一種新型的調(diào)頻收音機(jī)電臺(tái)搜索方案
時(shí)間：2008-03-27 09:50:00
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[導(dǎo)讀]本文提出了一種調(diào)頻收音機(jī)電臺(tái)搜索的改進(jìn)方案，克服了現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于調(diào)頻收音機(jī)搜索電臺(tái)時(shí)容易產(chǎn)生誤判現(xiàn)象的不足。該設(shè)計(jì)同時(shí)利用輸入信號(hào)強(qiáng)度指示和頻偏信息來判斷電臺(tái)。
摘 要 本文提出了一種調(diào)頻收音機(jī)電臺(tái)搜索的改進(jìn)方案，克服了現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于調(diào)頻收音機(jī)搜索電臺(tái)時(shí)容易產(chǎn)生誤判現(xiàn)象的不足。該設(shè)計(jì)同時(shí)利用輸入信號(hào)強(qiáng)度指示和頻偏信息來判斷電臺(tái)。在實(shí)際測試顯示，該方案能有效地提高調(diào)頻收音機(jī)搜索電臺(tái)的準(zhǔn)確度。
關(guān)鍵詞 調(diào)頻收音機(jī)；電臺(tái)搜索；頻偏；輸入信號(hào)強(qiáng)度指示
1 引言
調(diào)頻體制以其較強(qiáng)的抗干擾能力等特性在音頻廣播、電視、VHS HiFi、Laser Disc以及無線通信領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的超外差式調(diào)頻信號(hào)接收機(jī)，信號(hào)解調(diào)需要采用高Q值的中頻聲表面波濾波器或晶體濾波器來實(shí)現(xiàn)。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬設(shè)備逐漸被數(shù)字模擬混合設(shè)備所代替。文獻(xiàn)[1]提出了使用可調(diào)電容和線性濾波器的數(shù)?；旌想娐穪硖娲鶩M解調(diào)中使用的精確的外部器件和調(diào)整的方法，文獻(xiàn)［2］中提出了一種利用信號(hào)帶內(nèi)具有理想線性特性的FIR濾波器進(jìn)行調(diào)頻信號(hào)鑒頻的方法，但所需 FIR濾波器階數(shù)達(dá)到數(shù)千階，對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)鐘以及系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的要求都很高。文獻(xiàn)［3］中提出了采用sinc3抽取濾波器和三點(diǎn)近似法微分器用于FM解調(diào)，大大降低了數(shù)字IC實(shí)現(xiàn)高性能FM調(diào)頻接收機(jī)的復(fù)雜度。
在用數(shù)字實(shí)現(xiàn)的FM調(diào)頻接收機(jī)中，如何快速準(zhǔn)確地搜索到電臺(tái)所在的頻道是一個(gè)商用數(shù)字FM調(diào)頻接收機(jī)必須解決的難題。
現(xiàn)今調(diào)頻收音機(jī)選擇電臺(tái)時(shí)常用的方法為：調(diào)頻信號(hào)解調(diào)前都有限幅電路，該限幅電路的電流與輸入信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)數(shù)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)成正比。利用接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）電路（該電路檢測限幅電路的電流）可得出輸入信號(hào)的強(qiáng)度，從而選擇電臺(tái)。此種方法的應(yīng)用例如，在移動(dòng)通信中的手持設(shè)備用接收信號(hào)強(qiáng)度指示表示接收信號(hào)的大小。
在文獻(xiàn)［3］提到的解調(diào)方案中，接收信號(hào)強(qiáng)度可以用數(shù)字下變頻后信號(hào)能量（I2＋Q2）來表征。
雖然上述方法具有實(shí)現(xiàn)電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，但卻存在容易誤判的缺陷。調(diào)頻收音機(jī)信號(hào)帶寬最大為180KHz左右，而搜臺(tái)頻率間隔分為50KHz、100KHz 和200KHz三種。當(dāng)遇到一個(gè)強(qiáng)電臺(tái)并且其信號(hào)帶寬大，用頻率間隔為50KHz和100KHz搜臺(tái)時(shí)，上述方法在180KHz內(nèi)指示的信號(hào)強(qiáng)度都大于設(shè)定門限（該門限一般為最弱電臺(tái)信號(hào)強(qiáng)度），會(huì)誤判為2－3個(gè)電臺(tái)，嚴(yán)重影響搜臺(tái)的準(zhǔn)確性。同時(shí)在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，由于信號(hào)帶寬的瞬時(shí)變化和信道干擾等影響，這種寬調(diào)頻信號(hào)帶寬帶來的信號(hào)強(qiáng)度指示在相應(yīng)帶寬內(nèi)全較強(qiáng)并不一定符合中心對(duì)稱的原則，無法利用對(duì)稱原則獲取準(zhǔn)確的電臺(tái)頻率。
因此本文在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的設(shè)計(jì)方案，大幅度改進(jìn)了調(diào)頻收音機(jī)搜臺(tái)的準(zhǔn)確性，同時(shí)還保持了電路的簡潔。
2 調(diào)頻信號(hào)正交解調(diào)原理
設(shè)調(diào)頻信號(hào)表達(dá)式為：
（1） 其中，a(t)表示受到信道噪聲和其他干擾影響后隨時(shí)間變化的調(diào)頻信號(hào)幅度，m(t)為調(diào)制信號(hào)，ωc為信號(hào)載波。
將式(1)所示的調(diào)頻信號(hào)與本地產(chǎn)生的正交載波相乘可得：
對(duì)sI(t)和sQ(t)分別進(jìn)行FIR低通濾波[4]，[3]后可得：
（2）
（3） 對(duì)I(t)與Q(t)分別求導(dǎo)數(shù)[1]可得：
（4）
（5） 將式(2)與式(5)、式(3)與式(4)分別相乘再除以(2)、(3)的平方和可得m(t)：
（6）3 改進(jìn)方案
圖1是改進(jìn)后的調(diào)頻收音機(jī)工作框圖，在考量接收信號(hào)強(qiáng)度指示的同時(shí)，還同時(shí)參考接收信號(hào)的頻偏來決定是否是準(zhǔn)確的電臺(tái)。
此時(shí)如果接收到的調(diào)頻信號(hào)載波與本地設(shè)定的解調(diào)正交波有一個(gè)頻率差△w ，即不是準(zhǔn)確的電臺(tái)，則有：
（7） 將（7）代入前述（2）～（6）的解碼過程，可得：
?。?） 考慮到音頻信號(hào)m(t)是交流信號(hào)，則解碼輸出的直流成分即為 。
這樣，定義兩個(gè)門限來衡量搜臺(tái)結(jié)果。門限1：定義一個(gè)恰當(dāng)門限為Ka（根據(jù)輸入信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)RSSI的檢測值）。
門限2：定義一個(gè)恰當(dāng)門限為Kb（根據(jù)頻偏的大小，對(duì)應(yīng)頻偏的檢測值）。
定義兩個(gè)步驟來檢測搜臺(tái)：
步驟1：檢測圖1中的接收信號(hào)強(qiáng)度指示檢測模塊的輸出（RSSI）>Ka；
步驟2：檢測頻偏幅度檢測模塊輸出（頻偏幅度檢測值）<Kb；
當(dāng)步驟1、2同時(shí)滿足時(shí)，該信號(hào)即為正常臺(tái)。
4 測試結(jié)果
由于音頻信號(hào)頻率范圍一般為300Hz～15KHz，F(xiàn)M最大頻偏(已調(diào)載頻信號(hào)的最大瞬時(shí)頻率與載頻之差)為±75KHz，標(biāo)準(zhǔn)單音調(diào)制度（調(diào)制度指調(diào)頻信號(hào)的峰值頻偏與系統(tǒng)最大頻偏的百分比）為30％和100％，對(duì)應(yīng)頻偏為±22.5KHz和±75KHz。FM最大調(diào)制頻偏一般有22.5KHz和 75KHz。
考慮晶振的誤差小于100PPM最大造成本振誤差頻偏為10KHz，則Kb參考設(shè)為10KHz。如果繼續(xù)以50KHz頻率間隔搜臺(tái)，即本振以 50KHz步進(jìn)來選擇電臺(tái)，在正常臺(tái)兩邊搜索的本振頻偏最少為40KHz，其檢測值大于門限Kb，因而不會(huì)選擇這個(gè)頻率為正常臺(tái)。由于本振頻偏越大，直流檢測值越大，所以不會(huì)把一個(gè)正常臺(tái)誤判為多個(gè)臺(tái)。
圖2中展現(xiàn)了部分測試數(shù)據(jù)。其中Ka設(shè)定為21db，Kb參考設(shè)為10KHz。
(a) 101.5～102.2Mhz RSSI與頻偏關(guān)系圖
(b) 103.5～104.2Mhz RSSI與頻偏關(guān)系圖
(c) 105.5～106.2Mhz RSSI與頻偏關(guān)系圖
圖2 FPGA測試結(jié)果
首先可以看到RSSI指示的實(shí)測值在有臺(tái)處相對(duì)噪底有大于6db的信號(hào)增強(qiáng)，因此可以順利的初步定位電臺(tái)所在的頻率。但同時(shí)可以在圖2中看到在以確切頻率為中心的100Khz范圍內(nèi)信號(hào)能量都比較強(qiáng)，而且不一定遵循對(duì)稱原則如a、b。這主要是來源于測量瞬間干擾和調(diào)制信號(hào)的大小。因此簡單的求取對(duì)稱中心的方案并不合適。
其次，圖2中頻偏的測量結(jié)果顯示，在確切電臺(tái)頻率為中心的 100KHz內(nèi)，如果信號(hào)的能量足夠強(qiáng)，超過設(shè)定的門限21db，即調(diào)頻信號(hào)沒有淹沒在噪底中（圖2中(a)，(c)），頻偏檢測能準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn) 100KHz的頻偏，從而檢測出最確切的電臺(tái)頻率點(diǎn)。反之，如果信號(hào)能量能量不夠強(qiáng)，沒有超過設(shè)定的門限21db（見圖2(b)），調(diào)頻信號(hào)淹沒在噪底中，由步驟1可以保證不會(huì)誤判將不正確的頻率判斷為電臺(tái)。
綜上在FPGA實(shí)現(xiàn)和ASIC芯片的測試中，證實(shí)了該改進(jìn)方案能非常準(zhǔn)確的測量出 100KHz的頻偏，從而避免了在以50Khz、100Khz步長搜臺(tái)時(shí)將一個(gè)信號(hào)強(qiáng)的電臺(tái)誤判為多個(gè)的現(xiàn)象，達(dá)到了提高了芯片的搜臺(tái)準(zhǔn)確性的效果。
5 結(jié)論
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于調(diào)頻收音機(jī)搜索電臺(tái)容易產(chǎn)生誤判現(xiàn)象的不足，本文提出了一種同時(shí)利用輸入信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）和頻偏信息的調(diào)頻收音機(jī)電臺(tái)搜索的改進(jìn)方案，克服了在以50Khz、100Khz步長搜臺(tái)時(shí)將一個(gè)信號(hào)強(qiáng)的電臺(tái)誤判為多個(gè)的現(xiàn)象，提高了芯片的搜臺(tái)性能。實(shí)際測試證明，該方案能有效的改進(jìn)調(diào)頻收音機(jī)搜索電臺(tái)的準(zhǔn)確度，提高調(diào)頻接收芯片的搜臺(tái)性能。
本文提及的設(shè)計(jì)方案為鼎芯通訊(上海)有限公司FM radio項(xiàng)目中一部分，其中還包含了王險(xiǎn)峰、黃一鳴、朱立振工作的支持，特此表示感謝。
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