隨著FM調(diào)諧器采用數(shù)字低中頻接收機(jī)架構(gòu)，一個新的FM調(diào)諧器時代也正式展開。數(shù)字架構(gòu)讓調(diào)頻接收機(jī)透過CMOS技術(shù)整合到一顆芯片，這為FM調(diào)諧器設(shè)計帶來革命性改變。Silicon Laboratories Si4700 FM調(diào)諧器不但證明這樣的整合度確能實現(xiàn)，還提供絕佳的靈敏度和干擾效能。CMOS技術(shù)的不斷進(jìn)步將為數(shù)字低中頻FM調(diào)諧器帶來許多好處，因為所有調(diào)頻訊號處理功能都可在數(shù)字域?qū)嵶。單芯片F(xiàn)M調(diào)諧器能簡化設(shè)計流程，讓幾乎所有的可攜式消費電子裝置都能輕松導(dǎo)入FM調(diào)諧器。功能完整的系統(tǒng)單芯片還會將外部零件用料減至最少。另外，設(shè)計人員還能在IC制造商的測試實驗室測試完整系統(tǒng)，確保其運作正常，這有助于提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量與可制造性。消費者需求終將迫使可攜式電子產(chǎn)品采用FM調(diào)諧器，而新的數(shù)字低中頻FM調(diào)諧器也將繼續(xù)簡化設(shè)計和提高可制造性。
FM調(diào)諧器架構(gòu)
過去十年里，射頻通訊電路設(shè)計已有長足進(jìn)展。這些進(jìn)展來自于全新的射頻架構(gòu)，也是我們一度因為整合度過低、耗電太高和不佳的制程技術(shù)而認(rèn)為不可能實現(xiàn)的架構(gòu)。除此之外，高效能和高密度次微米CMOS技術(shù)的出現(xiàn)還將數(shù)字技術(shù)帶入射頻領(lǐng)域，大幅改變射頻通訊電路的設(shè)計方式。設(shè)計人員已將這些技術(shù)用于全球定位系統(tǒng) (GPS)、無線網(wǎng)絡(luò)和行動電話等許多無線通訊標(biāo)準(zhǔn)，同時發(fā)展出強(qiáng)大可靠的高整合芯片組解決方案來提高整體系統(tǒng)效能與可靠性。整合外部零件以及射頻電路和數(shù)字基頻會帶來許多好處，包括減少零件用料(BOM)、縮小電路板面積、簡化電路板層級應(yīng)用設(shè)計和提高可制造性。
把全部系統(tǒng)整合到芯片可以減少所需測試的外部零件數(shù)目，進(jìn)而提高產(chǎn)品的可制造性。許多現(xiàn)代通訊應(yīng)用都能看到功能整合的例子，但調(diào)頻無線電廣播標(biāo)準(zhǔn)直到最近都沒有太大技術(shù)進(jìn)展。就算進(jìn)入今日數(shù)字時代，許多可攜式調(diào)頻無線電仍需超過15顆外部零件。無線電制造商仍以早期模擬技術(shù)為其設(shè)計基礎(chǔ)，這些模擬技術(shù)多半采用昂貴和低整合度的bipolar性或Bi-CMOS制程。
盡管FM調(diào)諧器 (tuner) 相關(guān)產(chǎn)品市場持續(xù)成長，其無線電架構(gòu)卻幾乎沒有任何改變。完全整合式100% CMOS數(shù)字低中頻架構(gòu)的出現(xiàn)是FM調(diào)諧器無線電架構(gòu)過去十年來的第一次重大進(jìn)步。在此之前，設(shè)計人員已將數(shù)種射頻架構(gòu)用于FM調(diào)諧器，它們各有自己的優(yōu)缺點。為了討論方便起見，我們將分析傳統(tǒng)的調(diào)頻發(fā)射機(jī)和調(diào)頻接收機(jī)架構(gòu)以便了解調(diào)頻系統(tǒng)的共同架構(gòu)。我們還將介紹FM調(diào)諧器的多種演進(jìn)結(jié)果，它們最后為調(diào)頻接收器帶來全新的數(shù)字低中頻架構(gòu)。另外，我們也將解釋這套架構(gòu)如何實現(xiàn)全面性高效能整合，使得整個FM調(diào)諧器只需一顆外部旁路電容。
圖1：(a) 調(diào)頻發(fā)射機(jī)和 (b) 調(diào)頻接收機(jī)方塊圖
圖1顯示傳統(tǒng)的調(diào)頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。調(diào)頻發(fā)射機(jī)先讓左右聲道的音訊訊號通過預(yù)加強(qiáng)濾波器(pre-emphasis filter)，然后將訊號與RDS (Radio Data System)數(shù)據(jù)結(jié)合在一起產(chǎn)生多任務(wù) (MPX) 訊息訊號m(t)。發(fā)射機(jī)接著調(diào)變訊息訊號頻率并將結(jié)果送到射頻發(fā)射機(jī)，由它將訊號升頻轉(zhuǎn)換至無線電頻率并產(chǎn)生輸出訊號xFM(t)。設(shè)計人員可以使用電壓控制振蕩器 (VCO) 實作調(diào)頻調(diào)變器和射頻發(fā)射機(jī)功能。就理論而言，這種直接調(diào)頻調(diào)變法應(yīng)能正常工作，但設(shè)計人員實際上會利用鎖相回路 (PLL) 穩(wěn)定載波頻率以避免頻率漂移，同時利用功率放大器驅(qū)動天線。
調(diào)頻接收機(jī)使用射頻接收機(jī)把射頻訊號xFM(t) 降轉(zhuǎn)至基頻。在理想情形下，調(diào)頻解調(diào)器可藉由反向執(zhí)行調(diào)變程序取回原始訊息。接收機(jī)接著把訊息訊號m(t)送給MPX譯碼器以便將音訊和RDS數(shù)據(jù)分離，再讓左右聲道音訊通過解加強(qiáng) (de-emphasis) 電路以消除預(yù)加強(qiáng)濾波器引進(jìn)的線性失真。預(yù)加強(qiáng)和解加強(qiáng)濾波器的串聯(lián)不會影響左右聲道音訊，但能大幅衰減高頻噪聲與干擾，理論上可將訊號雜波比 (SNR) 提高13dB左右。
FM調(diào)諧器效能主要由射頻接收機(jī)與調(diào)頻解調(diào)器決定。最基本的調(diào)頻解調(diào)器架構(gòu)就是一個由時域微分器和封包檢測器組成的鑒頻器 (frequency discriminator)。采用這種解調(diào)器時，微分器會把利用相位儲存信息的調(diào)頻訊號轉(zhuǎn)換成利用振幅儲存信息的調(diào)幅訊號，然后由封包檢測器從振幅中取回信息。調(diào)頻載波的振幅變動可能會破壞鑒頻器的解調(diào)輸出，因此鑒頻器的前面通常會增加一級限幅器以便除去載波的振幅變動。其它常用的調(diào)頻鑒頻器包括Foster-Seeley鑒別器和比例檢測器。制造商過去大都利用離散組件組成的鑒頻器設(shè)計調(diào)頻解調(diào)器，例如變壓器、晶體管、二極管、電阻和電容；今天，多數(shù)設(shè)計都已采用IC解決方案。
圖2：典型的鎖相回路方塊圖及其線性模型
鎖相回路是目前很受歡迎的一種調(diào)頻調(diào)變架構(gòu)，圖2就是典型的鎖相回路方塊圖及其線性模型。其中PD代表相位檢測器 (Phase Detector)，KPD是相位檢測器增益，HLF(s) 是回路濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)，KVCO/s則是壓控振蕩器轉(zhuǎn)移函數(shù)。鎖相回路是一種負(fù)回授系統(tǒng)，它會根據(jù)輸入訊號xFM(t) 鎖定回授訊號xVCO(t) 的相位。
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作者：Lawrence Der博士，Silicon Laboratories廣播產(chǎn)品經(jīng)理
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