第一阶段是模拟信号处理阶段,负责将RF天线信号转换为一个较低的中频(IF)数字信号。自动增益控制(AGC)单元将低噪声放大器(LNA)保持在其线性工作范围内。混频器用于将接收到的RF信号下变频为较低的IF信号。ADC将信号转换为数字格式。在数字域内完成FM解调。此外,数字信号处理器也用于处理RDS数据。
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一旦调频收音机接收到锁定特定频率的命令,它会在特定引脚上输出模拟音频。调频收音机接收器的模拟输出由SOC进一步处理,得到的数字音频则通过USB传输到平板电脑。调频收音机芯片的工作电源由USB总线提供。大多数调频收音机芯片所需的电流通常只有几毫安,电压甚至不到1.8V。这完全在USB总线的能力所及以内,而且这种功耗对便携式设备来说完全可以接受。 在SOC中实施收音机配件需要以下资源: ● 放大器 ● 模数转换器(ADC) ● 通讯协议(I2C/SPI) ● USB接口 ● 滤波器模块 一般说来,调频收音机芯片的输出音频信号强度在100mV的水平,放大器用于放大FM接收器的模拟音频信号,随后将信号提供给SOC中的ADC。模拟音频输出的强度在通过可编程增益放大器(PGA)后得到了提高,如方框图所示。这就能确保整个ADC输入范围都能得到利用,而且能在调频收音机芯片输出段真实地复制音频。此外,我们也能采用更小输入范围的ADC对信号进行数字化,不过信号强度越低,就越容易受到系统噪声影响。 模数转换器 模数转换器(ADC)以44.1kHz的频率采样放大器的模拟输出,并将其转换为16位数字值。采样率设为44.1kHz是为了满足Nyquist原理,该原理要求采样频率必须至少为最大工作频率的两倍。 通讯协议 是标准协议,如I2C或SPI,可用于连接SOC和FM接收器。如果使用I2C,则SOC将作为主机,收音机接收器芯片将作为从机,数据速率为100/400kHz。改变频道或扫描FM频带的命令可由I2C主机通过I2C总线发送给FM接收芯片。FM接收器芯片能够解码预定义的命令,从而执行多种任务。如果使用RDS协议,则接收的数字信息可由控制器通过I2C接口从FM接收器读取。我们也能读取其它状态信息(如调频收音机接收器通过I2C接收到的信号强度指示(RSSI)信息),并在平板电脑或PC上显示出来。 直接存储器存取(DMA) 在许多微控制器中,DMA是一种强大的特性,有助于减轻存储器不同位置之间的数据传输任务,从而提高性能。DMA可用来将经过转换的数字信息从ADC传输到存储器或直接传输到USB,从而使CPU处理其他关键任务。 USB 是主机平板电脑与SOC之间的接口。USB中断端点用来接收主机发送的各种指令,如频道扫描、频道加减等。请注意,如果指令数据较小,USB设备上的控制端点也可用来传输指令。我们可以用控制端点来发送指令。指令可作为厂商定义的指令发送;但在控制端点上,一个USB数据包最多包含8个字节的数据内容。ADC获得的44.1kHz数据通过同步USB传输模式发送给主机。同步传输在这里是最理想的传输模式,能通过延迟确保、总线带宽分配并且没有错误校正和信息交换来保持交付时间一致性。请注意,CRC字段可以检测到错误但并不校正。人耳无法听出偶然的数据错误或传输丢失,除非是频繁的中断才会引起注意。由于没有错误校正,因此即便数据包有错误也不会中断数据传输。对于同步端点来说,微控制器支持的最大数据包尺寸为1023字节。 提高音质 在移动操作系统(OS)中,通常采用专用的媒体服务器或媒体引擎来播放音频。如果用户需要,该媒体引擎也可用来增强或修改音频特性。在某些移动处理器中,则有专门的DSP硬件来实现这一目的。 使用媒体引擎或DSP会消耗额外的电量,降低性能,也可能对用户体验造成不利影响。另一种可选的方法是在SOC中处理音频,并通过USB将处理后的音频流发送到主机平板电脑。平板电脑需要做的只是用喇叭播放音频。 利用SPC中的资源还能实现低音、高音等控制功能,为用户带来更精细的音质控制。这一功能可通过赛普拉斯生产的PSoC 3等器件中的数字滤波器模块(DFB)实现。DFB模块接收数字输入数据并输出处理后的数字数据。在本应用中,数据流通过DMA进入DFB,按照音质要求加以过滤,并通过USB发送至终端进行播放。 音频所需的音质可通过图形用户界面(GUI)控制。GUI将提供类似于音乐播放器均衡器的界面。整个音频范围可被分为多个多个分立频段。通过改变GUI上的控件位置,可以向DFB上加载一套新的系数,这些系数将修改每个频带的增益,从而改变输出音质。
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可添加按钮等控制对象,用来实施频道扫描、下一频道、上一频道和音量控制等不同操作。除此之外,我们还能将数字音频录制为.WAV文件。也可针对Android操作系统和Apple的iOS开发类似的应用。 PSoC 3等现代SOC可通过单芯片的方式实现即插即用型调频收音机配件。模拟音频放大、数字化、滤波、向主机传输音频流以及FM接收器等操作都可实现高效处理。当不工作时,这种由总线供电的设备可以使FM接收器和SOC在待机和断电等低功耗模式下运行,因此它在平板电脑等电池供电的主机中使用时具有很高的能效。 随着平板电脑计算时代的来临,上述微型配件将利用现有计算设备中的已有资源实现巨大的价值。 作者简介 Gautam Das是赛普拉斯半导体公司的应用工程师。他获得RV工程学院工程学士学位。他的爱好包括模拟电路设计和嵌入式系统等。 Udayan Umapathi是赛普拉斯半导体公司的应用工程师。他从RV工程学院获得电子与通讯工程学士学位。他的专长包括电路设计、嵌入式系统设计和微控制器等。
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