A radio de modulación de frecuencia (FM) leva moitos anos empregándose para a transmisión de música e voz de alta fidelidade. Pode proporcionar unha excelente calidade de son, robustez do sinal e inmunidade ao ruído. Recentemente, a radio FM empregouse cada vez máis en reprodutores de medios móbiles e persoais. Non obstante, o método de deseño FM tradicional require unha antena moi longa, como un auricular con cable, o que limita a moitos usuarios que non teñen un auricular con cable. Ademais, coa popularidade continua dos modelos de uso sen fíos en dispositivos portátiles, máis usuarios poden beneficiarse de radios FM sen fíos que usan outros tipos de antenas FM e, ao mesmo tempo, poden empregar auriculares ou altofalantes sen fíos para escoitar sons.
Este artigo presentará unha solución de receptor de radio FM que integra ou incorpora a antena dentro do dispositivo portátil, facendo do cable dos auriculares unha opción. Comezamos coa maximización da sensibilidade de recepción e, a continuación, introducimos métodos para maximizar a sensibilidade, incluíndo a eficiencia da frecuencia de resonancia, a maximización do tamaño da antena e o uso dunha rede de correspondencia sintonizable para maximizar a eficiencia de todo o ancho de banda FM. Finalmente, este artigo dará o método de realización da rede de correspondencia sintonizable.
Máxima sensibilidade
A sensibilidade pódese definir como o sinal máis pequeno que pode recibir o sistema receptor FM mentres se consegue un certo nivel de relación sinal / ruído (SNR). Este é un parámetro importante do rendemento do sistema receptor FM, que está relacionado co sinal e o ruído. O indicador de intensidade do sinal recibido (RSSI) só sinala a intensidade do sinal de RF nun punto de frecuencia de sintonización específico. Non proporciona ningunha información sobre o ruído nin a calidade do sinal. Ao comparar o rendemento do receptor en diferentes antenas, a relación sinal-ruído de audio (SNR) pode ser un parámetro mellor. Polo tanto, é moi importante maximizar o SNR para ofrecer unha experiencia de audio de alta calidade ao oínte.
A antena é unha ponte que conecta o circuíto de radiofrecuencia e as ondas electromagnéticas. No que se refire á recepción FM, a antena é un conversor que converte a enerxía das ondas electromagnéticas en voltaxe que pode ser utilizada polos circuítos electrónicos (como os amplificadores de baixo ruído (LNA)). A sensibilidade do sistema receptor FM está directamente relacionada coa tensión que recibe o LNA interno. Para maximizar a sensibilidade, esta tensión debe aumentar o máximo posible. Hai varias antenas no mercado, incluíndo auriculares, látigos curtos, lazos e antenas con chip, pero todas as antenas pódense analizar con circuítos equivalentes. A figura 1 mostra un modelo de circuíto de antena equivalente xeral:
Na figura 1, X pode ser un condensador ou un indutor. A elección de X depende da topoloxía da antena e o seu valor eléctrico (indutivo ou capacitivo) está relacionado coa xeometría da antena. A resistencia á perda Rloss está relacionada coa disipación de enerxía en forma de enerxía calorífica na antena. A resistencia á radiación Rrad está relacionada coa tensión xerada a partir das ondas electromagnéticas. Para facilitar a explicación, o seguinte texto tomará o modelo de antena de bucle como obxecto de análise. O mesmo cálculo tamén se pode empregar para outros tipos de antenas, como as antenas curtas monopolas e as auriculares.
Figura 1: Modelo de circuíto equivalente a antena.
Maximiza a eficiencia do punto de frecuencia de resonancia
Para maximizar a enerxía convertida pola antena, pódese usar unha rede resonante para compensar a impedancia reactiva da antena, e esta impedancia atenuará o valor de tensión conducido pola antena ao LNA interno. Para antenas de bucle indutivo, o condensador Cres úsase para que a antena resoa coa frecuencia desexada:
A frecuencia de resonancia refírese ao punto de frecuencia no que a antena converte as ondas electromagnéticas en tensión coa maior eficiencia. A eficiencia da antena é a relación entre a potencia de Rrad e a potencia total que recibe a antena, que se pode expresar como Rrad / Zant, onde Zant é a impedancia da antena coa rede de resonancia da antena. Zant exprésase como:
Cando a antena está en resonancia, a eficiencia η pode expresarse como:
A eficiencia noutros puntos de frecuencia é:
A eficiencia da antena η no punto de frecuencia non resonante é inferior á eficiencia máxima ηres, porque a impedancia de entrada da antena Zant neste momento é capacitiva ou indutiva.
Maximizar o tamaño da antena
Para recuperar o sinal de radiofrecuencia transmitido, a antena debe recoller a maior cantidade de enerxía posible da onda electromagnética e converter eficientemente a enerxía da onda electromagnética nunha tensión a través de Rrad. A cantidade de enerxía recollida está limitada polo espazo dispoñible e o tamaño da antena utilizada polo dispositivo portátil. Para unha antena de auriculares tradicional, a súa lonxitude pode alcanzar un cuarto de lonxitude de onda do sinal FM e pódese recoller suficiente enerxía e convertela nunha tensión que pode usar o LNA interno. Neste caso, non é tan importante maximizar a eficiencia da antena.
Non obstante, a medida que os dispositivos portátiles son cada vez máis pequenos e delgados, o espazo que queda para as antenas FM incorporadas volveuse moi limitado. Aínda que o tamaño da antena aumentou na medida do posible, a enerxía recollida pola antena incorporada aínda é moi pequena. Polo tanto, faise moi importante mellorar a eficiencia da antena η sen sacrificar o rendemento e usar unha antena máis pequena.
Utilice unha rede de correspondencia axustable para maximizar a eficiencia na banda de frecuencia FM
O rango de frecuencia da banda de transmisión FM na maioría dos países é de 87.5 MHz a 108.0 MHz. A banda de frecuencia de transmisión de FM en Xapón é de 76 MHz a 90 MHz. Nalgúns países de Europa do Leste, a banda de frecuencia de radio FM é de 65.8 MHz a 74 MHz. Para adaptarse a todas as bandas de frecuencia FM do mundo, o sistema receptor FM precisa un ancho de banda de 40 MHz. A solución tradicional adoita sintonizar a antena coa frecuencia central da banda FM. Non obstante, como mostra a fórmula anterior, a eficiencia do sistema de antena é unha función da frecuencia. A eficiencia alcanza o seu máximo no punto de resonancia. Cando a frecuencia se desvía da frecuencia de resonancia, a eficiencia diminuirá. Vale resaltar que, dado que o ancho de banda da banda de frecuencia FM global alcanza os 40 MHz, a eficiencia da antena diminuirá significativamente cando a frecuencia estea lonxe do punto de frecuencia de resonancia. Por exemplo, se se establece unha frecuencia resonante fixa en 98 MHz, pódese conseguir unha alta eficiencia neste punto de frecuencia, pero a eficiencia doutros puntos de frecuencia reducirase significativamente, degradando así o rendemento de modulación de frecuencia moi lonxe do punto de frecuencia resonante. A figura 2 mostra as curvas de eficiencia de dúas antenas (antena de auriculares e antena curta) cando a frecuencia resonante fixa está no centro da banda de frecuencia (98 MHz).
Figura 2: Rendemento típico da antena resonante fixa na banda FM.
Como se pode ver na figura anterior, o punto de 98 MHz pode acadar a mellor eficiencia, pero canto máis preto está a frecuencia do bordo da banda, máis baixa a eficiencia. Este non é un gran problema para as antenas dos auriculares, porque o tamaño desta antena pode recoller suficiente enerxía electromagnética en toda a frecuencia e convertela a unha tensión máis alta ao receptor de RF. Non obstante, en comparación coa antena de auriculares máis longa, a antena curta ten un tamaño pequeno e recolle menos enerxía, polo que a eficiencia diminuirá rapidamente cando a frecuencia estea lonxe do punto de resonancia, é dicir, a recepción no bordo da banda. ocorrerá cando se use o esquema de resonancia fixo. O principal problema é que as antenas curtas teñen un maior valor "Q" que os auriculares, o que provoca unha forte caída da eficiencia no bordo da banda de frecuencia.
Q refírese ao factor de calidade, que é proporcional á relación da enerxía almacenada na rede de antena por unidade de tempo á enerxía perdida ou de radiación. Para o circuíto equivalente de antena anterior con rede de resonancia de antena, o valor Q cumpre:
En comparación coa antena curta, a antena dos auriculares ten un tamaño maior, polo que ten unha maior resistencia á radiación Rrad, o que leva a un valor Q inferior. Dado que as aplicacións integradas requiren o uso de antenas curtas con altos valores de Q, o problema das baixadas fortes de eficiencia é moi destacado.
O valor Q da antena tamén está relacionado co ancho de banda da antena, e a súa relación pódese expresar como:
Onde ƒc é a frecuencia resonante ƒc, e BW é o ancho de banda 3dB da antena. En comparación cunha antena de auriculares máis longa, unha antena curta cun alto valor Q ten un ancho de banda menor, polo que a perda no bordo da banda de frecuencia é maior.
Para superar a limitación de ancho de banda da antena resonante fixa de alta Q, pódese usar un circuíto resonante auto-sintonizador para cambiar a "resonancia fixa" a "resonancia axustable", de xeito que o circuíto estea sempre no punto de frecuencia de resonancia, maximizando así a sensibilidade receptora. Unha antena resonante auto-sintonizante pode obter unha maior relación sinal / ruído, porque a ganancia da antena resonante pode reducir a cantidade de ruído do sistema do receptor e o alto valor Q inherente da antena incorporada axuda a filtrar posibles harmónicos. co oscilador local Perturbación mesturada.
Realización de rede de correspondencia axustable
A figura 3 mostra o diagrama de bloques conceptual da arquitectura de receptor FM mellorada que admite antenas curtas incorporadas. A "resonancia axustable" realízase mediante diodo varactor axustable no chip e algoritmo de afinación.
Figura 3: diagrama de bloques conceptual de Si4704 / 05.
O deseño anterior emprega unha arquitectura dixital de baixo IF con sinal mixto cun procesador de sinal dixital (DSP) para realizar algoritmos avanzados de procesamento de sinal incluíndo a auto-sintonización de antenas curtas incorporadas. O algoritmo da antena axusta automaticamente o valor da capacidade do diodo varactor segundo cada punto de afinación de frecuencia do dispositivo para obter o mellor rendemento.
Por exemplo, se o usuario sintoniza a 101.1 MHz (estación 1 da Figura 4), o algoritmo da antena axustará o punto de resonancia do circuíto da antena a 101.1 MHz, optimizando así a eficiencia da antena e o rendemento de recepción a 101.1 MHz. Cando o usuario sintoniza a 84.1 MHz (estación 2 da Figura 4), o algoritmo da antena axusta o punto de resonancia do circuíto da antena para optimizar o rendemento de recepción a 84.1 MHz.
Figura 4: Beneficios da resonancia axustable.
Usar a frecuencia axustada para sintonizar o punto de resonancia da antena pode proporcionar a máxima eficiencia en cada punto de frecuencia dado, maximizando así a forza do sinal recibido en toda a banda de frecuencia de modulación de frecuencia. Despois de adoptar o circuíto resonante axustable, mellorouse o rendemento do sistema que usa a antena incorporada en toda a banda de frecuencia. A antena resonante no punto de frecuencia designado tamén pode atenuar a interferencia doutros puntos de frecuencia, mellorando así a selectividade do receptor. Polo tanto, o usuario do receptor con esta antena incorporada pode estar mellor protexido doutras fontes de interferencia accidental. . Isto é especialmente importante nas zonas urbanas onde a banda FM está chea de xente.
Resumo deste artigo
A medida que o modelo de uso sen fíos faise cada vez máis popular nos dispositivos portátiles, máis usuarios queren usar radios FM sen fíos con antenas incorporadas mentres escoitan programas con auriculares ou altofalantes sen fíos. Este artigo analiza o principio de maximizar a sensibilidade para mellorar a recepción de FM mediante antenas incorporadas e discute ademais como implementala. Dado que o espazo dispoñible nos dispositivos portátiles que utilizan antenas incorporadas é moi limitado, pódese considerar unha rede de resonancia auto-sintonizadora para maximizar a sensibilidade do receptor en toda a banda FM, de xeito que a antena curta poida manter a máxima eficiencia en cada frecuencia. punto.
Noso outro produto:
