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如何设计数字调频收音机

赛普拉斯半导体公司Gautam Das和Udayan Umapathi?? 2013年08月12日 ?? 收藏0

调频收音机配件的实施

下图显示了采用通用调频收音机芯片的完整调频系统的简单实施方框图。随着现代可编程SOC的到来,实施完整设计除了一些无源器件外无需额外的外部元件。SOC可以发送指令并通过I2C端口从调频收音机芯片接收状态消息。SOC通过已有的USB接口与平板电脑相连。平板电脑上的前端应用可以访问调频收音机信息,用于进行频道扫描和选择。

一旦调频收音机接收到锁定特定频率的命令,它会在特定引脚上输出模拟音频。调频收音机接收器的模拟输出由SOC进一步处理,得到的数字音频则通过USB传输到平板电脑。调频收音机芯片的工作电源由USB总线提供。大多数调频收音机芯片所需的电流通常只有几毫安,电压甚至不到1.8V。这完全在USB总线的能力所及以内,而且这种功耗对便携式设备来说完全可以接受。

在SOC中实施收音机配件需要以下资源:

● 放大器

模数转换器(ADC)

● 通讯协议(I2C/SPI)

● USB接口

● 滤波器模块

一般说来,调频收音机芯片的输出音频信号强度在100mV的水平,放大器用于放大FM接收器的模拟音频信号,随后将信号提供给SOC中的ADC。模拟音频输出的强度在通过可编程增益放大器(PGA)后得到了提高,如方框图所示。这就能确保整个ADC输入范围都能得到利用,而且能在调频收音机芯片输出段真实地复制音频。此外,我们也能采用更小输入范围的ADC对信号进行数字化,不过信号强度越低,就越容易受到系统噪声影响。

模数转换器

模数转换器(ADC)以44.1kHz的频率采样放大器的模拟输出,并将其转换为16位数字值。采样率设为44.1kHz是为了满足Nyquist原理,该原理要求采样频率必须至少为最大工作频率的两倍。

通讯协议

是标准协议,如I2C或SPI,可用于连接SOC和FM接收器。如果使用I2C,则SOC将作为主机,收音机接收器芯片将作为从机,数据速率为100/400kHz。改变频道或扫描FM频带的命令可由I2C主机通过I2C总线发送给FM接收芯片。FM接收器芯片能够解码预定义的命令,从而执行多种任务。如果使用RDS协议,则接收的数字信息可由控制器通过I2C接口从FM接收器读取。我们也能读取其它状态信息(如调频收音机接收器通过I2C接收到的信号强度指示(RSSI)信息),并在平板电脑或PC上显示出来。

直接存储器存取(DMA

在许多微控制器中,DMA是一种强大的特性,有助于减轻存储器不同位置之间的数据传输任务,从而提高性能。DMA可用来将经过转换的数字信息从ADC传输到存储器或直接传输到USB,从而使CPU处理其他关键任务。

USB

是主机平板电脑与SOC之间的接口。USB中断端点用来接收主机发送的各种指令,如频道扫描、频道加减等。请注意,如果指令数据较小,USB设备上的控制端点也可用来传输指令。我们可以用控制端点来发送指令。指令可作为厂商定义的指令发送;但在控制端点上,一个USB数据包最多包含8个字节的数据内容。ADC获得的44.1kHz数据通过同步USB传输模式发送给主机。同步传输在这里是最理想的传输模式,能通过延迟确保、总线带宽分配并且没有错误校正和信息交换来保持交付时间一致性。请注意,CRC字段可以检测到错误但并不校正。人耳无法听出偶然的数据错误或传输丢失,除非是频繁的中断才会引起注意。由于没有错误校正,因此即便数据包有错误也不会中断数据传输。对于同步端点来说,微控制器支持的最大数据包尺寸为1023字节。

提高音质

在移动操作系统(OS)中,通常采用专用的媒体服务器或媒体引擎来播放音频。如果用户需要,该媒体引擎也可用来增强或修改音频特性。在某些移动处理器中,则有专门的DSP硬件来实现这一目的。

使用媒体引擎或DSP会消耗额外的电量,降低性能,也可能对用户体验造成不利影响。另一种可选的方法是在SOC中处理音频,并通过USB将处理后的音频流发送到主机平板电脑。平板电脑需要做的只是用喇叭播放音频。

利用SPC中的资源还能实现低音、高音等控制功能,为用户带来更精细的音质控制。这一功能可通过赛普拉斯生产的PSoC 3等器件中的数字滤波器模块(DFB)实现。DFB模块接收数字输入数据并输出处理后的数字数据。在本应用中,数据流通过DMA进入DFB,按照音质要求加以过滤,并通过USB发送至终端进行播放。

音频所需的音质可通过图形用户界面(GUI)控制。GUI将提供类似于音乐播放器均衡器的界面。整个音频范围可被分为多个多个分立频段。通过改变GUI上的控件位置,可以向DFB上加载一套新的系数,这些系数将修改每个频带的增益,从而改变输出音质。

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第1页:调频收音机的接收器

第2页:调频收音机配件的实施

第3页:主机应用


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