一种新型的调频收音机电台搜索方案

本文提出了一种调频收音机电台搜索的改进方案，克服了现有技术关于调频收音机搜索电台时容易产生误判现象的不足。
         该设计同时利用输入信号强度指示和频偏信息来判断电台。在实际测试显示，该方案能有效地提高调频收音机搜索电台的准确度。

        1  引言
   
         调频体制以其较强的抗干扰能力等特性在音频广播、电视、VHS HiFi、Laser Disc以及无线通信领域都得到了广泛应用。传统的超外差式调频信号接收机，信号解调需要采用高Q值的中频声表面波滤波器或晶体滤波器来实现。
         随着数字信号处理技术以及超大规模集成电路技术的飞速发展，传统的模拟设备逐渐被数字模拟混合设备所代替。文献[1]提出了使用可调电容和线性滤波器的数模混合电路来替代FM解调中使用的精确的外部器件和调整的方法，文献［2］中提出了一种利用信号带内具有理想线性特性的FIR滤波器进行调频信号鉴频的方法，但所需 FIR滤波器阶数达到数千阶，对系统工作时钟以及系统存储容量的要求都很高。文献［3］中提出了采用sinc3抽取滤波器和三点近似法微分器用于FM解调，大大降低了数字IC实现高性能FM调频接收机的复杂度。
   
        在用数字实现的FM调频接收机中，如何快速准确地搜索到电台所在的频道是一个商用数字FM调频接收机必须解决的难题。
   
         现今调频收音机选择电台时常用的方法为：调频信号解调前都有限幅电路，该限幅电路的电流与输入信号强度的对数在相当大的范围内成正比。利用接收信号强度指示（RSSI）电路（该电路检测限幅电路的电流）可得出输入信号的强度，从而选择电台。此种方法的应用例如，在移动通信中的手持设备用接收信号强度指示表示接收信号的大小。
   
         在文献［3］提到的解调方案中，接收信号强度可以用数字下变频后信号能量（I2＋Q2）来表征。
   
         虽然上述方法具有实现电路简单的优点，但却存在容易误判的缺陷。调频收音机信号带宽最大为180KHz左右，而搜台频率间隔分为50KHz、100KHz 和200KHz三种。当遇到一个强电台并且其信号带宽大，用频率间隔为50KHz和100KHz搜台时，上述方法在180KHz内指示的信号强度都大于设定门限（该门限一般为最弱电台信号强度），会误判为2－3个电台，严重影响搜台的准确性。同时在实际测试中发现，由于信号带宽的瞬时变化和信道干扰等影响，这种宽调频信号带宽带来的信号强度指示在相应带宽内全较强并不一定符合中心对称的原则，无法利用对称原则获取准确的电台频率。
   
         因此本文在此基础上提出了一种新型的设计方案，大幅度改进了调频收音机搜台的准确性，同时还保持了电路的简洁。

         2  调频信号正交解调原理
   
         设调频信号表达式为：
                                      （1）
    其中，a(t)表示受到信道噪声和其他干扰影响后随时间变化的调频信号幅度，m(t)为调制信号，ωc为信号载波。
   
        将式(1)所示的调频信号与本地产生的正交载波相乘可得：
  
    对sI(t)和sQ(t)分别进行FIR低通滤波[4]，[3]后可得：
                                     （2）
                                         （3）
    对I(t)与Q(t)分别求导数[1]可得：
                                 （4）                        （5）
    将式(2)与式(5)、式(3)与式(4)分别相乘再除以(2)、(3)的平方和可得m(t)：
　                   　                     （6）
      3  改进方案
   
         图1是改进后的调频收音机工作框图，在考量接收信号强度指示的同时，还同时参考接收信号的频偏来决定是否是准确的电台。
  
          此时如果接收到的调频信号载波与本地设定的解调正交波有一个频率差△w ，即不是准确的电台，则有：
                                    （7）
    将（7）代入前述（2）～（6）的解码过程，可得：
                                       　（8）
       考虑到音频信号m(t)是交流信号，则解码输出的直流成分即为 。
这样，定义两个门限来衡量搜台结果。门限1：定义一个恰当门限为Ka（根据输入信号强度，对应RSSI的检测值）。
   
          门限2：定义一个恰当门限为Kb（根据频偏的大小，对应频偏的检测值）。
   
         定义两个步骤来检测搜台：
   
         步骤1：检测图1中的接收信号强度指示检测模块的输出（RSSI）>Ka；
       步骤2：检测频偏幅度检测模块输出（频偏幅度检测值）&;Kb；
      当步骤1、2同时满足时，该信号即为正常台。

         4  测试结果
   
         由于音频信号频率范围一般为300Hz～KHz，FM最大频偏(已调载频信号的最大瞬时频率与载频之差)为±75KHz，标准单音调制度（调制度指调频信号的峰值频偏与系统最大频偏的百分比）为30％和100％，对应频偏为±22.5KHz和±75KHz。FM最大调制频偏一般有22.5KHz和 75KHz。
   
          考虑晶振的误差小于100PPM最大造成本振误差频偏为10KHz，则Kb参考设为10KHz。如果继续以50KHz频率间隔搜台，即本振以 50KHz步进来选择电台，在正常台两边搜索的本振频偏最少为40KHz，其检测值大于门限Kb，因而不会选择这个频率为正常台。由于本振频偏越大，直流检测值越大，所以不会把一个正常台误判为多个台。
   
          图2中展现了部分测试数据。其中Ka设定为21db，Kb参考设为10KHz。
  
      (a) 101.5～102.2Mhz RSSI与频偏关系图
  
  (b) 103.5～104.2Mhz RSSI与频偏关系图
  
  (c) 105.5～106.2Mhz RSSI与频偏关系图

  图2  FPGA测试结果  
   
         首先可以看到RSSI指示的实测值在有台处相对噪底有大于6db的信号增强，因此可以顺利的初步定位电台所在的频率。但同时可以在图2中看到在以确切频率为中心的100Khz范围内信号能量都比较强，而且不一定遵循对称原则如a、b。这主要是来源于测量瞬间干扰和调制信号的大小。因此简单的求取对称中心的方案并不合适。
   
         其次，图2中频偏的测量结果显示，在确切电台频率为中心的 100KHz内，如果信号的能量足够强，超过设定的门限21db，即调频信号没有淹没在噪底中（图2中(a)，(c)），频偏检测能准确的发现 100KHz的频偏，从而检测出最确切的电台频率点。反之，如果信号能量能量不够强，没有超过设定的门限21db（见图2(b)），调频信号淹没在噪底中，由步骤1可以保证不会误判将不正确的频率判断为电台。
   
         综上在FPGA实现和ASIC芯片的测试中，证实了该改进方案能非常准确的测量出 100KHz的频偏，从而避免了在以50Khz、100Khz步长搜台时将一个信号强的电台误判为多个的现象，达到了提高了芯片的搜台准确性的效果。

         5  结论
   
         针对现有技术关于调频收音机搜索电台容易产生误判现象的不足，本文提出了一种同时利用输入信号强度指示（RSSI）和频偏信息的调频收音机电台搜索的改进方案，克服了在以50Khz、100Khz步长搜台时将一个信号强的电台误判为多个的现象，提高了芯片的搜台性能。实际测试证明，该方案能有效的改进调频收音机搜索电台的准确度，提高调频接收芯片的搜台性能。
   
          本文提及的设计方案为鼎芯通讯(上海)有限公司FM radio项目中一部分，其中还包含了王险峰、黄一鸣、朱立振工作的支持，特此表示感谢。

         参考文献
        [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] 张泽，吴嗣亮.“列控系统多音调频信号的全数字解调方法［J］.”军民两用技术与产品，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