數(shù)字鎖相環(huán)的調(diào)頻發(fā)射器架構(gòu)分析

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】數(shù)字鎖相環(huán)的調(diào)頻發(fā)射器架構(gòu)分析在過(guò)去的20年里數(shù)字便攜設(shè)備的出貨量有了巨大的增長(zhǎng)。許多便攜式設(shè)備帶有音頻內(nèi)容，例如:包括iPod的MP3播放器、PDA、手機(jī)、PMP、便攜式游戲機(jī)等等。人們一直在探索不同的途徑，有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式，來(lái)向不同的外部設(shè)備傳輸音頻信號(hào)，來(lái)和他人分享音樂(lè)內(nèi)容，或自己用耳機(jī)收聽(tīng)。和其它技術(shù)相比，調(diào)頻(FM)技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，擁有巨大的現(xiàn)成用戶(hù)群，同時(shí)它具有使用方便、音質(zhì)優(yōu)良、低功耗及低成本的優(yōu)點(diǎn)。因此調(diào)頻傳輸提供了非常有吸引力的音頻傳輸解決方案。

傳統(tǒng)上，音頻調(diào)頻傳輸發(fā)射器(如圖1所示)由兩個(gè)基本模塊組成：一個(gè)是產(chǎn)生立體聲MPX信號(hào)的立體聲調(diào)制器，另一個(gè)是發(fā)送FM信號(hào)的FM單元。依照調(diào)頻FM標(biāo)準(zhǔn)，音頻波段信號(hào)必須先轉(zhuǎn)換成MPX信號(hào)，然后用一個(gè)高頻的載波(76～108MHz)來(lái)調(diào)制。通常會(huì)使用一個(gè)模擬鎖相環(huán)(PLL)來(lái)產(chǎn)生和鎖定該高頻載波到一個(gè)的參考時(shí)鐘。立體聲MPX信號(hào)的產(chǎn)生則需要對(duì)左右音頻信號(hào)開(kāi)展正確的加減，合成一個(gè)19KHz的導(dǎo)頻音，還需要一定的預(yù)加重來(lái)產(chǎn)生終的MPX信號(hào)。MPX信號(hào)被直接耦合到壓控振蕩器(VCO)的控制電壓來(lái)調(diào)制載波的相位或頻率，F(xiàn)M信號(hào)通過(guò)一個(gè)功率放大器被傳送至發(fā)射天線(xiàn)。

上述的純模擬方法有三個(gè)缺點(diǎn)：首先，對(duì)控制電壓的直接調(diào)制需要PLL帶寬非常窄，由于需要使用較大的無(wú)源元器件，加上片上VCO相位噪聲較大，要將環(huán)路濾波器和VCO集成到片上是非常困難的。這就是為什么在傳統(tǒng)的調(diào)頻FM發(fā)射器方案中會(huì)有許多外部元器件的主要原因。由于相當(dāng)數(shù)量的外部元器件(包括電感、電容和電阻)需要在使用前開(kāi)展校準(zhǔn)，對(duì)于系統(tǒng)制造商想要保持低成本同時(shí)又要控制產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性而言，這相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。其次，由于片上器件在不同信號(hào)路徑上的不匹配，模擬放大器里的加減精度受到了限制。這會(huì)直接影響到FM信號(hào)的立體聲隔離性能。第三點(diǎn)，模擬電路的性能會(huì)受限于外部器件的噪聲，而提高信噪比的代價(jià)則是犧牲功耗和面積(或意味著增加成本)。

以上這些缺點(diǎn)導(dǎo)致在便攜式應(yīng)用領(lǐng)域難以采用傳統(tǒng)的調(diào)頻FM發(fā)射器架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本，高集成，低功耗的調(diào)頻FM傳輸方式。

為了克服傳統(tǒng)的調(diào)頻FM發(fā)射器架構(gòu)的這些缺點(diǎn)，KTMicro公司設(shè)計(jì)并發(fā)表了一款基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)的高集成調(diào)頻FM發(fā)射器芯片－KT0801。該芯片可以為便攜式設(shè)備應(yīng)用提供業(yè)界的性能和系統(tǒng)集成度。

KT0801的性能特點(diǎn)

KT0801擁有雙通道20位ΔΣ音頻ADC、一個(gè)高保真的數(shù)字音頻信號(hào)處理器以及一個(gè)全集成的射頻RF發(fā)射器。其架構(gòu)是基于一個(gè)寬帶寬的數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)，它可以提供頻率高穩(wěn)定性和高抗干擾性。片上的LDO使得芯片可以集成到不同電池驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)里，支持電源電壓可從1.6V到3.6V。單一電源供電情況下芯片功耗小于20mW，相當(dāng)于市場(chǎng)上主要競(jìng)爭(zhēng)方案的一半，因而可以延長(zhǎng)一倍的電池壽命。

圖1：傳統(tǒng)音頻傳輸發(fā)射器架構(gòu)方框圖。

由于它的高集成度，KT0801使用普通的24腳4x4QFN封裝，僅需要單一的低電壓供電及一塊小尺寸的晶振或一個(gè)外部時(shí)鐘即可工作。不需要外部元件調(diào)試或校準(zhǔn)也意味著真正減少系統(tǒng)集成和維護(hù)的代價(jià)并縮減開(kāi)發(fā)上市的時(shí)間。

KT0801系統(tǒng)架構(gòu)

基于DSP的調(diào)頻FM發(fā)射器架構(gòu)如圖2所示，它提供了一個(gè)真正的系統(tǒng)級(jí)芯片解決方案。和現(xiàn)存的用模擬方式直接頻率調(diào)制音頻信息的產(chǎn)品不同，KTMicro公司實(shí)現(xiàn)了用純數(shù)字方式來(lái)開(kāi)展頻率調(diào)制、預(yù)加重、導(dǎo)頻音和信號(hào)合成。

圖2：KT0801調(diào)頻發(fā)射器的系統(tǒng)架構(gòu)

立體聲音頻信號(hào)首先由可編程放大器(PGA)和低通濾波器(LPF)模塊開(kāi)展放大和濾波。

它們之間的連接既可以是直流耦合也可以是交流耦合。如果選擇交流耦合的話(huà)，片上電路能自動(dòng)提供直流偏置。無(wú)論選擇哪種增益，LPF的3dB頻率被設(shè)定在20KHz附近。LPF能夠?yàn)V除任何來(lái)自立體聲源的高頻噪聲和LPF自身的噪聲。PGA提供多重增益設(shè)定讓FM發(fā)射器可以根據(jù)不同的音源優(yōu)化設(shè)置。KTMicro公司特有的電路構(gòu)造和偏置校準(zhǔn)方式可以實(shí)現(xiàn)非常高的線(xiàn)性度和低噪聲，同時(shí)還保持了極低的功耗。

經(jīng)過(guò)了放大和濾波之后，立體聲音頻信號(hào)由以片上晶振作為時(shí)鐘的ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。ΔΣADC特別適用于集成音頻應(yīng)用因?yàn)樗詳?shù)字電路的復(fù)雜度得到極高的模擬性能。除了性能要到達(dá)20-bit的動(dòng)態(tài)范圍之外，選擇合理的ADC架構(gòu)的重要的因素就是使得從參考電平緩沖電路釋放的電荷必須與信號(hào)無(wú)關(guān)，否則會(huì)直接降低聲道的隔離效果。系統(tǒng)中運(yùn)用了一個(gè)低功耗和低噪聲參考電平緩沖電路。此電路無(wú)需通常使用的片外旁路電容。雙通道模擬前端經(jīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)，減小了增益和相位的不匹配。另外系統(tǒng)采用了一個(gè)偏置校準(zhǔn)電路以用來(lái)地提高動(dòng)態(tài)范圍。

經(jīng)ΔΣADC的數(shù)字信號(hào)被更進(jìn)一步過(guò)濾和降低采樣來(lái)減少波段內(nèi)的噪聲，其中包括量化噪聲和輸入音頻噪聲。同時(shí)我們?cè)谠O(shè)計(jì)中注意減少了通頻帶的紋波。芯片集成了一個(gè)數(shù)字高通濾波器來(lái)濾掉直流至20KHz間的噪聲。因?yàn)榇蠖鄶?shù)信號(hào)處理都是數(shù)字實(shí)現(xiàn)，因此數(shù)字高通濾波器無(wú)需片外元件，取得的3dB頻率。

圖3：典型的應(yīng)用電路

數(shù)字音頻系統(tǒng)中非常普遍地采用了預(yù)加重技術(shù)，因?yàn)樗芴岣哒麄€(gè)系統(tǒng)的SNR性能。在數(shù)字領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)預(yù)加重，無(wú)需外部元件，同時(shí)預(yù)加重時(shí)間常數(shù)可以很容易地通過(guò)設(shè)定一個(gè)存放器來(lái)調(diào)整。MPX信號(hào)在數(shù)字領(lǐng)域合成后，它被送往DPLL開(kāi)展上變換。

因?yàn)橐纛l波段相當(dāng)窄，典型的PLL在音頻應(yīng)用中需要外部元件。同時(shí)，由于片上器件線(xiàn)性度非常有限以及其它的非線(xiàn)性因素，要在正常的工藝和溫度變化內(nèi)搭建一個(gè)適用于所有FM波段的高線(xiàn)性度、寬調(diào)諧范圍的PLL是件非常困難的事。因此KTMicro發(fā)明設(shè)計(jì)了一系列特有的電路和校準(zhǔn)機(jī)制來(lái)應(yīng)付這些問(wèn)題。測(cè)量的結(jié)果顯示KT0801的設(shè)計(jì)在從76MHz到108MHz的寬調(diào)諧范圍內(nèi)到達(dá)了超過(guò)68dB的SNR。

如圖3所示，KT0801僅僅需要一個(gè)外部時(shí)鐘、一個(gè)立體聲信號(hào)源、一個(gè)單一電源及一個(gè)天線(xiàn)就可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本的便攜式FM傳輸解決方案。

本文小結(jié)

KT080