【应用】基于CMOS技术的AM/FM车载收音机设计

车载信息娱乐系统是时下汽车世界中的热门话题。而处于复杂汽车信息娱乐平台核心的是高性能汽车收音机调谐器，一个为驾驶者和乘客提供高级广播收听体验的必备组件。汽车收音机市场相当大，并且还在随着汽车生产量增加而持续增长。在2012年，全球汽车的产量达8280万台。2013年，汽车产量就达8485万台。据法国思迈汽车信息咨询公司(IHS Automotive)日前预测，2018年全球汽车产量将首次突破1亿辆大关。

汽车收音机调谐器要求

汽车收音机调谐器运行中所面临的挑战性环境需要一系列高要求的核心性能参数和特性。这些参数包括：

1）极佳的灵敏度：帮助接收弱信号

灵敏度是指调谐器接收电台弱信号的能力。如果你居住在远离大多数无线电台发射器的农村地区，调谐器的灵敏度是十分重要的。SILICON LABS Si475x/6x汽车收音机调谐器具有-3.5dBuV灵敏度的调谐器能够捕获小到0.7uV的信号，这样即使调谐器远离发射塔100英里它都有可能收到该发射塔发出的信号。

2）卓越的选择性和动态带宽控制：有利接收强电台之间的弱信号

选择性是指在小频率偏移量处存在强信号电台时调谐器接收弱信号电台的能力和对接收当前电台时对左右邻台干扰的抑制程度，如图1所示。在FM频谱拥挤的城市环境中，这特性对于接收器尤其重要。邻道选择性是指信号对在FM广播频率±100kHz处邻道信号的抑制能力，这在欧洲市场特别重要，因为在边界地区FM广播的邻道干扰接近±100kHz处。Silicon Labs Si475x/6x汽车收音机调谐器在±100kHz处干扰下应该至少有65dB的选择性。一些调谐器能够通过强大的先进无线电DSP算法获得这种选择性，可以通过测量多个信号参数（包括相邻和相间信道条件）动态优化预期的信道带宽，在强干扰存在下收窄带宽。

图1：强信号阻塞冲击调谐振器接收预设频点信号

3）优异的IP3性能：优化两强信号三阶互调失真

IP3性度的一项重要的品质因素。更高的IP3意味着调谐器有更好线性度和更小失真。最严竣的挑战来自于两个靠近的阻塞信号产生的和预设接收信号同频的三阶互调产物IMD3。在常见的城市环境拥挤的FM频谱中，预设信号太过于接近阻塞信号从而很容易丢失掉。为了最小化三阶失真产物，必须提高提升IP3性能。低IP3性能的调谐器需要昂贵的高Q值跟踪滤波器来避免IMD3介入，导致非常令人讨厌的听觉体验。如图2所示，低性度导致两个大功率电台信号干扰了预设的信号。

Silcon Labs Si475x/6x汽车收音机调谐器在最大增益时保证-3.5dBuV灵敏度的同时提供了117dBuV的IP3性能。这样的灵敏度和IP3性能使Si475x/6x IMD动态范围达到79dB。这是业界最好的性能，它在没有外部滤波器的条件下对IMD3提供了极大地保护。

图2：两强阻塞信号产生的三阶互调失真

如图3所示，替换频道检查是一个选项当汽车远离原来电台使用信号变弱时调谐到另外一个相同节目的电台频率上。这个功能通过无线电数据系统RDS技术功能实现，在欧洲的汽车上收音机上使用十分的广泛（替换频道列表通过RDS发送到收音机）。高端汽车上采用一个专用的协调谐器来负责AF电台列表的扫描，提供相关的信号质量数据给主控芯片来决定什么时候切换频道在主调谐妥协之后。但是在成本敏感的收音机里采用一个调谐器来替代两个调谐器，在不产生明显的声音变化情况下，快速调谐到替换频道获取它的信号质量并返原来频道。替换频道检查AF Check的最大可接受时间小于10ms。现在大多数的调谐器只能获取替换频道的信号强度RSSI信息。Silicon Labs Si475x/6x汽车收音机调谐器能在8ms内完成替换频道检查并获取到信号强度RSSI、FM信号信噪比SNR、频偏和多径干扰等4个参数来决定如何操作。

图3：欧洲汽车收音机替换频道检查AF Check

4）FM多径处理与信道均衡

扰一直以来困扰着移动环境中FM信号的接收，特别是在高速条件下。多径失真是由于周围各种不同物体对同一个信号的反射导致2条或者多条具有不同到达时延、不同相位和不同衰落强度的信号接收造成的（如图4所示）。在到达接收机之前，由两种不同衰落方式造成了信号在幅度和相位上变化：平坦性衰落和频率选择性衰落。在城市环境中，来自邻近的大楼等物体的反射造成了低延时型多径衰落，导致一种宽频的深度衰落。这种情形下，信号中所有频谱分量同时发生衰落（平坦型衰落）将会导致严重地POP音和音频跌落。另外一种情形，由几公里之外的山丘或者大楼等物体的反射则导致了长延时多径衰落（频率选择性衰落）。在这种情形下，某些频谱分量会发生衰减，造成信道出现陷波导致音频失真。

传统的多径失真改善方法有：在由严重的多径引发刺耳的POP音时将立体声调回单声道、多相低通滤波器（Hi-Cut,Hi-Blnd）、降低输出电平，直到使用软件静音。所有的这些改善机制在Si475x，Si476x中独立的运行着，它们将根据不间断监测信号质量检测数据来激活。

Si475x，Si476x内部集成了信道均衡器来减轻频率选择性衰落，从而把失真影响最大限度的降低。信道均衡器将不停地尝试恢复由频率选择性衰落带来的频谱分量，从而达到汽车在多径衰落条件下信号恢复。这将减小音频失真并降低在声音妥协措施—立体声/单声道混合、Hi-Cut、Hi-Blend的水平。

图4：信道均衡器恢复频率选择性多径衰落造成的信号损失

5）相位分集接收

最近几年汽车厂商——特别是欧洲的厂商——已经从传统的无源鞭状天线转换成有源的玻璃天线。无论如何，FM接收还是对小玻璃天线做出了妥协。采用双天线相位分集接收系统——汽车厂商为了解决这个问题采用了两个天线来接收更多的信号从而改善搞多径衰落性能。

采用两个内置信道均衡口器的高性能调谐器Si476x组成的双天线相位分集接收系统可以很好同时解决平坦性衰落和频率选择性衰落。实际上这个系统是将两个调谐器的输出结合起来减轻衰落，进而改善音频质量。在一个天线相位分集接收系统中，RF信号由排列在最佳距离的两个互不相干的在线接收，并分别连接到两个调谐到相同频率的不同的调谐器中。这样的双调谐器设计中，当信号传播路径可能在其中一个天线上发生深度的衰落的同时其他的传播路径在另外的天线上则没有发生衰落（如图5所示）。

双天线相位分集接收的方案使得Si476x可以结合两个天线输出来最化平坦性衰落造成的质量差信号的接收。两个接收器使用共同的时钟源来确保工作相同的信道频率上。通过使用一个创新的专利片间总线来连接两个Si476x，副接收器接通过这个总线将IF中频信号以及相关的信号质量传递到主接收器。通过专利的相位分集接算法在主接收器中将两个IF中频信号对齐、合成。此后合成的IF中频信号将在主接收器经过信道均衡、FM解调、MPX信号解码以及信号条件处理。最终立体声音频信号将传送到后端的音频处理单元。

图5：短期的平坦性衰落的影响

高性能车载收音机构架：

Si475x单接收方案：

Si475x主接收器+Si4749/Si4768/Si4769 RDS协接收器

Si476x双天线分集接收方案：

Si476x主接收器+ Si476x副接收器+Si4749/Si4768/Si4769 RDS协接收器

今天的消费者希望从他们汽车上体检到CD级音质。而汽车厂商以及他们的一级供应商也理解这样一个趋势，并且也正在设计复杂的信息娱乐系统来满足消费者期望。这些系统将支持多天线相位分集接收、RDS交通信号接收等。如今具有挑战性的广播性能需求要求我们采用新一代汽车级接收器来满足卓越的车载音频体验。