一種通用數字對講機射頻SOC晶片的製作方法

2024-01-22 21:53:15 2

本實用新型涉及對講機技術領域，具體地講，是涉及一種通用數字對講機射頻SOC晶片。

背景技術：

對講機作為專業移動通信系統的重要設備之一，在工業企業，政府，公共安全和其他組織部門的內部指揮調度，搶險救災應急通信和指揮，處理緊急突發事件中發揮著不可替代的作用，已成為國家安全、公安警察、交通管理、石油化工、建築施工、機械製造、物業保安等部門重要的無線通信裝備。

隨著電子、計算機技術和數位化技術的不斷發展，無線電對講機也發生了日新月異的變化，模擬常規和模擬集群對講機都開啟了數位化的時代。數字對講機與傳統模擬對講機相比具有無可比擬的性能優勢，但是數字對講機的成本相對高出許多。在傳統數字對講機方案中，採用數百個分離器件和通用數字處理晶片，集成度低，功耗高，PCB尺寸大，布局困難，射頻、數字模塊之間幹擾大，開發難度大，而且一致性差，需要大量的調試工作，導致數字對講機成本居高不下。

對講機的射頻模擬部分如低噪放大、兩次混頻、窄帶濾波，音頻處理等電路需要佔用較大的PCB面積，且調試複雜，給生產與品質控制帶來極大困難；因此在數字對講機晶片中，射頻收發機同時集成基帶處理的SOC晶片的設計和實現是關鍵技術之一，射頻專用SOC晶片的性能、成本、集成度等因素都直接影響著整個數字對講機系統的成本和性能。銳迪科微電子有限公司的AT1847晶片集成了模擬FM對講機的全部功能，但是用於數字對講機時該晶片只能完成基本的模擬信號上下變頻功能，沒有對數字基帶信號的4FSK調製解調處理，沒有對收發數據幀的處理，也沒有完成對語音信號的編碼和解碼(CODEC)，因此該晶片還需搭載通用的數位訊號處理器(DSP)完成基帶處理和音頻編解碼才能實現完整的數字對講機功能。為了克服現有技術的不足，本實用新型通過先進的射頻SOC晶片製造技術把複雜、零亂、體積大的器件和通用基帶數據處理晶片(DSP)有效集成在晶片內部，實現高性能的數位訊號處理和收發，只需外部搭載通用微處理器(MCU)實現數字對講機通信協議和鍵盤顯示控制即可完成數字對講機完整功能，讓對講機設計越來越簡單可靠，並能方便實現數模兼容通信。

技術實現要素：

為克服現有技術中的上述問題，本實用新型提供一種外圍元器件少、功耗低、集成度高、性能強、成本低、小型化的通用數字對講機射頻SOC晶片。

為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案如下：

一種通用數字對講機射頻SOC晶片，包括採用一次變頻低中頻鏡像抑制結構的接收通道，採用直接調製結構的發射通道，與接收通道和發射通道均連接的數位訊號處理模塊DSP，與數位訊號處理模塊DSP連接的語音編解碼器CODEC，均與語音編解碼器CODEC連接的話音輸入通道和語音輸出通道，以及與數位訊號模塊DSP連接並與外部微處理器MCU進行數據交換的數字接口模塊，其中，話音輸入通道接入麥克風信號，語音輸出通道發出語音信號，接收通道和發射通道通過外接天線輸入和輸出射頻信號。

進一步地，所述接收通道包括接入射頻信號的低噪聲放大器LNA，接收低噪聲放大器LNA輸出的正交射頻信號的正交下變頻混頻器Mixer，與正交下變頻混頻器Mixer連接的鏡像抑制帶通濾波器IR，對經過鏡像抑制帶通濾波器IR的正交信號處理的可變增益放大器VGA，以及將可變增益放大器VGA輸出的射頻模擬信號轉換為向數位訊號處理模塊輸出的數位訊號的接收通道模數變換器ADC1。接收過程中先將射頻信號進行低噪聲放大，然後經過正交下變頻轉換為低中頻信號，下變頻所需的本振信號來自發射通道中的小數頻率綜合器PLL，中頻信號再通過鏡像抑制帶通濾波器濾除幹擾信號以後由可變增益放大器採用自動增益控制機制AGC進行放大，然後通過模數變換器轉換為數字中頻信號，送到數位訊號處理模塊DSP進行基帶信號的解調處理。

進一步地，所述發射通道包括依次連接的FM/FSK/4FSK調製器、小數頻率綜合器PLL和功率放大器驅動級PAdriver，其中，FM/FSK/4FSK調製器接收並調製來自數位訊號處理模塊DSP的待發送信號，功率放大器驅動級PAdriver將待發送信號放大後輸出到外部；所述小數頻率綜合器PLL還接收外部晶振信號並向接收通道輸出差分本振信號。

具體地，所述小數頻率綜合器PLL包括由壓控振蕩器VCO、前置分頻器Prescaler、可編程分頻器PScounter、鑑頻鑑相器PFD、電荷泵CP和CP2以及環路濾波器構成的小數分配鎖相環結構，與可編程分頻器PScounter連接的∑-Δ調製器，以及與壓控振蕩器VCO連接的晶振有源電路，其中，鑑頻鑑相器PFD還接收參考信號Fref，∑-Δ調製器接收小數分頻信號。

發射工作時，基帶信號通過FM/FSK/4FSK調製器對小數頻率綜合器PLL的∑-Δ調製器進行頻率調製，得到的射頻調製信號由VCO輸出，然後通過功率放大器驅動級進行放大後輸出到晶片外部。

更進一步地，所述數位訊號處理模塊DSP包括相互連接的數字中頻信號濾波模塊、信號功率檢測模塊RSSI、自動增益控制模塊AGC、自動頻偏控制模塊AFC、FM/FSK4FSK解調器和包處理模塊PacketHandler，其中，來自接收通道的數字中頻信號經數字中頻信號濾波模塊濾波後，由FM/FSK4FSK解調器解調並輸出至語音編解碼器CODEC；信號功率檢測模塊對解調後的信號進行檢測，結果作用於AGC和AFC，自動增益控制模塊AGC對接收通道中LNA、Mixer和VGA均產生作用，自動頻偏控制模塊AFC作用於接收通道。在接收工作時，通過相應模塊進行數字中頻信號的信道濾波和解調，再送到CODEC進行音頻處理，而FSK/4FSK解調信號則進行時鐘和數據恢復產生二進位碼流，然後經過包處理模塊進行前導碼Preamble檢測、同步字檢測和CRC校驗等操作產生相應的中斷信號，並將有效數據送入接收緩存器RXFIFO進行存儲；DSP在完成信號解調的同時還需要檢測信號功率RSSI和中心頻率便宜，檢測結果作用於自動增益控制模塊AGC和自動頻偏控制模塊AFC，自動增益控制模塊通過控制接收通道各個模塊(如LNA、Mixer和VGA)的增益實現，自動頻偏控制模塊通過控制小數頻率綜合器PLL的∑-Δ調製器實現。發射工作時，帶發送的數據包由包處理模塊從發射緩存器TXFIFO中讀取，然後添加前導碼Preamble、同步字和CRC校驗字後送到DSP中進行整形濾波，最後送到發射通道的FM/FSK/4FSK調製器中進行調製發射。

具體地，所述話音輸入通道包括接入麥克風信號的輸入放大器AMP1，與輸入放大器AMP1連接並與語音編解碼器CODEC連接的模數變換器ADC2，以及從輸入放大器AMP1輸出端採集信號的語音激活檢測電路VOX。

並且，所述語音輸出通道包括與語音編解碼器CODEC連接的數模變換器DAC，以及與數模變換器DAC連接並向外部喇叭輸出語音信號的輸出放大器AMP2。

數字對講機在接收工作時，外部微處理器MCU根據通信協議將晶片的接收數據包中恢復出的語音信號通過數字接口DI(Digital Interface)送到晶片內部的語音編解碼器CODEC進行音頻解碼，解碼後的信號經過數模變換器DAC轉換為模擬信號由輸出放大器AMP2進行放大後送到喇叭重放；數字對講機發射工作時，麥克風信號由輸入放大器AMP1進行放大，然後通過模數變換器ADC2轉換為數字音頻信號，送到語音編解碼器CODEC中進行音頻編碼，編碼後的音頻信號通過數字接口DI送到外部微處理器MCU中根據通信協議進行語音包的成幀處理和發射操作。話音輸入通道中包含的語音激活檢測電路VOX，用於對麥克風語音信號進行檢測和產生中斷信號，以實現對講機的語音激活通話功能。

進一步地，所述數字接口模塊包括均與包處理模塊PacketHandler連接的接收緩存器RXFIFO和發射緩存器TXFIFO，以及與接收緩存器RXFIFO和發射緩存器TXFIFO均連接的數字接口DI，其中，語音編解碼器CODEC還通過數字接口DI與外部微處理器MCU進行數據交換處理。接收緩存器RXFIFO用於存儲基帶數位訊號處理模塊DSP接收到的數據包，發射緩存器TXFIFO用於存儲外部MCU送來的發射數據包，數字接口DI通過中斷信號、串口和通用IO口完成收發數據包、音頻編解碼數據和外部MCU的交換，同時通過SPI接口完成對晶片內部的配置。

與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型將複雜、零亂、體積大的器件和通用基帶數據處理模塊DSP有效集成在晶片內部，實現高性能的數位訊號處理和收發，只需外部搭載通用微處理器MCU實現數字對講機通信協議和鍵盤顯示控制即可完成數字對講機完整功能，使對講機外部設計更為簡單，並能方便實現數模兼容通信，其設計結構巧妙，整體構成較為簡潔，功耗低、集成度高、性能強、成本低、小型化，具有廣泛的應用前景，適合推廣應用。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構框圖。

圖2為本實用新型中小數頻率綜合器的結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明，本實用新型的實施方式包括但不限於下列實施例。

實施例

如圖1至圖2所示，通用數字對講機射頻SOC晶片，包括採用一次變頻低中頻鏡像抑制結構的接收通道，採用直接調製結構的發射通道，與接收通道和發射通道均連接的數位訊號處理模塊DSP，與數位訊號處理模塊DSP連接的語音編解碼器CODEC，均與語音編解碼器CODEC連接的話音輸入通道和語音輸出通道，以及與數位訊號模塊DSP連接並與外部微處理器MCU進行數據交換的數字接口模塊，其中，話音輸入通道接入麥克風信號，語音輸出通道發出語音信號，接收通道和發射通道通過外接天線輸入和輸出射頻信號。

進一步地，所述接收通道包括接入射頻信號的低噪聲放大器LNA，接收低噪聲放大器LNA輸出的正交射頻信號的正交下變頻混頻器Mixer，與正交下變頻混頻器Mixer連接的鏡像抑制帶通濾波器IR，對經過鏡像抑制帶通濾波器IR的正交信號處理的可變增益放大器VGA，以及將可變增益放大器VGA輸出的射頻模擬信號轉換為向數位訊號處理模塊輸出的數位訊號的接收通道模數變換器ADC1。

進一步地，所述發射通道包括依次連接的FM/FSK/4FSK調製器、小數頻率綜合器PLL和功率放大器驅動級PAdriver，其中，FM/FSK/4FSK調製器接收並調製來自數位訊號處理模塊DSP的待發送信號，功率放大器驅動級PAdriver將待發送信號放大後輸出到外部；所述小數頻率綜合器PLL還接收外部晶振信號並向接收通道輸出差分本振信號。

具體地，所述小數頻率綜合器PLL包括由壓控振蕩器VCO、前置分頻器Prescaler、可編程分頻器PScounter、鑑頻鑑相器PFD、電荷泵CP和CP2以及環路濾波器構成的小數分配鎖相環結構，與可編程分頻器PScounter連接的∑-Δ調製器，以及與壓控振蕩器VCO連接的晶振有源電路，其中，鑑頻鑑相器PFD還接收參考信號Fref，∑-Δ調製器接收小數分頻信號。

更進一步地，所述數位訊號處理模塊DSP包括相互連接的數字中頻信號濾波模塊、信號功率檢測模塊RSSI、自動增益控制模塊AGC、自動頻偏控制模塊AFC、FM/FSK4FSK解調器和包處理模塊PacketHandler，其中，來自接收通道的數字中頻信號經數字中頻信號濾波模塊濾波後，由FM/FSK4FSK解調器解調並輸出至語音編解碼器CODEC；信號功率檢測模塊對解調後的信號進行檢測，結果作用於AGC和AFC，自動增益控制模塊AGC對接收通道中LNA、Mixer和VGA均產生作用，自動頻偏控制模塊AFC作用於接收通道。具體地，所述話音輸入通道包括接入麥克風信號的輸入放大器AMP1，與輸入放大器AMP1連接並與語音編解碼器CODEC連接的模數變換器ADC2，以及從輸入放大器AMP1輸出端採集信號的語音激活檢測電路VOX。

並且，所述語音輸出通道包括與語音編解碼器CODEC連接的數模變換器DAC，以及與數模變換器DAC連接並向外部喇叭輸出語音信號的輸出放大器AMP2。

進一步地，所述數字接口模塊包括均與包處理模塊PacketHandler連接的接收緩存器RXFIFO和發射緩存器TXFIFO，以及與接收緩存器RXFIFO和發射緩存器TXFIFO均連接的數字接口DI，其中，語音編解碼器CODEC還通過數字接口DI與外部微處理器MCU進行數據交換處理。接收緩存器RXFIFO用於存儲基帶數位訊號處理模塊DSP接收到的數據包，發射緩存器TXFIFO用於存儲外部MCU送來的發射數據包，數字接口DI通過中斷信號、串口和通用IO口完成收發數據包、音頻編解碼數據和外部MCU的交換，同時通過SPI接口完成對晶片內部的配置。

本實用新型在應用中，既可以用於模擬(FM)對講機，也可以用於數字對講機(4FSK)。

在應用於模擬對講機時，晶片的接收通道將RF載波信號下變頻後進行FM解調，轉化成聲音信號，發射通道將聲音信號經過FM調製轉化成RF載波，高度集成的SOC晶片只需要一個MCU和少許片外元件即可實現模擬對講機功能。接收時，接收通道先將射頻信號進行低噪聲放大，然後經過正交下變頻轉換為低中頻信號，下變頻所需的本振信號由發射通道內的全集成小數頻率綜合器PLL產生，中頻信號再通過鏡像抑制帶通濾波器濾除幹擾信號以後由可變增益放大器VGA採用自動增益控制AGC機制進行放大，然後通過高精度的模數變換器ADC1轉換為數字中頻信號，送到基帶數位訊號處理模塊DSP進行信道濾波和FM解調，解調出的音頻信號送到語音編解碼CODEC經過數字濾波分離出語音信號和亞音頻信號，其中語音信號進行去加重、擴張以後由數模變換器DAC轉換為模擬信號，然後通過音頻放大模塊進行放大後送到喇叭重放，而亞音頻信號則通過濾波和檢測得到亞音頻信令(CTCSS/CDCSS)和DTMF信號用於靜噪(SQ)和通信控制；基帶數位訊號處理模塊在完成信號解調的同時還需要檢測信號功率RSSI和中心頻率偏移，檢測結果用於自動增益控制模塊AGC和自動頻偏控制模塊AFC，自動增益控制通過控制接收通道各個模塊的增益實現，自動頻偏控制通過控制小數頻率綜合器PLL的sigma_delta調製器實現。發射時，音頻處理模塊首先將麥克風產生的信號經過放大及語音激活檢測(VOX)以後進行模數變換(ADC)轉換為數字音頻信號，然後送到語音編解碼(CODEC)進行數字濾波、壓縮、預加重處理，再添加亞音頻信號(CTCSS/CDCSS)和DTMF以後送到基帶數位訊號處理模塊，然後通過FM/FSK/4FSK調製器對小數頻率綜合器的∑-Δ調製器進行FM調製，得到的射頻FM信號由VCO輸出，然後通過功率放大器驅動級PAdriver進行放大後輸出到晶片外部。

在應用於數字對講機時，晶片的射頻收發部分功能和模擬對講機完全類似，接收通道的低噪聲放大器、正交下變頻器、小數頻率綜合器、鏡像抑制帶通濾波器、可變增益放大器VGA、模數轉換器ADC1完成接收射頻信號到數字中頻信號的轉換；發射通道的小數頻率綜合器PLL和射頻功率放大器驅動級完成發射數字基帶信號的4FSK調製和輸出射頻調製信號的功率放大。數字對講機模式和模擬對講機模式最大的區別在於數位訊號的處理部分，晶片接收狀態時，將接收到的數字中頻信號首先通過基帶數位訊號處理模塊DSP進行信道濾波和4FSK信號的解調，並完成接收數據的時鐘和數據恢復(CDR)產生二進位碼流，然後經過包處理模塊PacketHandler進行前導碼Preamble檢測、同步字檢測和CRC校驗等操作產生相應的中斷信號，並將有效數據送入接收緩存器RXFIFO進行存儲，同時產生中斷通知片外MCU通過數字接口DI讀取接收緩存器中的數據並進行數字對講機通信協議的幀處理，MCU根據協議恢復出的語音信號通過數字接口DI送到晶片內部的語音編解碼器CODEC進行音頻解碼，然後經過數模變換器DAC轉換為模擬信號放大後送到喇叭重放；晶片發射狀態時，麥克風產生的信號經過放大及語音激活檢測電路VOX以後進行模數變換器ADC2轉換為數字音頻信號，然後送到語音編解碼器CODEC進行音頻編碼，編碼後的音頻信號通過數字接口DI送到片外MCU中根據數字對講機協議進行發射語音包的幀協議處理，然後將發射幀數據通過數字接口DI寫入晶片內部的發射緩存器TXFIFO，晶片內部包處理模塊PacketHandler讀取發射緩存器TXFIFO中的數據並根據需要添加前導碼Preamble和同步字及CRC校驗字後送到FM/FSK/4FSK調製器模塊對小數頻率綜合器的∑-△調製器進行4FSK調製，得到的射頻調製信號由VCO輸出，然後通過功率放大器驅動級PAdriver進行放大後輸出到晶片外部。

數字對講機晶片還支持FSK調製方式的數據接收和發射，其原理和流程與4FSK信號的接收發射相同。

上述實施例僅為本實用新型的優選實施例，並非對本實用新型保護範圍的限制，但凡採用本實用新型的設計原理，以及在此基礎上進行非創造性勞動而作出的變化，均應屬於本實用新型的保護範圍之內。