（教育技术学专业论文）基于usbotg数据接口车载mp3收放机的研究与开发.pdf

天津师范大学硕士学位论文摘要 摘要 车载m p 3 收放机是一种针对汽车前装市场升级换代的数字音响主机。现有的 车载音响产品大都为c d 机+ 收音机组合。c d 机由于自身固有的特性，具有抗震 性能较差，激光读取器件容易老化，换碟较不方便的缺点。车载m p 3 收放机除了 克服以上不足外，还具有音频文件下载方便，随时更新的优点。市场上现有的车 载m p 3 产品，多为f m 发射形式实现音频播放，在这种电流一电波电波一电流的转 换方式中，音质大打折扣，并且容易受到外界干扰，主机无法实现选曲，使用不 方便。因此，非调频发射的车载m p 3 收放机，具有更广泛的应用领域。 本文提出了一种利用u s bo t g 数据接口控制部件实现对u 盘中以f a t l 6 3 2 文件系统存储的音频文件进行读取，利用数字锁相环技术实现数调收音机的控 制，以及利用其它音频解码组件完成音频处理和播放的整体设计方案。本文的创 新之处在于，设计并实现的产品方案与市场上同类产品比较，具有组件简洁新颖， 功能多，产品成本低的特点。系统的设计主要包括四个组成部分，分别足f m 觚 高频接收模块，u s b0 t g 接口数据读取和m p 3 w m a 音频解码模块，用户输入和显 示面板，系统主控模块。 本文在主体部分阐述了f m a m 收音高频模块对高频信号进行接收解调的原 理，数字锁相环完成的数字调谐原理，u s b0 t g 接口数据读取和m p 3 w m a 音频解 码模块完成的数据读取和音频解码，系统主控制器的工作进行论述。从整体上阐 述了u s bm p 3 收放机的开发过程，提供了一种车载前装m p 3 收放机的前期方案。 关键词：u s bc r r g 数字调谐汽车音响 天津师范大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h ec a rm p 3t u n e ri sa 幻，p eo fd i 百t a la u d i om a i n 仔 m l ef o rm eu p 伊a d i n go fc a r p i o n e e ra u d i om a r k e t r h ee x i s t i n gc a ra u d i op r o d u c t sa r em ec o m b i n a t i o no fac d p l a y e ra n dt h er a d i o 、t ht h ei n t n s i cf e a t u r e ，t h ec dp l a y e rh a ss u c hs h o r t c o m i n g s a sp o o ra n t i s h o c k i n g i b i l i t y t h ea g i n go ft h el a s e rr e a d e r ，a n dt h ei n c o n v e n i e n c eo f c h a n 百n gt h ed i s k e x c 印t i n gf o ro v e r c o m i n gt h ea b o v ed e 佗c t s ，t h ec a rm p 3t u n e rh a s t h ea d v a n t a g e so fe a s yd o w n l o a do fa u d i of i l e sa n du p d a t i n ga ta n yt i m e a st h e p r e s e n tm p 3p r o d u c t sd o m i n a t e do nt h em a r k e tp l a yt h ea u d i of i l e sb yu s i n gt h e 锄i s s i o np a t t e ro ff m a m ，t h ea c o u s t i cf i d e l i t yb e c o m e sl e s sd e s i r e di n it h i se l e c t r i c c u n e n tt oe l e c t r i cw a v ea n de l e c t r i cw a v et oe l e c t n cc u r r e n tc o n v e r s i o nm o d e a n di t i sv u l n e r a l b l et ou 1 ee x t e m a li n t e r | e r e n c e t h i sm a i n 6 7 锄ew i nn o tb e2 l b l et oc h o o s e t h es o n g st ob ep l a y e da n di ti sn o tc o n v e n i e n tt ou s e t h e r e f o r e ，t h en o n 一行e q u e n c y m o d u l a t i o nm p 3t u n e rh a sam o r ee x t 胁s i v ed o m a i nf o r 印p l i c a t i o n t h i s 耐i c l ep r o p o s e sa 1 1o v e r a l ld e s i 朗p r o 莎a 玎lt oa c c e s st om ea u d i of i l e s ， w h i c ha r es t o r e di nm eud i s ki nt h ef a t l6 3 2f i l es y s t e m ，b yu s i n gt h eu s bo t g d a t ai n t e m c e t h ed i 酉t a lp h a s e - l o c k e dl o o pt e c h n o l o g yi se m p l o y e dt oc o n t r o lt h e d i 百t a l 一a d j u s t m e n to fr a d i oa n dc o m p l e t et h ea u d i o 仔e q u e n c yp r o c e s s i n gu s i n go t h e r a u d i o 矗e q u e n c yd e c o d i n gm o d u l e t h en o v e l t yo ft h ea r t i c l e si st h a tt h ec o m p o n e n t s a r eo 打g i n a la n ds i m p l ew i t hd i v e r s e 向n c t i o n sa n dl o wc o s tw h e nc o m p a r e dw i t ht h e c o m p a r a b l ep r o d u c t so nt h em a r k e ti nt e mo fd e s i 印i n ga n dr e a l i z i n gt h e 如n c t i o no f t h ep r o d u c t s 7 i h ed e s i g no ft h es y s t 锄m a i n l yi n c l u d e st h ef o u rf o l l o w i n gp a r t s ：t h e f m a mh i g h 仔e q u e n c yr e c e i v i n gm o d u l e ， u s b0 t gd a t aa c c e s s m o d u l e ， m p 3 ，w m aa u d i od e c o d i n gm o d u l e ，t h eu s e ri n p u ta n dd i s p l a yp a n e la n dt h em a s t e r c o n t m lm o d u l e t h i s 积i c l ee l a b o r a t e si nt h em a i np a r tt h e 埘n c i p l et 1 1 a tt h ef m a mh i g l l f 沁q u e n c ym o d u l er e c e i v e st h eh i 曲f 沱q u e n c ya n dd e m o d u l a t ei ta n dt h ep r i n c i p l e t h a tt h ed i 西t a lp h a s e - 1 0 c k e dl o o pc o m p l e t e sd i 酉t a l h a r m o n i o u s ，t h ea c c e s so ft h e i n t e r f a c ed a t aa n dt h ec o m p l e t i o no fd a t aa c c e s sb yt h em p 3 、m aa u d i o6 q u e n c y d e c o d i n gm o d u l ea n dt h ew o r ko ft h em a i nm a s t e rc o n t r o lu n i t i te l a b o r a t e st h e p r o c e s so fd e v e l o p m e n to fm eu s bm p 3 咖e ra n dp m v i d e sap r e l i m i n a r yp l a nf o r “sp u r p o s e k e yw o r d s ：u s b o t gd a t ai n t e r f a c e ，d t s ，c a ra u d i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得本盗塑整盘堂或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：查处 导师签名：日期：垄堕! ! 堑 天津师范大学硕上学位论文 绪论 第一章绪论 目前综合素质较高的实用型人才越来越受到社会欢迎，高等院校作为培养高 素质人才的基地，把培养适应社会发展的特色实用人才作为首要目标。促进学生 知识、能力、素质三方面的协调发展和整体提高，培养适应时代需求的具有创新 精神以及各类实用技术的高素质管理人才，是我们实施素质教育的一个方面。 素质教育最基本的理解应该是“以提高人们来适应现代社会精神文明和物质 文明需要为根本目的的教育”【l 】。素质教育是以人为本，适应当代经济社会发展 需求的高水平、高质量的教育。 专业素质教育是素质教育的重要组成部分，专业素质教育应该是面向社会实 际需求，理论与实际相结合的，而不只是单纯满足理论或者实验室环境下的需要。 但是目前在大学生中普遍存在一种现象：每天坐在课堂中，面对书本却并不知道 自己现在所学知识如何运用到实际生产中去，感觉所学的知识枯燥无味，不能提 高自身的学习热情，达不到掌握知识的目的。这与素质教育的目标相去甚远。面 对这种情况，我们想为电子技术学科设计一个综合电子学科中涉及通信原理，模 拟与数字电子技术，嵌入式系统软硬件设计，电子系统规划与设计等不同门类于 一体的电子技术课程，通过它来向同学们展示这一学科在实际产品开发中的应 用。利用这一开发实例的教学，将各个知识内容形象具体地联结起来，让学生感 同身受实际开发一个电子产品的过程，从而能将课堂所学理论与实际_ 丌= 发有机地 结合起来，激发学生的学习兴趣和内部动机，活跃学生的思维过程；使学生轻松 愉快地投入学习，减轻了学生的负担，增进了学生的身心健康。 这次设计工作采用的是产学研相结合的方式来完成的。在以往的传统教育实 践中，主要采用的是重理论轻实践的教育模式，从而忽视了对学生进行创新能力 和实践动手能力的培养，为了培养出适应新环境下的高素质技术人才，走产学研 相结合的教育模式之路势在必行。目前有些企业的产品已经不能满足市场的要 求，但由于电子人才流失和缺乏资金，其原有的产品和工艺得不到技术更新与改 造，而市场急需的产品又没有能力开发出来，其结果造成恶性循环，举步维艰， 经营困难。而高等学校的特殊环境，聚集着具有高新知识和技术的人才与学生， 还有目前先进的电子技术和e d a 实验室。这是目前大多数国有企业，特别是中、 小企业无法具备的优势。产学研相结合实现了高等学校、科研机构及企业的优势 互补，为学生提供了参加生产实践和科研实践的机会，特别是在科研实践中培养 了学生的创新能力。学生们j 下好利用自己理论知识新、基础厚、精力旺盛的优势， 在企业工程技术人员指导下，克服其实际经验不足的劣势，利用目前所学过的先 进理论和e d a 工具优势，站在巨人肩膀上，修改、升级老产品，开发新产品满 天津师范人学硕士学位论文绪论 足市场需求，提高自身专业素质。 本文的研究目的就是利用电子技术设计一个实用的产品，为多媒体软件的制 作提供一个真实的实例对象，同时也是一次产学研相结合教育模式的实践。设计 工作以通信电路与币片机软硬件设计为核心，结合数字电路内容，这样将来通 过多媒体软件的展现，可以使学生获得单片机应用系统设计的基本理论、基本知 识与基本技能，了解单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，以及单片机 在通信、控制、智能化等电子应用领域的运用。 本章主要介绍关于车载u s bm p 3 收放机的现状及论文研究的内容。 1 1 车载u s bm p 3 收放机概述 随着中国近几年经济和工业发展，汽车产销量逐年递增，中国已开始迈入汽 车社会。统计显示，中国汽车产量己连续6 年保持快速增长，2 0 0 1 年到2 0 0 6 年， 中国汽车产量5 年平均增长2 6 。2 0 0 6 年，中国汽车产销量双双超过7 2 0 万辆， 成为仅次于美国的世界第二大新车销售市场。2 0 0 7 年中国汽车产销量将双双突 破7 0 0 万辆( 数据来自新华社) 。伴随汽车产销量的增长，前装市场对功能价格 比高的车载音响有巨人的市场需求。而汽车电子产业中，车载影音设备相对于车 身控制，动力控制等其它汽车电子系统技术门槛较低，因此成为众多国内汽车电 子厂商的突破口。其中，深圳航盛电子是一家致力于车载影音设备研发，制造和 销售的国内汽车电子的龙头企业。在中国十大汽车电子厂商中，是唯一的一家中 国本土企业。 现有的车载音响，大都为c d 收放机产品，即包含c d 播放机和收音组成的 音响系统【2 】。c d 机芯的激光头组件，虽然是非接触件，由于其材质的固有特性， 仍是易损易耗件，有一定的使用寿命。车载c d 播放机虽然在设计过程中已经考 虑了防尘的问题及防震功能【3 】，但由于国内大多路况不好，防尘及防震系统难以 体现。再加上c d 机芯较高的成本，对前装车载音响厂商而言，增加了生产和售 后服务成本，而国内汽车厂商又有不断的降价要求，因此，前装音响厂商疲于应 对。 近几年数字播放器，特别是m p 3 播放器的普及，给车载音响厂商提供了新 思路。最早将m p 3 播放功能放入车载音响中的是现代汽车电子，其实现方式是 将m p 3 播放器的电源和信号接u 稍加改造，与音响机合为一体。此种方式虽然 实现了汽车音响在无c d 机芯的情况下播放高品质音乐的功能，但是歌曲的更新 下载仍需要将m p 3 部分拆下，与电脑连接进行数据更新。这种方式，使用起来 仍有不便。 2 天津师范人学硕十学位论文 绪论 近几年，以嵌入式u s b 主机为核心应用的u o b 。o t g 作为u s b 技术的延伸， 由于其使用的灵活性，方便了移动设备之间的数据交换。因此，设计一种以u s b o t g 为接口，以u s b 移动闪存盘为数据存储设备的车载音响成为了可能。而这 样的产品，除了达到了接近c d 音质的m p 3 音频播放以外，还克服了c d 音响 主机的种种缺陷。 为了丌发这样的适应市场需要的车载m p 3 产品，我们与天津航盛电子共同 合作，来完成车载m p 3 项目，由企业提供项目丌发的资金，我们完成产品的软 硬件设计实现及今后的更新与升级工作。我们的优势是能够较快了解和学习当今 国内外最新技术，而企业具有丰富经验，两者结合也是产学研的最好结合。 1 2 论文研究的内容 本文就车载m p 3 收放机的整体系统进行论述，主要讨论车载m p 3 收放机系 统的各个部分原理和开发过程。 第一章为绪论，介绍了车载m p 3 收放机的开发背景，本论文的研究动机， 论文架构。第二章对车载m p 3 收放机系统总体规划及系统结构，第三章主要介 绍调频调幅收音原理，数字锁相环的工作原理，调频调幅接收高频头模块的设计 实现，第四章阐述u s b o t g 和m p 3 解码相关技术以及在本方案中的软硬件设 计实现，第五章主要介绍l c d 显示及按键输入面板的功能、电路设计及其中的 各外围电路设计等内容，第六章主要介绍主控电路的功能、单片机和外围电路的 构成、丌发系统组成等内容，第七章介绍系统丰控制器的控制软件部分设计，包 括编程开发语言的选择，总体规划，主要功能模块的实现等，第八章对工作的总 结和展望。 2 0 0 7 年1 1 月间，本项目参加天津市教委主办的首届“华苑杯”大学生科技 创新大赛，获得电子通信类研究生组三等奖。 3 天津师范大学硕上学位论文 系统设计 第二章系统设计 设计过程中，将车载m p 3 收放机系统分为六部分：高频头收音模组部分， u s bm p 3 放音部分，单片机主控部分，音频处理功放部分，控制按键及l c d 显 示驱动面板部分。 本章主要介绍系统的总体设计规划及系统结构。 2 1 系统设计规划 项目的设计目标是实现车载收放机的既定功能。规划的基本功能实现产品需 要，其中功能用标准缩写英文代码表示 1 u s b 接口兼容：1 1 2 o 版本； 2 支持m p e g l 2 2 5 l a y e r 3 格式( i s oc o m p l i a n t ) ； 3 支持l o 级文件夹共2 5 5 个子目录； 4 播放速率：m p 38 3 2 0 kb i t s ； 5 5 种音效：正常n o 姗a l 、古典c l a s s i c a l 、流行p 0 p 、爵士j a z z 、摇滚r o c k ； 6 功放：3 5 w 4 功率； 7 p l l 收音：自动搜台功能、手动预存电台；f m 预置存1 0 个台；a m 预 置存1 0 个台； 8 工作湿度：5 8 5 ； 9 工作温度：2 0 + 7 5 ； l o 电源电压：+ 1 2 v ； 2 2 系统结构与设计 在设计实现以上所述的系统功能要求外，还应充分考虑该产品在今后的研 发、生产、使用、维修中面临的实际问题。 根据公司的需要，在设计上应注意以下问题： 产品总体成本合理，且采购元器件如规模化采赂则有价格不断下探的可 能性，以满足车厂需要； 结构简单，元器件组成简洁，利于采购及装配； 4 天津师范大学硕上学位论文系统设计 尽量利用成熟电路及元器件，在部分标准功能电路上选用现有模块电路， 减少研发风险，利用原有元器件采购渠道； 根据以上要求，在产品研发前期设计了两套产品结构设计图，如下图2 1 和 图2 2 所示 方案a 与方案b 相比，增加了一个系统主控。区别在于，在方案a 中，用 单独的一个主控对调谐收音、音频文件数据读取和解码、按键输入判断、显示控 制、系统电源控制、音频控制等模块进行控制，起到系统主控的功能。其中，音 频文件数据读取和解码单片机作为功能专用单片机。而方案b 则利用音频数据 读取与解码单片机的富余端口资源，同时用作系统主控功能，从而简化了系统构 成。 研发前期推出这两套设计方案，因为考虑到音频数据读耿与解码单片机的驱 动软件包为半导体厂商提供，如果对其加以改动而使其适合做系统主控的功能， 由于前期尚未接触该芯片详细技术资料，对其中断处理信号机制及硬件结构尚不 清楚，因此，前期先进行方案a 的研发，降低风险，而在后期，尝试进行方案b 的研发。 5 匝球靶基魁球恹h式匦 匦球鞋盎魁眯恹【由匝 天津师范人学硕士学位论文收音及数字调谐系统 第三章收音及数字调谐系统 随着微电子技术的发展，尤其是数字电子技术和微机技术在音响领域的广泛 应用，近年来，在当代收音机中普遍设置有采用锁相环技术与单片机控制组合的 数字调谐系统( d t s d i g i t a lt u n i n gs y s t e m ) 。它是一种较新颖的电子调谐 装置。在现代汽车音响中，装置抗干扰性能强的数字调凿收音已经成为了标准配 备。数字调谐收音系统与采用可变电容器的机械式调谐器相比有如下优点： 由于采用了微机技术，使电子调谐器实现了智能化。使d t s 具有自动选 台、预置选台、存储选台等多重功能。同时，使调谐操作准确，快捷而方便； 由于采用了锁相技术，使电子调谐的频率准确性和稳定性得到了明显的 提高，无频率漂移等走台现象的出现； 由于采用了数字显示技术，使调谐操作直观、简便。同时，也便于遥控 操作和轻触式操作的实现； 由于无机械式调谐器所需的刻度盘等传动机构，使整个调谐系统的体积 大大缩小。当然也无机械磨损可言。大大提高了调谐器的使用寿命。 数字调谐系统内的本机振荡器，一般均采用压控振荡器( v c o _ v 0 1 t a g e c o n t r 0 1 l e do s c “1 a t i o n ) ，采用锁相环数字式频率合成技术来产生大量的离散 的本机振荡频率共超外差接受。而整个数字调谐装置功能的实现，全部由微处理 器的控制来统一协调予以完成。 3 1 收音基本原理 无线电广播的发送是利用无线电波将音频信号向远方传播的。音频信号的频 率很低，通常在2 0 2 0 0 0 0 1 1 z 的范围内，属于低频信号。低频无线电波如果直接 向外发射时，需要足够长的天线，而且能量损耗也很大。所以，实际上音频信号 是不能直接由天线米发射的。无线电广播是利用高频的无线电波作为“运输工 具”，首先把所需传送的音频信号“装载”到高频信号上，然后再由发射天线发 送出去。调幅制无线电广播分为长波、中波和短波三个大波段，分别由相应波段 的无线电波传送信号。我国只有中波和短波两个大波段的无线电广播。中波广播 使用的频段大致为5 5 0 k h z 一1 6 0 0 k h z ，主要靠地波传播，也伴有部分天波；短波 广播使用的频段约为2 m h z 一2 4 m h z ，主要靠天波传播，近距离内伴有地波。调频 制无线电广播多用超短波( 甚高频) 无线电波传送信号，使用频率约为 8 8 m h z 一1 0 8 删z ，主要靠空问波传送信号。 天津师范大学硕士学位论文收齑及数字调特系统 将声波的讯号并入电磁波内传送到远方，通常采用的方法仃两种：调幅 ( a m p l i t u d em o d u l a t i ( ) na m ) 调整让电磁波的振幅随着声波的振幅强弱而改 变( 振幅随时问改变) ；所传送电磁波的频率不变。当声波压力最大时，振幅也 最大，当声波压力最小时，振幅也最小。当声波完全消失时，并没有电磁波传送 出去。 调频( f r e q u e n c ym o d u l a t i o nf m ) 调整让电磁波的频率随着声波的振幅 强弱而改变( 频率随时间改变) 所传送电磁波的振幅则不改变。当声波压力最大 时，频率也增加最大，当声波压力最小时，频率也减少最小。当声波完全消失时， 所传送的频率就是电台的频率。 无线电广播的基本过程如图3 1 所示。在无线电广播的发射过程巾，声音信 号经传声器转换为音频信号，并送入音频放大器，音频信号在音频放大器中得到 放大，被放大后的音频信号作为调制信号被送入调制器。高频振荡器产生等幅的 高频信号，高频信号作为载波也被送入调制器。在调制器中，调制信号对载波进 行幅度( 或频率) 调制，形成调幅波( 或调频波) ，调幅波和调频波统称为已调 波。已调波再被送入高频功率放大器，经高频功率放大器后送入发射天线，向空 间发射出去。 弭蝈匹 图3 1 无线电广播发送过程 无线电广播的接收工作过程就是无线电发射的逆过程。收音机的基本任务就 是将空f n j 传来的无线电波接收下来，并把它还原成原来的声音信号。为了完成这 一任务，收音机必须具备以下四项基本功能：接收并选择电台信号，对电台信号 进行解调，将音频信号加以放大，把音频信号还原成声旨。 按收音机的工作方式，即在解调之前对接收信号的载波频率是否进行频率变 换，可分为直接放大式收音机和超外差式收音机两种。 直接放火式收音机，即在解调之前不改变高频已调波载频的频率，这种 收音机称为直接放大式收音机。 9 天津师范大学硕士学位论文收音及数字调谐系统 超外差式收音机，在解调之前，先由变频电路将接收信号的载波频率变 换为频率固定且低于载波频率的中频信号，然后再对中频信号进行放大、解调。 超外差式收音机如下图3 2 ，由接收天线、输入回路、变频器、中频放大器、 检波器、自动增益控制电路、低频电压放大器、低频功率放大器和扬声器等组成。 图3 2 超外差收音机组成 其中，本机振荡器在统调作用下产生一个始终比接收信号高一个中频频率的 振荡信号，在混频器内利用晶体管的非线性将振荡信号与接收信号相减产生一个 新的频率即中频，这就是“外差”。为了获得较好的选择性和灵敏度，在获得中 频信号以后再加以放大，即中频放大，这样收音机的接收质量大大提高，这就是 “超外差式”电路。它有如下几个优点： 由于变频后为固定的中频，频率比较低，容易获得比较大的放大量，因 此收音机的灵敏度可以做得很高 山于外来高频信号都变成了一种固定的中频，这样就容易解决不同电台 信号放大不均匀的问题； 由于采用“差频”作用，外来信号必须和振荡信号相差为预定的中频才 能进入电路，而且选频回路、中频放大谐振回路又是一个良好的滤波器，其他干 扰信号就被抑制了，从而提高了选择性。 但是超外差式电路也有不足之处，会出现镜频干扰和中频干扰，这二个干扰 是超外差式收音机所特有的干扰。 3 2 锁相技术与频率合成 数字调谐系统( d t s ) 实际上是应用处理器实现锁相技术和频率合成技术相 结合的一种自动控制系统。锁相技术和频率合成技术从3 0 年代发展开始，至今 已半个世纪有余。锁相是相位锁定的简称。频率合成是对高稳定度的频率进行加 减乘除基本运算，以产生一系列离散频率的技术，产生的离散频率与主晶振频率 1 0 天津师范大学硕上学位论文收音及数字调谐系统 呈严格的比例关系。 3 2 1 锁相环 1 9 3 2 年，贝尔赛什( b e l l e c t z e ) 最先发表了相位锁定的理论文章。他的文 章论述了无线电信号的同步接收问题，这是在无线电技术发展初期，人们为了寻 找一种有效地接收调幅信号的新方法而提出来的坼1 。其基本原理是在接收机中用 一个与输入信号载波频率相等相位基本一致的本地振荡器和输入信号混频，以恢 复原来的调制信号，再经过音频放大器放大，去掉高频成分和噪声t 扰就可以得 到质量较好的音频信号，因此，同步接收机仅由本地振荡器，混频器和音频放大 器三部分组成。显然，问题的关键是如何使本振频率与输入信号载波频率完全一 致而没有任何频差。因此本振必须与输入信号相位锁定。这就提出来必须发展锁 相环技术的问题。 锁相就是自动完成相位同步。能够实现两个电信号相位同步的自动控制系统 叫做锁相环路，简称锁相环。锁相环是一个系统跟踪另一个系统的装置，更准确 地说，就是在一个系统中由振荡器产生的输出信号在频率上和相位上与参考信号 或输入信号同步瞄1 。 锁相环实质是一个相位差自动调节系统。如图，它把输出信号。( f ) 和输入 信号一( d 的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差见的误差电压以( f ) 。 图3 3 锁相环路结构图 压控振荡器( v c o ) 的频率受控制电压以( f ) 的控制，使压控振荡器的频率向 输入信号的频率靠近，致使差拍频率越来越低，直至频率差的消除而锁定。 环路滤波器( l f ) 的作用是滤除误差电压心( f ) 中的高频成分和噪声，以保 证环路所必须的性能指标和整个环路的稳定性。 天津师范大学硕十学位论文 收音及数字调谐系统 当输入信号一( f ) 的角频率哆等于压控振荡器的中心频率时，即输入输出 信号相位差为零时，鉴相器输出的误差电压鳓( f ) 为零，则环路滤波器输出的信 号从( f ) 亦为零，从而保证了压控振荡器( v c o ) 的输出频率必然为其中心频率。 当输入信号肛( f ) 的角频率哆不等于时，则鉴相器输出的误差电压约( f ) 为 零，则环路滤波器输出的信号从( f ) 不为零，进而迫使电压控制振荡器( 简称压 控振荡器v c 0 ) 的输出频率朝着相位差消失的方向变化。保证了输出信号在频率 和相位上与输入信号的完全准确同步。 压控振荡器v c 0 ，是振荡输出信号频率随输入控制电压的大小而变化的一种 振荡器，_ 般以变容二极管作为控制元件，代替任何一种振荡器( l c 振荡器、 r c 振荡器、多谐振荡器等) 中的振荡电容即可构成相关的压控振荡器。 鉴相器的实质是一种相位比较器，是用来鉴别两个信号的相位差的，有时又 称作相位检波器或相敏检波器。鉴相器是锁相环中很关键的一个部件，作为锁相 环中的鉴相器的最典型电路就是理想乘法器。一 环路滤波器有时又称作低通滤波器。但它实际上除了具有低通滤波效果外， 还可以对锁相环路的整体性能指标进行修正和校正，例如，锁相环路的带宽、稳 定性、捕捉灵敏度及其噪声的滤除抑制等性能指标。 3 2 2 频率合成 将一个( 或多个) 基准频率变换成为另一个( 或多个) 所需频率的技术称为 “频率合成技术”，在调谐收音中，用作对接收信号频率的调节以实现收台，一 般利用锁相环路来进行频率合成。往往是以一个高稳定度和高精度的标准频率作 为基准信号源，通过加、减、乘、除的四则运算电路的处理来产生大量的离散频 率。而这一群离散频率信号也具有基准信号源一样的高稳定度和高精度。按照频 率合成技术原理设计制作的设备称作频率合成器。 锁相环式频率合成器是一种间接式频率合成器，它的基本构造如图3 4 所 示。分别由石英晶体振荡器、参考分频器、程序可变分频器、鉴相器、环路滤波 器和压控振荡器等部分组成。它是由直接频率合成器演变而来的。当程序可变分 频器不存在时，该方框图就是一锁相坏式直接频率合或器。利用锁相环使所合成 的频率信号能与晶振同步，仅仅起到一个分频的效果的保证作用。而由于可变分 1 2 天津师范人学硕士学位论文 收音及数字调谐系统 频器的存在，利用n 次分频的可变，便可以获得一系列的频率信号，从而满足音 响系统数字调谐的需要。 图3 4 锁相环式频率合成器基本构造 设石英晶体振荡器的振荡频率为五，经过参考分频器r 次分频后所得参考信 号的频率为厶( = 五r ) 。若锁相环式频率合成器的的输出信号频率为石，则经 程序可变分频器n 次分频所得信号频率为厂( = 刀) 。两者( 厶和信号) 同时送入鉴相器进行相位比较( 鉴相) ，若两者存在相位差时，鉴相器输出一个 幅值大小正比于该相位的误差电压巧，误差信号巧经环路滤波器的低通平滑滤 波转换成为一个直流电平。这一直流电平注入压控振荡器，使压控振荡器的频率 ( 刀) 和相位作相应变化，使它朝着减小两个信号( 厶和厂) 的频率和相位误 差方向变化。经锁相环路的锁定，锁相环式频率合成器输出信号的频率石可与 倍的参考信号频率厶保持一致，即 f v 2n l r 因此，只要改变程序可变分频器的分频系数，就可以方便地实现锁相环 式频率合成器输出信号的频率调节，产生一系列离散的频率信号。同时，它们具 有石英晶体振荡器相仿的频率稳定度和精确度。 平时，我们把频率步跳的间隔厶称作数字调谐的步长，它决定了锁相环式 频率合成器所产生信号频率离散程度。调谐步长厶值小时，在调谐操作中，每 次增加或减少的频率值就越小，使一个频点紧接着下一个频点，调谐就愈精确， 愈不容易漏台。但调谐步长不宜取得过小，否则环路捕捉时间过长，调谐操作费 1 3 天津师范人学硕士学位论文收音及数二调谐系统 时而不方便。对于调频广播( 聊) 频段的数字调谐，一般取调谐步长厶为2 5 k h z ； 对于调幅广播( 彳m ) 中波波段的数字调谐，一般取调谐步长厶为5 0 0 h z ；对于 调幅广播短波波段的数字调谐，一般取调谐步长厶为5 k h z 。 可见，程序司变分频器的作用是：一方面使压控振荡器产生的信号频率经分 频后降低至参考信号频率附近，以便于鉴相器鉴相的实现，利用鉴相所产生的误 差信号来纠正压控振荡器的频率。另一方面是有序的改变锁相环式频率合成器输 出信号的工作频率。设锁相环式频率合成器原锁定于力。( = m 厶) ，当可变程 序分频器的分频比改变( 调节) 为2 时，则力。2 厶，暂时使坏路进入失锁 状态。经过锁相环路的自动调整后，又将使锁相环式频率合成器输出信号的工作 频率在z ：( = 2 厶) 上重新锁定，完成自动调谐本机振荡频率的调节。 调频波段频率范围为8 7 1 0 8 删z ，调频中频频律为1 0 7 m h z ，也就是说本机 振荡器的最高本机振荡频率应为：丘= ( 1 0 8 + 1 0 7 ) 洲z = 儿8 7 删z 。本机振荡 器的最低本机振荡频率应为：厶；。= ( 8 7 + 1o 7 ) 删z = 9 7 7 m h z 。若以调谐步长 厶= 2 5 k h z 的锁相环式频率合成器来担任本机振荡器，则该频率合成器内的可变 程序分频器的分频比必须在二。= l 厶= 1 1 8 7 m h z 2 5 k h z = 4 7 4 8 至 “抽= 厶；。厶= 9 7 7 m h z 2 5 k h z = 3 9 0 8 的范围内变化，才能满足调频广播接收的要 求。同理，对于调幅广播：中波段接收频率范围为( 5 2 0 1 6 1 0 ) k h z ，中频频律 为4 5 0 k h z ，也就是说本机振荡频率的最高本机振荡频率应为：丘= ( 1 6 1 0 + 4 5 0 ) k h z = 2 0 6 0 k h z 。本机振荡器的最低本机振荡频率应为：厶。= ( 5 2 0 + 4 5 0 ) k h z 。 若以调谐步长厶= 9 k h z 的锁相环式频率合成器来担任本机振荡器，则该频率 合成器内的可变程序分频器的分频比必须在啦。= 厶厶= 2 0 6 0 k h z 9 k h z = 2 2 8 至m ；。= 厶；。五= 9 7 0 k h z 9 k h z = 1 0 7 的范围内变化，才能满足调幅广播中波波段 的接收要求。可见，根据不同的频率接收范围的调谐步长的不同选择，通过对程 序可变分频器分频比j v 的设计，可以方便地得到相应间隔的大量离散的本机振 1 4 天津师范人学硕士学位论文收音及数字调谐系统 荡频率，以满足调谐选台的需要。 3 3 数字调谐器及外围电路 3 3 1 数字调谐芯片性能 由于数字调谐收音机用变容二极管替代机械式可变电容器实现电子调谐，用 锁相环频率合成技术和单片机控制实现了“智能选台”，用石英晶体做基准频率 而使本振频率稳定度达1 0 - 6 ，从而克服了接收电台的“频漂”现象，同时用l c d 数字显示电台频率克服了刻度误差。 各大半导体厂商纷纷推出相应的数字调谐收音芯片满足收音调谐器市场需 要，如n e c 的up d l 7 0 1 2 系列，三星的s s p 7 3 3 5 系列，东芝的t c 9 3 0 7 等等。因 此，可供选择的产品方案很多。对于车载数字音响厂商，考虑研发及生产的实际 问题，需要的是一种性能价格比较好的芯片方案。 针对以上需求，采用了s a n y o ( 三洋) 半导体的l v 2 3 0 0 0 芯片方案。此产品 方案，国内尚无其他厂家开发。图3 5 为该芯片内部方框图。 图3 5l v 2 3 0 0 0 内部方框图 该芯片特点： 收音功能完善。芯片内部包含收音模块，实现调频调幅的输入高放，混 频，中放，调幅检波，调频鉴频，调频立体声解调，静噪等。 集成数字调谐锁相环。芯片内部包含实现电调谐的锁相环模块，配合相 应外围的变容二极管及中周变压器等实现对信号收音的频率电调谐。 模块电路外部控制接口简单。该芯片与微控制器通过三洋c c b 控制总线 实现控制数据信号通信，使该：醛片可移植性较强。 l s 天津师范人学硕士学位论文收音及数字调谐系统 外围元器件简洁。外围电路除必要的变容二极管，中周变压器，大容量 电容，电感等，极大地简化元器件组成，外围电路图简洁，利于生产装配调试。 3 3 2 外围电路及工作原理 调谐收音部分原理结构图如下图3 6 口1 。包括l v 2 3 0 0 2 芯片以及必要的外围 元器件。 调频接收电路工作流程：经带通滤波器g f w b 3 和电容进入l v 2 3 0 0 0 的3 6 脚， 在内部进行调频高放( 调谐回路接到3 4 脚) ，高放后的信号在内部与接在3 2 脚 上的调频本机振荡信号混频，混频后的l o 7 m h z 调频中频信号从3 脚输出，并经 中频滤波器送至8 脚，然后在l v 2 3 0 0 0 内部进行限幅中频放大，检波，立体声解 码，再从1 2 ，1 3 脚输出左右声道音频信号。 调幅中波接收电路工作流程：调幅信号经电调谐后进入l 脚，在内部进行高 放，并与进入3 1 脚的a m 本振信号进行混频，混频输出的中频信号经s a 一1 6 4 中 周后滤波进入7 脚，然后在l v 2 3 0 0 0 的内部进行中频放大，检波，由1 2 ，1 3 脚 输出音频信号。 内部p l l ( 锁相环) 工作流程：选台工作时，收音部分本振信号经由可编程 分频器，与p l l 外接晶振送来的参考分频在鉴相器中鉴相，输出交流信号经滤波 器变为直流电压控制收音部分外接调谐回路中的变容二极管，从而改变调谐回路 的谐振频率，实现选台功能；搜索电台时，收音部分的中频信号送入p l l 的计数 器，将中频计数值通过三洋c c b 总线传送给控制器，控制器通过中频计数值来判 断是否收到电台。 1 6 天津师范大学硕士学位论文收音及数字调谐系统 图3 6 调谐收音部分原理图 控制。下图为三洋c c b 总线时序图。 数据控制总线可实现对l v 2 3 0 0 0 工作模式设置，选 频率，分频系数范围，音频静音，f m a m 转换，输出端 台阶段输出中频计数值等。 c l 厶 口 口电 搜台。包括设置参考 平，搜台灵敏度，搜 正l 峰冽哐s倒蜂澎 i f 一t 1 ，。，。，划；k ：； 门门门n 几nn 广 几厂1 门r 1 门nn 一 创每削廿1 01 = 菹盔丑亘题砸姐夏压匾歪】圊暖砸翌亘= 】困匦盈姐亘 i l c 崔 图3 7 三洋c c b 总线时序图 1 7 天津师范人学硕十学位论文u s b 凹g 数据接u 及m p 3 解码部分软硬件设计实现 第四章u s b 一0 t g 数据接口及m p 3 解码部分软硬件设计实现 u s b 数据接口车载收放机内部核心部件为可实现u 盘数据读取的组件。为了 实现该数据传输功能以及将音频数据进行解码并播放相应m p 3 格式文件，需要选 择合适的功能模块加以实现( 以下简称此模块为u s bm p 3 模块) 。 本章主要阐述u s b o t g 和m p 3 解码相关技术以及在本方案中的软硬件设计实 现。 4 1u s b 原理 4 1 1u s b 通信结构 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是i n t e l ，m i c r o s o f t 等大厂商为 解决计算机外设种类的同益增加与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而于1 9 9 5 年提出制定的m l 。它是4 种用于将适用u s b 的外围设备连接到主机的外部总线结 构，主要用在中速和低速的外设。u s b 同时又是一种通信协议，支持主机和u s b 的外围设备之间的数据传输。u s b 设备具有较高的数据传输率、使用灵活、易扩 展等优点。 一个u s b 系统一般由一个u s b 主机，一个或多个u s b 集线器和一个或多个 u s b 设备节点组成。如图4 1 1 所示的u s b 拓扑结构，u s b 的物理连接是有层次 的星型结构。 图4 一lu s b 拓扑结构扫1 u s b 通信指的就是u s b 设备和u s b 主机之间的通信。物理上，总线上的设备 通过一条物理连线和主机通信，所有的设备共享这条链路。逻辑上，主机给每个 1 8 天津师范人学硕十学位论文 u s b 0 1 g 数据接口及m p 3 解码部分软硬件设汁实现 设备提供了一条逻辑的连接，每个设备都有这样一条点对点的连接。 u s b 通信的实现是通过u s b 协议采用了抽象分层的概念，这一点很像t c p i p 协议层的概念，每一层传输的数据结构对其他逻辑层是透明的。 为了更好地理解u s b 协议，将u s b 通信逻辑上分成了三层：信号层、协议层 和数据传输层。信号层用来实现在u s b 设备和主机的物理连接之问传输位信息流 的信息。逻辑层用来实现在u s b 设备和u s b 主机端的协议软件之问传输包字节流 的信息，它们在信号层被编码成n r z i 位信息后传送出去。数据传输层用来实现 在u s