車載AM/FM收音機的精簡型設(shè)計

傅雪驕， 趙 強， 任 勇

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶 400039；2.重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶 400044）

隨著汽車從代步工具轉(zhuǎn)變?yōu)榧蓍e、娛樂為一體的個性化消費品，消費者對汽車娛樂方面的要求不斷提升，汽車產(chǎn)業(yè)也正面臨強大的市場壓力，亟需在不犧牲效能的情況下降低成本，這個現(xiàn)象在入門級汽車市場尤為明顯，而消費者對于低價車輛的需求讓低端媒體娛樂市場的年成長率超過10%。AM/FM收音機以其低成本高音質(zhì)等特點，尤為得到廣泛的歡迎。如何設(shè)計一款既達到成本控制需求，又能達到高質(zhì)量音頻享受的廣播音訊產(chǎn)品來滿足此領(lǐng)域?qū)τ诮档统杀竞秃喴自O(shè)計的需求成為行業(yè)焦點。我們可以想象收音機的不斷的改進和不斷創(chuàng)新，使收音機的發(fā)展空間愈來愈大。

通常的傳統(tǒng)的收音機解決方案為采用由分列集成單元構(gòu)成調(diào)頻/調(diào)幅收音機，其主要組成為：天線、輸入回路、高頻放大電路、混頻電路、本機振蕩電路、中頻放大電路、鑒頻電路、低頻功率放大電路、揚聲器等。改方案的設(shè)計實現(xiàn)非常復(fù)雜，并且音質(zhì)噪聲大，音頻信號失真嚴重，各方面評估都不是一種最好的解決方法。本文將設(shè)計一個新型的、低成本的、使用RFCMOS單芯片AM/FM收音機解決方案，精簡型微控制器，配合超低成本音頻音效處理DSP和高保真音頻功率放大器，實現(xiàn)元器件極少、走線極少、體積極小、成本極低的高品質(zhì)AM/FM車載收音解決方案。

1 器件選擇

為了實現(xiàn)低端轎車或超應(yīng)用低成本的目標(biāo)，首要任務(wù)是選擇合適的微控制器 （MCU）和AM/FM低中頻調(diào)諧器。Freescale半導(dǎo)體公司最新推出的MC9S08QG低端微控制器系列，其處理內(nèi)核、片上外圍設(shè)備、節(jié)電功能和開發(fā)工具等，構(gòu)成了成本、能源、效率敏感的控制應(yīng)用的理想解決方案[1]。本無線控制器設(shè)計的核心器件即選擇Freescale該系列中的僅有16引腳的MC9S08QG8[2]。MC9S08QG8是采用高性能、低功耗的HCS08內(nèi)核的飛思卡爾8位微控制器系列中具有很高的集成度的器件，內(nèi)置8K FLASH存儲器、512字節(jié)RAM、SCI/SPI/IIC接口、8位模數(shù)定時器模塊、A/D模塊等。MC9S08QG8 MCU集成了那些通常只有較大、較昂貴的元器件才具有的性能，包括背景調(diào)試系統(tǒng)以及可進行實時總線捕捉的內(nèi)置在線仿真（ICE）功能，具有單線的調(diào)試及仿真接口（BDM），還包括一個可編程的16位定時器/脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊（TPM），是同類產(chǎn)品中最靈活、又最經(jīng)濟的模塊之一。

另一個主要芯片為低中頻調(diào)諧器，選擇NXP半導(dǎo)體公司的TEF6621[3]。TEF6621，為NXP（恩智浦）公司其極為成功的RFCMOS單芯片車載收音機解決方案系列。作為業(yè)界廣泛應(yīng)用的TEF6601和TEF6606的升級版本，TEF6621調(diào)諧器能讓我們確保在汽車收音機系統(tǒng)中很小的空間里安裝更加令人激動的特色功能。調(diào)諧器的創(chuàng)新特色在于全部關(guān)鍵射頻組件――包括：壓控振蕩器，陶瓷濾波器，中頻變壓線圈，低噪聲放大器和自動增益控制，只需要32個低成本的無源外圍器件（電容、電阻、電感及晶體管）。此外，通過特殊的大信號處理的功能，這款低中頻調(diào)諧器能很好的支持汽車收音機應(yīng)用的高性能需求?；赥EF6621設(shè)計的車載收音機系統(tǒng)將因為更加完善的弱信號處理、FM噪聲消隱、對環(huán)境干擾噪聲更強的多路徑抑制能力、按壓噪聲抑制等功能而成為理想的收音機解決方案。

剩下就是數(shù)字音頻信號處理子系統(tǒng)和音頻音效處理放大輸出電路，本方案采用PT2313對系統(tǒng)音頻進行處理，PT2313L音頻處理器具有高、低音控制功能和高響度（重低音）控制功能，同時具有三路立體聲輸入端口，且其增益可由微控器控制此外，它還具有四路獨立的功放激勵端口，且可由微控器控制其輸出、平衡度和靜音關(guān)閉等功能其音量也可由微控器控制，最小步進量為1.25 dB[4]。

采用ST半導(dǎo)體4×41W的四橋汽車音響放大器TDA7388，TDA7388是一種新技術(shù)AB類音頻功率放大器，使用flexiwatt 25封裝設(shè)計，因其高輸出功率能力，低失真低輸出噪聲，靜音功能，低外部元件數(shù)，內(nèi)部固定增益（為26 dB），無需外部補償[5]，無啟動電容器等特點，成為高端汽車收音機首選。

MC9S08QG8內(nèi)部IIC模塊實現(xiàn)通過IIC總線與調(diào)諧器TEF6621及音效處理及音量調(diào)節(jié)器PT2313進行數(shù)據(jù)通信控制，實現(xiàn)對收音頻率的選擇和音頻音量的調(diào)節(jié)。并且通過MC9S08QG8微處理器對整個音頻高功率部分進行控制，實現(xiàn)待機（standby）、關(guān)機（shut up）等控制。

至于其它外圍器件則可選用通用的，比如AM/FM天線、液晶顯示器使用16x2的字符型LCD，以及作為調(diào)諧使用的編碼電位器等，這部分的電路應(yīng)用已是成熟技術(shù)。

2 音頻音效處理與均衡技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，廣播節(jié)目從采編、制作到傳播、發(fā)送，都使用了較先進的技術(shù)設(shè)備，節(jié)目的質(zhì)量也大為提高。雖然如此，接收天線與網(wǎng)絡(luò)的匹配問題和音頻信號在傳輸過程中的噪音和衰減問題仍然困擾著高保真音頻享受技術(shù)的實現(xiàn)，這主要原因為工程師很少關(guān)心音頻處理器的工作狀態(tài)及設(shè)置問題。

廣播音頻信號在處理過程中存在很大的非線性，對音頻處理設(shè)備來說，它不僅包括對信號的壓縮、限制、削波、擴展等處理方式，而且還對音頻處理設(shè)備安裝的位置、引線長短，以及在高電磁場強輻射環(huán)境下抗干擾能力等方面都有嚴格的要求。

音頻傳播媒體特征，也即聲波的物理特性，音頻的記錄和產(chǎn)生方式多種，主要包括模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮和聲音合成等。音頻數(shù)據(jù)的編輯處理方法也是多樣，總的來說音頻信號的處理方法大致可分為兩類：一種是數(shù)字音頻方式，另一種是分析-合成的方式。

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規(guī)則音頻是一種連續(xù)變化的模擬信號，可用一條連續(xù)的曲線來表示，稱為聲波。模擬信號的曲線無論多復(fù)雜，在任一時刻t都可分解成一系列正弦波的線性疊加：

音頻信號的頻帶越寬，所包含的音頻信號分量越豐富，音質(zhì)越好，動態(tài)范圍越大，信號強度的相對變化范圍越大，音響效果越好。如圖1即為幾種音頻信號動態(tài)范圍。

動態(tài)范圍=20×log10（信號的最大強度/信號的最小強度）（dB）

圖1 音頻信號頻響動態(tài)范圍Fig.1 Frequency dynamic range of audio signal

由圖中可以看出，3種音頻信號的頻域動態(tài)范圍：

表1 典型信號頻響動態(tài)范圍Tab.1 Frequency dynamic range of typical signal

信噪比SNR（Signal to Noise Ratio）是有用信號與噪聲之比的簡稱。噪音可分為環(huán)境噪音和設(shè)備噪音。信噪比越大，聲音質(zhì)量越好。

PT2313L音頻處理器內(nèi)部主要由四部分電路組成。其中串行總線解碼和鎖存電路（Serial BusDecoder&Latchs）用于完成串行數(shù)據(jù)的接收、解碼和鎖存，并以其控制其余三部分電路。輸人選擇器和增益控制電路（Input Selector&Gain Control）主要完成對三路音響源的選擇和對其增益的控制。音量和高響度 （重低音）、 低音、 高音電路（Volume&Loudness、Bass、Treble）由對稱的左右兩個聲道電路組成，主要完成對音量大小、重低音、低音、高音的控制。音頻處理器，又稱為數(shù)字處理器。數(shù)字處理器就是對數(shù)字信號的處理，其內(nèi)部的構(gòu)普遍是由輸入部分和輸出部分組成，其中屬于音頻處理部分的功能一般如下：輸入部分一般會包括，輸入增益控制（INPUTGAIN），輸入均衡（若干段參數(shù)均衡）調(diào)節(jié)（INPUT EQ），輸入端延時調(diào)節(jié)（INPUT DELAY），輸入極性（也就是大家說的相位）轉(zhuǎn)換（input polarity）等功能。而輸出部分一般有信號輸入分配路由選擇（ROUNT），高通濾波器（HPF），低通濾波器（LPF），均衡器 （OUTPUTEQ）， 極 性 （polarity）， 增 益 （GAIN）， 延 時（DELAY），限幅器啟動電平等功能。

PT2313L音頻處理器典型的音調(diào)（Typical Tone Response）頻率響應(yīng)曲線如圖2所示，就音頻處理器目前的技術(shù)水平來看，完全能滿足高保真廣播的要求，使經(jīng)過加工后的聲音聽不到加工聲，也就是說，在沒有加工痕跡的情況下，仍然保留原聲音的高品質(zhì)，甚至比原聲音更加悅耳、清晰、動聽。

圖2 PT2313典型的音調(diào)頻率響應(yīng)曲線Fig.2 Frequency response curve of PT2313 typical tone

3 AM/FM車載收音機的總體構(gòu)建

基于前述主要器件的選擇考慮，本文實現(xiàn)的低端車載收音機解決方案原理框圖如圖3所示。

圖3 車載收音機控制電路原理框圖Fig.3 Principle flow diagram of vehicle radio control circuit

由于IIC是一種多向控制總線，微控制器MC9S08QG8同時可以通過IIC接口對PT2313的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作（操作地址：讀89H/寫0x88H）。配置其內(nèi)部串行總線解碼和鎖存電路（Serial BusDecoder&Latchs）用于完成串行數(shù)據(jù)的接收、解碼和鎖存，并控制輸入選擇器和增益控制電路（Input Selector&Gain Control）主要完成對三路音響源的選擇和控制由對稱的左右兩個聲道電路組成的音量和高響度（重低音）、低音、高音電路（Volume&Loudness、Bass、Treble），完成對音量大小、重低音、低音、高音的控制揚聲器衰減和靜音電路（Speaker Att、Mute）控制，可完成對送至左聲道前部、后部，以及右聲道前部、后部四路揚聲器功放電路激勵信號幅度大小的控制和關(guān)閉。同時微控制器MC9S08QG8通過一個通用I/O接口GPIO對TDA7388進行靜音控制（待機控制Standby）。

微控制器MC9S08QG8對編碼電位器進行讀取，旋轉(zhuǎn)編碼電位器具有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、按下三個功能。4、5腳是中間按下去的開關(guān)接線1、2、3腳一般是中間 2腳接地，1、3腳上拉電阻后，當(dāng)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)旋紐時，在1、3腳就有脈沖信號輸出了。MCU通過通用I/O接口GPIO完成對1、3腳脈沖計數(shù)，編碼開關(guān)5腳接地，4腳上拉后與MCU中斷請求 （IRQ）信號相連，IRQ腳會產(chǎn)生下降沿跳變[6]。IRQ產(chǎn)生后，微控制器即刻讀取系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，確定是開機初始化調(diào)諧器并打開音效和喚醒功放，還是靜音并讓功放處于待機狀態(tài)。

微控制器MC9S08QG8通過通用I/O接口GPIO完成與液晶顯示器和按鍵的連接[7]，其中LCD數(shù)據(jù)線由MCU單獨提供（共4線），LCD的控制線由MCU單獨提供（共3線）。

BDM程序下載和在線調(diào)試僅占用MCU的單線1線，在設(shè)計之初是必須的，但當(dāng)調(diào)試下載完成后，該引線也可當(dāng)作普通I/O來使用或備用。

4 硬件電路的具體設(shè)計

根據(jù)前面器件選擇和總體構(gòu)建的考慮，本文完成的AM/FM車載收音機具體設(shè)計電路如圖4。其中MC9S08QG8微控制器（MCU）的大部分管腳具有多重功能[8]，電路設(shè)計中，即以MC9S08QG8為控制核心，實現(xiàn)顯示、調(diào)諧、音頻音效、功放輸出等各種控制。

這里的AM/FM車載收音機應(yīng)用原理圖分作3部分。第一部分是MC9S08QG8 MCU所需的基本連接。第二部分是TEF6621調(diào)諧器與天線接收電路，第3部分是由PT2313和TDA7388組成的音頻處理和功率放大輸出電路，第4部分是16x2 LCD和編碼電位器的人機交互電路。

汽車電池標(biāo)準(zhǔn)電壓為12/24 V，本文設(shè)計中，采用DC-DC電壓調(diào)整電路輸出1路9 V電壓和1路5 V電壓，微控制器、顯示部分及其他低壓外設(shè)部分供電為5 V數(shù)字電壓，調(diào)諧器TEF6621和音效芯片PT2313供電為9 V電壓，功放TDA7388采用汽車電池直接供電方式。MCU的時鐘電路無需外接晶振，直接使用MCU內(nèi)部自帶的時鐘；圖中TEF6621調(diào)諧器、PT2313、TDA7388及它的外圍電路使用數(shù)據(jù)手冊提供的工作所需的最低硬件要求。MCU與TEF6621調(diào)諧器、PT2313的連接按照標(biāo)準(zhǔn)IIC方式連接，MCU為主機，TEF6621、PT2313為從機，由SDA、SCL信號線通過不同的從機地址對兩個器件進行基礎(chǔ)配置和操作，實現(xiàn)調(diào)諧與調(diào)音功能。

MCU的8K FLASH和512字節(jié)的存儲器資源對于基本收音機控制是足夠的，另外，如需在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行進一步功能擴展，造成片內(nèi)資源緊張，F(xiàn)reescale公司還提供了pin-to-pin兼容的MC908QG16/32等低成本升級方案。

5 結(jié) 論

圖4 AM/FM車載收音機硬件原理框圖Fig.4 Principle flow diagram of AM/FM vehicle radio hardware

文中僅使用了一個Freescale MC9S08QG8低端微控制器，再加上集成單芯片AM/FM調(diào)諧器和音頻功放電路及很少的一些連接線和硬件資源，已經(jīng)具有完整具備調(diào)諧、調(diào)音及人機交互等功能的4x41W高品質(zhì)低成本車載收音機，這說明車載多媒體應(yīng)用并不一定總是需要高性能的微處理器和昂貴體積巨大的高保真處理音頻器件，低端微控制器和單芯片調(diào)諧處理解決方案也能夠滿足車載收音多媒體系統(tǒng)基本要求，從而降低了車載音頻解決方案的成本。同時，本文實現(xiàn)的車載收音機具有功耗低、元器件少、成本低、性能高、音效品質(zhì)優(yōu)、而且功能足的特點，是針對低端車輛車載收音機應(yīng)用的一種精簡解決方案。

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[4]Princeton Technology Corp.PT2313 Data Sheet[EB/OL].Rev.1，2009，http://www.princeton.com.tw

[5]STMicroelectronics.TDA7388 Data Sheet[EB/OL].Rev.1，2005，http://www.st.com

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