一種新型的調頻收音機電臺搜索方案

　　摘 要 本文提出了一種調頻收音機電臺搜索的改進方案，克服了現有技術關于調頻收音機搜索電臺時容易產生誤判現象的不足。該設計同時利用輸入信號強度指示和頻偏信息來判斷電臺。在實際測試顯示，該方案能有效地提高調頻收音機搜索電臺的準確度。

　　關鍵詞 調頻收音機;電臺搜索;頻偏;輸入信號強度指示

　　1 引言

　　調頻體制以其較強的抗干擾能力等特性在音頻廣播、電視、VHS HiFi、Laser Disc以及無線通信領域都得到了廣泛應用。傳統的超外差式調頻信號接收機，信號解調需要采用高Q值的中頻聲表面波濾波器或晶體濾波器來實現。隨著數字信號處理技術以及超大規模集成電路技術的飛速發展，傳統的模擬設備逐漸被數字模擬混合設備所代替。文獻[1]提出了使用可調電容和線性濾波器的數模混合電路來替代FM解調中使用的精確的外部器件和調整的方法，文獻[2]中提出了一種利用信號帶內具有理想線性特性的FIR濾波器進行調頻信號鑒頻的方法，但所需 FIR濾波器階數達到數千階，對系統工作時鐘以及系統存儲容量的要求都很高。文獻[3]中提出了采用sinc3抽取濾波器和三點近似法微分器用于FM解調，大大降低了數字IC實現高性能FM調頻接收機的復雜度。

　　在用數字實現的FM調頻接收機中，如何快速準確地搜索到電臺所在的頻道是一個商用數字FM調頻接收機必須解決的難題。

　　現今調頻收音機選擇電臺時常用的方法為：調頻信號解調前都有限幅電路，該限幅電路的電流與輸入信號強度的對數在相當大的范圍內成正比。利用接收信號強度指示(RSSI)電路(該電路檢測限幅電路的電流)可得出輸入信號的強度，從而選擇電臺。此種方法的應用例如，在移動通信中的手持設備用接收信號強度指示表示接收信號的大小。

　　在文獻[3]提到的解調方案中，接收信號強度可以用數字下變頻后信號能量(I2+Q2)來表征。

　　雖然上述方法具有實現電路簡單的優點，但卻存在容易誤判的缺陷。調頻收音機信號帶寬最大為180KHz左右，而搜臺頻率間隔分為50KHz、100KHz 和200KHz三種。當遇到一個強電臺并且其信號帶寬大，用頻率間隔為50KHz和100KHz搜臺時，上述方法在180KHz內指示的信號強度都大于設定門限(該門限一般為最弱電臺信號強度)，會誤判為2-3個電臺，嚴重影響搜臺的準確性。同時在實際測試中發現，由于信號帶寬的瞬時變化和信道干擾等影響，這種寬調頻信號帶寬帶來的信號強度指示在相應帶寬內全較強并不一定符合中心對稱的原則，無法利用對稱原則獲取準確的電臺頻率。

　　因此本文在此基礎上提出了一種新型的設計方案，大幅度改進了調頻收音機搜臺的準確性，同時還保持了電路的簡潔。

　　2 調頻信號正交解調原理

　　設調頻信號表達式為：　　

 　　其中，a(t)表示受到信道噪聲和其他干擾影響后隨時間變化的調頻信號幅度，m(t)為調制信號，ωc為信號載波。

　　將式(1)所示的調頻信號與本地產生的正交載波相乘可得：　　

 　　對sI(t)和sQ(t)分別進行FIR低通濾波[4]，[3]后可得：

 　　對I(t)與Q(t)分別求導數[1]可得：

 　　將式(2)與式(5)、式(3)與式(4)分別相乘再除以(2)、(3)的平方和可得m(t)：

 　　3 改進方案

　　圖1是改進后的調頻收音機工作框圖，在考量接收信號強度指示的同時，還同時參考接收信號的頻偏來決定是否是準確的電臺。

　　此時如果接收到的調頻信號載波與本地設定的解調正交波有一個頻率差△w ，即不是準確的電臺，則有：　　

 　　將(7)代入前述(2)～(6)的解碼過程，可得：

 　　考慮到音頻信號m(t)是交流信號，則解碼輸出的直流成分即為 。

　　這樣，定義兩個門限來衡量搜臺結果。門限1：定義一個恰當門限為Ka(根據輸入信號強度，對應RSSI的檢測值)。

　　門限2：定義一個恰當門限為Kb(根據頻偏的大小，對應頻偏的檢測值)。

　　定義兩個步驟來檢測搜臺：

　　步驟1：檢測圖1中的接收信號強度指示檢測模塊的輸出(RSSI)>Ka;

　　步驟2：檢測頻偏幅度檢測模塊輸出(頻偏幅度檢測值)

　　當步驟1、2同時滿足時，該信號即為正常臺。

　　4 測試結果

　　由于音頻信號頻率范圍一般為300Hz～15KHz，FM最大頻偏(已調載頻信號的最大瞬時頻率與載頻之差)為±75KHz，標準單音調制度(調制度指調頻信號的峰值頻偏與系統最大頻偏的百分比)為30%和100%，對應頻偏為±22.5KHz和±75KHz。FM最大調制頻偏一般有22.5KHz和 75KHz。

　　考慮晶振的誤差小于100PPM最大造成本振誤差頻偏為10KHz，則Kb參考設為10KHz。如果繼續以50KHz頻率間隔搜臺，即本振以 50KHz步進來選擇電臺，在正常臺兩邊搜索的本振頻偏最少為40KHz，其檢測值大于門限Kb，因而不會選擇這個頻率為正常臺。由于本振頻偏越大，直流檢測值越大，所以不會把一個正常臺誤判為多個臺。

　　圖2中展現了部分測試數據。其中Ka設定為21db，Kb參考設為10KHz。　　

 　　(a) 101.5～102.2Mhz RSSI與頻偏關系圖　　

 　　(b) 103.5～104.2Mhz RSSI與頻偏關系圖　　

 　　(c) 105.5～106.2Mhz RSSI與頻偏關系圖

　　圖2 FPGA測試結果

　　首先可以看到RSSI指示的實測值在有臺處相對噪底有大于6db的信號增強，因此可以順利的初步定位電臺所在的頻率。但同時可以在圖2中看到在以確切頻率為中心的100Khz范圍內信號能量都比較強，而且不一定遵循對稱原則如a、b。這主要是來源于測量瞬間干擾和調制信號的大小。因此簡單的求取對稱中心的方案并不合適。

　　其次，圖2中頻偏的測量結果顯示，在確切電臺頻率為中心的 100KHz內，如果信號的能量足夠強，超過設定的門限21db，即調頻信號沒有淹沒在噪底中(圖2中(a)，(c))，頻偏檢測能準確的發現 100KHz的頻偏，從而檢測出最確切的電臺頻率點。反之，如果信號能量能量不夠強，沒有超過設定的門限21db(見圖2(b))，調頻信號淹沒在噪底中，由步驟1可以保證不會誤判將不正確的頻率判斷為電臺。

　　綜上在FPGA實現和ASIC芯片的測試中，證實了該改進方案能非常準確的測量出 100KHz的頻偏，從而避免了在以50Khz、100Khz步長搜臺時將一個信號強的電臺誤判為多個的現象，達到了提高了芯片的搜臺準確性的效果。

　　5 結論

　　針對現有技術關于調頻收音機搜索電臺容易產生誤判現象的不足，本文提出了一種同時利用輸入信號強度指示(RSSI)和頻偏信息的調頻收音機電臺搜索的改進方案，克服了在以50Khz、100Khz步長搜臺時將一個信號強的電臺誤判為多個的現象，提高了芯片的搜臺性能。實際測試證明，該方案能有效的改進調頻收音機搜索電臺的準確度，提高調頻接收芯片的搜臺性能。

　　本文提及的設計方案為鼎芯通訊(上海)有限公司FM radio項目中一部分，其中還包含了王險峰、黃一鳴、朱立振工作的支持，特此表示感謝。

　　參考文獻

　　[1] Gregory J.Manlove，Jeffrey J. Marrah，Member，IEEE，and Richard A. Kennedy. A Fully Intergrated High-Performance FM Stereo Decoder. IEEE Journal Of Solid-State Circuits. VOL. 27，NO. 3，MARCH 1992

　　[2] 張澤，吳嗣亮.“列控系統多音調頻信號的全數字解調方法[J].”軍民兩用技術與產品，2004，1

　　[3] Bang-Sup Song and In Seop Lee. “A Digital FM Demodulator for FM，TV，and Wireless” IEEE Transactions On Circuits and Systems-II：ANALOG AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING，VOL.42，NO.12，DECEMBER 1995

　　[4] R.E.Crochiere and L.R.Rabiner. “Interpolation and decimation of digital signals-A tutorial review.”Proceedings of the IEEE，March，1981，69(3)：300～331