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收音機技術(shù)的產(chǎn)生已經(jīng)有100多年的歷史，全球無數(shù)的聽眾使用傳統(tǒng)輪調(diào)收音機產(chǎn)品也有幾十年了。這些傳統(tǒng)收音機提供了非常簡單的用戶界面：一個調(diào)節(jié)頻率的滾輪，一個用來指示所收聽電臺頻率的指針。過去十年中，基于高性能DSP的收音機設(shè)計使復(fù)雜的用戶界面變得更具人性化，包括用于自動搜索/調(diào)諧功能的按鈕和顯示頻率的液晶顯示器（LCD）。本文將探討如何設(shè)計具有LCD顯示頻率,而保持滾輪調(diào)頻的中檔收音機，探討選擇音頻IC和顯示驅(qū)動器時要考慮的實際問題，以及如何利用這些技術(shù)為終端用戶提供最佳的收音機調(diào)諧體驗。
 
隨著越來越多的便攜式應(yīng)用（如手機、便攜式媒體播放器）集成了FM收音機功能，市場上存在一種錯誤的想法：收音機已不再需要。但實際上，收音機仍廣受歡迎。這有很多原因，例如，由于干擾和尺寸的限制，要把AM和短波（SW）收音機功能集成到便攜式多媒體裝置中，在技術(shù)上仍然面臨許多挑戰(zhàn)。同時許多消費者仍然更喜歡通過AM和SW收音機（如外放、智能手機外設(shè)裝置以及其他便攜式收音機產(chǎn)品）收聽體育新聞和其他音頻廣播節(jié)目。通常，這些收音機產(chǎn)品都有一個調(diào)諧滾輪和一個帶有指針的頻率指示盤用于顯示當(dāng)前調(diào)諧的頻率。
 
近年來，基于DSP技術(shù)的收音機通過LCD/LED頻率顯示和自動搜索頻率按鍵吸引了眾多消費者。然而，盡管許多收音機用戶體會到LCD或LED面板顯示頻率所帶來的便利，但是比起那些調(diào)頻的按鍵來，他們還是更喜歡使用直觀的調(diào)諧滾輪（如圖1所示）。為了簡便，我們將其稱之為“輪調(diào)數(shù)顯”收音機，即“模擬調(diào)諧、數(shù)字顯示”（ATDD）市場。（注：因為市場中數(shù)字收音機IC占主導(dǎo)地位，所以“模擬”一詞不再準確，但在文章中我們?nèi)匀徊捎眯袠I(yè)內(nèi)普遍使用的縮略詞，ATDD。）
 
設(shè)計ATDD收音機有多種方法，我們將從系統(tǒng)層面探討各種設(shè)計方法，包括RF性能、復(fù)雜度、特性差異以及物料（BOM）成本等。首先我們討論使用模擬IC設(shè)計ATDD收音機的傳統(tǒng)方法，接著探究創(chuàng)新型設(shè)計，如使用基于DSP收音機IC設(shè)計的“虛擬輪調(diào)”收音機，最后以一款專門為ATDD市場而優(yōu)化的新型多波段收音機IC結(jié)尾。
 
 

圖1：典型的輪調(diào)數(shù)顯收音機示例

采用傳統(tǒng)模擬IC設(shè)計的ATDD收音機
傳統(tǒng)模擬收音機IC可以用于輪調(diào)數(shù)顯收音機設(shè)計。然而，由于AM/FM接收器模擬架構(gòu)的局限性，信號處理主要由芯片外的其他元件完成，因此接收器IC需要較高的BOM成本。此外，由于模擬IC并不能為顯示驅(qū)動器提供調(diào)諧頻率信息，在這些傳統(tǒng)的收音機方案中，需要一個中頻（IF）計數(shù)器IC通過本地振蕩器脈沖來估算調(diào)諧頻率并傳輸給顯示驅(qū)動器，由顯示驅(qū)動器顯示所計算出的調(diào)諧頻率，如圖2所示。

圖2：簡化的傳統(tǒng)模擬接收器IC系統(tǒng)原理圖
 
傳統(tǒng)收音機IC應(yīng)用于輪調(diào)收音機市場已有幾十年了，其為收音機的發(fā)展革新做出了重要貢獻。然而，這些傳統(tǒng)的方案在收音機生產(chǎn)和獲得高品質(zhì)收音體驗上存在許多局限性：
由于模擬收音機IC固有的局限性，傳統(tǒng)方案的RF性能較差。傳統(tǒng)模擬方案的敏感度較低，選擇性也較差。在信號較弱的農(nóng)村地區(qū)，采用這種解決方案的收音機有時候無法接收到廣播電臺。此外，在頻譜擁擠的城市中，鄰道干擾導(dǎo)致模擬收音機很難清楚地收聽到想聽的電臺。
與傳統(tǒng)的模擬調(diào)諧、模擬顯示（ATAD）收音機相比，數(shù)字顯示可謂是ATDD收音機的一個主要賣點。然而，由于模擬IC會引起調(diào)諧誤差，顯示的頻率往往不太準確。實際應(yīng)用中，真正的調(diào)諧頻率可能與顯示的頻率偏差四或五個頻道，影響了用戶體驗。
由于模擬技術(shù)的局限性，基于模擬IC的系統(tǒng)需要大量的分立器件進行信號處理，例如，電感器和IF過濾器。這導(dǎo)致收音機設(shè)計的BOM成本很高，使用多達70個分立器件數(shù)量。如此多的分立器件也僅是整個設(shè)計的一部分而已。雖然模擬IC本身成本很低，但由于傳統(tǒng)方案要使用很多外接器件，導(dǎo)致總BOM成本也相當(dāng)高。為了有效制造收音機，生產(chǎn)階段需要大量的人工協(xié)助組裝、測試和調(diào)諧。盡管元器件價格穩(wěn)定，但隨著勞動力成本的攀升，基于傳統(tǒng)方案的模擬收音機制造成本隨著時間的推移持續(xù)上升。 
由于器件數(shù)量眾多以及由此導(dǎo)致的器件間電磁干擾（EMI），使得收音機產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計和電路板布局布線變得復(fù)雜。對于具有不同頻帶限制的收音機模塊而言，由于模擬IC不支持通用的頻率，設(shè)計人員不得不創(chuàng)建多個設(shè)計。此外，基于傳統(tǒng)模擬IC方案的收音機無法通過歐洲電磁輻射兼容性測試(EN55020)，這限制了產(chǎn)品銷往歐洲市場的機會。

DSP IC的“虛擬輪調(diào)”ATDD收音機設(shè)計 
現(xiàn)在的收音機市場已經(jīng)出現(xiàn)改進后的輪調(diào)ATDD收音機，也稱為“虛擬輪調(diào)”收音機。其調(diào)諧滾輪可以像傳統(tǒng)滾輪一樣進行調(diào)諧，不同的是他可以無限轉(zhuǎn)動。與傳統(tǒng)輪調(diào)收音機突出調(diào)諧滾輪設(shè)計不同，虛擬滾輪也可以是凹陷或嵌入的，類似于許多便攜式模擬播放器的觸摸型輪調(diào)。虛擬輪調(diào)收音機接收器IC把RF頻率下變頻為IF頻率，然后通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ ADC）進行信號數(shù)字化處理，最后使用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC ）恢復(fù)信號到揚聲器輸出。虛擬輪調(diào)設(shè)計減少了傳統(tǒng)方案中額外的BOM器件（例如IF濾波器和變壓器），從而獲得了較低成本和較好性能。 
以上的收音機IC包括數(shù)字輸入和數(shù)字輸出，用戶所選的頻率作為數(shù)字輸入經(jīng)過數(shù)字處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出到LCD驅(qū)動器。為了與頻率調(diào)諧滾輪協(xié)同工作，需要在前端使用MCU編碼器把滾輪調(diào)諧轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并將數(shù)字信號提供給收音機接收器。然后，接收器進行數(shù)字處理并將頻率輸出到LCD/LED驅(qū)動器以便在屏幕上顯示。圖3是一個簡化的虛擬輪調(diào)收音機系統(tǒng)原理圖。

 圖3：簡化的虛擬輪調(diào)收音機系統(tǒng)原理圖
 
目前，這類虛擬輪調(diào)系統(tǒng)中使用最廣泛的收音機IC是Silicon Labs公司的Si473x多波段接收器。Si473x器件所具備的數(shù)字低中頻（low-IF）架構(gòu)能夠進行所有音頻信號數(shù)字化處理，并提供卓越的RF性能。Si473x系列產(chǎn)品功能強大，支持高級特性，例如：自動掃描、存儲用戶喜歡的電臺設(shè)置，甚至在LCD屏幕上顯示信號強度或信噪比（SNR）。 
但在采用這種解決方案設(shè)計ATDD收音機時，有兩方面需要考慮：  
由于該IC是為數(shù)字調(diào)諧收音機而設(shè)計，因此需要一個額外的前端MCU編碼器作為ADC，這將增加BOM成本。 
編碼器滾輪不同于傳統(tǒng)調(diào)諧滾輪。傳統(tǒng)調(diào)諧滾輪使用電位計或可變電容器，有最小和最大物理轉(zhuǎn)動限制，而編碼器滾輪沒有轉(zhuǎn)動限制。相對于有最小和最大頻率限制的傳統(tǒng)調(diào)諧滾輪，這種方式不太直觀。
鑒于以上兩個問題，收音機制造商仍在探尋新方法，以便在不提高成本的前提下為ATDD收音機提供更佳性能。
 
針對ATDD市場而優(yōu)化的多波段收音機IC  

Silicon Labs公司最近推出Si484x AM/FM/SW接收器系列產(chǎn)品以滿足ATDD收音機市場需求。Si484x IC提供了杰出的性能、更高集成度、調(diào)諧高精度和先進的流水線制造技術(shù)，將推動ATDD 市場的革新。Si484x系列產(chǎn)品基于Silicon Labs公司已驗證的專利技術(shù)數(shù)字低中頻架構(gòu)，支持從簡單的天線接口到L/R模擬音頻輸出的完整信號處理。Si484x IC集成的ADC可直接將滾輪的模擬調(diào)諧轉(zhuǎn)化成變化的頻率，同時提供I2C兼容的2線控制連接MCU和LED/LCD驅(qū)動器。
傳統(tǒng)模擬IC不能輸出調(diào)諧頻率，與之不同的是Si484x不僅能輸出實際調(diào)諧頻率，也支持LCD/LED上顯示的有效電臺和單聲道/多聲道信號指示。Si484x也支持數(shù)字音量控制、軟靜音和低/高音音頻增強。此外，Si484x為各種信號環(huán)境提供高級音頻調(diào)節(jié)功能，消除不同信號環(huán)境下的咔嗒、爆破噪聲和靜電噪聲等。而傳統(tǒng)方案不具備這些關(guān)鍵功能。

 圖4：Si484x多波段收音機IC架構(gòu)
 
采用如Si484x系列產(chǎn)品解決方案的新一代ATDD收音機，把先進的數(shù)字收音機優(yōu)點帶到傳統(tǒng)模擬收音機市場。主要優(yōu)點概括如下：  
降低BOM和勞動力成本：與傳統(tǒng)模擬收音機IC相比，高集成度的單芯片Si484x解決方案僅需要極少量的外部器件，BOM成本降低70%以上。相比之下，傳統(tǒng)方案需要手動調(diào)諧和測試等步驟，增加了勞動力成本和制造時間。Si484x無需手動調(diào)諧，從而降低生產(chǎn)成本，加快產(chǎn)品上市時間。此外，Si484x僅需要一次RF模擬測試。與虛擬輪調(diào)收音機解決方案相比，Si484x無需使用編碼器，但卻具備與虛擬輪調(diào)收音機設(shè)計相媲美的高級功能。  
卓越的RF性能：與傳統(tǒng)方案相比，Si484x系列產(chǎn)品先進的數(shù)字架構(gòu)使RF性能更加卓越。表1列出了Si484x系列產(chǎn)品實測下的卓越性能數(shù)據(jù)。例如，收音機的選擇性參數(shù)決定了他能否很好的在許多電臺共存的環(huán)境中鎖定目標(biāo)電臺，因為這是擁擠城市中的常見情況。傳統(tǒng)模擬收音機使用FM波段為800kHz - 1MHz帶寬的寬信道濾波器，這意味著處于此帶寬范圍的電臺會相互干擾，并降低所收聽電臺的音質(zhì)。Si484x
器件具有卓越的數(shù)字選擇濾波器，所占帶寬較窄，即使在200kHz范圍內(nèi)存在50dB的強干擾電臺，也能夠完美接收目標(biāo)電臺信號。
  

表1：Si484x收音機與傳統(tǒng)收音機RF實測對比

 
圖5顯示了Si484x系列產(chǎn)品與傳統(tǒng)方案相比所具有的卓越選擇性。其選擇性數(shù)值為阻塞器干擾預(yù)期接收信號所需的最低δ值。
 

圖5：Si484x與傳統(tǒng)模擬IC的選擇性對比

 精確的調(diào)諧頻率顯示：傳統(tǒng)ATDD方案使用頻率計數(shù)器IC估算傳統(tǒng)模擬IC的調(diào)諧頻率。這將導(dǎo)致實際的調(diào)諧頻率與所顯示的頻率差距很大，而給使用者帶來不好的體驗。Si484x能夠精確調(diào)諧，通過I2C接口向顯示驅(qū)動器提供調(diào)諧頻率，并且不會產(chǎn)生誤差。LCD/LED精確顯示了用戶所聽電臺的頻率。 

易于設(shè)計和構(gòu)建：數(shù)字解決方案比傳統(tǒng)模擬方案集成度更高，因此往往更容易設(shè)計到印刷電路板上。例如，Si484x系列產(chǎn)品采用已驗證的Silicon Labs架構(gòu)，并建立在Silicon Labs處于業(yè)界領(lǐng)先地位的其他廣播接收器產(chǎn)品基礎(chǔ)上。該架構(gòu)具有非常小的前端匹配網(wǎng)絡(luò)，供電隔離和功能配置可在單層電路板上實現(xiàn)，因而BOM成本低，系統(tǒng)管理和加工簡單。Si484x的BOM中不含手動調(diào)諧的器件，制造商無需在組裝線上進行人工安裝、測試和裝配。收音機制造商可以從產(chǎn)品快速上市、生產(chǎn)工藝簡化、勞動力成本降低這幾方面受益，而且還可以借助其先進的功能特性使其收音機產(chǎn)品脫穎而出。
 
小結(jié)
全球收音機市場競爭激烈，收音機系統(tǒng)設(shè)計人員需要全方位的考慮輪調(diào)數(shù)顯收音機的各方面特性，包括RF性能、BOM成本以及制造流程。表2概括了ATDD收音機設(shè)計要素，以及各種解決方案的對比。通過對傳統(tǒng)模擬方案、虛擬輪調(diào)解決方案，以及更新型的ATDD解決方案（Silicon Labs公司新一代Si484x）的對比說明，Si484x系列產(chǎn)品為各類ATDD收音機提供了最佳的多波段接收器解決方案。通過使用Si484x系列的解決方案，收音機制造商可以大大降低BOM和制造成本，同時還可以設(shè)計出具有獨特功能的差異化收音機，從而在當(dāng)今激烈的競爭中獲得更多市場份額。