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收音機技術的產生已經有100多年的歷史，全球無數的聽眾使用傳統輪調收音機產品也有幾十年了。這些傳統收音機提供了非常簡單的用戶界面：一個調節頻率的滾輪，一個用來指示所收聽電臺頻率的指針。過去十年中，基于高性能DSP的收音機設計使復雜的用戶界面變得更具人性化，包括用于自動搜索/調諧功能的按鈕和顯示頻率的液晶顯示器（LCD）。本文將探討如何設計具有LCD顯示頻率,而保持滾輪調頻的中檔收音機，探討選擇音頻IC和顯示驅動器時要考慮的實際問題，以及如何利用這些技術為終端用戶提供最佳的收音機調諧體驗。
 
隨著越來越多的便攜式應用（如手機、便攜式媒體播放器）集成了FM收音機功能，市場上存在一種錯誤的想法：收音機已不再需要。但實際上，收音機仍廣受歡迎。這有很多原因，例如，由于干擾和尺寸的限制，要把AM和短波（SW）收音機功能集成到便攜式多媒體裝置中，在技術上仍然面臨許多挑戰。同時許多消費者仍然更喜歡通過AM和SW收音機（如外放、智能手機外設裝置以及其他便攜式收音機產品）收聽體育新聞和其他音頻廣播節目。通常，這些收音機產品都有一個調諧滾輪和一個帶有指針的頻率指示盤用于顯示當前調諧的頻率。
 
近年來，基于DSP技術的收音機通過LCD/LED頻率顯示和自動搜索頻率按鍵吸引了眾多消費者。然而，盡管許多收音機用戶體會到LCD或LED面板顯示頻率所帶來的便利，但是比起那些調頻的按鍵來，他們還是更喜歡使用直觀的調諧滾輪（如圖1所示）。為了簡便，我們將其稱之為“輪調數顯”收音機，即“模擬調諧、數字顯示”（ATDD）市場。（注：因為市場中數字收音機IC占主導地位，所以“模擬”一詞不再準確，但在文章中我們仍然采用行業內普遍使用的縮略詞，ATDD。）
 
設計ATDD收音機有多種方法，我們將從系統層面探討各種設計方法，包括RF性能、復雜度、特性差異以及物料（BOM）成本等。首先我們討論使用模擬IC設計ATDD收音機的傳統方法，接著探究創新型設計，如使用基于DSP收音機IC設計的“虛擬輪調”收音機，最后以一款專門為ATDD市場而優化的新型多波段收音機IC結尾。
 
 

圖1：典型的輪調數顯收音機示例

采用傳統模擬IC設計的ATDD收音機
傳統模擬收音機IC可以用于輪調數顯收音機設計。然而，由于AM/FM接收器模擬架構的局限性，信號處理主要由芯片外的其他元件完成，因此接收器IC需要較高的BOM成本。此外，由于模擬IC并不能為顯示驅動器提供調諧頻率信息，在這些傳統的收音機方案中，需要一個中頻（IF）計數器IC通過本地振蕩器脈沖來估算調諧頻率并傳輸給顯示驅動器，由顯示驅動器顯示所計算出的調諧頻率，如圖2所示。

圖2：簡化的傳統模擬接收器IC系統原理圖
 
傳統收音機IC應用于輪調收音機市場已有幾十年了，其為收音機的發展革新做出了重要貢獻。然而，這些傳統的方案在收音機生產和獲得高品質收音體驗上存在許多局限性：
由于模擬收音機IC固有的局限性，傳統方案的RF性能較差。傳統模擬方案的敏感度較低，選擇性也較差。在信號較弱的農村地區，采用這種解決方案的收音機有時候無法接收到廣播電臺。此外，在頻譜擁擠的城市中，鄰道干擾導致模擬收音機很難清楚地收聽到想聽的電臺。
與傳統的模擬調諧、模擬顯示（ATAD）收音機相比，數字顯示可謂是ATDD收音機的一個主要賣點。然而，由于模擬IC會引起調諧誤差，顯示的頻率往往不太準確。實際應用中，真正的調諧頻率可能與顯示的頻率偏差四或五個頻道，影響了用戶體驗。
由于模擬技術的局限性，基于模擬IC的系統需要大量的分立器件進行信號處理，例如，電感器和IF過濾器。這導致收音機設計的BOM成本很高，使用多達70個分立器件數量。如此多的分立器件也僅是整個設計的一部分而已。雖然模擬IC本身成本很低，但由于傳統方案要使用很多外接器件，導致總BOM成本也相當高。為了有效制造收音機，生產階段需要大量的人工協助組裝、測試和調諧。盡管元器件價格穩定，但隨著勞動力成本的攀升，基于傳統方案的模擬收音機制造成本隨著時間的推移持續上升。 
由于器件數量眾多以及由此導致的器件間電磁干擾（EMI），使得收音機產品的系統設計和電路板布局布線變得復雜。對于具有不同頻帶限制的收音機模塊而言，由于模擬IC不支持通用的頻率，設計人員不得不創建多個設計。此外，基于傳統模擬IC方案的收音機無法通過歐洲電磁輻射兼容性測試(EN55020)，這限制了產品銷往歐洲市場的機會。

DSP IC的“虛擬輪調”ATDD收音機設計 
現在的收音機市場已經出現改進后的輪調ATDD收音機，也稱為“虛擬輪調”收音機。其調諧滾輪可以像傳統滾輪一樣進行調諧，不同的是他可以無限轉動。與傳統輪調收音機突出調諧滾輪設計不同，虛擬滾輪也可以是凹陷或嵌入的，類似于許多便攜式模擬播放器的觸摸型輪調。虛擬輪調收音機接收器IC把RF頻率下變頻為IF頻率，然后通過模擬數字轉換器（ ADC）進行信號數字化處理，最后使用數字模擬轉換器（DAC ）恢復信號到揚聲器輸出。虛擬輪調設計減少了傳統方案中額外的BOM器件（例如IF濾波器和變壓器），從而獲得了較低成本和較好性能。 
以上的收音機IC包括數字輸入和數字輸出，用戶所選的頻率作為數字輸入經過數字處理轉換成數字輸出到LCD驅動器。為了與頻率調諧滾輪協同工作，需要在前端使用MCU編碼器把滾輪調諧轉化成數字信號，并將數字信號提供給收音機接收器。然后，接收器進行數字處理并將頻率輸出到LCD/LED驅動器以便在屏幕上顯示。圖3是一個簡化的虛擬輪調收音機系統原理圖。

 圖3：簡化的虛擬輪調收音機系統原理圖
 
目前，這類虛擬輪調系統中使用最廣泛的收音機IC是Silicon Labs公司的Si473x多波段接收器。Si473x器件所具備的數字低中頻（low-IF）架構能夠進行所有音頻信號數字化處理，并提供卓越的RF性能。Si473x系列產品功能強大，支持高級特性，例如：自動掃描、存儲用戶喜歡的電臺設置，甚至在LCD屏幕上顯示信號強度或信噪比（SNR）。 
但在采用這種解決方案設計ATDD收音機時，有兩方面需要考慮：  
由于該IC是為數字調諧收音機而設計，因此需要一個額外的前端MCU編碼器作為ADC，這將增加BOM成本。 
編碼器滾輪不同于傳統調諧滾輪。傳統調諧滾輪使用電位計或可變電容器，有最小和最大物理轉動限制，而編碼器滾輪沒有轉動限制。相對于有最小和最大頻率限制的傳統調諧滾輪，這種方式不太直觀。
鑒于以上兩個問題，收音機制造商仍在探尋新方法，以便在不提高成本的前提下為ATDD收音機提供更佳性能。
 
針對ATDD市場而優化的多波段收音機IC  

Silicon Labs公司最近推出Si484x AM/FM/SW接收器系列產品以滿足ATDD收音機市場需求。Si484x IC提供了杰出的性能、更高集成度、調諧高精度和先進的流水線制造技術，將推動ATDD 市場的革新。Si484x系列產品基于Silicon Labs公司已驗證的專利技術數字低中頻架構，支持從簡單的天線接口到L/R模擬音頻輸出的完整信號處理。Si484x IC集成的ADC可直接將滾輪的模擬調諧轉化成變化的頻率，同時提供I2C兼容的2線控制連接MCU和LED/LCD驅動器。
傳統模擬IC不能輸出調諧頻率，與之不同的是Si484x不僅能輸出實際調諧頻率，也支持LCD/LED上顯示的有效電臺和單聲道/多聲道信號指示。Si484x也支持數字音量控制、軟靜音和低/高音音頻增強。此外，Si484x為各種信號環境提供高級音頻調節功能，消除不同信號環境下的咔嗒、爆破噪聲和靜電噪聲等。而傳統方案不具備這些關鍵功能。

 圖4：Si484x多波段收音機IC架構
 
采用如Si484x系列產品解決方案的新一代ATDD收音機，把先進的數字收音機優點帶到傳統模擬收音機市場。主要優點概括如下：  
降低BOM和勞動力成本：與傳統模擬收音機IC相比，高集成度的單芯片Si484x解決方案僅需要極少量的外部器件，BOM成本降低70%以上。相比之下，傳統方案需要手動調諧和測試等步驟，增加了勞動力成本和制造時間。Si484x無需手動調諧，從而降低生產成本，加快產品上市時間。此外，Si484x僅需要一次RF模擬測試。與虛擬輪調收音機解決方案相比，Si484x無需使用編碼器，但卻具備與虛擬輪調收音機設計相媲美的高級功能。  
卓越的RF性能：與傳統方案相比，Si484x系列產品先進的數字架構使RF性能更加卓越。表1列出了Si484x系列產品實測下的卓越性能數據。例如，收音機的選擇性參數決定了他能否很好的在許多電臺共存的環境中鎖定目標電臺，因為這是擁擠城市中的常見情況。傳統模擬收音機使用FM波段為800kHz - 1MHz帶寬的寬信道濾波器，這意味著處于此帶寬范圍的電臺會相互干擾，并降低所收聽電臺的音質。Si484x
器件具有卓越的數字選擇濾波器，所占帶寬較窄，即使在200kHz范圍內存在50dB的強干擾電臺，也能夠完美接收目標電臺信號。
  

表1：Si484x收音機與傳統收音機RF實測對比

 
圖5顯示了Si484x系列產品與傳統方案相比所具有的卓越選擇性。其選擇性數值為阻塞器干擾預期接收信號所需的最低δ值。
 

圖5：Si484x與傳統模擬IC的選擇性對比

 精確的調諧頻率顯示：傳統ATDD方案使用頻率計數器IC估算傳統模擬IC的調諧頻率。這將導致實際的調諧頻率與所顯示的頻率差距很大，而給使用者帶來不好的體驗。Si484x能夠精確調諧，通過I2C接口向顯示驅動器提供調諧頻率，并且不會產生誤差。LCD/LED精確顯示了用戶所聽電臺的頻率。 

易于設計和構建：數字解決方案比傳統模擬方案集成度更高，因此往往更容易設計到印刷電路板上。例如，Si484x系列產品采用已驗證的Silicon Labs架構，并建立在Silicon Labs處于業界領先地位的其他廣播接收器產品基礎上。該架構具有非常小的前端匹配網絡，供電隔離和功能配置可在單層電路板上實現，因而BOM成本低，系統管理和加工簡單。Si484x的BOM中不含手動調諧的器件，制造商無需在組裝線上進行人工安裝、測試和裝配。收音機制造商可以從產品快速上市、生產工藝簡化、勞動力成本降低這幾方面受益，而且還可以借助其先進的功能特性使其收音機產品脫穎而出。
 
小結
全球收音機市場競爭激烈，收音機系統設計人員需要全方位的考慮輪調數顯收音機的各方面特性，包括RF性能、BOM成本以及制造流程。表2概括了ATDD收音機設計要素，以及各種解決方案的對比。通過對傳統模擬方案、虛擬輪調解決方案，以及更新型的ATDD解決方案（Silicon Labs公司新一代Si484x）的對比說明，Si484x系列產品為各類ATDD收音機提供了最佳的多波段接收器解決方案。通過使用Si484x系列的解決方案，收音機制造商可以大大降低BOM和制造成本，同時還可以設計出具有獨特功能的差異化收音機，從而在當今激烈的競爭中獲得更多市場份額。