（微电子学与固体电子学专业论文）一种单片调频收音机的分析与设计.pdf

摘要 传统的数字调谐收音机大多都是采用微控制器( m c u ) + 锁相环( p l l ) + 调谐器的结构方 案。其中m c u 和p l l 电路选用删o s 工艺技术设计调谐器电路选用b i p o l a rt 艺技术设计， 这种方案的特气是数字分频控制电路和模拟调谐电路分开，不足之处是体积和功耗比较大， 成本也很高，- - 能适应现在便携式发展的需要。因此本课题通过采用低中频单片收音机架构 和b i c m o s 大规模集成电路技术，将电路中的高放级，混频级、中放级、限幅级、检波级、 解码级和p l l ，m c u 接口电路在同一块芯片上，做成一块单片收音机电路。外嗣只需要很少 的低成本无源器件即可实现整个收音机功能，硬件系统完全实现了兔调试。 本文介绍了一种单片f m 立体声数调收音机电路的设计。首先比较和选择了该收音机的 组织架构，然后划分和定义所有的功能模块，紧接着完成这些模块的分析、设计，另外为了 优化各模期m 整个电路的关键性能，对各模块进行了容差分析。根据分析结果，一些重要的 制程和器件参数被确立。最后这种低功耗和低中频的单片调频立体声收音机电路完全实现， 并取得了很好的收台质量。 关键字：单片，数字调谐收音机，低中频，立体声解码，b i c m o s c c i n v e n t i o n a ld i g i t a lt u n i n gr a d i oa l m o s ti sm a d eu po ft h r e ec i r c u i t s ：辄：u 、 凡la n dt u n e r m 印a n dp l lc i r c u i t sa r ed e s i g n e da n dm a d eu s eo f c l l o st e c h n o l o g y ， h o w e v e rt u n e ri sm a d eu s eo fb i p o l a rt e c h n o l o g y t h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h i s s c h e m ei st h a td i g i t a lf r e q u e n c yd i v i d e ra n da n a l o gt u n e ra r ed i v i d e di n t ot w o d i f f e r e n c ec h i p s ，s ot h ed i s a d v a n t a g eo fi t i sb i g g e rc u b a g e 、h i g h e rp o w e rw a s t e a n dc o s t 。s oi ti s n ts a t i s f y i n gt oh a n d h e l de q u i p m e n t n o w ，t h i ss t u d ys e l e c tl o w i fs i n g l e - c h i pr a d i os c h e m ea n db i s 、l s it e c h n o l o g y 。a n di n t e g r a t eh i g hf r e q u e n c y a m p l i f i e r 。m i x e r ，m i d d l ef r e q u e n c ya m p l i f i e r ，1 i m i t e r ，d a m o d u l a t i o nc i r c u i t ，d e c o d e r a n dp l l 埔c ui n t e r f a c ec i r c u i ti n t oas i n g l ec h i p t h i st a d i oo n l yn e e daf e wl o wc o s t e x t e r n a ls o u r c e l e s sc o m p o n e n t sf o ri m p l e m e n t i n gt h ew h o l er a d i o ，a n dt h eh a r d w a r e s y s t e md o n tn e e dd e b y g g i n g o 。 a n a l y s i sa n dd e s i g nf o ras i n g l e c h i p f i ls t e r e od i g i t a l t u n i n gr a d i oi s i n t r o d u c e di nt h i ss t u d y f i r s t 。t h es t r u c t u r eo ft h er a d i oi ss e l e c t e d ，t h e na l l f u n c t i o nm o d u l e sa r ec o m p a r t m e n t a l i z e d ，d e f i n e d 、a n a l y s e da n dd e s i g n e d a n d t o l e r a n c ea n a l y s i si sd o n et oo p t i m i z ek e yp e r f o r m a n c ef o re v e r ym o d u l eo rw h o l e c h i p ，a n da c c o r d i n gt oa n a l y s i sr e s u l tt h ek e yp r o c e s st e c h n i q u ea n dd e v i c ep a r a m e t e r a r em a d ec e r t a i n f i n a l t h i sk i n do fl o w - p o w e ra n dl o wi fs i n g l e c h i pf 髓s t e r e or a d i o i sr e a l i z e dc o m p l e t e l y 。a n da c h i e v es e a r c h i n gs t a t i o nv e r yw e l l k e y w o r d ：，s i n g l ec h i p ，d i g i t a lt u n i n gr a d i o ，l o wi f ，s t e r e od e c o d e r ，b i c m o s 2 论文独创性声明 本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。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，川以黑用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名导师签名屋! 苎 日期： a ，7 气s a | 8 稳 第一章：概述 第一章：壤述 1 1 单片调频牧音机的发展历史 收音机是把从天线接收到的无线电广播信号经检波( 解调) 还原成音频信号的接收机 由于广播事业发展，天空中有了很多不同频率的无线电波。如果把这许多电波全都接收下来， 音频信号就会象处于闹市之中一样，许多声音混杂在一起，结果什么也听不清了。为了设法 选择所需要的节目，在无线电波经过天线进来后，有一个选择性电路，它的作用是把所需的 信号( 电台) 挑选出来，并把不要的信号“滤掉”，以免产生干扰。选择性电路的输出是选 出某个电台的高频调幅信号或者调频信号，但利用它直接推动耳机( 电声器) 是不行的，还 必须把它恢复成原来的音频信号，这种还原过程称为解调，把解调的音频信号送到耳机，就 可以收到广播。这种最简单收音机称为直接检波机，但从接收天线得到的高频天线电信号 一般非常微弱，直接把它送到检波器不太合适，最好在选择电路和检波器之间插入一个高频 放大器，把高频信号放大即使已经增加高频放大器，检波输出的功率通常也只有几毫瓦， 用耳机听还可以，但要用扬声器就嫌太小，因此在检波输出后增加音频放大器来推动扬声器。 高放式收音机比直接检波式收音机灵敏度高、功率大，但是选择性还较差，调谐也比较复 杂。把从天线接收到的高频信号放大几百甚至几万倍，一般要有几级的高频放大，每一级电 路都有一个谐振回路，当被接收的频率改变时，谐振电路都要重新调整，而且每次调整后的 选择性和通带很难保证完全一样， 为了克服这些缺点，现在的收音机几乎都采用超外差式结构。超外差的特点是：把接 受到的高频载波频率，变为较低的固定不变的中频( 调频一般为i o 7 删z ，调幅一般为4 6 5 k h z ) ，再利用中频放大器放大，满足检波的要求，然后才进行检波。在超外差接收机中，为了 产生变频作用，还要有一个外加的正弦信号，这个信号通常叫外差信号( 或本振) 。在收音 机本振频率和被接收信号的频率相差一个中频，因此在混频器之前的选择电路，和本振采用 统一调谐线。如用同轴的双联电容器( p v c ) 进行调谐，使之差保持固定的中频数值。由于中 频固定，且频率比高频已调信号低，中放的增益可以做得较大，工作也比较稳定，通频带特 性也可做得比较理想，这样可以使检波器获褥足够大的信号，从而使整机输出音质较好的音 频信号 传统的超外差收音机都是以机械的手段改变收音机中有关的调谐电路( 选频、调谐电路， 如输入选频回路，本振中的谐振电路等) 的可变电容器电容量( 如双联) 或回路谐振电感来 实现目前大量应用的数字调谐收音机是应用数字电路技术和电调谐技术对收音机与选台 有关的凋谐回路进行调谐。电调谐是利用变容二极管的电容值随其偏置电压而变化的特性来 进行，电调谐收音机虽不一定是数字调谐，但数字调谐的收音机则都是电调谐的。 目前数字调谐收音机目前大多都是采用氍2 j + p l l + 调谐器的结构方案。其中m c u 和p l l 电路采用皤0 s 技术，调谐器电路采用b i p o l a r 设计技术，这种方案最大的缺点是体积和功 耗比较大，成本也很高，不能适应现在便携式发展的需要。当前收音机的一个重要发展方向 是微型化，将电路中的高放级，混频级、中放级、检波级、解码级和p l l ，l l c u 接口等数字 电路集成在同一块芯片上，做成一块单片收音机电路、外围只需要很少的低成本无源器件， 硬件系统完全实现了免调试。从而在体积上趋向微型化、袖珍化。满足了便携式发展的要求。 另外传统的超外差式接收机都将中频选得很高，调频信号的中频一般选择1 0 御z ，调 幅信号的中频一般选择4 5 0 k i l z ，因为这样可以在r f 阶段进行预滤波时就将带外镜像信号滤 除，有时可以在混频级就滤除镜像信号。有一种特殊的混频器叫做镜像抑制混频器，在混频 器处理的末级加入相位抵消信号，以此消除镜像信号。除了采用这种混频器以外，还可以通 第一章：概速 过适当规划频率，使镜像信号恰好落在有用信号的相邻信道中，这样就可以消除镜像信号。 通过利用这些技术，我们就可以在这种单片收音机中将接收机的中频选得很低。 在早期的电调谐低中频单片收音机中，中频信号的稳定性很难保证，但现在数字调谐收 音机的中频计数的结果通常作为停台判断的依据，因此中频的稳定性对停台判断策略形成了 障碍。同时当两倍的中频频率小于调频信号的范围时，低中频系统本身的镜像干扰非常严重， 常常会影响到电台的收听质量。这是因为射频信号及其镜像信号经过混频器后，两者的输出 信号频率相同，从而对有用中频信号造成干扰，甚至破坏有用中频信号。因此，好的低中频 系统一定要进行有效的镜像抑制，从而减少这种镜像干扰。 1 2 论文研究的方法和进度安排： 本课题研究的是一种单片f l i 立体声数调收音机的分析与设计。首先比较和选择了该收 音机的组织架构，然后划分和定义所有的功能模块，紧接着完成这些模块的分析，设计，另 外为了优化各模块和整个电路的关键性能，对各模块进行了容差分析。根据分析结果，一些 重要的铝4 程和器件参数被确立。通过对高放级，混频级，中放级，检波级，解码级，p l l 本 征模块以及艟c u 接口控制部分进行细致的分析与设计，最后实现了一种低功耗和低成本的单 片调频立体声数调收音机。通过进行有效的镜像抑制，使得该低中频收音机取得了较好的收 台质量。 该单片收音机采用c s m c0 6umd p d mb i c m o s 工艺，r f 输入信号7 6 - 1 0 8 m h z ， 本振信号1 5 0 - 2 1 7 m h z ；输出中频信号为2 2 5 k i 电：3 0 d b 限噪灵敏度 3 0 d b ：信噪比 5 0 d b ；立体声分离度 2 5 d b 。 表1 1 进度安排 2 0 0 5 年7 月至2 0 0 6 年2 月完成电路分析与优化设计 2 0 0 6 年3 月至2 0 0 6 年4 月完成电路流片 2 0 0 6 年5 月至2 0 0 6 年6 月完成电路测试及优化设计 2 0 0 6 年7 月至2 0 0 6 年8 月完成优化电路流片 、 2 0 0 6 年9 月至2 0 0 7 年3 月完成电路最后测试及课题报告 1 3 论文组织结构 本论文对单片调频收音机的结构进行了分析研究，并实际设计了一款低功耗单片瑚立 体声数调收音机，论文的组织结构如下： 第一章：“概述”描述了单片调频收音机的发展历史，本论文研究的方法和进度安捧， 以及论文的组织结构： 第二章：“单片收音机系统架构”介绍了目前流行的三种系统架构，分析比较了各架构 的优缺点，并由此提出了本文所研究对象的系统架构选择，以及该系统所要完成的功能。 第三章：“高频电路”介绍了单片收音机系统的r f 滤波网络，低噪声放大器，自动增益 控制放大器，混频器和本振产生等高频电路部分的分析与设计。 第四章：“中频部分”详细研究了单片收音机系统的中频处理电路，包括中频滤波放大 器，限幅器和解调器。 第五章；“低频部分”介绍了单片收音机系统的低频部分的分析与设计，包括低通滤波 器，立体声解码电路和音效处理电路 第六章：“辅助电路”研究了振荡电路，信号强度检测a d c 电路和总线接口电路等。 第七章：“电路测试与结论”详细介绍了电路的测试结果，全面总结了本论文的工作。 指出了今后需要进一步研究的方向。 2 第二章：芈片收音扼袭缝絮挎 第二章：单片收音机系统架构 单片收音机电路也无外乎分解为高放滤波级，混频级、中放滤波级、限幅级、检波级、 低通滤波、立体声解码、p l l 本振产生电路和m c u 接口等数字电路组成，但对于中频的处理 和频率点的设置还存在不同的架构，现仅就传统超外差收音机，低中频收音机与零中频收音 机三者作一完整论述： 2 1 传统超外差架构( s u p e r h e t e r o d y n e ) 自1 9 1 8 年由a r m s t r o n g 提出此架构后沿用至今，当接收信号经过带通滤波器后，先降 至中频，再由选择性较高之中频滤波器滤波。其作法为将接收频率降至较低频段( 中频) ， 使得中频滤波器品质因素需求相对降低，进而提供较佳的频率选择性。由于有中频电路介入， 本架构兼具有高度频率选择性( s e l e c t i v i t y ) 与较佳的灵敏度( s e n s i t i v i t y ) 。当射频信 号由天线接收后，经射频前置滤波器筛选出范围内频带，由低噪声放大器予以放大，此时若 i m a g e 滤波器无法滤除频带的干扰信号，就必须藉由混频器与本地振荡器将射频信号移频至 中频频带范围。由于频带内包含许多相邻频道信号，须藉由带通滤波器选出有用的频带，供 中频解调之用，解调后即成为立体声复合信号。整体而言，中频频率选择必须高到足以让本 地振荡器i m a g e 频道能被i m a g e 滤波器滤除为考量，因为频带会经由混频器与本地振荡器 移频至中频，会产生一虚假频道重迭于所要频道之中，导致信号品质恶化，倘若中频频率太 高，则将会造成通道滤波器频率选择性降低，此时通道滤波器容易选到无关的相邻频道，同 样地也会恶化信号品质。因此传统超外差收音机的中频通常选择在1 0 7 姗z ，此时若以获得 相同品质信号作为考量，前提则必须拉开相邻干扰频道在频谱上之距离方可达成。为求中频 频带设定能达到选择性及灵敏度目标，本架构收音机不失为较佳选择，因为架构中i m a g e 频道可直接排除于射频带通滤波器之外，并且具备频道选择性与对微弱信号高灵敏度的优 点，对射频与中频滤波器要求，通常藉助外接被动滤波器来完成。 2 2 低中频架构( l o wi f ) 中频频带通常在几百l q i z ：使得i m a g e 频带一般小于射频频带，因此无法以i m a g e 滤波 器滤除i m a g e 讯号，必须利用信号相抵销方式消除i m a g e 频带信号。 ( 一) 射频信号经由天线、射频前端滤波器、低噪声放大器之后，经过上下雨个信号路 径，分别被相位差9 0 度四相本地振荡器( q u a d r a t u r el o c a lo s c i l l a t o r ) 进行信号混频。 ( 二) 射频信号经相位改变9 0 度，与本地振荡器载波相乘，正频带随即被相位为负9 0 度的负载波移至中频，负载波则被相位为正9 0 度的正频带载波移至相同的中频 ( 三) 射频信号经相位改变0 度与本地振荡器载波相乘，正频带随即被相位为0 度的 负载波移至中频，负载波则被相位为正9 0 度的正频带载波移至相同的中频。 ( 四) 中频信号再次经过9 0 度相位改变，正频带相位改变正9 0 度，负频带相位改变 负9 0 度，镜像频带在经相位改变之后，位在中频相位会与未经相位改变的镜像频率成反相， 与所要之射频信号成同相，二路径信号相加后，镜像频率相抵消，此时可供使用的信号会相 加而变为原来= 倍。 设计低中频架构电路时，需要一组标准之四相本地振荡器，藉此产生相位差9 0 度载波， 如此方能使相同信号移至中频并相差9 0 度，且由于信号经过不同路径时，其相位差、信号 增益皆与理论值不匹配，而造成之i m a g e 信号将残留于所要频道中一般而言，频率较高 的中频其镜像噪声抑制较佳，但频率选择性较差，对中频的频率选择，镜像噪声抑制与频率 3 第二章：单井收音报系统颦梅 选择性二者间存有权衡( t r a d e - o f f ) 关系一旦中频被决定后，必须决定l o 频率是否高 于抑或低于r f 频率，若l o 频率高于i l f ，则l o 有较大频率调整空间( t u r n i n gr a n g e ) ， 相对地相位噪声会变差，若r f 频率高于l o ，其结果则相反。基本上射频接收对相位噪声要 求较严格，故应选择r f 频率高于l o 频率。超外差接收电路中，b p f 负责抑制频道外强干 扰信号l n a 则扮演将接收信号放大，以减低接收机后级电路自身噪声对信号噪声比影响的 角色。l n a 增益越大，后级电路噪声相较于信号影响越小，由于后级电路因输入信号变大， 线性度要求反而严格。架构中转换器目前技术已可支持中频信号转换，而直接将位于中频的 宽频模拟信号( 中心频率：2 2 5 k l z ：频宽：9 4 k h z ) 数字化。 2 3 零中频架构( z e r oi f ) 由于本地振荡器相同于射频载波信号频率，所接收的信号直接移至基频，除可舍弃超外 差架构中射频镜像消除滤波器( r fi m a g er e j e c tf i l t e r ) 外，中频选频带通滤波器( b a n dp a s sf i l t e r ，b p f ) 亦可由低通滤波器( l o wp a s sf i l t e r ，l p f ) 所取代，由于信号不经 过中频处理( z e r o i f ) ，因此镜像噪声干扰将不存在。零中频架构虽具有单品化优点，仍 存有电路特性缺点，直接对接收机表现会造成影响，由于本地振荡器为求提高移频后信号增 益，功率需求较大，另一方面由于振荡频率与射频频率相同且属于低噪声放大器与射频混频 器工作频域范围，很容易因电路逆向阻隔( r e v e r s ei s o l a t i o n ) 不佳，造成本地振荡器信 号透过低噪声放大器、混频器、再经由天线辐射作用而干扰原本己充满噪声之通讯频谱，此 时辐射的振荡信号再次经由混频器移频，造成基频信号产生直流偏移( d co f f s e t ) 。其次 在超外差架构中原本不重要的2 次失真效应，在零中频架构中会造成严重影响，至于电路 非线性放大所产生之2 次失真信号，也将直接穿越非理想混频器形成干扰信号，最后经由 混频器移频至基频形成另一干扰信号，因此对于零中频架构而言，对放大器的要求相对也提 高了许多。 2 4 本文系统架构的考虑和选择 当前收音机的一个重要发展方向是微型化，做成一块单片收音机电路、外围只需要很少 的低成本无源器件，硬件系统完全实现了免调试从而在体积上趋向微型化、袖珍化，满足 了便携式发展的要求。在早期的电调谐低中频单片收音机中，中频信号的稳定性很难保证， 但现在数字调谐收音机的中频计数的结果通常作为停台判断的依据，因此中频的稳定性对停 台判断策略形成了障碍 另外当两倍的中频频率小于调频信号的范围时，低中频系统本身的镜像干扰非常严重， 常常会影响到电台的收听质量。这是因为射频信号及其镜像信号经过混频器后，两者的输出 信号频率相同，从而对有用中频信号造成干扰，甚至破坏有用中频信号因此，好的低中频 系统一定要进行有效的镜像抑制，从而减少这种镜像干扰。 综合上面的分析，我们选择了如下低中频架构。 第一：从功耗上来考虑，单片收音机电路中低中频的好处在于可降低功耗，并使滤波器 元件更易于集成，从而减少了外围元件总数，最后实现了约3 5 m w 的整机功耗 第二：从镜像抑制考虑，通过适当规划频率，使镜像信号恰好落在有用信号的相邻信道 中，这样就可以大大降低镜像信号的干扰。譬如我们选择的2 2 5 k h z 中频，使得镜像电台恰 好落在4 5 0 ( 处，两个相邻通道之间，同时采用了i _ q 混频器结构，利用电阻电容多相滤波 网络来抑制镜像信号 第三：从稳定一致性考虑，为了保证停台策略的可靠实现以及系统整体性能的一致，中 频频率必须稳定准确。设计中利用导频恢复电路中的低频锁相环，利用锁相环的v t 电压来 统调中频滤波器的中心频率和锁相环的v c 0 ，具体实现方式是将锁相环式导频恢复电路的v 4 莓= 章：单片牧音机系统絮椅 c 0 中心频率设置到1 2 倍的导频处，这样正好略等于我们的中频频率。即1 9 k h z 1 2 = 2 2 8 k h z * 2 2 5 k h z ，这样的设计，避免了由于工艺参数的波动引起电路中频滤波器中心频率的漂移。 同时在放大级再采用交流耦合，消除所有与直流偏移有关的问题，保证系统的稳定和生产的 免调试。 第四：从电路的便携性考虑：利用如今先进的q f n 封装技术，实现了6 x 6 m 2 大小的成 品电路，和微型如指甲盏大小的收音机模块 在该电路中，从功耗，镜像抑制稳定性三方面考虑，选择了2 2 5 k h z 的低中频系统架 构。将电路中的高放级，混频级、中放级、检波级、解码级和p l l ，m c u 接口等数字电路集 成在同一块芯片上，实现了一块低功耗单片立体声数字调频收音机电路。 2 5 系统所要完成的功能 本论文研究的是一种单片f m 立体声数调收音机的分析与设计，它与传统的调频收音机 的工作原理相似，主要是将数字运算控制功能和模拟调谐电路集成在同一块芯片上，通过i 或3 线总线完成与外部处理器的通信。在与外部处理器的协同工作下，该单片系统可完成 手动自动搜索，电台频段存储，信号强度显示，音效手动自动控制等功能。为了便于理解， 我们把该电路分为数字和模拟两个部分来描述。 数字部分完成对存储器的读取和写入的功能，计算内部p l l 中分频值n ，进行中频计数， 信号强度的a d c 设置，以及对相关控制字的处理。 模拟部分主要分为如下模块：振荡器电路，p l l 电路，r f 接收、混频、中频滤波、限幅 及解调电路，l e v e la d c 电路，立体声解码电路， 振荡器电路外接3 2 7 6 8 k 1 3 m 的晶振或直接加6 捌的脉冲信号，可产生3 2 7 6 8 k 3 2 5 k 的系统时钟，和3 2 7 6 8 k 5 0 k 的参考频率，此参考频率为数字部分计算n 值所用。 p l l 电路为系统提供本振频率，由外接的可变电容二极管和电感构成压控振荡器( v c o ) 。 v c o 的输出经过n 分频( 由数字部分计算得到) 后，与参考频率( 3 2 7 6 8 k 5 0 k ) 鉴相，相 差信号转换为电压信号后去控制v c o 。p l l 锁定后的振荡频率为2 0 0 1 1 左右，经二分频后送给 下级的混频器。 r f 信号被天线接受后经过谐振放大，a g c 调整后与本振信号混频，得到中心频率为2 2 5 k 的中频调频信号。此信号经过中频带通网络滤波后送入限幅器以抑制寄生调幅，同时要提 取出r f 信号强度信息以送入a d c 电路作a d c 转换，提取中频频率信息送往中频脉冲整理电 路。由限幅器输出的中频调频信号进入下级鉴频器解调，通过低通滤波器后即可得到低频音 频调制信号。若接收r f 信号为单声道信号，则此音频信号即为所要a f 信号。若r f 信号为 立体声信号，则此音频信号为立体声复合信号，它由和信号( m 信号) ，调幅后的差信号( s ( a i i ) ) ，以及用以恢复载波的导频信号组成此时，需进入立体声解码电路，分离得到左右 声道信号。 立体声解码电路采用开关解码原理，用锁相环式副载波恢复电路得到与副载波同步的开 关信号，作用于立体声复合信号上，分离得到左右声道信号再经去加重处理后经扬声器输 出。如果接收信号为单声道信号，则鉴频器输出的音频调制信号没有导频信号，立体声解码 器将自动停止解码，处于单声道工作状态。 l e v e ra d c 的输入信号为i l f 的强度信息。经过a d c 转换后得到四位的数字信号送往数 字模块与预置的a d cl e v e r 相比较，以判断信号强度是否达到标准 总体功能框图如下： 5 第二章：单片收音帆系境禁构 图2 1 ：总体功能图 6 第三章：高额电赣稚分 第三章：高频电路部分 本章节介绍了单片收音机系统的r f 滤波网络，自动增益控制放大器，混频器和本振产 生等高频电路部分 图3 1 ：高频部分电路 3 1i i f 滤波网络 由天线接收的i l f 信号经过外接的l c 调谐网络分两个通道进入l c f 放大器。两个通道的 输入端口分别为r f l l 和r f l 2 。下图为外接谐振电路。由于r f l l 和r f l 2 并不呈对称输入， 导致它们为一对近似的差分信号，相位近似相差1 8 0 度，但幅度存在l 2 倍的差别，r f l l 的输入幅度大。 图3 2 ：r f 滤波电路 3 2 低噪声放大器与a c , c 放大器的输出为b l b 2 。放大器的增益由a 6 c 1 电路决定。两个通道的电路结构一样， 但由于输入信号大小不一样，导致输出信号也不对称。放大器采用共基极放大电路，放大管 采用多基极结构，通常情况下，放大倍数约为1 0 倍左右。 7 第三章：高顿电路部分 图3 3 ：l n a 电路 下面是根据对r f 放大器和a g c l 模块的整体仿真结果，而作的有关两通道放大器在a g c 电路的控制下的特性曲线。 图3 4 ：r f l l 端输入输出特性曲线。输入为r f l l ，输出为b 1 。 图3 5 ：l i f l l 通道放大特性曲线。 爿所口。监 p ，胴h p p ) 图3 6 ：r f l 2 端输入输出特性曲线。输入为r f l 2 ，输出为b 2 。 图3 7 ：r f l 2 通道放大特性曲线。 1 ， a m p 。：坚! ：盟 h 2 ，) 8 图3 4 ：r f i i 端输入输出特性曲线 图3 5 ：r f i i 通道放大特性曲线 图3 6 ：r f l 2 端输入输出特性曲线 9 第三章t 矗顿电踌舒分 圈3 ，：r f l 2 迥垣顾大行性曲线 由仿真结果可以看到由于两路输入信号幅度的差别，a g c 电路对r f l l 通道的控制作 用小于对r f l 2 通道的控制作用。计算得到 r f i i 通道：a g c 饱和输入电压：， = 1 8 9 m v p p 7 r 阿l 饱和输出电压： 2 2 洲p p r f l 2 通道：a g c 饱和输入电压：， = 1 3 6 m v p p 7m 2 饱和输出电压： t ， 2 1 4 5 m v p p r 3 3 混频器 本部分电路由二分频器，混频器，i ff i l t e r 以及a g c ( 即a g c 2 ) 组成。v c o 的输出信 号经过二分频后与l l f 信号同时进入混频器。混频电路利用乘法器原理在不改变音频信号的 条件下将7 6 l o s m h z 的r f 信号移至2 2 5 k 的中频范围内。此中频信号进入i ff i l t e r ，得 到所要频段的信号后送往下级限幅器。同时，带有a g c 回路控制混频器的增益。 本部分的重点在于如何通过软件和硬件两种方式来实现镜像抑制。大部分职接收系统 采用1 0 7 i i 的中频，该电路系统从集成度，功耗以及镜像抑制三方面考虑，采用2 2 5 k 的中 频。并通过h l s i ( a s ) 信号选择本振的计算方法。 表5 1 ：高端注入和低端注入 n a m e s y m b o ld e s c r i p t i o n h l s ia 5h i g h l o ws i d ei n j e c t i o n ：h l s i = 1h i g h s i d el oi n j e c t i o n h l s i = ol o ws i d el oi n j e c t i o n 心2 1 时。+ 畦。o 嘲f f 肾一f f 无论采用哪种本振注入，由于乘法器混频本身的弊端( 对相位无选择性) ，不可避免的 会引入镜像干扰。我们用下面的图示说明。现在要接收的是9 8 m 的r f 信号，如果采用h l o 注入，则本振选择9 8 2 2 5 m ，但是9 8 4 5 0 m 的r f 信号也可与l o 混频得到2 2 5 k 的中频，也 会被接受。我们称9 8 4 5 m 为9 8 m 的一个镜像点。同理，采用l l o 注入，9 7 5 5 m 为另外一个 1 0 第三章：高顿电路舔分 镜像点。下图中，红线表示h l o 时的镜像干扰情况，黑线表示l l o 的镜像干扰情况。若采用 2 2 5 k 的中频，则高于低于所要接收信号4 5 0 k 的点均为镜像点。国际上规定：调频广播频 道间隔一般为2 0 0 k l t z ，因此，一般来讲，采用2 2 5 k 中频时，两个镜像点的信号强度不会是 同等大小的。采用合适的l o 注入，可获得较好的镜像抑制。 图3 8 ：镜像抑制示意图 因此，对镜像抑制，我们采用两种措施。第一，选择合适的l 0 注入方式，使得进入混 频器的是所要的信号和强度较小的镜像点信号，这一步通过软件实现。第二，选用的中频滤 波器要能将混入的镜像干扰抑制，这一步通过硬件实现。 软件的实现方法有多种，原理大致相同，即比较两个镜像点对要接收信号的干扰程度后 选择合适的l o 注入。举一个简单的例子：分别测出高低镜像点的信号幅度，记为l e v e r h l e v e r l ，两者比较， 若l e v e r h l e v e r l ，则设a 5 = 0 ，低l o 注入。 在硬件实现上，中频滤波器采用一种相位滤波器，并且，为与之配合，分频器带有相位 选择功能，混频器采用i q 混频器( i np h a s e q u a d r a t u r e 混频器，即同相正交混频器) 。 下图为电路结构框图。 图3 9 ：i q 混频器 m t 撑 1 1 第三章；高校电路部 分频器可得到两路正交信号，相位分别为0 9 0 或9 0 0 ，记为l o i 和l o q ，这两路正交信 号的相对相位由a 5 控制。l o i 和l o q 将送往m i x i 和m i x q 。 与普通的乘法混频器相比，i q 混频器能为i ff i l t e r 提供两路正交信号，记为i s 和q s 。对输入的同一对l o i l o q 信号而言，输出i s q s 的相位差由r f 与l 0 的相对频率决定。 印，在相同l o i l o q 情况下， 若b ，一，。；2 2 5 k 时，i s q s 的相位为0 9 0 ， 则e 。一，且，。2 2 5 k 时，i s q s 的相位为9 0 o i ff i l t e r 输入信号为两路正交信号，它的频率特性与输入信号的相对相位有关。若输 入信号i s q s 的相位为0 9 0 ，则i ff i l t e r 呈现带通滤波器特性，中心频率为2 2 5 k ，带宽为 9 4 k 。若输入信号i s q s 的相位为9 0 0 ，则i ff i l t e r 对信号起衰减的作用。 我们仍以9 8 m r f 信号为例。若设置a s = 1 ，即h l o 注入，l o 为9 8 2 2 5 k 。9 8 m 的r f 信号， 与l o i l o q 混频后得到i s q s 的相位为0 9 0 ，可通过滤波器，而镜像点9 8 4 5 k 的r f 信号 与相同的l o i l o q 混频后得到的i s q s 的相位为9 0 o ，经过滤波器后信号被衰减掉。 同理，若设置a 5 卸，l o 为9 7 7 7 5 k ，与l o i 几0 q 混频后得到i s q s 的相位为0 9 0 ，可 通过滤波器，而镜像点9 7 5 5 k 的1 i f 信号与相同的l o i l o q 混频后得到的i s q s 的相位为9 0 0 ，经过滤波器后信号被衰减掉 综上所述，能从软件和硬件两个方面实现镜像抑制。 我们先看看b i p o l a r 器件组成的二分频电路。 下图是一个b i p o l a r 锁存器。 露捌癣蝴l 帮巍蒜 图3 1 0 ：二分频电路 把两个这种锁存器首尾相连即可得到四输出的二分频器。 豁酗黪嚆：嬲穗建积建 t 2 图3 1 1 ：四输出的二分频器 我们的二分频电路由两个独立的这种二分频器组成，由a 5 选通其中一个工作，输出正 交信号l o i 几o q 。将上图中l o i 的两个倒相的信号交换