高精度音調(diào)譯碼器的分析與設(shè)計(jì)

摘要：音調(diào)解碼是從語(yǔ)音信號(hào)中提取音調(diào)信息的關(guān)鍵技術(shù)。文章旨在分析音調(diào)解碼的功能，并探索優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)的方法。首先介紹音調(diào)解碼器結(jié)構(gòu)工作原理，然后討論了影響電路性能的關(guān)鍵參數(shù)，如中心頻率和響應(yīng)速度。對(duì)限制捕獲帶寬的內(nèi)部約束結(jié)構(gòu)作研究，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)提出了一種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，使落在14%fo捕獲帶內(nèi)信號(hào)能被識(shí)別并鎖定。希望文章能為進(jìn)一步研究和應(yīng)用音調(diào)解碼器提供有益參考。

關(guān)鍵詞：Bipolar模擬電路；音調(diào)譯碼器；鑒相器；頻率控制；捕獲帶寬

中圖分類(lèi)號(hào)：TN431.1" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）18-0098-04

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

音調(diào)譯碼器（Tone Decoder）具有從音頻信號(hào)中提取音調(diào)信號(hào)信息并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的功能，它在語(yǔ)音合成，音頻分析等方面有廣泛的應(yīng)用[1]。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，使音調(diào)譯碼器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化也隨之更新迭代。

當(dāng)被捕信號(hào)頻帶較窄或需要捕獲特定頻率信號(hào)時(shí)，需要高精度音調(diào)譯碼器，在捕獲特定信號(hào)的同時(shí)盡可能少地引入雜波信號(hào)；對(duì)頻率變化較快或高頻信號(hào)，捕獲速度越快可更早鎖定音調(diào)并轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)；對(duì)頻率變化較慢或穩(wěn)定的信號(hào)則需要設(shè)計(jì)適中的捕獲速度來(lái)與之相匹配，可過(guò)濾噪聲或瞬時(shí)波動(dòng)使輸出更準(zhǔn)確。

振蕩器、鎖相環(huán)與鑒相器的設(shè)計(jì)是研究的重點(diǎn)[2-5]。Kondoh等人研究出一種基于CMOS工藝的鎖相環(huán)與頻率鑒相器，可以獲得較高的鑒相增益和速度[6-7]。許志鵬、余劍等人總結(jié)出三種鑒相法的一般使用準(zhǔn)則，提出不同鑒相法與鎖相環(huán)的最優(yōu)組合，能提高電路鑒相精度，縮短電路開(kāi)發(fā)時(shí)間[8]。屈強(qiáng)等人設(shè)計(jì)出一種用于高速鎖相環(huán)的零死區(qū)的鑒相器，適用于對(duì)速度性能有很高要求的電路[9]。

本文分析了振蕩中心頻率的內(nèi)部約束條件，并提出如何設(shè)置冗余可調(diào)整中心頻率；同時(shí)對(duì)捕獲過(guò)程進(jìn)行研究，兼顧精度與捕獲速度，使14%fo內(nèi)音頻信號(hào)可以被識(shí)別并捕獲。

1 音調(diào)譯碼技術(shù)

1.1 簡(jiǎn)介

集成音調(diào)解碼器電路由兩個(gè)鑒相器、壓控振蕩器及比較放大器等組成。這兩個(gè)鑒相器均采用模擬乘法器結(jié)構(gòu)，其中正交鑒相器輸出經(jīng)濾波后進(jìn)入比較放大器中，控制邏輯輸出高電平或低電平；非正交鑒相器對(duì)輸入信號(hào)及壓控振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行鑒相，經(jīng)環(huán)路濾波后輸出的信號(hào)可用于控制壓控振蕩器的頻率。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引腳定義及使用外圍如圖1所示。

當(dāng)輸入信號(hào)fi落在由鑒相器，低通濾波及壓控振蕩器組成的鎖相環(huán)捕獲帶（BW）內(nèi)，電路可以鎖定該信號(hào)，此時(shí)壓控振蕩器輸出fo等于輸入信號(hào)頻率fi，邏輯輸出端此時(shí)輸出低電平。fo為振蕩器固有輸出頻率，也稱(chēng)為中心頻率（centre frequence），捕獲帶（BW）分布在中心頻率的兩側(cè)，fo與BW直接影響電路性能，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

1.2.1 頻率控制鑒相器捕獲fi過(guò)程

圖2為頻率控制鑒相器邏輯結(jié)構(gòu)，fi為輸入信號(hào)頻率，fo為壓控振蕩器（VCO）輸出頻率。fi與fo存在著相位差，鑒相器將這個(gè)相位差轉(zhuǎn)換成直流電平，從PD_OUT輸出至壓控振蕩器并調(diào)整其輸出頻率fo，使得壓控振蕩器輸出頻率fo向輸入信號(hào)fi頻率靠近，并最終趨于一致。當(dāng)fogt;fi時(shí)，PD_OUT輸出高電平，壓控振蕩器輸出頻率fo降低；當(dāng)folt;fi時(shí)，PD_OUT輸出低電平，壓控振蕩器輸出頻率fo增加。

圖3為頻率控制鑒相器的捕獲輸入信號(hào)fi的過(guò)程。輸出通過(guò)低通濾波回路（LOOP_FIL）的積分作用取出的直流分量，反饋至壓控振蕩器的輸入端，使壓控振蕩器中心頻率fo發(fā)生偏移。該直流量使壓控振蕩器中心頻率fo被牽引，向著輸入信號(hào)頻率fi靠近。直至fo=fi，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，這時(shí)鑒相器輸出PD_OUT也由差拍波變成直流電壓。

1.2.2 正交鑒相器及檢測(cè)比較器工作原理

fi為輸入信號(hào)，fo’為fo的正交信號(hào)，當(dāng)壓控振蕩器輸出中心頻率fo=fi時(shí)，QPD_OUT輸出的直流分量低于Vref，使比較器翻轉(zhuǎn)，從而比較器輸出端OUTPUT也輸出低電平。

圖5為邏輯輸出端翻轉(zhuǎn)過(guò)程，Vref為比較器參考直流電壓；QPD_OUT輸出為經(jīng)過(guò)低通濾波后提取的直流分量，該分量逐漸降低，低于Vref時(shí)使集電極開(kāi)路三極管輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

1.2.3 壓控振蕩器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖6為壓控振蕩器結(jié)構(gòu)，三級(jí)比較器結(jié)構(gòu)對(duì)中心頻率fo進(jìn)行限制。COMP_A決定振蕩器上閾值電VTH_H，COMP_C決定振蕩器下閾值電壓VTH_L；COMP_B為正交信號(hào)比較器，其輸出為fo相位差90度的正交信號(hào)fo’。閾值比較器通過(guò)Q13輸出，最終驅(qū)動(dòng)Q9、Q7與RT串聯(lián)對(duì)CT充放電，且充放電電流大小均衡。

圖7為電源電壓為5V時(shí)，仿真壓控振蕩器的輸出波形，CT端輸出為充放電均衡的三角波；RT端輸出為高精度方波，該方波頻率即中心頻率fo。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3.1 振蕩器中心頻率設(shè)計(jì)

對(duì)圖6結(jié)構(gòu)分析，充電狀態(tài)：Q2開(kāi)啟，Q7、Q10截止；R1上壓降很小。Q9基極電壓近似等于VCC，發(fā)射極電壓VE9近似為VCC-VBE9。Q6基極電壓約2VBE，小于VE9，Q6截止。充電電流ICHRG可表示為：

[ICHRG=VCC-VBE9-VR1-VCT1RT]" " " " "（1）

式（1）中，VCC為電源電壓，默認(rèn)其為5V；VBE9為Q9管BE結(jié)導(dǎo)通電壓，VCT1為充電過(guò)程定時(shí)電容CT上電壓，RT為定時(shí)電阻。

對(duì)放電狀態(tài)：Q2截止，Q6、Q7、Q10開(kāi)啟；R1分走大部分電源電壓。Q9基極電壓由高電平變?yōu)榈碗娖剑琎9管截止。Q6發(fā)射極電壓約為2VBE-VBE6，放電電流ID_CHRG可表示為：

[ID_CHRG=VCT2-2VBE+VBE6RT] （2）

式（2）中，VCT2為放電過(guò)程定時(shí)電容CT上電壓，VBE6為Q6管BE結(jié)導(dǎo)通電壓。

式（1）、（2）中，充電、放電電流均隨著定時(shí)電容上電壓VCT而變化。充電時(shí)，忽略上拉電阻R1上的壓降，Q8集電極電壓VC8近似VCC-VBE9；通過(guò)Q3、Q4的鉗位，VC8放電時(shí)近似為VBE。

VCT波形可以視為R4、R5、R6上產(chǎn)生的參考電壓與Q12管BE結(jié)導(dǎo)通電壓的和；上閾值電壓VCT_H與下閾值電壓VCT_L可表示為：VCT_H=VTH_H+VBE12，VCT_L= VTH_L+VBE12。式中VTH_H與VTH_L分別為COMPA與COMPC比較器的參考電位。

忽略匹配性因素，所有三極管BE結(jié)導(dǎo)通壓降均相等，（1）式可化簡(jiǎn)為：

[ICHRG=VCC-VBE-VCT_LRT+VCC-VBE-VCT_HRT2]" （3）

式（3）中，VCT_L與VCT_H為定時(shí)電容上最低電壓與最高電壓，式（3）實(shí)際為充電電流ICHRG均值。

充電周期TCHRG可表示為：

[TCHRG=CT*VCT_H-VCT_LICHRG] （4）

根據(jù)式（2）化簡(jiǎn)放電電流：

[ID_CHRG=VCT_L-VBERT+VCT_H-VBERT2] （5）

式（5）中，VCT_L與VCT_H為定時(shí)電容上最低電壓與最高電壓，式（5）實(shí)際為放電電流ID_CHRG均值。

放電周期TD_CHRG可表示為：

[TD_CHRG=CT*VCT_H-VCT_LID_CHRG]" "（6）

因ID_CHRG與ID_CHRG大小相近，TCHRG與TD_CHRG近似為1：1；一個(gè)振蕩周期可表達(dá)為：

[T=TCHRG+ TD_CHRG≈2CT*VCT_H-VCT_LICHRG]" （7）

中心振蕩頻率fo可表達(dá)為：

[fo=1T≈ICHRG2CT*VCT_H-VCT_L=2VCC-4VBE-VTH_H-VTH_L4RTCT*（VTH_H-VTH_L）]" （8）

[fo=2VCC-4VBE-VTH_H-VTH_L4*VTH_H-VTH_L*1RTCT]" （9）

式（9） 中電源電壓VCC，BE結(jié)導(dǎo)通電壓VBE，及外圍定時(shí)器件RT、CT均為不變量；上閾值電壓VTH_H，與下閾值電壓VTH_L可通過(guò)改變R4、R5、R6上的電阻調(diào)整，這也是限制中心頻率fo的內(nèi)置條件。設(shè)計(jì)時(shí)需注意R4、R5、R6電阻的精度與匹配，必要時(shí)可對(duì)其做與精度需求相匹配冗余。此外，三極管的失配使得BE結(jié)導(dǎo)通電壓并不都相等，版圖繪制時(shí)應(yīng)盡量保證匹配管尺寸、擺放方向的一致。

1.3.2 捕獲帶設(shè)計(jì)

最大捕獲帶BW是壓控振蕩器的振蕩上限頻率fo_H和下限頻率fo_L之差與振蕩中心頻率fo比率。圖8中，比較器輸出電流為IPD，該電流在圖6振蕩器電路R4、R5、R6上產(chǎn)生電壓，決定COMPA與COMPC比較器的參考電壓VTH_H、VTH_L。

頻控鑒相器無(wú)輸出時(shí)：

[IPD=12*VBIAS_B-VBER3] （10）

式（10）中，VBIAS_B為固定偏置偏壓，大概為0.8V左右。

頻控鑒相器有輸出時(shí)，LOOP_FIL端輸出與Vref端存在相位差的分量，同時(shí)IPD分流量發(fā)生變化，并改變閾值電壓VTH，影響中心頻率fo。IPD最小值為0，IPD最大值為：

[IPD_MAX=VBIAS_B-VBER3] （11）

圖9為仿真鑒相器輸出電流IPD與閾值電壓關(guān)系，IPD越大分走的電流越多，VTH閾值電壓就越低。那么VTH的最大變化幅度也就對(duì)應(yīng)捕獲帶的最大變化幅度。

[BWMAX=VTH_MAX-VTH_MIN12*VTH_MAX+VTH_MIN] （12）

式（12）中，VTH_MAX為閾值電壓最大值，VTH_MIN為閾值電壓最小值。

捕獲帶寬BW也會(huì)隨fo*C2改變而改變。圖10對(duì)比了fo*C2=1 000 Hz*uF與fo*C2=10 000 Hz*uF環(huán)路濾波端口VLOOP_FIL的波形。fo*C2越大，環(huán)路濾波端口電壓VLOOP_FIL越穩(wěn)定。即動(dòng)態(tài)范圍越小，壓控振蕩器可調(diào)整頻率fo范圍越小，捕獲帶也越小。

圖8中的RE2可以調(diào)節(jié)比較器翻轉(zhuǎn)斜率，RE2越小比較器翻轉(zhuǎn)速率就越快。對(duì)RE2設(shè)計(jì)冗余，使其尺寸在1～3個(gè)單位方塊內(nèi)可調(diào)，捕獲帶寬仿真及測(cè)試如下。圖11中fo*C2=1 150，當(dāng)RE2尺寸為30u/30u時(shí)，仿真曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)基本重合。隨著RE2方塊值的增加仿真值與實(shí)測(cè)值偏差逐漸增大。圖12中fo*C2=4 590，與圖11對(duì)比，隨著fo*C2的增加，捕獲帶寬由 14%下降到12%，且更清晰地看到隨著R2尺寸的增加捕獲帶范圍逐漸降低。

表1為PVT驗(yàn)證不同工藝角下最大捕獲范圍，結(jié)果不同工藝角下依舊符合RE2尺寸越大，最大捕獲帶越小；標(biāo)準(zhǔn)工藝角常溫下最大捕獲帶為14%，標(biāo)準(zhǔn)工藝角全溫仿真最大捕獲帶呈拋物線(xiàn)，其余工藝角呈單一溫度特性。

表2為PVT驗(yàn)證不同工藝角下最大捕獲帶溫漂，溫漂系數(shù)隨著RE2電阻的增加而減小，但均在0.01% fo/℃以下。通用音調(diào)解碼器最大捕獲帶為14%，溫漂為0.1% fo/℃，該設(shè)計(jì)足以滿(mǎn)足通用音調(diào)譯碼器設(shè)計(jì)規(guī)則。

2 結(jié)論

本文先介紹了音調(diào)譯碼器的功能及應(yīng)用領(lǐng)域，剖析其內(nèi)部功能模塊并分析工作原理，引出影響其性能的關(guān)鍵參數(shù)中心頻率fo與捕獲帶BW。推出壓控振蕩器的閾值電壓為中心頻率fo的內(nèi)部限制條件，推出頻率控制鑒相器輸出電流I_PD的大小是影響最大捕獲帶的關(guān)鍵，并對(duì)相關(guān)電阻RE2設(shè)計(jì)冗余進(jìn)行PVT仿真驗(yàn)證。設(shè)計(jì)方案上針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)中心頻率fo和捕獲帶寬BW僅對(duì)R4、R5、R6、RE2相關(guān)電阻做冗余，相比增加額外器件結(jié)構(gòu)要更節(jié)省成本且能應(yīng)對(duì)中心頻率偏移及不同捕獲帶寬的需求。最終設(shè)計(jì)電路最大捕獲帶約12%～14%之間，滿(mǎn)足通用音調(diào)譯碼器設(shè)計(jì)需求。

由于仿真模型無(wú)法完全模擬實(shí)際電路中的寄生參數(shù)，仿真值與實(shí)測(cè)存在著差異。此外，音調(diào)譯碼器的捕獲帶的設(shè)計(jì)應(yīng)匹配其具體應(yīng)用，適當(dāng)增加或減小。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】