一种基于数字锁相环的调频发射器架构

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在过去的20年里数字便携设备的出货量有了巨大的增长。许多便携式设备带有音频内容，例如:包括iPod的MP3播放器、PDA、手机、PMP、便携式游戏机等等。人们一直在探索不同的途径，有线或无线的方式，来向不同的外部设备传输音频信号，来和他人分享音乐内容，或自己用耳机收听。和其它技术相比，调频(FM)技术简单实用，拥有巨大的现成用户群，同时它具有使用方便、音质优良、低功耗及低成本的优点。因此调频传输提供了非常有吸引力的音频传输解决方案。
传统上，音频调频传输发射器(如图1所示)由两个基本模块组成：一个是产生立体声MPX信号的立体声调制器，另一个是发送FM信号的FM单元。依照调频FM标准，音频波段信号必须先转换成MPX信号，然后用一个高频的载波(76～108MHz)来调制。通常会使用一个模拟锁相环(PLL)来产生和锁定该高频载波到一个精确的参考时钟。立体声MPX信号的产生则需要对左右音频信号进行正确的加减，合成一个19KHz的导频音，还需要一定的预加重来产生最终的MPX信号。MPX信号被直接耦合到压控振荡器(VCO)的控制电压来调制载波的相位或频率，最后FM信号通过一个功率放大器被传送至发射天线。
上述的纯模拟方法有三个缺点：首先，对控制电压的直接调制需要PLL带宽非常窄，由于需要使用较大的无源元器件，加上片上VCO相位噪声较大，要将环路滤波器和VCO集成到片上是非常困难的。这就是为什么在传统的调频FM发射器方案中会有许多外部元器件的主要原因。由于相当数量的外部元器件(包括电感、电容和电阻)需要在使用前进行校准，对于系统制造商想要保持低成本同时又要控制产品质量和可靠性而言，这相当具有挑战性。其次，由于片上器件在不同信号路径上的不匹配，模拟放大器里的加减精度受到了限制。这会直接影响到FM信号的立体声隔离性能。第三点，模拟电路的性能会受限于外部器件的噪声，而提高信噪比的代价则是牺牲功耗和面积(或意味着增加成本)。
以上这些缺点导致在便携式应用领域难以采用传统的调频FM发射器架构来实现低成本，高集成，低功耗的调频FM传输方式。
为了克服传统的调频FM发射器架构的这些缺点，KT Micro公司设计并发表了一款基于数字信号处理技术(DSP)的高集成调频FM发射器芯片－KT0801。该芯片可以为便携式设备应用提供业界领先的性能和系统集成度。
KT0801的性能特点
KT0801拥有双通道20位ΔΣ音频ADC、一个高保真的数字音频信号处理器以及一个全集成的射频RF发射器。其架构是基于一个宽带宽的数字锁相环(DPLL)，它可以提供频率高稳定性和高抗干扰性。片上的LDO使得芯片可以集成到不同电池驱动的系统里，支持电源电压可从1.6V到3.6V。单一电源供电情况下芯片功耗小于20mW，相当于市场上主要竞争方案的一半，因而可以延长一倍的电池寿命。




图1：传统音频传输发射器架构方框图。
由于它的高集成度，KT0801使用普通的24脚4x4 QFN封装，仅需要单一的低电压供电及一块小尺寸的晶振或一个外部时钟即可工作。不需要外部元件调试或校准也意味着真正减少系统集成和维护的代价并缩减开发上市的时间。
KT0801系统架构
基于DSP的调频FM发射器架构如图2所示，它提供了一个真正的系统级芯片解决方案。和现存的用模拟方式直接频率调制音频信息的产品不同，KT Micro公司实现了用纯数字方式来进行频率调制、预加重、导频音和信号合成。




图2： KT0801调频发射器的系统架构
立体声音频信号首先由可编程放大器(PGA)和低通滤波器(LPF)模块进行放大和滤波。
它们之间的连接既可以是直流耦合也可以是交流耦合。如果选择交流耦合的话，片上电路能自动提供直流偏置。无论选择哪种增益，LPF的3db频率被设定在20KHz附近。LPF能够滤除任何来自立体声源的高频噪声和LPF自身的噪声。PGA提供多重增益设定让FM发射器可以根据不同的音源优化设置。KT Micro公司特有的电路结构和偏置校准方式可以实现非常高的线性度和低噪声，同时还保持了极低的功耗。
经过了放大和滤波之后，立体声音频信号由以片上晶振作为时钟的ΔΣ模数转换器(ADC)转换成数字信号。ΔΣADC特别适用于集成音频应用因为它以数字电路的复杂度得到极高的模拟性能。除了性能要达到20-bit的动态范围之外，选择合理的ADC架构的最重要的因素就是使得从参考电平缓冲电路释放的电荷必须与信号无关，否则会直接降低声道的隔离效果。系统中运用了一个低功耗和低噪声参考电平缓冲电路。此电路无需通常使用的片外旁路电容。双通道模拟前端经仔细设计，减小了增益和相位的不匹配。另外系统采用了一个偏置校准电路以用来最大地提高动态范围。
经ΔΣADC的数字信号被更进一步过滤和降低采样来减少波段内的噪声，其中包括量化噪声和输入音频噪声。同时我们在设计中注意减少了通频带的纹波。芯片集成了一个数字高通滤波器来滤掉直流至20KHz间的噪声。因为大多数信号处理都是数字实现，因此数字高通滤波器无需片外元件，取得精确的3db频率。




图3：典型的应用电路
数字音频系统中非常普遍地采用了预加重技术，因为它能提高整个系统的SNR性能。在数字领域实现预加重，无需外部元件，同时预加重时间常数可以很容易地通过设定一个寄存器来调整。MPX信号在数字领域合成后，它被送往DPLL进行上变换。
因为音频波段相当窄，典型的PLL在音频应用中需要外部元件。同时，由于片上器件线性度非常有限以及其它的非线性因素，要在正常的工艺和温度变化内搭建一个适用于所有FM波段的高线性度、宽调谐范围的PLL是件非常困难的事。因此KT Micro发明设计了一系列特有的电路和校准机制来应付这些问题。测量的结果显示KT0801的设计在从76MHz到108MHz的宽调谐范围内达到了超过68db的SNR。
如图3所示，KT0801仅仅需要一个外部时钟、一个立体声信号源、一个单一电源及一个天线就可以实现高质量、低成本的便携式FM传输解决方案。
本文小结
KT0801运用了一种新的基于数字PLL和DSP的调频FM发射器架构，可以有效地消除所有片外元器件，大大减少PCb板的面积。结合其低功耗的功能，KT0801令把调频FM发射器集成至所有便携式设备(如手机、MP3和MP4播放器、便携式GPS设备及无线耳机)成为一件非常轻松的任务。