過去十年裡，射頻通訊電路設計已有長足進展，這些進展來自全新的射頻架構，也就是一度因為整合度過低、耗電太高和不佳的製程技術而被認為不可能實現的架構。除此之外，高效能和高密度次微米CMOS技術的出現還將數位技術帶入射頻領域，大幅改變射頻通訊電路的設計方式。設計人員已將這些技術用於全球衛星定位系統(GPS)、無線網路和行動電話等許多無線通訊標準，同時發展出強大可靠的高整合晶片組解決方案來提高整體系統效能與可靠性。整合外部零件、射頻電路和數位基頻會帶來許多好處，包括減少零件物料成本(BoM)、縮小電路板面積、簡化電路板層級應用設計和提高可製造性等。
過去十年裡，射頻通訊電路設計已有長足進展，這些進展來自全新的射頻架構，也就是一度因為整合度過低、耗電太高和不佳的製程技術而被認為不可能實現的架構。除此之外，高效能和高密度次微米CMOS技術的出現還將數位技術帶入射頻領域，大幅改變射頻通訊電路的設計方式。設計人員已將這些技術用於全球衛星定位系統(GPS)、無線網路和行動電話等許多無線通訊標準，同時發展出強大可靠的高整合晶片組解決方案來提高整體系統效能與可靠性。整合外部零件、射頻電路和數位基頻會帶來許多好處，包括減少零件物料成本(BoM)、縮小電路板面積、簡化電路板層級應用設計和提高可製造性等。
把全部系統整合到晶片可減少所須測試的外部零件數目，進而提高產品的可製造性。許多現代通訊應用都能看到功能整合的例子，但調頻無線電廣播標準直到最近都沒有太大技術進展。就算進入今日數位時代，許多可攜式調頻無線電仍需超過十五顆外部零件。無線電製造商仍以早期類比技術為其設計基礎，這些類比技術多採用昂貴和低整合度的雙極(Bipolar)性或雙極互補金屬氧化半導體(Bi-CMOS)製程。
調頻系統架構促進FM調諧器演變
儘管FM調諧器(Tuner)相關產品市場持續成長，其無線電架構卻幾乎沒有任何改變。完全整合式百分之百CMOS數位低中頻架構的出現，是FM調諧器無線電架構過去十年來的第一次重大進步，在此之前，設計人員已將數種射頻架構用於FM調諧器，它們各有自己的優缺點。為了方便討，底下分析傳統的調頻發射機和調頻接收機架構以便了解調頻系統的共同架構，同時，介紹FM調諧器的多種演進結果，它們最後為調頻接收器帶來全新的數位低中頻架構，並且解釋這套架構如何實現全面性高效能整合，使得整個FM調諧器只需一顆外部旁路電容。
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| 圖1 調頻發射機(a)與調頻接受機(b)的方塊圖 |
圖1顯示傳統的調頻發射機和接收機，調頻發射機先讓左右聲道的音訊訊號通過預加強濾波器(Pre-emphasis Filter)，然後將訊號與無線數據系統(Radio Data System, RDS)資料結合在一起，產生多工(MPX)訊息訊號m(t)。發射機接著調變訊息訊號頻率，並將結果送到射頻發射機，由它將訊號升頻轉換至無線電頻率，並產生輸出訊號xFM(t)，設計人員可以使用電壓控制振盪器(VCO)實作調頻調變器和射頻發射機功能。就理論而言，這種直接調頻調變法應能正常工作，但設計人員實際上會利用鎖相迴路(PLL)穩定載波頻率以避免頻率漂移，同時利用功率放大器驅動天線。
調頻接收機使用射頻接收機把射頻訊號xFM(t)降轉至基頻，在理想情形下，調頻解調器可藉由反向執行調變程序取回原始訊息。接收機接著把訊息訊號m(t)送給MPX解碼器，以便將音訊和RDS資料分離，再讓左右聲道音訊通過解加強(De-emphasis)電路以消除預加強濾波器引進的線性失真。預加強和解加強濾波器的串聯不會影響左右聲道音訊，但能大幅衰減高頻雜訊與干擾，理論上可將訊號雜波比(SNR)提高13dB左右。
FM調諧器效能主要由射頻接收機與調頻解調器決定，最基本的調頻解調器架構就是一個由時域微分器和封包檢測器組成的鑑頻器(Frequency Discriminator)。採用這種解調器時，微分器會把利用相位儲存資訊的調頻訊號轉換成利用振幅儲存資訊的調幅訊號，然後由封包檢測器從振幅中取回資訊。調頻載波的振幅變動可能會破壞鑑頻器的解調輸出，因此鑑頻器的前面通常會增加一級限幅器，以便除去載波的振幅變動。其他常用的調頻鑑頻器包括Foster-Seeley鑑別器和比例檢測器，製造商過去大都利用離散元件組成的鑑頻器設計調頻解調器，例如變壓器、電晶體、二極體、電阻和電容；而今天，多數設計都已採用IC解決方案。
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| 圖2 典型的所相迴路方塊圖及其線性模型 |
鎖相迴路是目前很受歡迎的一種調頻調變架構，圖2就是典型的鎖相迴路方塊圖及其線性模型。其中PD代表相位檢測器(Phase Detector)，KPD是相位檢測器增益，HLF(s)是迴路濾波器轉移函數，KVCO/s則是壓控振盪器轉移函數。鎖相迴路是一種負回授系統，它會根據輸入訊號xFM(t)鎖定回授訊號xVCO(t)的相位。調頻訊號xFM(t)可表示為下列方程式：
(詳細公式請見新通訊元件雜誌77期7月號)
其中Ac是載波振幅，fc是載波頻率，KVCO是電壓/頻率轉換常數，m(t)則代表資訊或訊息訊號。迴路鎖定後，相位誤差ψc將保持不變，回授訊號xVCO(t)可表示為下列方程式： (詳細公式請見新通訊元件雜誌77期7月號)
在迴路鎖定時為常數，所以送到壓控振盪器的控制電壓將等於m(t)。鎖相迴路的負回授動作會迫使壓控振盪器頻率等於輸入訊號頻率；為了做到此點，它會調整壓控振盪器的控制電壓讓相位誤差保持不變。若從xFM(t)中移除訊息訊號，壓控振盪器頻率將會鎖定載波中心頻率fc並隨其振盪。m(t)出現後，xFM(t)會偏離中心頻率；此時迴路若已鎖定，鎖相迴路就會調整壓控振盪器的控制電壓來追蹤xFM(t)的頻率偏移。由於壓控振盪器的輸出頻率與控制電壓成正比()，xFM(t)的頻率偏移又正比於訊息訊號()，所以壓控振盪器的控制電壓將等於訊息訊號m(t)。
工程師經常以鎖相迴路做為調頻解調器，因為它們可以讓調頻臨界值低於採用鑑頻器的解調器。鎖相迴路、鎖頻迴路(FLL)和帶有回授的頻率解調器(FMFB)之間關係很密切，它們都能擴大調頻解調器的臨界值。雖然此外還有其他的調頻解調器架構，但設計人員通常會利用類比與數位技術在IC裡實作這些解調器。
FM調諧器的無線電環境是由其目標訊號頻段組成，這在美國和歐洲是88M～108MHz，日本則是76M～90MHz；另外，它還包括調諧器頻寬內的所有其他訊號。圖3是FM調諧器射頻前端的簡化方塊圖。射頻段通濾波器(BPF)不會衰減頻段邊緣的通道，因此它通常設計成略大於整個調頻頻段。高效能FM調諧器則會採用頻寬較緊的射頻追蹤濾波器，以便衰減訊號很強的調頻通道所造成的頻段外和頻段內干擾。射頻追蹤濾波器需要可變帶通濾波器和控制機制來改變濾波器的中心頻率，所以多數的低成本調頻接收機不會使用這種濾波器，這使得處理頻段內與頻段外訊號造成的雜訊就成為射頻接收機的關鍵要求之一；其他要求還包括提供通道選擇和小訊號放大功能，但這不能造成訊號雜訊比下降太多。
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| 圖3 FM調諧器射頻前端的簡化方塊圖 |
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| 圖4 調頻超外差接收機 |
超外差接收機轉換訊號
直到1990年代末期為止，幾乎所有商用調頻廣播接收機設計都是採用某種形式的超外差接收機(圖4)。超外差接收機先將調頻訊號轉換成一個或多個中頻，然後才進行調頻解調，圖4是雙中頻超外差接收機。射頻段通濾波器是能讓調頻頻段通過，但會衰減頻段外干擾的一種預選擇濾波器。設計人員會在射頻段通濾波器的後面增加低雜訊放大器(LNA)，它能利用增益衰減後面各級電路傳來的雜訊，進而改善接收機的靈敏度。混波器會把訊號降頻轉換到比本地振盪器頻率還高出和少於中頻頻率的位置，因此接收機需要一個鏡像拒斥帶通濾波器(Image-reject BPF)來選擇目標訊號和拒斥鏡像訊號。中頻段通濾波器IF1 BPF和IF2 BPF是提供通道選擇的固定頻率濾波器，限幅器則會除去降頻訊號的振幅變異，然後才將它送到調頻解調器。接收機的中頻頻率通常會低於射頻頻率，以便設計人員輕鬆實作耗電較小的增益與濾波功能。
超外差架構能將其增益和濾波功能分散到不同的頻率範圍，因此不需要高Q值濾波器就能提供良好雜訊與干擾效能。然而這種架構需要許多外接零件，包括射頻、鏡像和中頻段通濾波器、鎖相迴路壓控振盪器和迴路濾波器等，這使整個設計變得龐大而昂貴。
類比低中頻接收機消除鏡像
類比低中頻架構很像是包含一級中頻電路的超外差架構(圖5)，主要區別在於它的射頻鎖相迴路與混波器是利用正交訊號所設計，故可提供晶片內建的鏡像消除功能。鏡像頻率與目標訊號的距離等於中頻頻率的兩倍，因此中頻訊號頻率如果太低，鏡像訊號就會比較靠近目標訊號，這將迫使設計採用邊緣陡峭的高Q值鏡像拒斥濾波器。但若採用正交混波器，設計人員就能利用鏡像消除技術衰減鏡像訊號，此時就算中頻頻率很低也不會造成影響。完成鏡像消除後，接著就由中頻段通濾波器提供通道選擇。同樣的，在低中頻的位置執行放大(限幅)和通道選擇要比在高中頻或射頻更容易。類比低中頻接收機的主要優點是它能減少所需的外部零件；事實上，工程師若能將射頻和中頻段通濾波器以及射頻鎖相迴路全部整合到晶片，那麼它就完全不需任何外部零件。類比低中頻接收機的最大缺點是其效能與類比零件有關，而類比零件又會受到製程、電壓和溫度變異影響。這些變異通常會將鏡像消除能力限制在25～30dB左右，因此鏡像訊號可能隨著不同的中頻選擇而變得非常大。過大的鏡像訊號會干擾目標訊號，可在FM調諧器的音訊輸出端聽到它在兩個不同的本地振盪器頻率所產生的干擾。除此之外，邊緣陡峭的中頻通道濾波器還需要一顆很大的電容和很多的晶片面積。純類比設計通常只能提供大約35～40dB的相鄰通道選擇性(Adjacent Channel Selectivity)，這使得干擾效能變得很差。此時只要有較大的干擾訊號進入調頻解調器，系統就可能過載或產生內部調變失真。
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| 圖5 類比低中頻接收機 |
數位低中頻接收機具整合/可重複性/可靠性優點
數位低中頻架構(圖6)是一種混合訊號架構，它會利用類比數位轉換器(ADC)把同相位(I)和正交相位(Q)中頻訊號轉換成數位中頻訊號，接著再由數位正交混波器把類比數位轉換器輸出降頻轉換至基頻。這種架構擁有類比低中頻架構的整合優點，以及數位電路實作的可重複性和可靠性。工程師可以利用類比與數位電路的組合提供優異的鏡像拒斥能力，這是因為數位電路能完美匹配和進行校準來排除類比元件的瑕疵。另一優點是中頻低通濾波器毋須提供完整通道濾波，許多時候甚至只須提供衰減隔台干擾源(Alternate Channel Interferer)所需的濾波能力和類比數位轉換器所需的疊頻消除濾波(Anti-aliasing Filtering)。
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| 圖6 數位低中頻接收機方塊圖 |
工程師已在數位域實作通道濾波功能，以提供陡峭的濾波器下降與衰減，並將晶片面積減至最小和利用高密度次微米CMOS的優點。數位低中頻架構的最大缺點是它需要高效能類比數位轉換器，實際要求則視中頻、轉換器前面的干擾濾波數量和輸入訊號的動態範圍要求而定。這套架構已有業者成功用於GSM/GPRS行動電話接收機。
透過CMOS技術精簡元件數
隨著FM調諧器採用數位低中頻接收機架構，一個新的FM調諧器時代也正式展開，數位架構讓調頻接收機透過CMOS技術整合到一顆晶片，這為FM調諧器設計帶來革命性改變。同時，CMOS技術的不斷進步將為數位低中頻FM調諧器帶來許多好處，因為所有調頻訊號處理功能都可在數位域實作。單晶片FM調諧器能簡化設計流程，讓幾乎所有的可攜式消費電子裝置都能輕鬆導入FM調諧器。功能完整的系統單晶片還會將外部零件用料減至最少。另外，設計人員還能在IC製造商的測試實驗室測試完整系統，確保其運作正常，這有助於提高最終產品的品質與可製造性。消費者需求終將迫使可攜式電子產品採用FM調諧器，而新的數位低中頻FM調諧器也將繼續簡化設計和提高可製造性。
(本文作者為Silicon Laboratories廣播產品經理)