基於數字PLL和DSP的調頻FM發射器架構研究

在過去的20年裡數字便攜設備的出貨量有了巨大的增長。許多可攜式設備帶有音頻內容，例如：包括 iPod的MP3播放器、PDA、手機、PMP、可攜式遊戲機等等。人們一直在探索不同的途徑，有線或無線的方式，來向不同的外部設備傳輸音頻信號，來和他人分享音樂內容，或自己用耳機收聽。和其它技術相比，調頻（FM）技術簡單實用，擁有巨大的現成用戶群，同時它具有使用方便、音質優良、低功耗及低成本的優點。因此調頻傳輸提供了非常有吸引力的音頻傳輸解決方案。

傳統上，音頻調頻傳輸發射器（如圖1所示）由兩個基本模塊組成：一個是產生立體聲MPX信號的立體聲調製器，另一個是發送FM信號的FM單元。依照調頻FM標準，音頻波段信號必須先轉換成MPX信號，然後用一個高頻的載波（76～108MHz）來調製。通常會使用一個模擬鎖相環（PLL）來產生和鎖定該高頻載波到一個精確的參考時鐘。立體聲MPX信號的產生則需要對左右音頻信號進行正確的加減，合成一個19KHz的導頻音，還需要一定的預加重來產生最終的MPX信號。MPX信號被直接耦合到壓控振蕩器（VCO）的控制電壓來調製載波的相位或頻率，最後FM信號通過一個功率放大器被傳送至發射天線。

上述的純模擬方法有三個缺點：首先，對控制電壓的直接調製需要PLL帶寬非常窄，由於需要使用較大的無源元器件，加上片上VCO相位噪聲較大，要將環路濾波器和VCO集成到片上是非常困難的。這就是為什麼在傳統的調頻FM發射器方案中會有許多外部元器件的主要原因。由於相當數量的外部元器件（包括電感、電容和電阻）需要在使用前進行校準，對於系統製造商想要保持低成本同時又要控制產品質量和可靠性而言，這相當具有挑戰性。其次，由於片上器件在不同信號路徑上的不匹配，模擬放大器裡的加減精度受到了限制。這會直接影響到FM信號的立體聲隔離性能。第三點，模擬電路的性能會受限於外部器件的噪聲，而提高信噪比的代價則是犧牲功耗和面積（或意味著增加成本）。

以上這些缺點導致在可攜式應用領域難以採用傳統的調頻FM發射器架構來實現低成本，高集成，低功耗的調頻FM傳輸方式。

為了克服傳統的調頻FM發射器架構的這些缺點，KT MICRO公司設計並發表了一款基於數位訊號處理技術（DSP）的高集成調頻FM發射器晶片－KT0801。該晶片可以為可攜式設備應用提供業界領先的性能和系統集成度。

KT0801的性能特點

KT0801擁有雙通道20位ΔΣ音頻ADC、一個高保真的數字音頻信號處理器以及一個全集成的射頻RF發射器。其架構是基於一個寬帶寬的數字鎖相環（DPLL），它可以提供頻率高穩定性和高抗幹擾性。片上的LDO使得晶片可以集成到不同電池驅動的系統裡，支持電源電壓可從1.6V到3.6V。單一電源供電情況下晶片功耗小於20mW，相當於市場上主要競爭方案的一半，因而可以延長一倍的電池壽命。

圖1：傳統音頻傳輸發射器架構方框圖。

由於它的高集成度，KT0801使用普通的24腳4x4 QFN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外部時鐘即可工作。不需要外部元件調試或校準也意味著真正減少系統集成和維護的代價並縮減開發上市的時間。

KT0801系統架構

基於DSP的調頻FM發射器架構如圖2所示，它提供了一個真正的系統級晶片解決方案。和現存的用模擬方式直接頻率調製音頻信息的產品不同，KT MICRO公司實現了用純數字方式來進行頻率調製、預加重、導頻音和信號合成。

圖2： KT0801調頻發射器的系統架構

立體聲音頻信號首先由可編程放大器（PGA）和低通濾波器（LPF）模塊進行放大和濾波。

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，片上電路能自動提供直流偏置。無論選擇哪種增益，LPF的3dB頻率被設定在20KHz附近。LPF能夠濾除任何來自立體聲源的高頻噪聲和LPF自身的噪聲。PGA提供多重增益設定讓FM發射器可以根據不同的音源優化設置。KT MICRO公司特有的電路結構和偏置校準方式可以實現非常高的線性度和低噪聲，同時還保持了極低的功耗。

經過了放大和濾波之後，立體聲音頻信號由以片上晶振作為時鐘的ΔΣ模數轉換器（ADC）轉換成數位訊號。ΔΣADC特別適用於集成音頻應用因為它以數字電路的複雜度得到極高的模擬性能。除了性能要達到20-bit的動態範圍之外，選擇合理的ADC架構的最重要的因素就是使得從參考電平緩衝電路釋放的電荷必須與信號無關，否則會直接降低聲道的隔離效果。系統中運用了一個低功耗和低噪聲參考電平緩衝電路。此電路無需通常使用的片外旁路電容。雙通道模擬前端經仔細設計，減小了增益和相位的不匹配。另外系統採用了一個偏置校準電路以用來最大地提高動態範圍。

經ΔΣADC的數位訊號被更進一步過濾和降低採樣來減少波段內的噪聲，其中包括量化噪聲和輸入音頻噪聲。同時我們在設計中注意減少了通頻帶的紋波。晶片集成了一個數字高通濾波器來濾掉直流至20KHz間的噪聲。因為大多數信號處理都是數字實現，因此數字高通濾波器無需片外元件，取得精確的3dB頻率。

圖3：典型的應用電路

數字音頻系統中非常普遍地採用了預加重技術，因為它能提高整個系統的SNR性能。在數字領域實現預加重，無需外部元件，同時預加重時間常數可以很容易地通過設定一個寄存器來調整。MPX信號在數字領域合成後，它被送往DPLL進行上變換。

因為音頻波段相當窄，典型的PLL在音頻應用中需要外部元件。同時，由於片上器件線性度非常有限以及其它的非線性因素，要在正常的工藝和溫度變化內搭建一個適用於所有FM波段的高線性度、寬調諧範圍的PLL是件非常困難的事。因此KT MICRO發明設計了一系列特有的電路和校準機制來應付這些問題。測量的結果顯示KT0801的設計在從76MHz到108MHz的寬調諧範圍內達到了超過68dB的 SNR。

如圖3所示，KT0801僅僅需要一個外部時鐘、一個立體聲信號源、一個單一電源及一個天線就可以實現高質量、低成本的可攜式FM傳輸解決方案。

本文小結

KT0801運用了一種新的基於數字PLL和DSP的調頻FM發射器架構，可以有效地消除所有片外元器件，大大減少PCB板的面積。結合其低功耗的功能，KT0801令把調頻FM發射器集成至所有可攜式設備（如手機、MP3和MP4播放器、可攜式 GPS設備及無線耳機）成為一件非常輕鬆的任務。

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