【应用】Silicon Labs推出的FM调谐器为多路复用MPX信号和噪声改善技术提供解决方案

时间： 2019-03-27 来源：Silicon Labs

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频率调制是模拟角度调制的一种形式，其中基带信息携带信号（通常称为消息或信息信号m（t））改变载波的频率。通过FM无线电通信传输的音频信号是最常见的。然而，FM无线电还可用欧洲称为无线电数据系统（RDS）的低带宽数字信息和美国的无线电广播数据系统（RBDS）来传输数字数据。产生FM信号的最简单方法是将消息信号直接应用于压控振荡器（VCO），如图1所示。

图1. 使用VCO生成FM

在1961年之前，单声道广播音频信号是AM，FM和TV的标准。当时的FM广播还包括与主要单声道频道多路复用的辅助通信授权（SCA）服务，以向办公室和商店提供背景音乐和其他服务。1961年，FCC批准了立体声声音的传输，扩展出多路复用信号的概念，以产生立体声音频。立体声多路复用信号的关键要求之一是向后兼容FM现有的大型FM单声道接收器。为实现此目标，多路复用（MPX）信号的0至15 kHz基带部分必须包含用于单声道接收的左（L）和右（R）信道信息（L + R）。通过将（L-R）信息幅度调制到基带频谱的23到53kHz区域中的抑制的38kHz子载波上来实现立体声声音。将19kHz导频音添加到多路复用信号，以使FM立体声接收器能够检测和解码立体声左右声道。复合基带信号格式满足FM单声道接收器所需的向后兼容性，同时为FM立体声接收器提供足够的信息以解码左右立体声声道输出。今天的MPX信号包括一个携带RDS和RBDS信号的57 kHz子载波。图2显示了现代MPX基带信号的频谱。

图2 MPX基带频谱

噪音改善技术是FM调谐器的最新实现方式，例如SILICON LABS的Si4700 FM调谐器和带有RDS / RBDS的Si4701 FM调谐器，已经结合了噪声改善技术，例如立体声单声道混合和软静音，以改善FM无线电的音频质量。

图3 FM特性曲线

图3显示了通用FM特性曲线的图。 X轴表示RF信号电平，Y轴表示归一化到其最大输出电平的左音频输出，即0dB表示左音频输出信号的最大输出电平。此图表上绘制了左音频，右音频，立体声噪音和单声道噪音水平; 所有信号都相对于左音频输出绘制。在此示例中，RF3和更高的RF输入电平使FM调谐器处于完全立体声模式，从而产生30 dB的立体声分离和55 dB的立体声SNR。如果FM调谐器在该区域中被强制为单声道模式，则单声道SNR将为60 dB。与需要53 kHz带宽的立体声MPX信号相比，较大的单声道SNR来自15 kHz的较小单声道带宽。

在RF2到RF3之间的区域中，发生立体声单声道混合，如左右音频信号的合并所示。当左右音频信号合并时，立体声噪声也合并为单声道噪声，因此有效地增加了音频信号的SNR。如果没有实现混合，立体声噪声将跟踪虚线深蓝色线，并且音频SNR和RF灵敏度水平将低于具有立体声单声道混合的FM调谐器。在此示例中，RF0可以表示具有立体声单声道混合的FM调谐器的灵敏度级别，并且RF1可以表示没有立体声单声道混合的FM调谐器的灵敏度级别。
灵敏度定义为实现一定量音频SNR的最小RF输入电平。在这个虚构的例子中，灵敏度定义为实现1 dB的音频SNR所需的RF电平。

另外，当FM调谐器的RF输入电平降低时，噪声电平以比音频输出电平的降低速率快得多的速率增加。在此示例中，音频输出仅从其最大输出电平下降约6 dB，但当RF电平降至灵敏度（RF0）以下时，噪声电平可一直上升至音频输出电平。当发生这种情况时，噪声和音频信号处于相同的水平，并且该水平可以相对较大，因为它仅比最大音频输出水平低6dB。使这个弱RF区域中的可听噪声水平最小化的一种方法是将音频和噪声信号一起衰减，称为“软静音”技术。图4展示出具有软静音的FM特性曲线。在此示例中，启用软静音时，音频噪声和信号衰减14 dB至低于最大音频输出电平20 dB的水平，以最大限度地降低可听噪声并改善整体用户体验。

图4 具有软静音的FM特性曲线

Si4700和Si4701 FM调谐器是业界首款利用数字低中频架构和100％CMOS工艺技术的无线电调谐器IC，从而形成完全集成的解决方案，仅需一个外部电源旁路电容和不到20 mm²的电路板。图5显示了Si4700和Si4701 FM调谐器的框图。由于模拟工艺的变化，数字低中频架构可以消除外部元件和工厂调整。与传统模拟架构相比，混合信号架构允许数字信号处理（DSP）执行信道选择，FM解调和立体声音频处理，以实现卓越的性能。

图5 Si4700 / 01数字低中频FM调谐器的框图

Si4700和Si4701 FM调谐器包括可编程的立体声单声道噪声阈值和软静音参数，可以最大程度灵活地改进噪声。 DSP用于为不同的信号接收条件提供最佳音质。这种丰富的功能集和高集成度和高性能直接归功于数字低中频无线电架构以及FM解调，MPX解码和噪声改善功能的数字实现。除了简化和缩短设计时间外，数字低中频架构的高集成度还可以通过仅使用一个外部旁路电容来提高质量和生产效率。

调频广播是当今世界最流行的媒体传播形式之一。随着全世界的听众继续购买和使用FM收音机，MP3播放器和手机等便携式设备的设计人员越来越多地将FM收音机功能纳入其产品中。了解FM收音机的基础知识将有助于设计人员创建高性能产品，无论是传统的独立无线电还是下一代多用途设备。

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