全波段智能通信接收机研究

摘 要：本文主要介绍了一款全波段智能通信接收机，以STM32F407ZET6为主控芯片，Si4735-D60作为解码芯片，实现了AM，FM，LW，SW的解调接收。解码芯片与主控芯片之间采用I2C通信方式，通过天线接收所有信号，同时可由矩阵键盘实现多种搜索模式，例如按键搜索、一键搜索等。该系统可以接收的信号频率范围包含153～279 kHz，522～1 710 kHz，2 300～23 000 kHz，88.1～107.9 MHz。该产品重复搜台可减少电台误判的几率，同时Si4735解码芯片中使用的AFC（自动频率控制）可以使输出信号频率与给定频率一致，在本文中对AFC功能进行了仿真和原理分析。实验结果表明，该产品有良好的灵敏度和优秀的搜索能力。

关键词：Si4735；全波段智能接收机；STM32；I2C总线；AM/FM搜台；AFC

中图分类号：TP391；TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）04-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.012

0 引 言

高性能通信接收机的功能是在强干扰和噪声存在的情况下仍旧能够成功接收并解调出所需要的信号[1]。随着现代科学技术的发展，电子产品也不断更新换代。通信接收机的生产也有了一定的技术累积[2]。目前通信接收机的发展趋势也发生了变化，由原先的学习新技术实现功能逐渐变成了在优化技术指标的同时提升产品的性价比。传统的纯硬件电路方案虽然技术指标比较优秀，但占用的电路板面积较大，做工复杂且易损坏，逐渐被新技术替代。现在所采用的是集成电路方案，该方案中各类数字寄存器集成功能丰富、易于调整，但也存在因为芯片自身限制而部分功能无法优化的缺陷[3]。

当前的主流接收机芯片有TEA5767，QN8035，MC3362等[4-5]。本文使用的解码芯片是Silicon Laboratories推出的完全集成式芯片Si4735-D60，该芯片有着良好的技术指标且易于通过代码修改、控制，其占用电路板面积小，可靠性高。以ST公司出品的STM32F407ZET6作为主控芯片，解码芯片与主控芯片间采用I2C通信，设计了一款功能多样、性能优良的通信接收机系统[6]。

1 接收机的硬件系统

1.1 解调芯片介绍

Si4735-D60芯片是一块高集成度的AM/FM收音机芯片。该芯片支持全球收音机频道，包括FM无线电系统（RDS）、AM、长波（LW）、短波（SW）和气象频道等。除此之外，得益于芯片自身先进的数字架构，它还可以自动搜台，具有AM/FM/SW/LW 数字调谐、自适应噪声抑制能力和RDS/RBDS接收能力[7-8]。

Si4735-D60芯片的电路原理如图1所示。FMI为FM天线接口，AMI为AM天线接口，AM和FM天线的增益约为20 dB，经过低噪放LNA和自动增益模块AGC后，送入乘法器进行混频，通过混频和AFC自动频率控制将信号由高频降至低频，A/D采样后送入DSP芯片进行数据处理，再由D/A采样输出模拟信号。ROUT为右声道输出，LOUT为左声道输出，同时还可通过DOUT输出数字

信号。

1.2 外围电路设计

如图2和图3所示，接收机中所用晶振为32.768 kHz，R1为600 Ω，R2，R3均为2 000 Ω，C5，C6为晶体负载电容，使用的晶振标称负载电容为16 pF，负载电容可由式（1）

得到：

Cl=（C5+C6）/（C5·C6）+Cic+ΔC （1）

式中：Cl为标称负载电容，即16 pF；C5和C6为晶体负载电容，一般C5=C6，经计算，C5=C6为22 pF；Cic+ΔC估算为5 pF。RF1接AM天线，RF2接FM天线，AMI引脚需接电感值在180～600 MHz范围的AM天线。SDIO和SCLK引脚为I2C通信中的数据线和时钟线，外接控制芯片STM32F407ZET6的I2C接口。

芯片工作时，需给VD和VA引脚供电，VD引脚的电压输入范围为1.62～3.6 V，VA引脚的电压输入范围为2.0～5.5 V，因此本系统采用符合硬件要求的3.3 V供电，LOUT和DOUT为模拟信号输出引脚。GPIO1引脚和GPIO2引脚用来选择控制方式，GPIO1外接地，GPIO2外接3.3 V，设置控制方式为I2C。SEN引脚用来确定解码芯片和主控芯片通信的地址，引脚外接地，地址为0X22，引脚外接3.3 V，地址为0XC6。

1.3 AFC自动频率控制

AFC系统框图设计如图4所示。

AFC是使输出信号频率与给定频率保持确定关系的自动控制方法。在使用同步检波器解调调频信号或带有导频的单边带信号时，输入信号载波频率必须与参考载波完全相同。以AM信号为例，一个AM信号为该系统的输入，与压控振荡器的输出一起通过混频器，可写为：

VAM（t）*Vc（t）=（Va+m（t））*sin（wat）*cos（wct+φc（t）） （2）

式中：Va为AM信号的直流分量；m（t）为基带信号；wa为载波角频率；wc为压控振荡器中心角频率。

经带通滤波后可以得到：

（3）

设本地参考载波[9]：

█Vr（t）=cos（（wc-wa）t+φr（t）） （4）

式（3）、式（4）相乘，输出为Vd（t），其结果为：█

（5）

经过环路滤波器后得公式（6）：

（6）

由压控振荡器的特性，可得公式（7）：

（7）

式中：Ao为VCO的压控灵敏度。

Vo（t）控制下压控振荡器的输出为：

（8）

压控振荡器角频率在wc处近似按正弦规律摆动[10]。当环路滤波器的输出不再含有时间分量而为某一常数时，锁相环锁定。输入鉴相器的瞬时角频率等于本地参考瞬时角

频率。

（9）

（10）

φ（0）=0 （11）

将式（7）代入：

（12）

若为常数，将其记为∆w，则Vo也为常数，如式（13）：

（13）

锁相环进入锁定状态，经过混频可得：

（14）

经带通滤波器滤波后得到式（15）：

（15）

角频率为：

（16）

其与参考载波的角频率相同。

通过SimuLink搭建的系统如图5所示。

基带信号频率为6 000 Hz，AM信号载波频率为20 400 Hz，

幅度为1，压控振荡器中心频率为69 100 Hz，幅度为1，压控灵敏度为1 000 Hz/V，本地参考载波频率为49 000 Hz，幅度为1。滤波器1的低通带边频为46 000 Hz，高通带边频为52 500 Hz。滤波器2的通带边频为5 000 Hz。滤波器3的低通带边频为40 500 Hz，高通带边频为57 500 Hz。

SimuLink时域仿真结果如图6所示，由上到下依次为VAM（t），带通滤波器输出V'AM（t），环路滤波器输出，横轴为时间，单位为s，纵轴为信号幅度，单位为V。

VAM（t）与V'AM（t）的频域仿真结果如图7、图8所示。

可以计算得到环路滤波器输出：

（17）

与实验结果相符，证明锁相环已经进入锁定状态。

根据式（4）和式（9）可以判断：

（18）

从而：

（19）

代入式（2）：

（20）

从而得到：

（21）

可以发现，该系统将未知的AM载波频率搬移到了所需要的本地载波频率处。

2 功能描述及实验结果

智能通信接收机的整体操作流程如图9所示。全波段接收机可在FM/AM/SW/LW之间切换模式，自动搜台与手动搜台结合，手动调节音量，OLED屏显示当前收音模式，接收频率，FM支持以0.1 MHz为最小单位微调频率，存储需要的电台并可在OLED屏上显示，支持一键读取所需

电台。

OLED屏最上方一行是状态栏，从左往右第一个图标为频率显示界面标志，第二个为存储界面标志，第三个为音量大小显示。如图10所示，在当前频率显示界面下，第二行是当前接收的电台类型，第三行左侧是当前的接收频率，显示的FM类电台接收频率单位为MHz，而AM，LW，SW类接收频率单位为kHz，第三行右侧的横线是手动搜台时输入数字显示处。如图11所示，在存储界面下，第二行至第四行为已存储的信号频率。经过测试，接收效果良好，声音清晰无杂音。

3 结 语

本项目利用Si4735-D60实现了AM/FM/LW/SW信号的接收，该系统可以接收的信号频率范围包含153～279 kHz，522～1 710 kHz，2 300～23 000 kHz，88.1～107.9 MHz，效果良好。

参考文献

[1]宫芳.基于MC3362的FM接收系统[J].中国科技信息，2005，17（20）：16.

[2]许可嘉，杨晓军.基于单片机的FM收音机设计[J].电子产品世

界，2022，29（4）：38-40.

[3]闫复利.基于AK2365A的通信接收机设计[J].信息通信，2018，32（7）：203-205.

[4]张书源，许莹，张磊晶.基于TEA5767与BH1415F的数字调频收发系统[J].电子技术与软件工程，2015，22（16）：128-129.

[5]何晓东.基于QN8035的FM接收机设计[J].电脑知识与技术，2015，20（11x）：169-170.

[6]朱维杰.基于Si473x的嵌入式AM/FM收音机模块设计[J].电声技术，2009，33（2）：32-35.

[7] SILICON LABS. Si4730/31/34/35-D60 [Z]. 2013.

[8] SILICON LABS. AN332 [Z]. 2021.

[9]严国萍.通信电子线路[M].北京：科学出版社，2019.

[10]张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/SimuLink仿真[M].北京：人民邮电出版社，2012.

收稿日期：2023-03-29 修回日期：2023-05-08

基金项目：国家自然科学基金（61372146）；教育部协同育人项目（202101220002）；苏州科技大学思政课程资助项目（通信电子线路）