基于DSP的汽车收音机中频处理器设计思路和实施.doc

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1、 基于DSP的汽车收音机中频处理器设计思路和实施 摘要-本文介绍了一个基于软件定义的收音机接收机包括中频(IF)数字化设计的考虑和实施。提出系统集成执行解调和调幅调频立体声信号，中频数字化的处理依靠高动态范围的积分式带通A/ D转换器。硬件和软件功能的结合,具有灵活的可编程性。软件包括消除盲目的调频信号,结果是拒绝邻近频道和其他干扰信号,甚至在严重的多径道条件下。描述的这款芯片,实现了在一个0.18 CMOS结构15.2平方毫米，64个引脚的技术。索引词-振幅调制、数字信号处理器、频率调制、中频系统、集成电路设计、收音机广播接收器。I.介绍目前,在无线宽带通信情况下,总的趋势针对软件定义收音机

2、接收机,作为对可重构和多重标准要求系统的答案1。在这样的体系结构,接收器能够修改的数字处理依靠它的配置。两种不同的方法来体现了软件无线电的概念,可以发现,在文献2、3,前者采用数字信号处理器(DSP),后者在一现场可编程门阵列(FPGA)。软件收音机的方法可以应用于汽车工业,在车里的收音机要处理不同的无线电广播标准三个主要市场(欧洲、美国和日本)。面对这个问题最先进的解决方案是使用不同的硬件平台。此外,消费者市场要求的无线电接收机有更先进的功能和调频解调标准是:频道和音频均衡、多样性技术,MPEG-1解码第3层算法已成为共同特点,随着整合与多媒体设备,CD播放机、电话手机和全球定位系统(GPS

3、)导航。一个软件配置广播也需要这些要求。然而,包括射频数字化系统设计是不切合实际的,即使有价值。事实上,一个宽带(A/D)模拟数字转换器,提供高分辨率的一个大的带宽、消耗功率大。这将是一个很大的困难,并不会消失和新深亚微米的技术。模拟预处理、像射频到中频下的转换,拥有优势降低功耗接收机。中间的解决方案4,5的数字化的表现在中频中已经提出来了。通道的直接数字化在这个阶段带来几方面的优势。最明显的是内在精度的解调过程在数字域。第二个好处是简化设计中的模拟前端,由于只有一个调频陶瓷过滤技术。它的目的是保护的A/D转换器由强干扰信号,其规格可以放松,因为它没有提供全部通道选择性，通道滤波和数字线性相位

4、进行滤波，最后但并非最不重要,调频信号接收的带宽可以自动修改,这样具有最佳的权衡信道选择性(取决于抑制邻居通道)和(变形并由内在的信道带宽限制了过滤在调频)被完成。图1，汽车的收音机接收的数字化图1显示了接收机系统整体分割,由一个射频前端和信号处理器组成。射频信号增益调整由一个自动增益控制回路(自动发电控制(AGC),适应水平取决于信号情况。其次,是和局部产生正弦波能够获得一个理想的中频集中版本播出频道。中频信号在最后的带通滤波器采用陶瓷,衰减通道中,邻近带外的能量,从而为后面的阶段减少了动态范围(DR)要求。在汽车收音机系统中, 嵌入式的中频处理器、运行面临严重的现场条件,但它仍然是要保障高

5、保真音频质量。本文的目的是为了说明这样一个中频处理器、重点的动因、设计策略,导致选择的结构。该装置实现了在0.18 15.2平方毫米的芯片上的CMOS技术。本文是有组织的如下。第二部分介绍了功能行为的处理,重点介绍了信号流和背后的基本原理的设计。第三部分批判地址系统架构,提供相关信息的模块。第四部分主要物理数据和报告装置试验结果存在多径传播和邻近通道的干扰。第五部分，是最后结论。II功能描述图2，简化FM信号流解调器。阴影块实现硬件。图3，简化是解调器信号流。阴影块实现硬件。图2、3显示简化信号分别用于流动的FM信号解调是在中频信号处理器的图1，使用调幅而不是数字调频作为工况选择。一个单一中频

6、被使用,使加工前检测的信号独立于自然的调制方案。模拟信号调谐器前端是由一个数字化的积分式A/D转换器。数字下变频器(DDC)转变成一个正交复杂中频基带信号,其带宽和采样率都减少滤波和衰亡。调幅和调频信号根据真实的特有的传播渠道,除了加性噪声、噪音都是在调幅和调频上、多径衰落的一个主要问题是调频信号6,随着信道干扰邻近通道;因此,为了提升接收质量,有必要在这一点上来区分调幅和调频信号。A,调频处理在调频处理的情况下、复杂的基带信号解调前是平等的。缺乏的先验知识传播的信号或要么信道冲激不响应,不能要求任何的训练序列传输盲均衡。这种技术是在恢复信号统计特性的基础上7。频率调制信号的恒模,是恒模算法依

7、据(CMA)8。在恒模算法,系数的有限脉冲响应(FIR)滤波器以补偿适应不同传播渠道传递函数概念,应对附加噪声、多径衰落的失真、邻近通道的干扰。作为一个缺点,恒模算法易收敛到现实世界中的错解无线电广播的情形;事实上,多重调频信号是为了均衡输入,得到了过滤掉所有的噪声,但拥有最高能量的信号,被它所要求的信号或者一个相近信号。在该系统中,给出了一种基于工作9的构想是相反的行为来检测判断并阻止这样的条件。由于这种改进的CMA、带宽的调频信号的收到缩短了过滤器、抑制干扰产生的邻近通道。一个好的权衡系统性能和计算复杂性是选择和六阶均衡器的过滤器。根据信号流图2显示,均衡,AM/FM探测器解调复杂的基带信

8、号;检测结果的综合,也被称为多元化(MPX)信号,其携带音响音频编码和无线数据系统(RDS)信息10。MPX的信号,虽然平等,仍是受由电磁场由于电流变化快、大电流放电点火阶段的汽车引擎产生的瞬时峰值噪声的影响。CMA不能消除这种噪声,由于均衡器在这些随机反应快速的转换下收敛速度不够快。因此,专门为脉冲检测和抑制算法已经提出来了。脉冲检测算法的信号,利用立体MPX水平信息定位刺,这是实现一个一阶有限脉冲响应(IIR)低通滤波器,从而能触发信号指示的出发点和持续飙升。触发信号是用来替代的衰减的部分MPX信号,以重建数据,计算了如实的线性插值前、后的样品的值。音频信息检索MPX随后加工的立体声解码,

9、这也表现典型的弱信号处理函数作为立体通道混合、音频软静音低天线信号,并对于去加重的过滤。经过进一步的采样率减少,数字音频可供传输至外部设备(如功率放大器、D/A转换器,或音频处理器)。B.调幅处理调幅带宽大约是二十分之一的调频,因此需要附加DDC下滤波和衰减后的检测。不平等调幅信号根据恒模算法,有进一步解调的必要。如流程报告图3中,无论是双边频带(DSB)争端解决机构或独立的边频带(ISB)解调技术可应用,根据收到的调制信号质量;提高邻近通道排斥作用,选择和确定的边带解调干扰较弱。这两种策略使用一个AM/FM检测器的振幅作为评价复杂的基带信号的标准。类似于调频信号,在发动机相关峰值区。因此,脉

10、冲检测和噪声进行了音频信号处理。此外,一种奇特的问题是AM信号作为中频名义上的载体;因为内在窄带宽的调制信号,甚至几百赫兹震荡的严重衰减的中频信号。跟踪载波信号频率的表达式由一个自动频率控制(AFC)回路,此外,自动相位控制(APC)已经实现,因为需要相关解调信号。由于系统的通用性,可提取立体声音响等存在兼容性正交振幅的调制(CQUAM)11,是公认立体音响的标准。III. 系统结构一个系统,能够实现先进的信号处理在第二部分描述了,FPGA和DSP的独特性,可能会在费用成本、面积、功率消耗比较大。因为这个原因,结合DSP核心的几个特定应用的外围设备,它主要是硬件加速器,组成该系统,显示在图4。

11、图4，单片机中频处理器硬件架构。该系统充分的同步,所有的钟都要求得到外部的系统时钟,没有任何锁相环的单片振子回路(PLL)。作为起因的事实,A/D转换器需要放低抖动的参考时间,我们将III-A2节讨论,这是不容易得到了锁相环。系统时钟74.1兆赫,两次采样频率转换器。选择这个频率值以没有谐波在全球调频带宽(80 - 108兆赫)。一个重要的要求是模块化结构,即可能有两个相同的设备连接在一起。在这个配置中,应用于那些高计算能力是必要的,一个芯片作为一个主机,而第二个作为一个从机。前者是负责产生系统时钟,这是传送到后者。该系统建在这些限制上,仍然是同步的。接下来,我们描述模块构成的系统。A. 模拟

12、模块1) 中频带通积分A/D转换器:中频A/D转换器是基于多路二阶带通积分调制12,其框图反映在图5。这个转换器是实现交换帽(SC)技术,它的运作是取样频率37.05兆赫,噪声的频率为中心切口。两个自校正控制系统13,一个是为中心频率和电路的品质因数环路滤波器,确保成型精度在噪声带,使转炉温度偏差不敏感和过程在标称值上。差分输入端允许4.0 V顶点到顶点的最大信号振幅,相应的大型脉冲输入电流,沉没的SC输入分支, 最小的一种方法转换缓冲区,从而减少干扰的调谐器。图5。简化的A / D转换器框图。该调制器有78Db DR和72dB峰值信噪比,考虑一个200千赫调频带宽,尽管供电的噪音、接地参照由

13、于数字电路。这符合系统要求的FM解调器(至少75dB DR)。互调失真的(IMD)是65dB,两个音调在11分贝就可以。图6，构架的单片机上的晶振。2) 时钟生成单元(CGU)和振荡器:模块生成所有的时钟信号的系统是石英振荡器的驱动,其框图上被显示在图6,是在第三倍频峰,产生74.1MHz基准抖动时间为10 ps rms。这是一个关键性的中频采样系统,它集的一个上界达到DR14;图7显示这种效应对这些情况的讨论。图7 ，中频上界的A/D动态范围由于采样时钟抖动。在温度变化而导致的高稳定性得不断开发电路。在从机模式,表现为一个缓冲区振荡器,让外部时钟驱动装置。CGU是负责的两个控制振荡器和生成所

14、有的钟都为外设,与DSP关系。选择实现了一个自动平衡设置偏置电流算法用于振荡器,作为一种结果,主机的时钟频率,受参数变化和老化过程的影响。3) 调谐器自动增益控制(AGC)键控数字模拟转换器:当前转向D/A转换器是用来产生一种模拟参考,从数字MPX水平;参考自动增益控制(AGC)中采用的调谐器前端。自动增益控制(AGC)键控信号是由于低通滤波在调谐器、量化噪声不是关键,因此,就可能使用一个标准的8位D/A转换器。B. 数字模块1) 数字下变频器(DDC):DDC模块生产复杂的基带信号后, 相应中频输入。这是选择在DDC硬件因高37.05MHz输入数据率。一个坐标旋转数字计算机(CORDIC)1

15、5及转换模式是用于下来;CORDIC算法是一种迭代计算三角函数,在二进制算术,不需要任何乘法。结果是非常简单的电路相比传统的电路,包括直接数字频率合成(DDFS)和一个复杂的乘数16。高速DSP可以控制的多普勒频移通过,允许5赫兹的载波频率自动跟踪的信号,这是一个重要的特征是,正如II-B节。中频DDC变化的信号频谱频率,同时减少采样率;此外,它提取出的感兴趣的窄频带的宽带输入。这是完成通过级联积分化为一阶级(CIC)滤波17高衰减,第62阶CIC滤波器在停止带补偿掉,和126阶FIR滤波器,用来选择有用的信号带宽(约260千赫)。CIC滤波器的让输入的一个因素32及其数量选择超过85-dB的

16、排斥。两个采样下来FIR滤波器脉动信号进一步让两个因子,各在一个复杂的基带信号产生289.45 kHz的信号。传递函数的特点是在停止带1 mdB波纹和85 - dB阻带衰减。由于前避免变形诱导振幅调制;后者简化了设计的模拟前端,因为只有一个昂贵的外部陶瓷滤波器是必需的。结果显示整体传递函数在图8。图8，DDC传递函数。前插图:变焦的通频带;底插图:变焦停止带。2)DSP核心: 首选的架构是一个超级哈佛结构,那里的执行单元、记忆和外设自主运行,在平行于其他单位,由于专用汽车。分开一个透明的三步取指令译码执行提供了软件设计,潜在、数据和指令的例外是重要;同样,专用硬件为做回路和重复命令介绍零开销,

17、从而高效和优化的分支。这是常见的做法抓好精确性,开展任何处理在一个定点DSP,作为一个不恰当的数据尺度有可能危及其有效性。24位缩减数据的路径,56-bit蓄电池、双精度48*48bit允许动态范围大到足以忽视有限精确性的错误。第一节所述,设计被需要有最大限度的灵活性在软件开发、激励插入独立的数据和程序内存,尤其是12-kB程序和18-kB数据分配内存。此外,另一个6-kB ROM是用来储存启动引导软件。但是,作为一个重要部分,内存空间是用来存储应用软件和滤波系数、高性价比的解决方案可以被考虑。具体地说,尽管是本文对比了软件无线电的概念、使用一种ROM,而不是RAMS非常适合大批量生产,那里的

18、死区是一个关键问题。根据这一选择,但保持同一个功能部分阐述了我,该程序内存可以减少到3 k,需要运行软件控制沟通和外在的世界,而6-kB是用来存储数据中间数据,因此ROM是扩大到27 kB。这将降低有效面积到2平方毫米。直接、间接存储和特殊寻址模式可供选择。特殊处理类别是由隐含的地址,直接数据,立即短数据,绝对地址、绝对短地址、短跳地址,和输入输出短地址。间接寻址模式允许登记后与地址的增加可编程量和索引的偏移量。可以访问的DSP核心的两个数据和控制寄存器外设进行读写数据内存位置。一个专门的四线串行接口允许一点智慧控制寄存器、程序存储器、数据存储器、简化软件的开发。每秒6000万指令(MIPS)

19、是必要的,为信道均衡,50 MIPS为脉冲检测和抑制,20 MIPS为弱信号处理准备的。这更激发的选择提供一种采用DSP系统设计的计算能力148 MIPS。3) AM/FM检测器: AM/FM检测器的振幅和频率信息计算复杂的基带信号后,都是必要和调频检测。允许解调硬件实现的功能是透明的应用程序,节省大约10 MIPS的处理能力,将需要实施相应的软件程序在选定的DSP核心。检测由一个24位缩减精度在旋转模式CORDIC15,采用圆弧切线FM解调技术。评价了CORDIC相位和幅度的输入复数表现为笛卡尔的形式。当探测器正在与调频、相位信号是有区别的,产生频率调制解调。系统时钟频率远高于采样率的数据被

20、处理,最好的选择是一个串行设计实现该算法18;此外,只需要总计CORDIC的实施和转移。作为一种结果,产生的数字硬件紧凑的尺寸,并且可以操作的74.1赫兹。4)硬件立体声解码: 立体声解码图像的左和右音频调频立体声嵌入在复合信号。一个完整的软件做法要求25 MIPS的处理能力在DSP核心。控制音调是19-kHz回收来产生38-kHz硬件锁子载波,这是必要的解码的立体MPX信号。随后,左和右组件由一连串大规模12拍和74拍 FIR滤波器,导致超过85 - dB别名排斥反应,以产量音频采样率36.18 kHz,这是一个整数的系统时钟。额外的硬件解码器的特点是立体声音响自动识别/单声道取决于控制水平

21、和立体混合混合左侧和右侧通道。同样的,数字滤波器在硬件实现对电场强度用于取消程序。脉冲过滤是实施高切由硬件一阶低通滤波器的截止频率是可编程根据信号质量。强调补偿由硬件实现一阶IIR低通滤波器和可编程的特点,因为不同的时间常数对于捕食者为美国、欧洲、日本的公司。所有相关的参数应用于硬件模块寄存器访问的内存映射处理器,这允许运行时间修剪立体声解码功能取决于整个系统和现场测量。5) RDS/RBDS 解调器和解码器：这个模块传送的数据恢复的调频广播电台最广泛的铸件,根据RDS(欧洲)和RDBS(美国)标准10。MPX带通滤波后的信号在57-kHz子载波,加倍了其采样率的插值,RDS/ RBDS解调器

22、中的关系型数据库数据时钟,关系型数据库的数据信号,并可质量信息和灵敏度。该解码器同步数据分组码流及区块的明智的信息,使用一个飞轮机制、执行也是一种错误检测和校正算法。飞轮机制是实现64 -状态有限状态机(FSM)在介绍磁滞数据同步;视综合症的价值和质量信息,有限状态机(FSM)决定是否要求再同步化。RDS/ RBDS存储在一个内存缓冲区的24个地点,准备好通过I2C或串行并行接口(SPI)传输到单片机, 在III-C2节描述6)异步采样率转换器(ASRC):是一种灵活的系统介绍ASRC传输数据,因为它让外部单元,其数据传输速率不同于DSP。传动是透明的,因为没有必要明确程序的输入和输出数据率;

23、ASRC达到这一目标通过自动数字比锁定回路(DRLL)19,评价了不同频率比外部位时钟。C.数字接口该装置为核心的汽车收音机制度,深入交换数据与其他集成电路。这些通常使用专用传输协议,这取决于信息的数量就被转移。产生的需求弹性激励存在几种不同的通信接口。1）系列的音频接口(SAI):SAI是一个致力于数字音频传输和接收数据的接口。这三线,是串行时钟、框架时钟,和串行数据线。基本上,这是一个标准的I2S 20,具有可编程的串行和帧时钟极性,并受雇于MSB/ LSB的首选。两个独立的初始化模块已经铺为更多的灵活性,每个SAI有全双工收发管道,它可以选择主机或从机。通过这种方式,该系统适用于DSP的

24、应用的场合,在那里,阐述了音频数据来自外部的数字设备;此外,利用ASRC,一个SAI通道可以传送到一个不同的时钟域。2) I2C和串行外设接口(SPI):这些接口常用在汽车收音机连接到一个单片机上,负责加载在启动程序内存,并制定和监测参数的信号处理。I2C21是一个标准双向二线制协议用于沟通400 k/s与其他I2C总线兼容的设备。每个模块都可以胜任I2C接收机和发射机,使用一个可配置的主机和从机。SPI总线是一个四线的为I2C控制交流,有单独的输入和输出数据曲线,利用该接口可代替I2C,使用两个更多的缺点销,但有一个频道的优势带宽达1 Mb/s。3)高速串行同步接口(HS3I):是一个所有H

25、S3I模块用来传送与接收数据的速度在9.25 Mb/s的通道。它允许使用中频处理器应用工具，如调谐器和天线多样性22。沟通是在主机和从机的基础上采用四线:一种同步信号从主机到从机和三个双向串行数据线路。一帧同步信号时钟和一个可编程的周期,这允许减少的谐波噪声在通带(23)。协议并不需要传输的任何一点时钟,自主参考内部的到系统时钟,这是由单片振荡器并传送到主机设备的从机。IV. 实验结果该装置已经意识到,在0.18 CMOS技术,具有六个金属水平、金属电容器和双层氧化层厚度。后者可以提供两个0.18 1.8V和0.35 3.3V MOS晶体管。 图9显示装置的照片摄于显微镜上所存在的不同的模块。

26、模具有效面积为15.2平方毫米。技术资料表I报告的执行。图10表明IC模块分解硅区域明智和芯片的功耗电流。后者通过仿真对整个应用调频的接待。图9，中频处理器芯片上的照片。图10，明智的模块故障电流消耗和硅微谐振器的区域。使用表明AM/FM探测器、弯是立体声音响解码器,智力是套接口和采样率转换器,并是是振子。鉴于模拟块公认为是系统性能的关键,设计的两个振荡器/ 数据转换器IFA和已经从前证明和资格被专用测试芯片12。高层次的描述和模拟系统已用来评估你的硬件和软件的划分,为每一个和说明书数码模块。系统的性能,由一个射频前端汽车收音机对DSP24,该信号处理过,已经通过了验证使用标准测试条件。多径传

27、播和相邻/交替信道,是调频干扰的主要原因,本文认为,为了强调均等的有效性就没有接收方案了;该系统的性能是相当或比国家的艺术模拟接收机25。附表二报告详细的测试条件。总谐波失真加噪声(THD+N)的解调的音频进行了测试,在15千赫带宽,因为它是一种常见的方法,对音频质量。图11显示出THD+N性能影响延迟时间在多径条件下,模型在城市和接收一带山区;参数对应于反映不同路径距离7.8至12公里,运动的接收器55.8公里/小时。为短的延迟,我有一个重要的9.8 -dB改进,不那么令人印象深刻了更长时间的延迟,由于数量有限的均衡器26。图12代表多径条件下,反射路径固定在2.1公里,而接收器正以不同速度

28、11日至220.2公里/小时;在这种情况下,均衡产量上升到9.3dB THD+N拉力的改进。图11，THD+N在多径条件下拉力与延迟时间。图12，THD+ N在多径条件下容器和多普勒频率。图13和14展示行为的邻居通道均衡条件下,在这两个图表,而理想的通道电场强度是固定的,你的邻近频道是多样的。当干扰小于预期,加剧了均衡器的拉力6 - 8分贝。这个影响是由于引起附加相位误差自适应滤波技术。不过,邻近通道压制(图13)34分贝,交替信道压制(图14)40分贝被完成。当你的邻近通道比预期明显,均衡收敛由于未达到有限的阻带衰减自适应滤波器。图13，THD+N拉力在邻近的航道条件和射频水平。图14，T

29、HD+N拉力在交替的航道条件和射频水平。V. 结论在本文中,近年来发展起来的一种如果处理器已经展现。模拟接收机相比,解调部分已被结合A/D转换器和DSP与硬件外设。接收者执行通道数字滤波比一个模拟系统能实现从通过带宽,不断的群时延,在乐队的波纹,并停止带衰减。此外,先进的信号处理包括瞎信道均衡可多亏了DSP,产量多路径失真均衡器缓解和邻居通道的排斥反应。该装置实现了在一个0.18 CMOS技术,它可以被认为是一个进步,实现软体收音机接收机在汽车工业。承认本文提出了设备的结果和作者之间合作的大量的设计师,他们都起着重要的作用。作者要感谢所有的人,特别是P. Ruffino负责项目管理G. Boa

30、rin, P. Kirchlechner, and G. Roither 负责系统的定义， F. Adduci, M. Annovazzi, V. Belleville, A. Colaci,V. Colonna, G. Gandolfi, M. Hoidn, R. Kropf, and M.Scheulin 负责整体设计，M. Bricchi, J. Henkel, A. Hoffmann, and M. Schmidl负责软件设计，M. Frey 系统评估，S. Galantin and M. Tonella 应用， F.A. Mancuso,P. Mastromatteo, and P.Volontieri 模拟电路布局，and M. Porta 和他的团队为顶级装配和后端。