收音机技术的产生已经有100多年的历史，全球无数的听众使用传统轮调收音机产品也有几十年了。这些传统收音机提供了非常简单的用户界面：一个调节频率的滚轮，一个用来指示所收听电台频率的指针。过去十年中，基于高性能DSP的收音机设计使复杂的用户界面变得更具人性化，包括用于自动搜索/调谐功能的按钮和显示频率的液晶显示器（LCD）。本文将探讨如何设计具有LCD显示频率,而保持滚轮调频的中档收音机，探讨选择音频IC和显示驱动器时要考虑的实际问题，以及如何利用这些技术为终端用户提供最佳的收音机调谐体验。
 
随着越来越多的便携式应用（如手机、便携式媒体播放器）集成了FM收音机功能，市场上存在一种错误的想法：收音机已不再需要。但实际上，收音机仍广受欢迎。这有很多原因，例如，由于干扰和尺寸的限制，要把AM和短波（SW）收音机功能集成到便携式多媒体装置中，在技术上仍然面临许多挑战。同时许多消费者仍然更喜欢通过AM和SW收音机（如外放、智能手机外设装置以及其他便携式收音机产品）收听体育新闻和其他音频广播节目。通常，这些收音机产品都有一个调谐滚轮和一个带有指针的频率指示盘用于显示当前调谐的频率。
 
近年来，基于DSP技术的收音机通过LCD/LED频率显示和自动搜索频率按键吸引了众多消费者。然而，尽管许多收音机用户体会到LCD或LED面板显示频率所带来的便利，但是比起那些调频的按键来，他们还是更喜欢使用直观的调谐滚轮（如图1所示）。为了简便，我们将其称之为“轮调数显”收音机，即“模拟调谐、数字显示”（ATDD）市场。（注：因为市场中数字收音机IC占主导地位，所以“模拟”一词不再准确，但在文章中我们仍然采用行业内普遍使用的缩略词，ATDD。）
 
设计ATDD收音机有多种方法，我们将从系统层面探讨各种设计方法，包括RF性能、复杂度、特性差异以及物料（BOM）成本等。首先我们讨论使用模拟IC设计ATDD收音机的传统方法，接着探究创新型设计，如使用基于DSP收音机IC设计的“虚拟轮调”收音机，最后以一款专门为ATDD市场而优化的新型多波段收音机IC结尾。
 
 

图1：典型的轮调数显收音机示例

采用传统模拟IC设计的ATDD收音机
传统模拟收音机IC可以用于轮调数显收音机设计。然而，由于AM/FM接收器模拟架构的局限性，信号处理主要由芯片外的其他元件完成，因此接收器IC需要较高的BOM成本。此外，由于模拟IC并不能为显示驱动器提供调谐频率信息，在这些传统的收音机方案中，需要一个中频（IF）计数器IC通过本地振荡器脉冲来估算调谐频率并传输给显示驱动器，由显示驱动器显示所计算出的调谐频率，如图2所示。

图2：简化的传统模拟接收器IC系统原理图
 
传统收音机IC应用于轮调收音机市场已有几十年了，其为收音机的发展革新做出了重要贡献。然而，这些传统的方案在收音机生产和获得高品质收音体验上存在许多局限性：
由于模拟收音机IC固有的局限性，传统方案的RF性能较差。传统模拟方案的敏感度较低，选择性也较差。在信号较弱的农村地区，采用这种解决方案的收音机有时候无法接收到广播电台。此外，在频谱拥挤的城市中，邻道干扰导致模拟收音机很难清楚地收听到想听的电台。
与传统的模拟调谐、模拟显示（ATAD）收音机相比，数字显示可谓是ATDD收音机的一个主要卖点。然而，由于模拟IC会引起调谐误差，显示的频率往往不太准确。实际应用中，真正的调谐频率可能与显示的频率偏差四或五个频道，影响了用户体验。
由于模拟技术的局限性，基于模拟IC的系统需要大量的分立器件进行信号处理，例如，电感器和IF过滤器。这导致收音机设计的BOM成本很高，使用多达70个分立器件数量。如此多的分立器件也仅是整个设计的一部分而已。虽然模拟IC本身成本很低，但由于传统方案要使用很多外接器件，导致总BOM成本也相当高。为了有效制造收音机，生产阶段需要大量的人工协助组装、测试和调谐。尽管元器件价格稳定，但随着劳动力成本的攀升，基于传统方案的模拟收音机制造成本随着时间的推移持续上升。 
由于器件数量众多以及由此导致的器件间电磁干扰（EMI），使得收音机产品的系统设计和电路板布局布线变得复杂。对于具有不同频带限制的收音机模块而言，由于模拟IC不支持通用的频率，设计人员不得不创建多个设计。此外，基于传统模拟IC方案的收音机无法通过欧洲电磁辐射兼容性测试(EN55020)，这限制了产品销往欧洲市场的机会。

DSP IC的“虚拟轮调”ATDD收音机设计 
现在的收音机市场已经出现改进后的轮调ATDD收音机，也称为“虚拟轮调”收音机。其调谐滚轮可以像传统滚轮一样进行调谐，不同的是他可以无限转动。与传统轮调收音机突出调谐滚轮设计不同，虚拟滚轮也可以是凹陷或嵌入的，类似于许多便携式模拟播放器的触摸型轮调。虚拟轮调收音机接收器IC把RF频率下变频为IF频率，然后通过模拟数字转换器（ ADC）进行信号数字化处理，最后使用数字模拟转换器（DAC ）恢复信号到扬声器输出。虚拟轮调设计减少了传统方案中额外的BOM器件（例如IF滤波器和变压器），从而获得了较低成本和较好性能。 
以上的收音机IC包括数字输入和数字输出，用户所选的频率作为数字输入经过数字处理转换成数字输出到LCD驱动器。为了与频率调谐滚轮协同工作，需要在前端使用MCU编码器把滚轮调谐转化成数字信号，并将数字信号提供给收音机接收器。然后，接收器进行数字处理并将频率输出到LCD/LED驱动器以便在屏幕上显示。图3是一个简化的虚拟轮调收音机系统原理图。

 图3：简化的虚拟轮调收音机系统原理图
 
目前，这类虚拟轮调系统中使用最广泛的收音机IC是Silicon Labs公司的Si473x多波段接收器。Si473x器件所具备的数字低中频（low-IF）架构能够进行所有音频信号数字化处理，并提供卓越的RF性能。Si473x系列产品功能强大，支持高级特性，例如：自动扫描、存储用户喜欢的电台设置，甚至在LCD屏幕上显示信号强度或信噪比（SNR）。 
但在采用这种解决方案设计ATDD收音机时，有两方面需要考虑：  
由于该IC是为数字调谐收音机而设计，因此需要一个额外的前端MCU编码器作为ADC，这将增加BOM成本。 
编码器滚轮不同于传统调谐滚轮。传统调谐滚轮使用电位计或可变电容器，有最小和最大物理转动限制，而编码器滚轮没有转动限制。相对于有最小和最大频率限制的传统调谐滚轮，这种方式不太直观。
鉴于以上两个问题，收音机制造商仍在探寻新方法，以便在不提高成本的前提下为ATDD收音机提供更佳性能。
 
针对ATDD市场而优化的多波段收音机IC  

Silicon Labs公司最近推出Si484x AM/FM/SW接收器系列产品以满足ATDD收音机市场需求。Si484x IC提供了杰出的性能、更高集成度、调谐高精度和先进的流水线制造技术，将推动ATDD 市场的革新。Si484x系列产品基于Silicon Labs公司已验证的专利技术数字低中频架构，支持从简单的天线接口到L/R模拟音频输出的完整信号处理。Si484x IC集成的ADC可直接将滚轮的模拟调谐转化成变化的频率，同时提供I2C兼容的2线控制连接MCU和LED/LCD驱动器。
传统模拟IC不能输出调谐频率，与之不同的是Si484x不仅能输出实际调谐频率，也支持LCD/LED上显示的有效电台和单声道/多声道信号指示。Si484x也支持数字音量控制、软静音和低/高音音频增强。此外，Si484x为各种信号环境提供高级音频调节功能，消除不同信号环境下的咔嗒、爆破噪声和静电噪声等。而传统方案不具备这些关键功能。

 图4：Si484x多波段收音机IC架构
 
采用如Si484x系列产品解决方案的新一代ATDD收音机，把先进的数字收音机优点带到传统模拟收音机市场。主要优点概括如下：  
降低BOM和劳动力成本：与传统模拟收音机IC相比，高集成度的单芯片Si484x解决方案仅需要极少量的外部器件，BOM成本降低70%以上。相比之下，传统方案需要手动调谐和测试等步骤，增加了劳动力成本和制造时间。Si484x无需手动调谐，从而降低生产成本，加快产品上市时间。此外，Si484x仅需要一次RF模拟测试。与虚拟轮调收音机解决方案相比，Si484x无需使用编码器，但却具备与虚拟轮调收音机设计相媲美的高级功能。  
卓越的RF性能：与传统方案相比，Si484x系列产品先进的数字架构使RF性能更加卓越。表1列出了Si484x系列产品实测下的卓越性能数据。例如，收音机的选择性参数决定了他能否很好的在许多电台共存的环境中锁定目标电台，因为这是拥挤城市中的常见情况。传统模拟收音机使用FM波段为800kHz - 1MHz带宽的宽信道滤波器，这意味着处于此带宽范围的电台会相互干扰，并降低所收听电台的音质。Si484x
器件具有卓越的数字选择滤波器，所占带宽较窄，即使在200kHz范围内存在50dB的强干扰电台，也能够完美接收目标电台信号。
  

表1：Si484x收音机与传统收音机RF实测对比

 
图5显示了Si484x系列产品与传统方案相比所具有的卓越选择性。其选择性数值为阻塞器干扰预期接收信号所需的最低δ值。
 

图5：Si484x与传统模拟IC的选择性对比

 精确的调谐频率显示：传统ATDD方案使用频率计数器IC估算传统模拟IC的调谐频率。这将导致实际的调谐频率与所显示的频率差距很大，而给使用者带来不好的体验。Si484x能够精确调谐，通过I2C接口向显示驱动器提供调谐频率，并且不会产生误差。LCD/LED精确显示了用户所听电台的频率。 

易于设计和构建：数字解决方案比传统模拟方案集成度更高，因此往往更容易设计到印刷电路板上。例如，Si484x系列产品采用已验证的Silicon Labs架构，并建立在Silicon Labs处于业界领先地位的其他广播接收器产品基础上。该架构具有非常小的前端匹配网络，供电隔离和功能配置可在单层电路板上实现，因而BOM成本低，系统管理和加工简单。Si484x的BOM中不含手动调谐的器件，制造商无需在组装线上进行人工安装、测试和装配。收音机制造商可以从产品快速上市、生产工艺简化、劳动力成本降低这几方面受益，而且还可以借助其先进的功能特性使其收音机产品脱颖而出。
 
小结
全球收音机市场竞争激烈，收音机系统设计人员需要全方位的考虑轮调数显收音机的各方面特性，包括RF性能、BOM成本以及制造流程。表2概括了ATDD收音机设计要素，以及各种解决方案的对比。通过对传统模拟方案、虚拟轮调解决方案，以及更新型的ATDD解决方案（Silicon Labs公司新一代Si484x）的对比说明，Si484x系列产品为各类ATDD收音机提供了最佳的多波段接收器解决方案。通过使用Si484x系列的解决方案，收音机制造商可以大大降低BOM和制造成本，同时还可以设计出具有独特功能的差异化收音机，从而在当今激烈的竞争中获得更多市场份额。