6 通道射频遥控器采用 CC2500 射频收发器模块和 microchip 的 PIC16F1847 微控制器设计。发射器配有 6 个轻触开关、4 个...
如何设计数字调频收音机
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2024年10月20日 19:20 42
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机和平板电脑等移动设备即将取代传统电脑。FM 收音机是发展中国家最受欢迎的娱乐渠道之一。这一被遗忘的事实，加上互联网收音机的出现，可能会扼杀 FM 收音机的存在。通常，OEM 会考虑在平板电脑或移动设备上不安装 FM 收音机。然而，大多数大城市仍然有 FM 收音机，而且没有计划在不久的将来淘汰它。
有一种微型插件设备，当连接到手机或平板电脑时，可以为移动设备提供 FM 广播服务。即插即用的 FM 接收器可以使用带有微控制器或 SOC（片上系统）的 FM 接收器芯片构建。微控制器在与平板电脑/移动设备上的 USB 主机通信时充当 USB 设备，并接收频道扫描、频道更改或设置输出功率水平等操作的命令。这种总线供电的即插即用 FM 接收器配件可以收听本地 FM 频道，同时消耗的电量远低于移动宽带收音机（互联网收音机）所需的电量。
FM 收音机接收器
FM 收音机接收器芯片提供 70-108 MHz 的全球覆盖范围，适用于美国/欧盟 (87.5-108 MHz)、日本 (76-90 MHz) 和中国 (76- 108 MHz)。通常，FM 收音机接收器能够以 50、100 或 200 kHz 的步长调谐频率。FM 收音机还可以支持无线电数据系统 (RDS)/无线电广播数据系统 (RBDS) 功能，这些功能完全由主机编程。
除了传输音频外，RDS 还用于接收文本信息。这可能包括歌曲名称、正在播出的节目名称或要显示的快讯。在紧急情况下，RDS 可用于传输关键信息。
频段扫描是一种方法，通过这种方法，FM 收音机芯片会扫描整个 FM 频段以查找可用的收音机频道。然后，收音机会将最强的频道频率存储在其内部存储器中，主机微控制器或 SOC 可以读取这些频率。
存储频道后，有三种方法可以调到特定频道：
预设调谐：在此方法中，FM 接收器的调谐频率设置为主机定义的某个频道。
搜索调谐：在此方法中，接收器自动以增加（向上搜索）或减少（向下搜索）频率方向搜索下一个可用的有效频道。
步进调谐：在此方法中，接收器简单地以频率增加的顺序（向上）或减少的顺序（向下）逐个频道地步进。
目前大多数无线电接收器芯片都使用标准协议（如 I2C和SPI）与主机通信。无线电接收器芯片还会在关键事件发生时生成中断，以引起主机注意，例如：
当 RSSI（接收信号强度指示器）值低于阈值水平时，信号质量较差
单声道到立体声的转换（反之亦然）
已获取 RDS 同步
RDS 同步丢失
RDS 缓冲区已满
由于此嵌入式系统在电池供电的设备上运行，因此高效的电源管理至关重要。无线电接收器芯片支持由 SOC 控制的各种电源模式，以延长电池寿命。因此，接收器芯片支持以下电源模式：
关机：在此模式下，电源关闭，所有内部调节器均被禁用。
断电：电源打开，但内部调节器仍被禁用。
待机：调节器正常工作，无线电模式保持不变。
FM 收音机配件实现 图 2
当 FM 收音机收到锁定特定频率的命令时，它会在特定引脚上输出模拟音频。来自 FM 收音机接收器的模拟输出由 SOC 进一步处理，数字化音频通过 USB 传输到平板电脑。FM 收音机芯片运行所需的电源来自 USB 总线。大多数 FM 收音机芯片所需的电流通常为几毫安甚至更少，电压为 1.8V。这完全在 USB 总线的能力范围内，也是便携式设备可以接受的水平。
SOC 中需要以下资源来实现无线电配件：
放大器
ADC（模数转换器）
通信协议 (I2C / SPI)
USB 接口
过滤块
通常，FM 收音机芯片输出的音频信号的幅度约为 100mV。放大器用于放大从 FM 接收器获得的模拟音频，然后将其馈送到 SOC 中的 ADC。模拟音频输出在通过 PGA（可编程增益放大器）后强度会增加，如框图所示。这确保了 ADC 的整个输入范围都得到利用，从而在 FM 收音机芯片的输出端忠实地再现音频。也可以使用输入范围较小的 ADC 将信号数字化。但是，信号的幅度越小，就越容易受到系统噪声的影响。
ADC
（模拟数字转换器）以 44.1 kHz 的速率对放大器的模拟输出进行采样，并将其转换为 16 位数字值。采样率选择为 44.1 kHz，这符合奈奎斯特原理，该原理规定采样频率必须至少为最大工作频率的两倍。
通信协议
是一种标准协议，例如 I 2 C 或 SPI，用于将 SOC 与 FM 接收器连接起来。如果使用 I 2 C，SOC 将充当主机，而无线电接收器芯片将充当从机，数据速率为 100/400 kHz。可以通过 I 2 C 总线从 I 2 C 主机向 FM 接收器芯片发出更改频道或扫描 FM 波段的命令。FM 接收器芯片能够解码预定义命令以执行各种任务。如果使用 RDS，则控制器可以使用 I 2 C接口从 FM 接收器读取接收到的数字信息。可以通过 I 2 C从 FM 无线电接收器读取其他状态信息（例如 RSSI），并将其显示在平板电脑或 PC 上。
DMA
（直接内存访问）在许多微控制器中，DMA 是一项强大的功能，有助于卸载内存位置之间的数据传输以提高性能。当 CPU 处理其他关键任务时，DMA 可用于将转换后的数字值从 ADC 传输到内存或直接传输到 USB。
USB
用于将主机平板电脑与 SOC 连接起来。USB 中断端点用于接收来自主机的各种命令，例如频道扫描、频道增加、频道减少等。请注意，如果命令大小较小，则可以使用 USB 设备上的控制端点来传输命令。可以使用控制端点本身来发送命令。命令可以作为供应商定义的命令发送；但是，在控制端点上，一个 USB 数据包最多可以发送 8 个字节的数据。从 ADC 获得的 44.1 kHz 数字数据使用等时 USB 传输模式传输到主机。等时传输是这种传输的理想选择，因为它能够保持一致的交付时间，因为它具有保证的延迟、分配的总线带宽以及缺乏错误校正和握手。请注意，错误是通过 CRC 字段检测到的，但不会被纠正。偶尔的数据错误或传输丢失不会被人耳察觉；需要频繁停止才能达到注意的程度。由于没有错误校正，即使存在包含错误的数据包，数据传输也不会停止。微控制器支持同步端点的最大数据包大小为 1023 字节。
提高音频质量
在移动操作系统中，通常有一个专用的媒体服务器或媒体引擎用于播放音频。如果用户需要，可以使用同一个媒体引擎来增强或修改音频的特性。在某些移动处理器中，有专用的 DSP 硬件来实现这一点。
使用媒体引擎或 DSP 会消耗额外的电量、降低性能，并可能对用户体验产生负面影响。另一种方法是在 SOC 中处理音频，然后通过 USB 将处理后的音频传输到主机平板电脑。平板电脑只需在其扬声器上播放此音频即可。
可以使用 SOC 中的资源以“低音”和“高音”控制的形式为用户提供对音频质量的更精细控制。这可以通过在 Cypress Semiconductor 生产的 PSoC 3 等设备中使用 DFB（数字滤波器块）来实现。DFB 块接收数字输入数据并输出处理后的数字数据。在此应用中，可以使用 DMA 将数据流式传输到 DFB，根据所需的音频质量进行过滤，然后通过 USB 发送以进行播放。
音频所需的质量由 GUI（图形用户界面）控制。GUI 将提供类似于音乐播放器中均衡器的界面。整个音频频率范围可以分为离散频带。更改 GUI 上控件的位置后，一组新系数将加载到 DFB 上。这些系数将改变每个频带的增益，从而改变输出音频的质量。
主机应用程序
主机运行一个应用程序，作为控制无线电接收器的前端。如果主机运行的是 Android 操作系统，则可以使用标准 Java 和 Android 库创建一个简单的 GUI。在 Windows 平板电脑上，一个简单的 C# GUI 就可以完成这项工作。提供按钮等控制对象来选择频道、增加或减少频道位置等。
Microsoft Windows 操作系统中的 DirectSound 驱动程序与 USB 的同步传输模式配合使用，将音频传输到扬声器。此功能在 Windows 7 操作系统上也可用。专为平板电脑设计的 Windows 8 操作系统的演进支持 GUI 和音频驱动程序，没有任何变化。Android 平板电脑目前不支持同步传输。Apple 的 iPad 和其他一些 iOS 设备具有内置 USB 主机，可以使用同步传输进行音频播放。
Windows 中的前端主机应用程序/Windows 窗体应用程序用于根据用户请求生成事件，例如：
请求频道扫描
渠道增值请求
请求通道减量
向接收器请求 RSSI
现代 SOC（如 PSoC 3）可用作即插即用 FM 收音机配件的单芯片实现。模拟音频的放大、数字化、滤波、传输到主机以及 FM 接收器的控制均可高效处理。这种总线供电设备可在不使用时以低功耗模式运行，例如 FM 接收器和 SOC 均支持的待机和断电模式，从而证明在平板电脑等电池供电的主机中非常高效。
有一种微型插件设备，当连接到手机或平板电脑时，可以为移动设备提供 FM 广播服务。即插即用的 FM 接收器可以使用带有微控制器或 SOC（片上系统）的 FM 接收器芯片构建。微控制器在与平板电脑/移动设备上的 USB 主机通信时充当 USB 设备，并接收频道扫描、频道更改或设置输出功率水平等操作的命令。这种总线供电的即插即用 FM 接收器配件可以收听本地 FM 频道，同时消耗的电量远低于移动宽带收音机（互联网收音机）所需的电量。
FM 收音机接收器
FM 收音机接收器芯片提供 70-108 MHz 的全球覆盖范围，适用于美国/欧盟 (87.5-108 MHz)、日本 (76-90 MHz) 和中国 (76- 108 MHz)。通常，FM 收音机接收器能够以 50、100 或 200 kHz 的步长调谐频率。FM 收音机还可以支持无线电数据系统 (RDS)/无线电广播数据系统 (RBDS) 功能，这些功能完全由主机编程。
除了传输音频外，RDS 还用于接收文本信息。这可能包括歌曲名称、正在播出的节目名称或要显示的快讯。在紧急情况下，RDS 可用于传输关键信息。
频段扫描是一种方法，通过这种方法，FM 收音机芯片会扫描整个 FM 频段以查找可用的收音机频道。然后，收音机会将最强的频道频率存储在其内部存储器中，主机微控制器或 SOC 可以读取这些频率。
存储频道后，有三种方法可以调到特定频道：
预设调谐：在此方法中，FM 接收器的调谐频率设置为主机定义的某个频道。
搜索调谐：在此方法中，接收器自动以增加（向上搜索）或减少（向下搜索）频率方向搜索下一个可用的有效频道。
步进调谐：在此方法中，接收器简单地以频率增加的顺序（向上）或减少的顺序（向下）逐个频道地步进。
目前大多数无线电接收器芯片都使用标准协议（如 I2C和SPI）与主机通信。无线电接收器芯片还会在关键事件发生时生成中断，以引起主机注意，例如：
当 RSSI（接收信号强度指示器）值低于阈值水平时，信号质量较差
单声道到立体声的转换（反之亦然）
已获取 RDS 同步
RDS 同步丢失
RDS 缓冲区已满
由于此嵌入式系统在电池供电的设备上运行，因此高效的电源管理至关重要。无线电接收器芯片支持由 SOC 控制的各种电源模式，以延长电池寿命。因此，接收器芯片支持以下电源模式：
关机：在此模式下，电源关闭，所有内部调节器均被禁用。
断电：电源打开，但内部调节器仍被禁用。
待机：调节器正常工作，无线电模式保持不变。
通电：这是正常运行模式，其中所有调节器均已启用，无线电完全正常工作。
FM 收音机配件实现 图 2
显示了使用通用 FM 收音机芯片简单实现的完整 FM 系统的框图：
当 FM 收音机收到锁定特定频率的命令时，它会在特定引脚上输出模拟音频。来自 FM 收音机接收器的模拟输出由 SOC 进一步处理，数字化音频通过 USB 传输到平板电脑。FM 收音机芯片运行所需的电源来自 USB 总线。大多数 FM 收音机芯片所需的电流通常为几毫安甚至更少，电压为 1.8V。这完全在 USB 总线的能力范围内，也是便携式设备可以接受的水平。
SOC 中需要以下资源来实现无线电配件：
放大器
ADC（模数转换器）
通信协议 (I2C / SPI)
USB 接口
过滤块
通常，FM 收音机芯片输出的音频信号的幅度约为 100mV。放大器用于放大从 FM 接收器获得的模拟音频，然后将其馈送到 SOC 中的 ADC。模拟音频输出在通过 PGA（可编程增益放大器）后强度会增加，如框图所示。这确保了 ADC 的整个输入范围都得到利用，从而在 FM 收音机芯片的输出端忠实地再现音频。也可以使用输入范围较小的 ADC 将信号数字化。但是，信号的幅度越小，就越容易受到系统噪声的影响。
ADC
（模拟数字转换器）以 44.1 kHz 的速率对放大器的模拟输出进行采样，并将其转换为 16 位数字值。采样率选择为 44.1 kHz，这符合奈奎斯特原理，该原理规定采样频率必须至少为最大工作频率的两倍。
通信协议
是一种标准协议，例如 I 2 C 或 SPI，用于将 SOC 与 FM 接收器连接起来。如果使用 I 2 C，SOC 将充当主机，而无线电接收器芯片将充当从机，数据速率为 100/400 kHz。可以通过 I 2 C 总线从 I 2 C 主机向 FM 接收器芯片发出更改频道或扫描 FM 波段的命令。FM 接收器芯片能够解码预定义命令以执行各种任务。如果使用 RDS，则控制器可以使用 I 2 C接口从 FM 接收器读取接收到的数字信息。可以通过 I 2 C从 FM 无线电接收器读取其他状态信息（例如 RSSI），并将其显示在平板电脑或 PC 上。
DMA
（直接内存访问）在许多微控制器中，DMA 是一项强大的功能，有助于卸载内存位置之间的数据传输以提高性能。当 CPU 处理其他关键任务时，DMA 可用于将转换后的数字值从 ADC 传输到内存或直接传输到 USB。
USB
用于将主机平板电脑与 SOC 连接起来。USB 中断端点用于接收来自主机的各种命令，例如频道扫描、频道增加、频道减少等。请注意，如果命令大小较小，则可以使用 USB 设备上的控制端点来传输命令。可以使用控制端点本身来发送命令。命令可以作为供应商定义的命令发送；但是，在控制端点上，一个 USB 数据包最多可以发送 8 个字节的数据。从 ADC 获得的 44.1 kHz 数字数据使用等时 USB 传输模式传输到主机。等时传输是这种传输的理想选择，因为它能够保持一致的交付时间，因为它具有保证的延迟、分配的总线带宽以及缺乏错误校正和握手。请注意，错误是通过 CRC 字段检测到的，但不会被纠正。偶尔的数据错误或传输丢失不会被人耳察觉；需要频繁停止才能达到注意的程度。由于没有错误校正，即使存在包含错误的数据包，数据传输也不会停止。微控制器支持同步端点的最大数据包大小为 1023 字节。
提高音频质量
在移动操作系统中，通常有一个专用的媒体服务器或媒体引擎用于播放音频。如果用户需要，可以使用同一个媒体引擎来增强或修改音频的特性。在某些移动处理器中，有专用的 DSP 硬件来实现这一点。
使用媒体引擎或 DSP 会消耗额外的电量、降低性能，并可能对用户体验产生负面影响。另一种方法是在 SOC 中处理音频，然后通过 USB 将处理后的音频传输到主机平板电脑。平板电脑只需在其扬声器上播放此音频即可。
可以使用 SOC 中的资源以“低音”和“高音”控制的形式为用户提供对音频质量的更精细控制。这可以通过在 Cypress Semiconductor 生产的 PSoC 3 等设备中使用 DFB（数字滤波器块）来实现。DFB 块接收数字输入数据并输出处理后的数字数据。在此应用中，可以使用 DMA 将数据流式传输到 DFB，根据所需的音频质量进行过滤，然后通过 USB 发送以进行播放。
音频所需的质量由 GUI（图形用户界面）控制。GUI 将提供类似于音乐播放器中均衡器的界面。整个音频频率范围可以分为离散频带。更改 GUI 上控件的位置后，一组新系数将加载到 DFB 上。这些系数将改变每个频带的增益，从而改变输出音频的质量。
主机应用程序
主机运行一个应用程序，作为控制无线电接收器的前端。如果主机运行的是 Android 操作系统，则可以使用标准 Java 和 Android 库创建一个简单的 GUI。在 Windows 平板电脑上，一个简单的 C# GUI 就可以完成这项工作。提供按钮等控制对象来选择频道、增加或减少频道位置等。
Microsoft Windows 操作系统中的 DirectSound 驱动程序与 USB 的同步传输模式配合使用，将音频传输到扬声器。此功能在 Windows 7 操作系统上也可用。专为平板电脑设计的 Windows 8 操作系统的演进支持 GUI 和音频驱动程序，没有任何变化。Android 平板电脑目前不支持同步传输。Apple 的 iPad 和其他一些 iOS 设备具有内置 USB 主机，可以使用同步传输进行音频播放。
Windows 中的前端主机应用程序/Windows 窗体应用程序用于根据用户请求生成事件，例如：
请求频道扫描
渠道增值请求
请求通道减量
向接收器请求 RSSI
对于 Windows，可以使用 Visual Studio 中的 C# 开发应用程序。可以使用标准库或 SOC 制造商提供的自定义库访问 USB 设备及其端点。该库提供通过 USB 接口访问 SOC 的方法和对象。可以创建 Windows 窗体来发送命令并显示状态信息，如下所示。
现代 SOC（如 PSoC 3）可用作即插即用 FM 收音机配件的单芯片实现。模拟音频的放大、数字化、滤波、传输到主机以及 FM 接收器的控制均可高效处理。这种总线供电设备可在不使用时以低功耗模式运行，例如 FM 接收器和 SOC 均支持的待机和断电模式，从而证明在平板电脑等电池供电的主机中非常高效。
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