全波段智能通信接收機研究

摘 要：本文主要介紹了一款全波段智能通信接收機，以STM32F407ZET6為主控芯片，Si4735-D60作為解碼芯片，實現(xiàn)了AM，F(xiàn)M，LW，SW的解調(diào)接收。解碼芯片與主控芯片之間采用I2C通信方式，通過天線接收所有信號，同時可由矩陣鍵盤實現(xiàn)多種搜索模式，例如按鍵搜索、一鍵搜索等。該系統(tǒng)可以接收的信號頻率范圍包含153～279 kHz，522～1 710 kHz，2 300～23 000 kHz，88.1～107.9 MHz。該產(chǎn)品重復(fù)搜臺可減少電臺誤判的幾率，同時Si4735解碼芯片中使用的AFC（自動頻率控制）可以使輸出信號頻率與給定頻率一致，在本文中對AFC功能進行了仿真和原理分析。實驗結(jié)果表明，該產(chǎn)品有良好的靈敏度和優(yōu)秀的搜索能力。

關(guān)鍵詞：Si4735；全波段智能接收機；STM32；I2C總線；AM/FM搜臺；AFC

中圖分類號：TP391；TN92 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.012

0 引 言

高性能通信接收機的功能是在強干擾和噪聲存在的情況下仍舊能夠成功接收并解調(diào)出所需要的信號[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品也不斷更新?lián)Q代。通信接收機的生產(chǎn)也有了一定的技術(shù)累積[2]。目前通信接收機的發(fā)展趨勢也發(fā)生了變化，由原先的學(xué)習(xí)新技術(shù)實現(xiàn)功能逐漸變成了在優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)的同時提升產(chǎn)品的性價比。傳統(tǒng)的純硬件電路方案雖然技術(shù)指標(biāo)比較優(yōu)秀，但占用的電路板面積較大，做工復(fù)雜且易損壞，逐漸被新技術(shù)替代。現(xiàn)在所采用的是集成電路方案，該方案中各類數(shù)字寄存器集成功能豐富、易于調(diào)整，但也存在因為芯片自身限制而部分功能無法優(yōu)化的缺陷[3]。

當(dāng)前的主流接收機芯片有TEA5767，QN8035，MC3362等[4-5]。本文使用的解碼芯片是Silicon Laboratories推出的完全集成式芯片Si4735-D60，該芯片有著良好的技術(shù)指標(biāo)且易于通過代碼修改、控制，其占用電路板面積小，可靠性高。以ST公司出品的STM32F407ZET6作為主控芯片，解碼芯片與主控芯片間采用I2C通信，設(shè)計了一款功能多樣、性能優(yōu)良的通信接收機系統(tǒng)[6]。

1 接收機的硬件系統(tǒng)

1.1 解調(diào)芯片介紹

Si4735-D60芯片是一塊高集成度的AM/FM收音機芯片。該芯片支持全球收音機頻道，包括FM無線電系統(tǒng)（RDS）、AM、長波（LW）、短波（SW）和氣象頻道等。除此之外，得益于芯片自身先進的數(shù)字架構(gòu)，它還可以自動搜臺，具有AM/FM/SW/LW 數(shù)字調(diào)諧、自適應(yīng)噪聲抑制能力和RDS/RBDS接收能力[7-8]。

Si4735-D60芯片的電路原理如圖1所示。FMI為FM天線接口，AMI為AM天線接口，AM和FM天線的增益約為20 dB，經(jīng)過低噪放LNA和自動增益模塊AGC后，送入乘法器進行混頻，通過混頻和AFC自動頻率控制將信號由高頻降至低頻，A/D采樣后送入DSP芯片進行數(shù)據(jù)處理，再由D/A采樣輸出模擬信號。ROUT為右聲道輸出，LOUT為左聲道輸出，同時還可通過DOUT輸出數(shù)字

信號。

1.2 外圍電路設(shè)計

如圖2和圖3所示，接收機中所用晶振為32.768 kHz，R1為600 Ω，R2，R3均為2 000 Ω，C5，C6為晶體負載電容，使用的晶振標(biāo)稱負載電容為16 pF，負載電容可由式（1）

得到：

Cl=（C5+C6）/（C5·C6）+Cic+ΔC （1）

式中：Cl為標(biāo)稱負載電容，即16 pF；C5和C6為晶體負載電容，一般C5=C6，經(jīng)計算，C5=C6為22 pF；Cic+ΔC估算為5 pF。RF1接AM天線，RF2接FM天線，AMI引腳需接電感值在180～600 MHz范圍的AM天線。SDIO和SCLK引腳為I2C通信中的數(shù)據(jù)線和時鐘線，外接控制芯片STM32F407ZET6的I2C接口。

芯片工作時，需給VD和VA引腳供電，VD引腳的電壓輸入范圍為1.62～3.6 V，VA引腳的電壓輸入范圍為2.0～5.5 V，因此本系統(tǒng)采用符合硬件要求的3.3 V供電，LOUT和DOUT為模擬信號輸出引腳。GPIO1引腳和GPIO2引腳用來選擇控制方式，GPIO1外接地，GPIO2外接3.3 V，設(shè)置控制方式為I2C。SEN引腳用來確定解碼芯片和主控芯片通信的地址，引腳外接地，地址為0X22，引腳外接3.3 V，地址為0XC6。

1.3 AFC自動頻率控制

AFC系統(tǒng)框圖設(shè)計如圖4所示。

AFC是使輸出信號頻率與給定頻率保持確定關(guān)系的自動控制方法。在使用同步檢波器解調(diào)調(diào)頻信號或帶有導(dǎo)頻的單邊帶信號時，輸入信號載波頻率必須與參考載波完全相同。以AM信號為例，一個AM信號為該系統(tǒng)的輸入，與壓控振蕩器的輸出一起通過混頻器，可寫為：

VAM（t）*Vc（t）=（Va+m（t））*sin（wat）*cos（wct+φc（t）） （2）

式中：Va為AM信號的直流分量；m（t）為基帶信號；wa為載波角頻率；wc為壓控振蕩器中心角頻率。

經(jīng)帶通濾波后可以得到：

（3）

設(shè)本地參考載波[9]：

█Vr（t）=cos（（wc-wa）t+φr（t）） （4）

式（3）、式（4）相乘，輸出為Vd（t），其結(jié)果為：█

（5）

經(jīng)過環(huán)路濾波器后得公式（6）：

（6）

由壓控振蕩器的特性，可得公式（7）：

（7）

式中：Ao為VCO的壓控靈敏度。

Vo（t）控制下壓控振蕩器的輸出為：

（8）

壓控振蕩器角頻率在wc處近似按正弦規(guī)律擺動[10]。當(dāng)環(huán)路濾波器的輸出不再含有時間分量而為某一常數(shù)時，鎖相環(huán)鎖定。輸入鑒相器的瞬時角頻率等于本地參考瞬時角

頻率。

（9）

（10）

φ（0）=0 （11）

將式（7）代入：

（12）

若為常數(shù)，將其記為?w，則Vo也為常數(shù)，如式（13）：

（13）

鎖相環(huán)進入鎖定狀態(tài)，經(jīng)過混頻可得：

（14）

經(jīng)帶通濾波器濾波后得到式（15）：

（15）

角頻率為：

（16）

其與參考載波的角頻率相同。

通過SimuLink搭建的系統(tǒng)如圖5所示。

基帶信號頻率為6 000 Hz，AM信號載波頻率為20 400 Hz，

幅度為1，壓控振蕩器中心頻率為69 100 Hz，幅度為1，壓控靈敏度為1 000 Hz/V，本地參考載波頻率為49 000 Hz，幅度為1。濾波器1的低通帶邊頻為46 000 Hz，高通帶邊頻為52 500 Hz。濾波器2的通帶邊頻為5 000 Hz。濾波器3的低通帶邊頻為40 500 Hz，高通帶邊頻為57 500 Hz。

SimuLink時域仿真結(jié)果如圖6所示，由上到下依次為VAM（t），帶通濾波器輸出V'AM（t），環(huán)路濾波器輸出，橫軸為時間，單位為s，縱軸為信號幅度，單位為V。

VAM（t）與V'AM（t）的頻域仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

可以計算得到環(huán)路濾波器輸出：

（17）

與實驗結(jié)果相符，證明鎖相環(huán)已經(jīng)進入鎖定狀態(tài)。

根據(jù)式（4）和式（9）可以判斷：

（18）

從而：

（19）

代入式（2）：

（20）

從而得到：

（21）

可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)將未知的AM載波頻率搬移到了所需要的本地載波頻率處。

2 功能描述及實驗結(jié)果

智能通信接收機的整體操作流程如圖9所示。全波段接收機可在FM/AM/SW/LW之間切換模式，自動搜臺與手動搜臺結(jié)合，手動調(diào)節(jié)音量，OLED屏顯示當(dāng)前收音模式，接收頻率，F(xiàn)M支持以0.1 MHz為最小單位微調(diào)頻率，存儲需要的電臺并可在OLED屏上顯示，支持一鍵讀取所需

電臺。

OLED屏最上方一行是狀態(tài)欄，從左往右第一個圖標(biāo)為頻率顯示界面標(biāo)志，第二個為存儲界面標(biāo)志，第三個為音量大小顯示。如圖10所示，在當(dāng)前頻率顯示界面下，第二行是當(dāng)前接收的電臺類型，第三行左側(cè)是當(dāng)前的接收頻率，顯示的FM類電臺接收頻率單位為MHz，而AM，LW，SW類接收頻率單位為kHz，第三行右側(cè)的橫線是手動搜臺時輸入數(shù)字顯示處。如圖11所示，在存儲界面下，第二行至第四行為已存儲的信號頻率。經(jīng)過測試，接收效果良好，聲音清晰無雜音。

3 結(jié) 語

本項目利用Si4735-D60實現(xiàn)了AM/FM/LW/SW信號的接收，該系統(tǒng)可以接收的信號頻率范圍包含153～279 kHz，522～1 710 kHz，2 300～23 000 kHz，88.1～107.9 MHz，效果良好。

參考文獻

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收稿日期：2023-03-29 修回日期：2023-05-08

基金項目：國家自然科學(xué)基金（61372146）；教育部協(xié)同育人項目（202101220002）；蘇州科技大學(xué)思政課程資助項目（通信電子線路）