Радиото с честотна модулация (FM) се използва за висококачествена музика и гласово излъчване в продължение на много години. Той може да осигури отлично качество на звука, стабилност на сигнала и устойчивост на шум. Напоследък FM радиото се използва все по-често в мобилни и лични медийни плейъри. Традиционният метод за FM дизайн обаче изисква много дълга антена, например кабелна слушалка, която ограничава много потребители, които нямат кабелни слушалки. В допълнение, с непрекъснатата популярност на моделите за безжично използване в преносими устройства, все повече потребители могат да се възползват от безжичните FM радиостанции, които използват други видове FM антени, и в същото време могат да използват безжични слушалки или високоговорители, за да слушат звуци.
Тази статия ще представи решение за FM радио приемник, което интегрира или вгражда антената в преносимото устройство, правейки опцията кабела за слушалки. Започваме с максимизиране на приемната чувствителност и след това въвеждаме методи за максимизиране на чувствителността, включително увеличаване на ефективността на резонансната честота, увеличаване на размера на антената и използване на регулируема съвпадаща мрежа, за да се увеличи максимално ефективността на цялата честотна лента на FM. И накрая, тази статия ще даде метода за реализация на настройваема мрежа за съвпадение.
Максимална чувствителност
Чувствителността може да се определи като най-малкия сигнал, който системата за приемане на FM може да получи, като същевременно постигне определено ниво на съотношение сигнал / шум (SNR). Това е важен параметър за работата на FM приемната система, който е свързан със сигнала и шума. Индикаторът за сила на получения сигнал (RSSI) посочва само силата на радиочестотния сигнал в определена точка на честотата на настройка. Той не предоставя никаква информация за шума или качеството на сигнала. Когато сравнявате производителността на приемника при различни антени, съотношението аудио сигнал / шум (SNR) може да бъде по-добър параметър. Ето защо е много важно да увеличите максимално SNR, за да осигурите висококачествено аудио изживяване на слушателя.
Антената е мост, свързващ радиочестотната верига и електромагнитните вълни. Що се отнася до приемането на FM, антената е преобразувател, който преобразува енергията от електромагнитни вълни в напрежение, което може да се използва от електронни схеми (като усилватели с нисък шум (LNA)). Чувствителността на FM приемната система е пряко свързана с напрежението, получено от вътрешния LNA. За да се увеличи максимално чувствителността, това напрежение трябва да се увеличи колкото е възможно повече. На пазара има различни антени, включително слушалки, къси камшици, контури и чип антени, но всички антени могат да бъдат анализирани с еквивалентни схеми. Фигура 1 показва общ еквивалентен модел на антенна схема:
На фигура 1 X може да бъде кондензатор или индуктор. Изборът на X зависи от топологията на антената и нейната електрическа (индуктивна или капацитивна) стойност е свързана с геометрията на антената. Устойчивостта на загуби Rloss е свързана с разсейването на мощността под формата на топлинна енергия в антената. Устойчивостта на радиация Rrad е свързана с напрежението, генерирано от електромагнитни вълни. За улеснение на обяснението, следващият текст ще вземе модела на антената с контур като обект на анализ. Същото изчисление може да се използва и за други видове антени, като къси монополни антени и антени за слушалки.
Фигура 1: Модел на еквивалентна схема на антената.
Максимизирайте ефективността на точката на резонансната честота
За да се максимизира енергията, преобразувана от антената, може да се използва резонансна мрежа за компенсиране на реактивния импеданс на антената и този импеданс ще отслаби стойността на напрежението, проведено от антената към вътрешната LNA. За индуктивните контурни антени кондензаторът Cres се използва, за да накара антената да резонира с желаната честота:
Резонансната честота се отнася до честотната точка, в която антената преобразува електромагнитните вълни в напрежение с най-висока ефективност. Ефективността на антената е съотношението на мощността на Rrad към общата мощност, получена от антената, което може да бъде изразено като Rrad / Zant, където Zant е импедансът на антената с антенната резонансна мрежа. Зант се изразява като:
Когато антената е в резонанс, ефективността η може да се изрази като:
Ефективността при други честотни точки е:
Ефективността на антената η в нерезонансната честотна точка е по-ниска от максималната ефективност ηres, тъй като входният импеданс на антената Zant по това време е или капацитивен, или индуктивен.
Увеличете размера на антената
За да възстанови предадения радиочестотен сигнал, антената трябва да събере възможно най-много енергия от електромагнитната вълна и ефективно да преобразува енергията на електромагнитната вълна в напрежение чрез Rrad. Количеството събрана енергия е ограничено от наличното пространство и размера на антената, използвана от преносимото устройство. За традиционната антена за слушалки дължината й може да достигне четвърт дължина на вълната на FM сигнала и достатъчно енергия може да бъде събрана и преобразувана във напрежение, което може да се използва от вътрешната LNA. В този случай максимизирането на ефективността на антената не е толкова важно.
Тъй като обаче преносимите устройства стават все по-малки и по-тънки, оставащото място за вградени FM антени е станало много ограничено. Въпреки че размерът на антената е увеличен максимално, енергията, събрана от вградената антена, все още е много малка. Следователно става много важно да се подобри ефективността на антената η, без да се жертва производителността и да се използва по-малка антена.
Използвайте регулируема мрежа за съвпадение, за да увеличите максимално ефективността на FM честотната лента
Честотният обхват на FM радиочестотната лента в повечето страни е от 87.5 MHz до 108.0 MHz. Честотната лента на FM излъчването в Япония е 76MHz до 90MHz. В някои страни от Източна Европа FM радиочестотната лента е от 65.8 MHz до 74 MHz. За да се адаптира към всички FM честотни ленти в света, FM приемната система се нуждае от 40MHz честотна лента. Традиционното решение обикновено е да настроите антената към централната честота на FM обхвата. Както показва обаче горната формула, ефективността на антенната система е функция на честотата. Ефективността достига своя максимум в резонансната точка. Когато честотата се отклонява от резонансната честота, ефективността ще намалее. Заслужава да се отбележи, че тъй като честотната лента на глобалната честотна лента на FM достига 40MHz, ефективността на антената ще намалее значително, когато честотата е далеч от точката на резонансната честота. Например, ако фиксирана резонансна честота е настроена на 98MHz, може да се постигне висока ефективност в тази честотна точка, но ефективността на други честотни точки ще бъде значително намалена, като по този начин ще се влоши производителността на честотната модулация далеч от резонансната честотна точка. Фигура 2 показва кривите на ефективност на две антени (антена за слушалки и къса антена), когато фиксираната резонансна честота е в центъра на честотната лента (98MHz).
Фигура 2: Типично представяне на фиксирана резонансна антена във FM обхвата.
Както се вижда от горната фигура, точката от 98MHz може да постигне най-добра ефективност, но колкото по-близо е честотата до ръба на лентата, толкова повече ефективността спада. Това не е голям проблем за антените за слушалки, тъй като размерът на тази антена може да събере достатъчно електромагнитна енергия в цялата честота и да я преобразува в по-високо напрежение към RF приемника. Въпреки това, в сравнение с по-дългата антена за слушалки, късата антена е с малки размери и събира по-малко енергия, така че ефективността бързо ще намалее, когато честотата е далеч от точката на резонанса, т.е. ще възникне, когато се използва схемата с фиксиран резонанс. Основният проблем е, че късите антени имат по-висока стойност "Q" от слушалките, което причинява рязък спад в ефективността на ръба на честотната лента.
Q се отнася до фактора на качеството, който е пропорционален на съотношението на енергията, съхранявана в антенната мрежа за единица време, към загубата или енергията на излъчване. За горната антенна еквивалентна схема с антенна резонансна мрежа Q стойността удовлетворява:
В сравнение с късата антена, антената за слушалки има по-голям размер, така че има по-висока радиационна устойчивост Rrad, което води до по-ниска Q стойност. Тъй като вградените приложения изискват използването на къси антени с високи Q стойности, проблемът със стръмните спадове на ефективността е много виден.
Стойността Q на антената също е свързана с честотната лента на антената и нейната връзка може да бъде изразена като:
Където ƒc е резонансната честота ƒc, а BW е честотната лента на 3dB на антената. В сравнение с по-дългата антена за слушалки, късата антена с висока Q стойност има по-малка честотна лента, така че загубата на ръба на честотната лента е по-голяма.
За да се преодолее ограничението на честотната лента на фиксираната резонансна антена с висока Q, може да се използва самонастройваща се резонансна схема за промяна на "фиксирания резонанс" на "регулируем резонанс", така че веригата винаги да е в точката на резонансната честота, като по този начин максимизира приемната чувствителност. Самонастройващата се резонансна антена може да получи по-високо съотношение сигнал / шум, тъй като усилването от резонансната антена може да намали фигурата на системния шум на приемника, а присъщата висока Q стойност на вградената антена помага да се филтрират възможните хармоници с локален осцилатор Disturbance смесени заедно.
Реализация на регулируема мрежа за съвпадение
Фигура 3 показва концептуалната блок-схема на подобрената архитектура на FM приемника, поддържаща вградени къси антени. "Регулируем резонанс" се реализира чрез регулируем варакторен диод и алгоритъм за настройка на чипа.
Фигура 3: Концептуална блок-схема на Si4704 / 05.
Горният дизайн използва цифрова архитектура със смесен сигнал с нискочестотен IF с процесор за цифров сигнал (DSP), за да реализира усъвършенствани алгоритми за обработка на сигнали, включително самонастройка на вградени къси антени. Алгоритъмът на антената автоматично регулира капацитетната стойност на варакторния диод според всяка точка за настройка на честотата на устройството, за да се постигне най-добра производителност.
Например, ако потребителят се настрои на 101.1MHz (станция 1 на фигура 4), алгоритъмът на антената ще настрои резонансната точка на антенната верига на 101.1MHz, като по този начин оптимизира ефективността на антената и ефективността на приемане на 101.1MHz. Когато потребителят се настрои на 84.1MHz (станция 2 на фигура 4), алгоритъмът на антената пренастройва точката на резонанс на веригата на антената, за да оптимизира приемащата производителност при 84.1MHz.
Фигура 4: Предимства на регулируемия резонанс.
Използването на коригираната честота за настройка на точката на резонанса на антената може да осигури максимална ефективност във всяка дадена честотна точка, като по този начин максимизира получената сила на сигнала в целия честотен диапазон на модулацията на честотата. След приемането на регулируемата резонансна верига, производителността на системата, използваща вградената антена, е подобрена в цялата честотна лента. Резонансната антена в определената честотна точка може също да отслаби интерференцията на други честотни точки, като по този начин значително подобрява селективността на приемника. Следователно потребителят на приемника с тази вградена антена може да бъде по-добре защитен от други случайни източници на смущения. . Това е особено важно в градските райони, където FM лентата е пренаселена.
Обобщение на тази статия
Тъй като моделът за безжично използване става все по-популярен в преносимите устройства, все повече потребители искат да използват безжични FM радиостанции с вградени антени, докато слушат програми с безжични слушалки или високоговорители. Тази статия разглежда принципа за увеличаване на чувствителността за подобряване на FM приемането с помощта на вградени антени и допълнително обсъжда как да го приложите. Тъй като наличното пространство на преносими устройства, които използват вградени антени, е много ограничено, може да се помисли за самонастройваща се резонансна мрежа, за да се увеличи максимално чувствителността на приемника в целия FM обхват, така че да се запази късата антена с максимална ефективност при всяка честота точка.
Нашата друг продукт:
