（微电子学与固体电子学专业论文）车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现.pdf

摘要 摘要 中国汽车工业历经近半个世纪的发展，却仍存在诸多方面的问题，使得汽车 工业也与成为国家经济支柱产业的目标还有相当的距离。汽车工业是国民经济的 重要支柱产业，它对提高竞争力与人民生活水平的提高起着重要的作用。 本论文论述了一种用于汽车收音机的单片调谐集成电路的设计方案及应用。 这款集成电路设计方案在一个单片系统上集成了用于车载收音机的调谐的所有的 功能模块。目前国内车载收音机芯片设计技术相对落后，研究设计车载收音机芯 片具有重大意义，市场前景广阔。 论文分析了无线通信的基本原理以及收音机的基本原理，对采用的电路结构 进行了研究。为了提高芯片的性能与可靠性，在芯片中使用了一些新的或改进过 的电路。这个芯片是一个完整的、小尺寸、a m 与f m 接收功能完备的芯片。它包 括以下功能：a m 信号接收系统、f m 信号接收系统、自动增益控制系统( a g c ) 、 自动频率控制系统( a f c ) 、锁相环( p l l ) 、噪声消除模块等。论文对于车载收音 机芯片提出了一套较完整的设计方案，仿真研究表明，功能与技术指标的前端仿 真结果正确。 关键词：汽车收音机无线通信自动增益控制噪声 a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m o b i l ei n d u s t r yo fc h i n as u f f e r sf r o mal o to fi s s u e st h a tk e e pi tf a rf r o mt h e g o a lt ob e c o m eas u p p o r ti n d u s t r yo fn a t i o n a le c o n o m ya f t e ra l m o s th a l fac e n t u r y d e v e l o p m e n t a u t oi n d u s t r yi so n eo ft h ep i l l a ri n d u s t r i e si nt h en a t i o n a le c o n o m y , w h i c hp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei n i n c r e a s i n ge m p l o y m e n ta n di m p r o v i n gt h el i v i n g s t a n d a r d ，e t c d e s i g na n da p p l i c a t i o no fak i n do fs i n g l e c h i pt u n e ri cf o rc a rr a d i o sa r e p r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h i si ci n t e g r a t e sa 1 1b l o c k sr e q u i r e di nac a rr a d i ot u n e ro na s i n g l ec h i p s i n c eo u ri cf o rc a rr a d i o st e c h n o l o g yi sm u c hs l o w e ri nd e v e l o p m e n t ，t h e r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ei cf o rc a rr a d i o st a gi sv a l u a b l e t h er fc o m m u n i c a t i o n sb a s i ct h e o r ya n dr a d i ob a s i ct h e o r ya r ef i r s t l ya n a l y z e d ， a n dt h er e a l i z a t i o no fc i r c u i tw a y sa r ei n t r o d u c e d i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d p e r f o r m a n c eo ft h ei c ，s o m en e wo ri m p r o v e dc i r c u i t sa r eu s e d i cd e s i g n e di sc o m p l e t e i ns t r u c t u r e ，s m a l li ns i z e ，a n di th a sb o t ha ma n df mr e c e i v e rf o rg l o b a la p p l i c a t i o n i t i n c l u d e st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：a mr e c e i v e r , f mr e c e i v e r , a g c ( a u t o m a t i cg a i n c o n t r 0 1 ) ，a f c ( a u t o m a t i cf i e q u e n c yc o n t r 0 1 ) ，p l l ( p h a s el o c kl o o p ) ，n o i s ec a n c e l l e r , e t c ac o m p l e t ed e s i g nh a sb e e no f f e r e df o rt h ei co fc a rr a d i o s ，t h ef u n c t i o na n dt h e t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o ni nt h ef r o n t e n ds i m u l a t i o na r ev e r a c i o u s k e y w o r d ：c a rr a d i o r fc o m m u n i c a t i o n sa g cn o i s e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期竺堡：! ：三 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期! ! 雪! ! ：! 三 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 没有人能否认中国汽车工业与国际同行的差距。中国汽车工业历经近半个世 纪的发展，却仍存在诸多方面的问题，使得汽车工业也与成为国家经济支柱产业 的目标还有相当的距离。在中国已经加入w t o 的形势下，产业的国内竞争开始 向更趋残酷激烈的国际竞争演化，这使得对于中国汽车工业如何应对入世竞争的 讨论日益吸引着人们的关注。随着我国加入世贸组织条款的逐步实施，国外汽车 巨头就会来与我们争分这杯羹。有关专家提醒我们的相关商家：别让这个有着上 百亿身价的“金娃娃 从身边溜走。 随着集成电路的发展，其强大的生命力不断的改变人们生活的各个方面。以 汽车电子为工具，汽车这样的传统产业在其推动下亦重新迅猛发展。1 9 8 0 年全球 汽车电子市场的销售额只有4 0 亿美元，1 9 9 0 年为2 0 0 亿美元，2 0 0 0 年为6 0 0 亿 美元。据美国汽车工业界的预测，全球汽车电子市场销售额有望在近一、二年内 超过1 0 0 0 亿美元【i j 。 荷兰恩智浦半导体( o ) 0 8 年6 月2 4 日在东京举行了面向新闻媒体的车 载半导体业务说明会。该公司2 0 0 7 年汽车相关业务销售额达到1 2 亿美元，在全 球市场排第六位，在日本市场排第七位。今后，中国及印度等新兴市场的汽车产 量将会增加，因此擅长车载收音机用半导体的恩智浦预计，其将占据优势。 在说明会上，登台演讲的是德国恩智浦半导体的w i l l e m b u l t h u i s ( 汽车与识 别业务部汽车销售与营销副总裁) 。b u l t h u i s 公布的资料显示，到2 0 1 8 年为止， 汽车生产至少能实现3 - 4 的稳定增长。不过生产地区将从西欧、北美、日本等 发达国家转移到印度、中国等新兴市场国家。2 0 0 8 年发达国家的生产比例为5 6 ， 2 0 1 3 年将降至5 1 ，2 0 1 8 年将进一步降至4 7 。 迅速发展的市场为中国汽车电子业的发展提供了绝好的机会，汽车电子化被 认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量一个国 家汽车工业水平的重要标志，目前各方面已认识到应该抓住这一机遇，大力发展 我国汽车电子这一新兴产业，提高我国汽车工业的整体水平和国际竞争力。 车载电子分为三个领域。分别是“车载娱乐”、“安全与舒适”及“多功能( 小 信号和逻辑产品) ”。多年以来，具有播放功能的a m f m 模拟收音机一直都是汽 车的娱乐中心和信息中心，是车载电子装置中的必备设备。虽然近年来，在车内 “看 也成为了车内娱乐的焦点，但由于在车内“看”必然会分散驾驶者的注意 兰车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 力，所以，可以预测：“听”仍将是车内娱乐不可或缺的媒体中心。从最初的调幅 收音机，到调频收音机，从超外差收音机到调频，调幅双中频收音机和现在超低中 频收音机，从模拟电路的收音机到现在的数字式收音机和卫星接收机( s d a r ) 。 每一个技术的应用，都大大提高了收音机的音频效果，接收灵敏度和信噪比都得 到极大的提高。在这种高质量的音视频环境中，驾驶人得到了舒适的感观享受。 需要说明的是，到了2 0 世纪9 0 年代，随着数字技术的发展，声音广播技术 已经开始由模拟方式向数字方式过度，出现了数字音频广播 2 】( d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、数字调幅广播( d r m ) 等数字声音广播技术。由于模拟方 式下f m 传输对于多径干扰缺乏抵抗力；而且f m 频段电台越来越多，频带过密 地被占用，影响收听质量。所以数字声音广播以经可以看作是继模拟调幅、模拟 调频广播之后，而成为第三代广播技术。它不仅保证了传输稳定，还能大大提高 频谱的利用率，以及改善收听的音效。但是尽管国外的数字广播业务已经发展了 一段时间，普及程度已经有了一定的规模，但对于国内而言，由于技术与成本等 原因，仅仅是一些个别城市开展了实验广播，并没有广泛普及。而且数字广播的 接收机相对比较昂贵，目前国内所行驶的汽车上也就很少有安装此类接收机。所 以，广播技术的数字方式完全取代模拟方式仍是一个相当漫长的过程。模拟收音 机芯片对于国产汽车仍是首选。 发展到今天，总的来说，收音技术已经成为一项非常成熟的技术。但由于特 殊的应用环境以及a m 与f m 广播技术固有的缺点，高性能车载集成收音芯片的 开发也存在较大的技术难题。所以，多年来，这片市场基本上被国外厂商把持着， 国内很少有高性能的相关产品。与普通的收音机相比，高性能车载收音机应具备 以下两个主要特征：( 1 ) 抗干扰能力强。在整个汽车电系中，经常会出现瞬时过 电压，电磁环境十分恶劣，这将极大的干扰a m f m 的正常接收。所以，强大的 抗干扰能力是车载收音机具有良好特性的必不可少的重要保证。( 2 ) 接收灵敏度 高，动态范围大。由于工作于移动环境，外界电台信号的强弱经常急居l j 变化，这 就要求收音机具有高接收灵敏度，和宽动态接收范围，例如：a m 波段的接收灵 敏度一般要求小于5 0 u v ，f m 波段的接收灵敏度要求小于3 u v ；a m 波段的自动 增益控s t j ( a g c ) 范围一般要求大于4 0d b 且能承受1 0 0 0m v 大信号输入而不产生 阻塞失真；对f m 波段的调谐不仅要求捕捉稳定可靠，更要求灵敏度高，信噪比 ( s 高。 所以，为了能使国产汽车行业实现真正的国产化，并且提高国产产品的市场 竞争力，拥有自主的技术创新和产品创新是一个关键，也是对国产厂家的一个艰 巨的挑战。而车载电子的技术与产品创新就更是一个衡量一个国家汽车行业发展 水平的指向标。 第一章绪论 1 2 研究目标 鉴于以上的背景介绍，参考国内外一些相关的汽车a m f m 模拟收音机芯片 的设计特点，结合国内汽车行业的实际需求，本文会提出一种车载立体声收音机 i c 的实现方案。除了对传统功能模块的介绍，还会针对一些车载集成电路及 a m f m 模拟收音机芯片容易出现的问题提出解决办法。总的目的是力图使此方 案的整机性能至少在前端仿真中不亚于国外同类产品，并在此基础上尽量简化系 统的复杂程度，利用相对简单的工艺降低产品的成本，从而提高此产品的竞争力。 1 3 研究难点 对于收音机的设计原理与功能实现早已经形成一套比较完整的理论，其中例 如混频、解调等技术已经比较成熟。但是由于我们所要设计的是汽车用电子设备， 所以不能仍然抱有传统的收音机接收调谐芯片设计思想。为了使技术参数如分离 度、信噪比等在车载系统里仍然具有很好的指标，而且还要使其与设计制造成本 之间有一个最好的平衡，我们需要一些改进的电路或新功能的模块来辅助系统达 到设计要求。而且若要降低制造成本，我们的工艺相对于同类产品不会很复杂， 这就导致某些性能可能会达不到设计要求，这就要求我们积极探索，在电路设计 与工艺实现上不断努力。 1 4 本文组织结构 本文主要从功能块实现方面提出了一种车载收音机的设计思想，论文具体的 组织结构如下： 第一章“绪论 介绍了本课题的设计背景及国内外的发展趋势，指出了研发 此芯片的重要意义与市场前景。简单介绍了本文的研究难点，最后概括了本文的 组织结构。 第二章简单介绍了收音机按照功能及工作的条件分为许多不同的种类。回顾 了无线通讯系统的组成，以及各部分的功能和工作过程；着重介绍了无线接收机 基本组成；同时详细描述了基本几个主要功能块的工作原理。并对收音机的发展 趋势进行了介绍。对调频立体声的信号组成进行了详细的分析。同时给出了一些 重要的收音机技术指标的解释与说明。 第三章结合收音机的工作原理，就几个重要的反馈系统进行了原理阐述及实 际应用中的实现方式，并给出了一些仿真结果以作参考。着重介绍了锁相环功能 模块。 一4 车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 第四章围绕立体声解调和噪声的消除，对本文的设计方案进行了原理阐述及 详细的分析。给出了一些功能新颖的设计模块。 第五章总结了本文的主要工作。针对研究现状、遇到的问题和发展前景进行 了展望。 第二章无线接收机的组成和原理 第二章无线接收机的组成和原理 2 1 1 收音机简介 3 】 2 1 收音机简介和分类 在1 8 4 4 年，电报机被发明出来，可以在远地互相通讯，但是还是必须依赖“导 线”来连接。而收音机讯号的收、发，却是“无线电通讯。 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电路。超 外差的特点是：被选择的高频信号的载波频率，变为较低的固定不变的中频 ( 4 5 0 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，产生外差信号的电路，习惯叫本地振荡。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f f 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得足够大的信号，从而 使整机输出音质较好的音频信号。 2 1 2 收音机分类【4 】 收音机有很多种分类方式： 1 、从体积大小上可以基本分为袖珍型、便携式、台式收音机。 2 、波段。从波段上可以基本分为调频与中波二波段收音机、短波与调频二波 段收音机、短波与中波二波段收音机、3 。4 多波段收音机( 调频中波1 2 短波) 、 5 1 4 多波段收音机( 调频中波3 1 2 个短波) 、全波段。目前市场上单波段、二 波段收音机较少，融调频、中波与短波为一体的多波段收音机为多。 一6 车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 3 、功能。从功能上可以基本分为传统机械指针式收音机、非存储模拟调谐数 显收音机、能存储电台频率的p u 合成、d s p 电子数调机。 根据市场需要及性能要求，本文设计的车载收音机为短波d s p 电子数调机。 短波收音机中的二次变频技术( s w d u a l c o n v e r s i o n ) 短波收音机最初是 使用直接放大线路的，5 0 年代开始，应用了一次变频线路，也就是平时所说的超 外差式收音机。为了进一步提高无线电接收机的灵敏度、选择性和抗干扰能力， 科学家们又研制了多次变频技术，当然首先是应用在无线电通讯领域，后来被移 植到高级收音机中，从而大大地改善了短波收音机的性能指标。便携式高灵敏度 短波收音机一般采用二次变频，而更高级的专业短波通讯接收机，甚至采用3 次 或4 次变频技术。 采用锁相环数字调谐式技术的收音机( p l l ) 锁相环数字调谐式【5 】技术的收音 机，是采用当代微电子应用技术的高新科技产品，集先进性、实用性、新颖性的 特点于一体。 采用单片微处理机芯片作为数字调谐系统的核心，含有锁相环路频率合成【6 j 、 频率预选多功能数字时钟控制及液晶数字显示等多种先进功能。以高精度高稳定 的石英晶体为频率基准，锁定接收电台的频率，绝无漂移现象。具有频率存储记 忆功能。一般说来，数字调谐式收音机的存储电台数目越多越好，高级数字调谐 式收音机应具备直接输入频率数字和模拟调谐旋钮，电子线路上也常采用二次变 频技术来提高性能指标。随着集成电路技术的发展与新的设计思想的诞生，数字 调谐收音机已逐渐取代了指针式模拟收音机。目前市场上所销售的不同用途的收 音机大都是数字调谐收音机，例如现在大部分m p 3 产品都整合了收音机功能，它 们所用的收音机核心芯片，几乎都是数字调谐；还有就是本文所讨论的汽车用收 音机，随着人们对生活质量要求的提高，舒适方便是必不可少的，而数调机在使 用的方便度与性能的理想度方面都恰恰可以满足人们的需求。 本文设计的芯片需与一些其它芯片一同工作，以便完成数字调谐的整体功能。 如图2 1 所示芯片的整体功能框图。其中三洋生产的l c 7 2 1 6 与l c 8 6 7 1 4 8 都是电 子调谐芯片，帮助解调芯片完成电子调谐功能。其中l c 7 2 1 6 用于电子调谐的锁 相频率合成；l c 8 6 7 1 4 8 是c m o s 工艺8 位单片微处理器，是一个寄存器，用于 存储电台。 以上介绍的广播信号都是模拟信号，其实目前数字音频广播技术也已发展成 熟。欧洲的地面和卫星数字音频广播( d a b ) 已运行了多年。数字音频广播技术 包括数字音频广播( d a b ) 、数字多媒体广播( d m b ) 、数字卫星声音广播( d s b ) 、 数字调幅声音广播( d r m ) 、网上( 数字) 广播等。但是由于其在国内的推广还 不是十分广泛，所以模拟信号广播在一段时间内在中国仍是主流。本文对其就不 再深入讨论。 第二章无线接收机的组成和原理 圈2 1 芯片整体功能框图 2 2 无线接收机的组成 2 2 i 无线通信系统的组成 7 】旧 广义上讲：一切将信息从发送者传送到接收者的过程，均为通信过程。实现 墨车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 这种信息传送过程的系统即为通信系统。如图2 2 所示的是通信系统框图。主要 由三部分组成：发射机、接收机、传输媒质( 信道) 。关键设备是发射机和接收机。 输嬉号发射信号蓣蝗信号输出信号 錾穗i 喜号) ( 己调滤号) 己调信号) ( 基毋信号) 输入变换嚣 发射机 瞎遘 - ， 接收祝 - 输出变按器 一一丁一 噢声和平挽潦 图2 2 通信系统框图 发射机：将基带信号变换为适合信道传输的高频电信号，变换后的高频电信 号经过放大处理后以足够的功率送入信道，以实现信号有效的传输。变换后的信 号称为已调信号或带通信号( p a s s b a n ds i g n a l ) 。 信道：信道是传输带有信息的电信号的媒质，它可以是电线，电缆，波导， 光导纤维或自由空间。 图2 3 典型超外差接收机框图 接收机：图2 3 为典型超外差接收机框图。接收机的主要作用是把天线接收 下来的信号首先进行低噪声放大，然后经过变频( 一次、两次、甚至三次变频) 、 中频放大和解调后还原出原始信号，最后经低频放大器放大后输出。与发射机相 反，接收机完成的功能是从信道接收到的信号中还原出与发射机输入信号一致的 基带信号( 这一过程称之为解调) 。在信号传输过程中，不可避免地会有噪声和干 扰的加入，因此接收机除了包含有与发送端相反作用的解调电路外，还有滤除干 扰和噪声的电路，当然必要的放大也是需要的。 ( 1 ) 高频放大器：由一级或多级小信号谐振放大器组成，放大天线上感生的 第二章无线接收机的组成和原理 9 一 有用信号；并利用放大器中的谐振系统抑制天线上感生的其它频率的干扰信号。 是可调谐的。 ( 2 ) 混频器：两个输入信号。频率为f 的高频已调信号，本机振荡器产生 的频率为f 的本振信号。将频率为f 的高频已调信号不失真的变换为载波频率为 截力的中频已调信号。 ( 3 ) 本机振荡：用来产生频率为石- - 正+ 正( 或石= 丘一力) 的高频振荡 信号。斤是可调的，并能跟踪f 。 ( 4 ) 中频放大器：由多级固定调谐的小信号放大器组成，放大中频信号。 ( 5 ) 检波器：实现解调功能，将中频调辐波变换为反映传送信息的调制信号。 ( 6 ) 低频放大器：由小信号放大器和功率放大器组成，放大调制信号，向扬 声器提供所需的推动功率。 以上是超外差接收机的主要功能模块，本文所涉及的接收机为a m f m 接收 机，即是此芯片既可以接收调幅广播又可以接收调频广播，而如今的调频广播大 都是立体声信号，所以就需要有立体声解调电路，这个在后面会有介绍。在这里， 如图2 4 所示，图中分别给出了a m 与f m 接收机的功能框架。 图2 4a m i f m 接收系统框架 上图为我们所采用的系统的整个框架图。从图中可以看出：上面的通路中， a m 信号经过两次变频，两次中频放大，采用包络检波的方式进行解调；下面的 通路中，f m 信号经过一次变频，一次中频放大，一次限幅放大，采用正交解鉴 频电路进行解调：解调之后的信号都通过消噪电路( n c ) 模块，m p x 模块最后 得到所需音频信号；其中在每个功能块中都引出了相应的信号管脚，以方便后端 设计中的测试和偏置调整。 2 2 2 二次变频 9 】 车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 超外差式收音机引入中频后，在提高接收性能的同时，产生了镜像频率。比 如，60 6 5 k h z 的信号在51 6 5 k h z 上听到，后者便是镜像一当然电台并没用这个 频率。真实频率与镜像频率的关系如下：( 真实频率一镜像频率) 2 = 中频频率。 不同厂家生产的收音机中频有不同数值，如4 5 0 、4 5 5 、4 6 5 k h z ( 本文中所涉及 的第二中频为4 5 0 k h z ) 等。如果谁在1 42 6 0 k h z 处听到中国国际广播电台华语 台，可别以为电台真用了这个频率，实际用的是1 51 6 0 k h z 。二次变频收音机能 够消除上述干扰。 a m 接收部分采用二次变频的目的是为了解决中频选择中碰到的“灵敏度” 与“选择性”的矛盾。提高无线电接收机的灵敏度、选择性和抗干扰能力! 高档 接收机中采用二次变频方案：先将接收信号变为一个较高频率的第一中频，一般 的调频收音机的一次变频后的中频是1 0 7 m h z ，有效的防止杂波的镜像干扰。第 一中频比较高，接收杌的选择性又变得比较差，镜象频率干扰不可避免。如有一 电台的频率是1 0 7 m h z 。那么这个电台信号可以不经过调谐回路直接进入中频放 大电路。邻近频率的干扰又会很严重。为了减小这种干扰。要再经二次变频，变 为频率更低的第二中频，以确保接收机的选择性。利用二次变频技术可以很好地 抑制镜象频率干扰，提高接收机的灵敏度。还可以进行三次或更多次变频。不过 二次变频就够了。 在图2 5 中a m 通路中，第一中频采用高中频值( 1 0 7 1 兆赫兹) ，以提高镜 像频率抗拒比( 接收机抑制镜像频率干扰的能力) 。图2 5 中，第一、第二个滤波 器主要完成频带选择和滤除镜像频率。 r f g a i n i 1 s t m i x g a i n l 斗 l s i l f g a i n p 斗 2 r i d m i x g a i n 1 , 4 r 1 - - - - - - - - - r l b 2 n c l i f g a i n 图2 5 a m 增益分配 第二中频值采用低中频值( 4 5 0 k h z ) 。第三个滤波器完成提取有用信道抑制 邻道干扰的任务。图2 5 中的中频放大器，第一个是第一中频放大器，第二个 是第二中频放大器，采用二次变频方案，将接收机的总增益分配在三个频段中， 第二章无线接收机的组成和原理 比较稳定，这里第一中频放大器的增益约为1 5 d b ，射频接收( i 江) 处的增益为 1 7 d b ，第一混频( 1 s tm i x ) 的增益为8 d b 。图2 5 为a m 模式的增益分配图。 放大器、变频器和滤波器间应很好的阻抗匹配，才能有效地发挥滤波器性能。 图2 6 为f m 模式的增益分配图。下面详细分析接收机的主要功能块。 2 3 1 混频器 1 0 1 1 1 】 1 8 d b 图2 6 f m 增益分配 2 3 无线接收机原理 一信号的频谱 信号的频谱是指组成信号的各个频率正弦分量按频率的分布情况，即用频率 f ( 或角频率缈) 作为横坐标、用组成这个信号的各个频率正弦分量的振幅u 。作 为纵坐标作图，就可以得到该信号的频谱图，简称频谱。某电压信号的数学表达 式为u ，= 3 s i n c o 。t ，画出它的波形和频谱，如图2 7 。 ： 1l、 一，37 k 入- 0 ，v1 f o 、，_ ：， ( a ) jl r i j ；= ! j 。 r 0 f o，。 ：，： r，。| ， 7。，_ 图2 7 ( a ) 单频信号的波形( b ) 单频信号的频谱 二。频率变换 1 频率变换 又称为频谱变换。所谓频率变换，是指输出信号的频率与输入信号的频率不 里车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 同，而且满足一定的变换关系。从频谱的角度来看，调制是把低频的调制信号频 谱变换为高频的己调波频谱；解调恰与调制相反，它把高频的已调波频谱变换为 低频的调制信号频谱；变频则把高频的已调波频谱变换为中频的已调波频谱。因 此调制、解调和变频电路都属于频谱变换电路。 2 频率变换电路的分类： ( 1 ) 频谱搬移电路 即将输入信号频谱沿频率轴进行不失真的搬移，搬移前后各频率分量的相对 大小和相互间隔( 即频谱内部结构) 保持不变。包括调幅、检波和变频电路。 ( 2 ) 频谱非线性变换电路 即将输入信号频谱进行特定的非线性变换电路。包括调频和鉴频、调相和鉴 相电路等。 三模拟乘法器 随着集成技术的发展和应用的日益广泛，集成模拟乘法器已成为继集成运放 后最通用的模拟集成电路之一。 设本振信号为 v 上o = 圪dc o s 工0 t ( 2 1 ) 射频信号为 1 ，盯= c o sc o p a ，t ( 2 2 ) 相乘得 屹d 1 ，灯= 去圪d 【c o s ( c o 盯一功工d + c o s ( 缈肚+ 国工d 】 二 ( 2 3 ) 用滤波器取出其中的差频信号e o p , f 一吃d 作为中频输出信号。 实现频谱搬移的基本方法是将两个信号相乘。实现相乘的方法有多种可以用 吉尔伯特乘法器电路，也可以用工作在线性时变状态的非线性器件。常用的非线 性器件有二极管、场效应管( f e t ) 和双极型晶体管( b j t ) 。混频器在线性时变 工作时，要求射频输入是小信号，本振输入是大信号。混频器对射频信号而言应 是线性系统，其电路参数随本振信号作周期性变化，这样才能保证在频谱搬移时， 射频的频谱结构不变。 采用平衡电路结构模式，可以抑制输出电流中的无用成分。双平衡混频器是 由吉尔伯特( g i b e r t ) 单元电路组成，如图2 8 。 从第二个差分对输出的电流为 f 。= i s - 诤i ot 础瓦1 ) 2 一g 小t a n h 专z v ( 2 4 ) z v r。r 因此总的差分电流为 第二章无线接收机的组成和原理 其中g 。是电流源的跨导。 驴“。观刚鼬参 ( 2 - 5 ) 图2 8 吉尔伯特模拟乘法器【1 2 】 为了扩大匕的线性范围，可在下面差分对管的发射极加负反馈电阻。如图2 9 。 图2 9 发射极加负反馈电阻的模拟乘法器 加了负反馈后f 。和i ：的电流分别为 + 壶 ( 2 6 ) 旦车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 社l 一矗 ( 2 - 7 ) 根据差分对的性质i 3 、i 。、如、i 。分别为 1 。，百万 南( 2 - 8 ) 1 z 5 百万 1 z 6 百两 则乘法器的输出申流为 乇娟蚓吨_ t a l l l l ( 专) ( i i + i 2 ) = t a l l l l ( 茜) 焘( 2 - 9 ) 可见加了负反馈电阻后，将i 。v 。关系线性化了。 输出差分电压为 一蛐c 却焘r c 当r = 0 时，输出e g 玉, 也可写为 ( 2 - 1 0 ) 1 ，o = - 2 r c i 。t a n h ( ) t a n _ h ( ) ( 2 1 1 ) z 吁z v ：l - 此芯片中f m 模式下的混频和a m 模式下的第一、第二混频都是采用了此种 双平衡混频器，或者经过改进的电路。但最后的目的是为了可以抑制输出电流中 的无用成分，保证混频后射频信号的结构。如果频谱结构混乱，对滤波器性能的 要求就会提高，这样就会增加产品成本的提高及设计难度的加大。而模拟乘法器 的集成电路简单、高效，自然而然的成为高性能集成电路的首选。其实，此种模 拟乘法器不仅可以用于混频，它可以应用到频谱变换的各种电路中。 下面两图是f m 模式下8 3 m h z 信号进入混频器经滤波器到1 0 7 m h z 的频谱 转换示意图，图2 1 0 为本振信号频谱，图2 1 1 为滤波器输出的中频频谱。同时提 供1 4 d b p 左右的增益转换。本振频率由芯片外部电路来提供，而且通过其它电子 调谐芯片可以很好地控制。通过调节混频器的工作电流，及调谐回路( 滤波器) 的选频特性，都可以影响到频谱转换的增益变化。因此，在不影响二者正常工作 第二章无线接收机的组成和原理 及性能良好的情况下，可以适当地在二者之间取折衷的器件参数，以达到最好的 系统性能要求。 图2 1 0 奉振信号频谱 f | e am h z 图2 1 1 中频频谱 2 32 中频放大 如图21 2 所示，此为f m 的中频放大。可以看到，这里用的是差分放大电路， 中频输入( i f 矾) 信号由定义的芯片管脚p i n 5 6 脚输入，它是混频滤波后的中频 信号。而输出则是由p i n 5 3 脚输出，输出到解调模块。 圈2 1 2 中频放大应用电路 o e n o _ 兰车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 由于无论是f m 混频后，还是a m 的第一次混频后的中频都是1 0 7 m h z ，所 以它们混频后的中频放大电路可以共用。这里要求f m 增益为2 0 d b ，a m 为5 d b 。 另外要求输入和输出阻抗均为3 3 0 欧姆。若需要调整此中频放大器增益的大小， 可以通过调整它的静态工作点来达到目的。 2 3 3a m 解调 一包络解调电路 图2 1 3 所示的是普通调幅波的波形其中y q ) 为调制信号的时域波形，v 。( f ) 为载波信号的时域波形。1 , a m ( f ) 就是我们所熟悉的调幅波的波形，它的包络反映 了我们所需要的有用信号的变化。 t | d 钙一d b ，一、 一 i 、，、n 1 vv ! i i ，vv vv v 图2 1 3 普通调幅波的波形 幅度调制信号( 埘) 解调是频谱的线性搬移，它将己调信号中所包含的调 制信息搬回到基带。对包络反映了调制信号变化的普通调幅波，可以采用称为包 络检波的非相干解调。如图2 1 4 ，显示的是检波器的频谱变换的过程。 | o l ： ，1 ，1 ，一f 1 f 1 - f 1 、 ，夕一f 0 幺 f , - f a 乓+ f l+ 民 ( a ) 输入信导师沿 ( b ) 输出信号频谱 图2 1 4 检波器的频谱变换 第二章无线接收机的组成和原理 包络检波器【1 3 】基本组成如图2 1 5 所示，包含非线性器件和低通滤波两部分。 非线性器件是二极管( 在集成电路中常用三极管，本文的设计方案用三极管) 。负 载电阻r 和电容c 为低通滤波器，取出需要的低频解调信号1 ，一矿。图2 1 6 为本文 设计中所采用的电路。 ui n 图2 1 5 简单包络检波器电路 4 移瓤 一 uou t 图2 1 6 包络检波器实际应用电路 二工作原理【1 4 】 二极管作为非线性器件，按照输入信号的大小，可以有两种描述方法。当输 入为小信号时，二极管的非线性伏安特性可以用幂级数来逼近，当输入为大信号 时，可以用两段折线来描述。 坚 车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 ( 1 ) 输入为小信号( 5 0 0 m v ) ，二极管的伏安特性可用两段折线表 示，在实际电路中还可加外加偏压= ( 州来抵消二极管导通电压圪。的影响， 因此二极管伏安特性为过原点的两段折线，见图2 1 7 ( a ) ，且有 如= g 苫汕v o ( 暑 ( 2 1 5 ) 图2 1 7 ( b ) 中1 ，一矿为输出解调电压，也是电容器c 两端的电压1 ，c 。 作为大信号检波电路，二极管的工作过程如下： 当v a t ) 1 ，一矿时， 0 ，二极管导通，导通电阻为r d ，此时输入信号( f ) 通 过二极管向电容c 充电，充电时间常数为= r d c 。由于如很小，即充电时间 常数很小，电容器上的电压1 ，y 很快到达y ，( f ) 的顶峰。当v i ( f ) v y 时， y 时) 又开始 给电容器充电。解调波形见图2 1 7 ( c ) 。 m ? 牮 彳。 o ： h 书圊 一 厂 习 m 翮衍 多 一i 、 拶姗、 uu 奉盖弛：一：近凸： 、二： 口， t c ，蕺彤圈 图2 1 7 峰值包络检波 在接收机当中，检波电路一般位于中频放大器之后，输入检波器的信号幅度 已足够大，属于峰值包络检波。本文的设计用的检波方式就是峰值包络检波。此 外检波方式还有平均包络检波【1 5 】、并联型二极管包络检波等。本文就不再介绍。 2 3 4f m 解调 一调频波【1 6 】 用调制信号去控制高频载波的频率称为调频( f m ) 。设载波为u c = u c m c o s w c t ； 调制信号为u a = u a m c o s f 2 t ，其瞬时角频率为： w c ( t ) = w c + k f u q mc o s s e t = w c + w 缸c o s q t( 2 1 6 ) w c ：载波角频率，即调频波中心角频率；k f ：调频灵敏度，表示单位调制信 号幅度引起的频率变化，单位r a d s v 或h z v w f m ：调频波最大角频偏，表示f m 波频率摆动的幅度，w f m = k fu j 加 m f = w 抽q = k f u q 调频系数，是调频时在载波信号的相位上附加的 最大相位偏移，单位为r a d 。 则“f m = u c m c o s ( t ) = u c m c o s ( w c t + m c s i n q t )( 2 1 7 ) 垫车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 图2 1 8 为单音调频波的波形图。图2 1 9 为调频波的频谱图。 【，j f j 皿 、厂 d 了 州l n ff l lj | 、an 九f 11 一 d ， ，川v 1 i l j | | jj 1 - 一茹w - - - , - 4 图2 1 9 调频波的频谱图 二 限幅电路 在调频信号由中频放大器出来后，并不是直接进入鉴频电路，而是先进入限 幅电路。由于混频电路及一些其它电路会使有用信号产生寄生调幅，限幅器的作 用是将具有寄生调幅的调频波变为等幅的调频波。限幅器的限幅特性如图2 2 0 所 示，主要有两项指标来衡量其优劣。一是限幅输出电压的平坦程度，要求越平坦 越好；二是限幅门限电平，定义为输出限幅电平下降3 d b 时对应的输入电平。 蝴母嘲 图2 2 0 限幅特性 0 - 3 第二章无线接收机的组成和原理 2 1 限幅器有多种实现电路，集成电路中常用的是差分放大器。本文的设计中也 是用差分放大器来限幅，而且我们选择使用六级限幅放大，使进入鉴频电路的中 频信号更加理想，避免寄生调幅的影响。而且保证了中频信号足够的增益。如图 2 2 1 所示，此为单级限幅放大器。每级限幅电路可以用隔直电容来隔离，这样就 有利于设置各级的静态工作点，以便来调整增益。 b ui1 ui 2 u 0 2 uo l 图2 2 1 限幅电路 采用差分放大器限幅的优点在于它不是利用晶体管的饱和限幅，而是利用它 的截止限幅，因此它不受基区载流子存储效应的影响，工作频率较高。而且由于 是对称结构，输出谐波少。 三鉴频电路f i 7 】【1 8 】 调频波的解调称为频率检波，简称鉴频。鉴频器的功能是将输入调频波的瞬 时频率变化变换为输出电压。 鉴频电路的种类很多，但按其工作原理来划分可大致分为斜率鉴频、正交鉴 频、脉冲计数式鉴频、锁相鉴频等。本文设计方案所用的是正交鉴频，它也是目 前集成电路中用的最多的鉴频方法。至于其它鉴频方式在这里就不进行详细介绍。 先将输入调频波通过具有合适频率特性的线性变换网络，将调频波变换成调 频调相波，其相位的变化与输入调频波瞬时频率的变化成正比，再经相位检波器 ( 鉴相器) 将它与输入调频波的瞬时相位进行比较，检出反映附加相移变化的解 调电压。其实现框图见图2 2 2 。 丝 车载收音机单片调谐集成电路的设计与实现 图2 2 2 正交鉴频 蝎 弋“ 坞 q 一4 ，i 解调 输出 图2 2 3 正弦鉴相特性 由图2 2 2 可看到正交鉴频电路是由完成频一相变换功能的线性网络及相位检 波器两部分组成。相位检波器又称鉴相器。由于需要调频的调频波不一定达到数 字逻辑电平值，因此在正交鉴频器中所用的鉴相器是用模拟乘法器( g i l b e r t 乘法 单元) 来实现。欲使模拟乘法器的鉴相特性呈现过原点正弦鉴相特性( 如图2 2 3 ) ， 使其在相位差a 够= 一丌2 兀2 间，鉴相输出电压与相位差一一对应，则鉴相 器的两输入信号应正交，正交鉴频的名称也由此而来。 最常用的频相转换网络如图2 2 4 ( a ) 所示。图2 2 4 ( b ) 为等效电路。目前 广泛采用的是c l 和r l c 单谐振回路或耦合回路构成的频率一相位变换网络。其 特性见图2 2 4 ( c ) 十 卜 一 图2 2 4 频相转换网络 l 垓t ， 飞 n 、 彳归) 、 越 蛳“ 第二章无线接收机的组成和原理 由于频相转换网络需要大电容与大电感，这些只能做在接收解调芯片的外部 电路中，所以在这里就不再详细介绍。 模拟鉴相裂1 9 】的输入输出关系为 v o = l r c t h 豪咖芳( 2 - 1 8 ) 为获得正弦鉴相，要求两输入信号正交，设两输入信号为 v x = s i n ( c 0 1 t + 妒) ；，= s i n ( c o l f ) ( 2 - 1 9 ) 按照信号输入的大小，在应用模拟乘法器作为鉴相器时，可以分为三种不同 的情况。即( 1 ) 输入v ，、v ，均为小信号：( 2 ) 输入