手持設備中的FM功能設計與實現

介紹如何在嵌入式系統中實現調頻收音功能，重點闡述NXP公司的FM芯片TEA5760的工作原理、硬軟件設計及要點，并給出了測試結果。該方案具有高性能、低成本、體積小、控制方便等優點，適合應用于手機等便攜式設備中。

關鍵詞? 調頻收音? TEA5760? 便攜式設備

　　隨著手機、PDA、MP3播放器等便攜式設備得到廣泛應用，將調頻收音功能集成到其中也受到了消費者的青瞇。本文利用芯片TEA5760設計并實現了集成于手持設備的調頻收音功能。

1? TEA5760工作原理

　　NXP公司推出的TEA5760收音機芯片，具有高性能、低成本、外圍器件少等優點，I2C總線控制簡單。TEA5760工作原理框圖如圖1所示。

圖1? TEA5760工作原理框圖

　　低噪放大器的輸入阻抗和外接的LC調頻信號輸入電路組成了一個76～108 MHz的帶通濾波器。低噪放大器的增益受自動增益電路AGC控制，AGC的作用是穩定接收信號幅度，抑制鄰近電臺信號產生的交叉調制部分。放大后的FM信號進入正交混頻（IQ_MIXER）與本振信號進行混頻，產生中頻(IF)信號。與傳統超外差式收音機固定中頻為 10.7 MHz不同，其固定中頻為225 kHz，有助于降低芯片功耗和成本。然后，對中頻信號進行放大限幅等信號處理，抑制干擾信號，消除寄生調幅。中頻信號經過解調器解調得到立體聲調制信號，最后經過靜噪處理進行立體聲解調，還原出被調制的立體聲音頻信號輸出。其中，本振信號由鎖相環(PLL)頻率合成數字調頻系統產生，CPU通過I2C總線對可編程分頻器的分頻系統進行調節，使壓控振蕩器（VCO）輸出本振頻率變化（150～217 MHz），從而達到數字化調臺的目的。

2? 硬件設計

2.1? 系統簡介

　　系統采用VIA Telecom公司的CDMA手機平臺，在該平臺上實現“Camera+MP3+FM”功能，系統原理框圖如圖2所示。

圖2? 系統原理框圖

　　系統基帶芯片以ARM7TDMI為控制核心，輔以2個DSP核處理調制解調功能和音頻編解碼功能。芯片內嵌MP3解碼器，通過I2S接口輸出解碼后數字信號至音頻DAC WM8976。WM8976內置輸出功率為900 mW外放功放和40 mW耳機功放，可直接驅動手機外部揚聲器和耳機。FM部分則通過耳機線作天線，RF信號通過耳機線進入TEA5760，基帶芯片通過I2C總線向TEA5760寫控制字來實現手動或自動調臺，并從TEA5760的狀態字讀取信息以實現電臺存儲。輸出的R、L音頻信號比較微弱，無法直接驅動耳機，通過WM8976的模擬輸入通道AUXR、AUXL，可通過對音頻DAC的控制，實現該信號切換至揚聲器或耳機，實現了對信號的功率放大。同時，因為TEA5760本身不帶音量控制功能，而WM8976可調節音量，這樣也可實現對FM音頻音量進行調節。Camera則由Mtekvision公司的MV3019實現對130萬像素圖像的JPEG編解碼，顯示屏為120×160像素260K色TFT LCD,外擴512 Mb NAND Flash則用于對圖片和MP3歌曲的存放。電源管理部分PMU負責對整個系統供電的LDO,DC/DC以及鋰電池的充電進行管理。

2.2? 硬件設計

　　調頻收音部分電路原理圖如圖3所示。

圖3? 調頻收音部分電路原理圖

　　由系統分析可知，該部分由基帶IC、收音芯片TEA5760和音頻DAC芯片WM8976組成。射頻信號從耳機地線引入，進入LC輸入回路組成的76～108 MHz的帶通濾波器。其中，電感L2采用高精度、高Q值、低噪聲電感(Murata公司的LQW15ANR12J00)，從而使輸入回路具有良好的選擇性和較高的傳輸系數。圖中，耳機地線經過LC并聯電路接地，起隔離作用,這樣FM信號可以損耗很小地進入芯片。供電由LDO 3.0 V提供，因與系統其他部分共用，在設計中用磁珠隔離。系統時鐘由BBIC的CG_CK端輸出，即為32.768 kHz，2個10? kΩ分壓電阻用于減小輸入TEA5760的時鐘電壓幅度。在本振回路中，電感L1采用高精度、高Q值、低噪聲電感(Murata公司的LQW15AN47NJ00)。基帶IC通過I2C接口對TEA5760進行控制，GPIO[23]連接BUSEN用于控制總線的使能。由于在設計中使用查詢方式，中斷線INTX未接。TEA5760 VAFL、VAFR輸出的左右聲道音頻信號，經過隔直電容輸入WM8976的模擬通道AUXL、AUXR，最后輸出至耳機與揚聲器。

　　由于牽涉到高頻電路等特殊性,在設計中尤為注意：

①? 電路對整個參考時鐘的要求比較高，頻偏為±20×10-6，幅度為1.15～1.95 V，否則VCO等部分無法正常工作，從而導致搜臺失敗。
②? 在多層板設計中，調頻收音部分電路下方不要走高速線；特別是在VCO電路部分，如果無法回避則需要有地層隔離，避免干擾。
③? 系統設計布局中，盡量遠離DC/DC電源等干擾性比較強的電路。在收音工作時，盡量關閉其他工作電源，使對其影響降到最低。
④? 與芯片引腳相連的分立器件盡量靠近引腳，參考時鐘到芯片的距離盡量短而粗。
⑤ ?耳機旁的隔離電感應該在電路板上緊靠耳機接口放置以增加接收的靈敏度，并且電感的直流阻抗應當盡量小，以降低音頻的功率損耗。

3? 軟件設計

　　平臺采用Nucleus Plus操作系統，調頻收音功能的實現主要體現在對TEA5760驅動程序的設計，然后再由應用層來調用。驅動程序主要完成預置NxpFmPreset(void)、自動搜索NxpFmAutosearch(void)以及手動搜索NxpFmHandsearch(void)等幾個功能函數的設計。芯片內部帶有6字節的控制寄存器和16字節的狀態寄存器，基帶IC通過I2C總線向TEA5760寫控制字來實現手動或自動調臺等操作，同時讀TEA5760的狀態字并實現臺存儲。

　　其中自動搜索主要包括搜索頻率的設定、信號強度level的讀取、中頻計數器的讀取、有效頻道的判別等過程，其工作流程如圖4所示。

　　設定起始頻率為Blandlimitlow，取step為100 kHz，根據頻率鎖相環轉換計算公式推出PLL值。

式中: NDEC為PLL十進制數值；FRF為想要調的電臺的頻率；FIF為中頻頻率225 kHz；FREFS為參考頻率32.768 kHz。然后，通過設置控制寄存器設定信號強度閾值SSL_threshold、Auto向上搜索模式等；等待自動調諧完成標志位FRRF置位,并通過查詢位BLF判斷是否已頻率越界，若在頻率范圍內則通過讀取中頻計數器的值來判斷是否為有效電臺；最后需要對頻道進行High/Low Injection的優化選擇。手動搜索則相當于自動搜索的一個步進頻率的搜索過程。

圖4? 自動搜索工作流程

　　在軟件設計時需要注意的是：

①? 芯片I2C通信協議不支持sub address，當需要讀取/更改比較靠后的狀態/命令字節時，前面的字節都必須一并讀取/寫入。
② ?在自動搜臺中采用比較優化的算法，需要先把信號強度閾值設定為最高，全程搜索并保存；然后，降低信號強度閾值至中等，并且再次全程搜索并保存（同時需要去掉上次已收到的相同電臺）；最后，降低信號強度閾值至最低，再次重復搜索。

4? 測試結果

　　經過對平臺FM功能模塊的指標測試，在SNR=26 dB、最大頻偏為22.5 kHz條件下，接收靈敏度為1.5 μVemf，立體聲隔離度為35 dB，單聲道信噪比為55 dB，立體聲信噪比為50 dB，工作電流約14 mA。本文采用TEA5760在手機平臺上實現了調頻收音功能，該方案外圍器件少，控制簡單，性價比較高，在便攜式設備中有一定的推廣價值。