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測試與測量  

一種基於數位鎖相環的調頻發射器架構

上網時間: 2007年08月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:音訊  發射器  噪音 

在過去20年中,數位可攜設備的出貨量出現巨大成長。許多可攜式設備具有音訊內容,如MP3播放器、PDA、手機、PMP、可攜式遊戲機等。人們一直探索不同的途徑,以便向不同的外部設備傳輸音訊訊號。與其它技術相較,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,提供了極具吸引力的音訊傳輸解決方案。

傳統上,音訊調頻傳輸發射器(圖1)由兩個基本模組組成:產生立體聲MPX訊號的立體聲調變器;以及發送FM訊號的FM單元。依照調頻FM標準,音訊波段訊號必須先轉換成MPX訊號,然後用一個高頻的載波(76∼108MHz)來調變。通常會使用一個類比鎖相環(PLL)來產生和鎖定該高頻載波到一個精確的參考時脈。立體聲MPX訊號的產生則需對左右音訊訊號進行正確加減,合成一個19KHz的導頻音訊,還需要一定的預加重來產生最終的MPX訊號。MPX訊號被直接耦合到壓控振盪器(VCO)的控制電壓以調變載波的相位或頻率,最後FM訊號透過一個功率放大器被傳送至發射天線。

上述的純類比方法有三種缺點:首先,對控制電壓的直接調變需要非常窄的PLL頻寬,由於需要使用較大的被動零組件,加上晶片上VCO相位噪音較大,要將迴路濾波器和VCO整合在晶片上是非常困難的。這就是為何傳統調頻FM發射器方案中會有許多外部零組件的主要原因。由於大量外部零組件(包括電感、電容和電阻)必須在使用前校準,對系統製造商想要保持低成本並控制產品品質和可靠性而言,這相當具有挑戰性。其次,由於晶片上元件在不同訊號路徑上的不匹配,類比放大器中的加減精密度受到了限制。這會直接影響FM訊號的立體聲隔離性能。第三,類比電路的性能受限於外部元件的噪音,而提高訊息噪音比的代價則是犧牲功耗和面積(或意味著增加成本)。

以上缺點導致了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,高整合,低功耗的調頻FM傳輸方式。

為克服傳統調頻FM發射器架構的缺點,KT Micro公司設計並發表了一款基於數位訊號處理技術(DSP)的高整合調頻FM發射器晶片-KT0801。該晶片可為可攜式設備應用提供良好性能和系統整合度。

KT0801擁有雙通道20位元ΔΣ音訊ADC、一個高傳真數位音訊訊號處理器,以及一個全整合的射頻RF發射器。其架構是基於一個寬頻寬的數位鎖相環(DPLL),它可提供頻率高穩定性和高抗干擾性。晶片上LDO使該晶片可以整合在不同電池驅動的系統中,支援電源電壓為1.6V~3.6V。單一電源供電情況下晶片功耗小於20mW,可延長一倍的電池壽命。

由於高整合度,KT0801使用普通的24接腳4x4 QFN封裝,僅需單一低電壓供電及一顆小尺寸晶振或一個外部時脈即可工作。無需外部元件除錯或校準也意味著可減少系統整合和維護的代價,並縮減上市時間。

圖1:傳統音訊傳輸發射器架構圖。
圖1:傳統音訊傳輸發射器架構圖。

KT0801系統架構

基於DSP的調頻FM發射器架構如圖2所示。

圖2:KT0801調頻發射器的系統架構。
圖2:KT0801調頻發射器的系統架構。

與現有採用類比方式直接頻率調變音訊的產品不同,KT Micro公司採用純數位方式進行頻率調變、預加重、導頻音訊和訊號合成。

立體聲音訊訊號首先由可編程放大器(PGA)和低通濾波器(LPF)模組進行放大和濾波。它們之間的連接可以是直流耦合或交流耦合。若選擇交流耦合,晶片上電路能自動提供直流偏置。無論選擇何種增益,LPF的3dB頻率被設定在20KHz附近。LPF能濾除任何來自立體聲源的高頻噪音和LPF自身噪音。PGA提供多重增益設定讓FM發射器可根據不同的音源最佳化設置。KT Micro的特有電路結構和偏置校準方式可實現較高線性度和低噪音,同時保持了極低功耗。

經過放大和濾波後,立體聲音訊訊號由晶片上晶振作為時脈的ΔΣ類比數位轉換器(ADC)轉換成數位訊號。ΔΣADC適用於整合音訊應用,因為它能以數位電路的複雜度獲得較佳的類比性能。該系統中運用了一款低功耗和低噪音參考電平緩衝電路。此電路無需通常使用的外部旁路電容。雙通道類比前端經仔細設計,減少了增益和相位的不匹配。另外,該系統還採用了一個偏置校準電路,以大幅提高動態範圍。

經過ΔΣADC的數位訊號被進一步過濾和降低採樣,以減少波段內噪音,如包括量化噪音和輸入音訊噪音。在設計中也須注意減少通頻帶漣波。晶片整合了一個數位高通濾波器來濾掉直流至20KHz間的噪音。因為大多數訊號處理均採用數位技術,因此數位高通濾波器無需外部元件,可取得精確的3dB頻率。

數位音訊系統普遍採用了預加重技術,因為它能提高整個系統的SNR性能。在數位領域實現預加重,無需外部元件,同時預加重時間常數可以很容易地透過設定暫存器來調整。MPX訊號在數位領域合成後,將被送往DPLL進行上變頻。

由於音訊波段相當窄,典型的PLL在音訊應用中需要外部元件。同時,由於晶片上元件線性度非常有限,加上其它非線性因素,要在正常的製程和溫度變化內建構一個適用於所有FM波段的高線性度、寬調諧範圍PLL是個困難的任務。測量結果顯示,KT0801在從76MHz到108MHz的範圍內,SNR可超過68dB。

如圖3所示,KT0801僅僅需要一個外部時脈、一個立體聲訊號源、一個單一電源及一個天線就能實現低成本的可攜式FM傳輸解決方案。

圖3:典型的應用電路。
圖3:典型的應用電路。

本文小結

KT0801運用了一種基於數位PLL和DSP的調頻FM發射器架構,可以有效消除所有外部零組件,大幅減少PCB面積。結合其低功耗特性,運用KT0801將調頻FM發射器整合至所有可攜式設備(如手機、MP3和MP4播放器、可攜式GPS及無線耳機),將成為一件非常輕鬆的任務。

作者:Jack Kao

資深工程師

北京昆騰微電子公司




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