2中(a)，(c))，頻偏檢測能準確的發(fā)現 100KHz的頻偏，從而檢測出最確切的電臺頻率點(diǎn)。反之，如果信號能量能量不夠強，沒(méi)有超過(guò)設定的門(mén)限21db(見(jiàn)圖2(b))，調頻信號淹沒(méi)在噪底中，由步驟1可以保證不會(huì )誤判將不正確的頻率判斷為電臺。

　　綜上在FPGA實(shí)現和ASIC芯片的測試中，證實(shí)了該改進(jìn)方案能非常準確的測量出 100KHz的頻偏，從而避免了在以50Khz、100Khz步長(cháng)搜臺時(shí)將一個(gè)信號強的電臺誤判為多個(gè)的現象，達到了提高了芯片的搜臺準確性的效果。

　　5 結論

　　針對現有技術(shù)關(guān)于調頻收音機搜索電臺容易產(chǎn)生誤判現象的不足，本文提出了一種同時(shí)利用輸入信號強度指示(RSSI)和頻偏信息的調頻收音機電臺搜索的改進(jìn)方案，克服了在以50Khz、100Khz步長(cháng)搜臺時(shí)將一個(gè)信號強的電臺誤判為多個(gè)的現象，提高了芯片的搜臺性能。實(shí)際測試證明，該方案能有效的改進(jìn)調頻收音機搜索電臺的準確度，提高調頻接收芯片的搜臺性能。

　　本文提及的設計方案為鼎芯通訊(上海)有限公司FM radio項目中一部分，其中還包含了王險峰、黃一鳴、朱立振工作的支持，特此表示感謝。

　　參考文獻

　　[1] Gregory J.Manlove，Jeffrey J. Marrah，Member，IEEE，and Richard A. Kennedy. A Fully Intergrated High-Performance FM Stereo Decoder. IEEE Journal Of Solid-State Circuits. VOL. 27，NO. 3，MARCH 1992

　　[2] 張澤，吳嗣亮.“列控系統多音調頻信號的全數字解調方法[J].”軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2004，1

　　[3] Bang-Sup Song and In Seop Lee. “A Digital FM Demodulator for FM，TV，and Wireless” IEEE Transactions On Circuits and Systems-II：ANALOG AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING，VOL.42，NO.12，DECEMBER 1995

　　[4] R.E.Crochiere and L.R.Rabiner. “Interpolation and decimation of digital signals-A tutorial review.”Proceedings of the IEEE，March，1981，69(3)：300～331