把全部系统功能集成到单芯片上可以减少所需测试的外部元器件数目，进而提高产品的可制造性。许多现代通信应用都是功能整合的例子，但调频无线电广播标准直到现在都没有太大的技术进展。虽然已经进入数字时代，但许多便携式调频无线电产品仍需超过15个外部元器件。无线电产品制造商仍以早期的模拟技术作为其设计基础，这些模拟技术多半采用昂贵和低集成度的Bi-CMOS工艺。
尽管FM调谐器 (tuner)市场持续成长，其架构却几乎没有任何改变。完全集成式100% CMOS数字低中频架构的出现是FM调谐器架构近10年来的第一次重大进步。在此之前，设计师已将多种射频架构用于FM调谐器，它们各有自己的优缺点。为了讨论方便，本文将分析传统的调频发射机和调频接收机架构，以便了解调频系统。此外，还将介绍FM调谐器的多种演进结果，它们最后为调频接收器带来了全新的数字低中频架构。本文还将解释这种架构如何实现全面地高效能整合，使得整个FM调谐器只需一个外部旁路电容。
图1所示为传统的调频发射机和接收机。调频发射机先让左右声道的音频信号通过预加重滤波器 (pre-emphasis filter)，然后将信号与RDS (Radio Data System) 数据结合在一起，产生复合信号m(t)。然后调制信号频率，并将结果送到射频发射器，由它将信号升频转换至无线电频率并产生输出信号xFM(t)。设计师可以使用电压控制振荡器 (VCO)，实现调频调制器和射频发射器功能。就理论而言，这种直接调频调制法应能正常工作，但设计师会利用锁相环(PLL)稳定载波频率，以避免频率漂移，同时利用功率放大器驱动天线。
调频接收机使用射频接收器把射频信号xFM(t) 降至基带。在理想情况下，调频解调器可通过反向执行调制程序取回原始信息。接收器接着把信号m(t) 送给MPX解调器，以便将音频和RDS数据分离，再让左右声道音频通过去加重(de-emphasis)电路消除预加重滤波器引进的线性失真。预加重和去加重滤波器的串联不会影响左右声道音频，但能大幅衰减高频噪声与干扰，理论上可将信号的信噪比 (SNR) 提高13dB左右。
FM调谐器的效能主要由射频接收器与调频解调器决定。最基本的调频解调器架构就是一个由时域差分器和包络检测器组成的鉴频器 (frequency discriminator)。采用这种解调器时，差分器会把利用相位存储信息的调频信号转换成利用振幅存储信息的调幅信号，然后由包络检测器从振幅中取回信息。调频载波的振幅变动可能会破坏鉴频器的解调输出，因此，鉴频器的前面通常会增加一级限幅器，以便除去载波的振幅变动。其它常用的调频鉴频器包括Foster-Seeley鉴别器和比例检测器。制造商大都利用分立元器件组成的鉴频器设计调频解调器，例如变压器、晶体管、二极管、电阻和电容。目前，多数设计都已采用IC解决方案。
锁相环是很受欢迎的一种调频调制架构。工程师经常以锁相环做为调频解调器，因为它们可以让调频临界值低于采用鉴频器的解调器。锁相环、锁频环 (FLL) 和带有反馈的频率解调器 (FMFB) 之间的关系很密切，它们都能扩大调频解调器的临界值。虽然还有其它的调频解调器架构，但设计师通常会利用模拟与数字技术在IC里实现这些解调功能。
FM调谐器的无线电环境是由其目标信号频带组成的，这在美国和欧洲是88MHz~108MHz，日本则是76MHz~90MHz；另外，它还包括调谐器带宽内的所有其它信号。图2是FM调谐器射频前端的简化方块图。射频带通滤波器 (BPF) 不会衰减频带边缘的通道，因此，它通常设计成略大于整个调频频带。高效能FM调谐器则会采用带宽较窄的射频追踪滤波器，以便衰减信号很强的调频信道所造成的频带外和频带内干扰。射频追踪滤波器需要可变带通滤波器和控制机制来改变滤波器的中心频率，所以，多数低成本调频接收机不会使用这种滤波器，这使得能够处理频带内与频带外信号造成的噪声成为射频接收器的关键功能之一；其它要求还包括提供信道选择和小信号放大功能，但这不会造成信号的信噪比下降太多。
超外差接收机
超外差接收机先将调频信号转换成一个或多个中频，然后才进行调频解调。超外差架构能将其增益和滤波功能分散到不同的频率范围，因此，不需要高Q值滤波器就能实现较低的噪声与干扰。然而，这种架构需要许多外接元器件，包括射频、镜像和中频带通滤波器，以及锁相环、压控振荡器和回路滤波器等，这使它相当庞大而昂贵。
模拟低中频接收机
模拟低中频架构很像是包含一级中频电路的超外差架构(见图3)，主要区别在于它的射频锁相环与混频器是利用正交信号设计的，故可提供芯片内建的镜像消除功能。镜像频率与目标信号的距离是中频频率的两倍，因此，如果中频信号频率太低，镜像信号就会比较靠近目标信号，这将迫使设计采用边缘陡峭的高Q值镜像抑制滤波器。但若采用正交混频器，设计师就能利用镜像消除技术衰减镜像信号，此时，就算中频频率很低也不会造成影响。完成镜像消除后，接着就由中频带通滤波器提供通道选择。同样，在低中频的位置执行放大 (限幅) 和通道选择要比在高中频或射频更容易。模拟低中频接收机的主要优点是能减少外部元器件。事实上，工程师若能将射频和中频带通滤波器以及射频锁相环全部集成到芯片上，那么它就不需要任何外部元器件。模拟低中频接收机的最大缺点是其效能与模拟元器件有关，而模拟元器件又会受到工艺、电压和温度变异的影响。这些变异通常会将镜像消除能力限制在25dB~30dB左右，因此，镜像信号可能随着不同的中频选择而变得非常大。过大的镜像信号会干扰目标信号，可在FM调谐器的音频输出端听到它在两个不同的本地振荡器频率所产生的干扰。除此之外，边缘抖峭的中频通道滤波器还需要一个很大的电容。纯模拟设计通常只能提供大约35dB~40dB的相邻信道选择性 (adjacent channel selectivity)，这使得干扰很强。此时，只要有较大的干扰信号进入调频解调器，系统就可能过载或产生互调失真。
数字低中频接收机
图4是数字低中频接收机的方块图。数字低中频架构是一种混合信号架构，它会利用ADC把同相位 (I) 和正交相位 (Q) 中频信号转换成数字中频信号，再由数字正交混频器把ADC输出的降频信号转换至基带。这种架构拥有模拟低中频架构的整合优点以及数字电路的可重复性和可靠性。工程师可以利用模拟与数字电路的组合提供优异的镜像抑制能力，这是因为数字电路能完美匹配并进行校准，以排除模拟元器件的瑕疵。另一个优点是中频低通滤波器不需提供完整通道滤波，许多时候甚至只需提供衰减隔台干扰源 (alternate channel interferer) 所需的滤波能力和ADC所需的抗混叠滤波 (anti-aliasing filtering)。工程师已在数字域实现了信道滤波功能，以提供陡峭的滤波器下降与衰减，并将芯片面积减至最小。数字低中频架构的最大缺点是它需要高效能ADC，实际要求则视中频、转换器前面的干扰滤波数量和输入信号的动态范围要求而定。这种架构已通过Silicon Laboratories的Aero接收器成功用于GSM/GPRS移动电话接收机。
Si4700 FM调谐器
Si4700是利用数字低中频架构和全CMOS工艺实现的收音机调谐器，使得这套功能齐全的整合解决方案只需一个外接电源旁路电容和不到20mm2的电路板面积。图5是Si4700/01 FM调谐器框图。数字低中频架构可省去外部元器件，而且不必为了模拟工艺变异在工厂进行调整。这种混合信号架构能让DSP执行信道选择、调频解调和立体音频处理，进而提供优于传统模拟架构的效能。
Si4700不需任何外部匹配电路就能达到2.5mV的灵敏度。它还拥有理想的过负载耐受性 (overload immunity)，包括108dBmV的IP3以及50dB与70dB的相邻信道选择性和隔台选择性。
结语
数字架构让调频接收机通过CMOS技术集成到一单芯片上，这为FM调谐器设计带来了革命性的改变。CMOS技术的不断进步将为数字低中频FM调谐器带来许多好处，因为所有调频信号处理功能都可在数字域实现。单芯片FM调谐器能简化设计流程，让几乎所有的便携式消费电子产品都能轻松导入FM调谐器。另外，设计师还能在IC制造商的实验室测试完整系统，确保其正常运作，这有助于提高最终产品的质量与可制造性。■