摘 要：本文主要介紹了一款全波段智能通信接收機(jī)，以STM32F407ZET6為主控芯片，Si4735-D60作為解碼芯片，實(shí)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(hào)，同時(shí)可由矩陣鍵盤實(shí)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(hào)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(tái)可減少電臺(tái)誤判的幾率，同時(shí)Si4735解碼芯片中使用的AFC（自動(dòng)頻率控制）可以使輸出信號(hào)頻率與給定頻率一致，在本文中對AFC功能進(jìn)行了仿真和原理分析。實(shí)驗(yàn)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(jī)；STM32；I2C總線；AM/FM搜臺(tái)；AFC

中圖分類號(hào)：TP391；TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)的功能是在強(qiáng)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(hào)[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(jī)的生產(chǎn)也有了一定的技術(shù)累積[2]。目前通信接收機(jī)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(shí)現(xiàn)功能逐漸變成了在優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)提升產(chǎn)品的性價(jià)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?，F(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?yàn)樾酒陨硐拗贫糠止δ軣o法優(yōu)化的缺陷[3]。

當(dāng)前的主流接收機(jī)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(jì)了一款功能多樣、性能優(yōu)良的通信接收機(jī)系統(tǒng)[6]。

1 接收機(jī)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(jī)芯片。該芯片支持全球收音機(jī)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(jìn)的數(shù)字架構(gòu)，它還可以自動(dòng)搜臺(tái)，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(dòng)增益模塊AGC后，送入乘法器進(jìn)行混頻，通過混頻和AFC自動(dòng)頻率控制將信號(hào)由高頻降至低頻，A/D采樣后送入DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再由D/A采樣輸出模擬信號(hào)。ROUT為右聲道輸出，LOUT為左聲道輸出，同時(shí)還可通過DOUT輸出數(shù)字

信號(hào)。

1.2 外圍電路設(shè)計(jì)

如圖2和圖3所示，接收機(jī)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(fù)載電容，使用的晶振標(biāo)稱負(fù)載電容為16 pF，負(fù)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(fù)載電容，即16 pF；C5和C6為晶體負(fù)載電容，一般C5=C6，經(jīng)計(jì)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(shí)鐘線，外接控制芯片STM32F407ZET6的I2C接口。

芯片工作時(shí)，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(hào)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(dòng)頻率控制

AFC系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

AFC是使輸出信號(hào)頻率與給定頻率保持確定關(guān)系的自動(dòng)控制方法。在使用同步檢波器解調(diào)調(diào)頻信號(hào)或帶有導(dǎo)頻的單邊帶信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)載波頻率必須與參考載波完全相同。以AM信號(hào)為例，一個(gè)AM信號(hào)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(hào)的直流分量；m（t）為基帶信號(hào)；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(dòng)[10]。當(dāng)環(huán)路濾波器的輸出不再含有時(shí)間分量而為某一常數(shù)時(shí)，鎖相環(huán)鎖定。輸入鑒相器的瞬時(shí)角頻率等于本地參考瞬時(shí)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(jìn)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(hào)頻率為6 000 Hz，AM信號(hào)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(shí)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(shí)間，單位為s，縱軸為信號(hào)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(jì)算得到環(huán)路濾波器輸出：

（17）

與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，證明鎖相環(huán)已經(jīng)進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

智能通信接收機(jī)的整體操作流程如圖9所示。全波段接收機(jī)可在FM/AM/SW/LW之間切換模式，自動(dòng)搜臺(tái)與手動(dòng)搜臺(tái)結(jié)合，手動(dòng)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(chǔ)需要的電臺(tái)并可在OLED屏上顯示，支持一鍵讀取所需

電臺(tái)。

OLED屏最上方一行是狀態(tài)欄，從左往右第一個(gè)圖標(biāo)為頻率顯示界面標(biāo)志，第二個(gè)為存儲(chǔ)界面標(biāo)志，第三個(gè)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(tái)類型，第三行左側(cè)是當(dāng)前的接收頻率，顯示的FM類電臺(tái)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(dòng)搜臺(tái)時(shí)輸入數(shù)字顯示處。如圖11所示，在存儲(chǔ)界面下，第二行至第四行為已存儲(chǔ)的信號(hào)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(xiàng)目利用Si4735-D60實(shí)現(xiàn)了AM/FM/LW/SW信號(hào)的接收，該系統(tǒng)可以接收的信號(hào)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。

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收稿日期：2023-03-29 修回日期：2023-05-08

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