A frekvenciamodulációs (FM) rádiót évek óta használják a nagy pontosságú zene- és hangszórásokhoz. Kiváló hangminőséget, jelerősséget és zajzavart tud biztosítani. Az utóbbi időben az FM rádiót egyre inkább használják a mobil és a személyes médialejátszókban. A hagyományos FM-tervezési módszerhez azonban nagyon hosszú antenna szükséges, például vezetékes fülhallgató, amely korlátozza sok olyan felhasználó számára, akiknek nincs vezetékes fülhallgatójuk. Ezen túlmenően, a hordozható eszközök vezeték nélküli használati modelljeinek folyamatos népszerűségével egyre több felhasználó élvezheti azokat a vezeték nélküli FM rádiókat, amelyek más típusú FM antennákat használnak, és ugyanakkor vezeték nélküli fejhallgatóval vagy hangszóróval is hallgathatják a hangokat.
Ez a cikk bemutat egy FM rádióvevő megoldást, amely integrálja vagy beágyazza az antennát a hordozható eszközbe, így a fejhallgató kábel opciót jelent. Először a vételi érzékenység maximalizálásával kezdjük, majd az érzékenység maximalizálására szolgáló módszereket vezetünk be, ideértve a rezonancia frekvencia hatékonyságának maximalizálását, az antenna méretének maximalizálását és egy hangolható illesztési hálózat használatát a teljes FM sávszélesség hatékonyságának maximalizálása érdekében. Végül ez a cikk bemutatja a hangolható illesztési hálózat megvalósításának módszerét.
Maximális érzékenység
Az érzékenység meghatározható a legkisebb jelként, amelyet az FM vevő rendszer képes fogadni, miközben elér egy bizonyos szintű jel-zaj arányt (SNR). Ez az FM vevő rendszer teljesítményének fontos paramétere, amely a jelhez és a zajhoz kapcsolódik. Az RSSI (Received Signal Strength Indicator) csak egy adott hangolási frekvencia ponton jelzi az RF jel erősségét. Nem ad információt a zajról vagy a jel minőségéről. A vevő különböző antennák teljesítményének összehasonlításakor az audio jel-zaj arány (SNR) lehet jobb paraméter. Ezért nagyon fontos az SNR maximalizálása, hogy kiváló minőségű hangélményt nyújtson a hallgatónak.
Az antenna a rádiófrekvenciás áramkört és az elektromágneses hullámokat összekötő híd. Ami az FM vételt illeti, az antenna egy átalakító, amely elektromágneses hullámok energiáját feszültséggé alakítja, amelyet elektronikus áramkörök (például alacsony zajszintű erősítők (LNA)) használhatnak. Az FM vevő rendszer érzékenysége közvetlenül függ a belső LNA által vett feszültségtől. Az érzékenység maximalizálása érdekében ezt a feszültséget a lehető legnagyobb mértékben meg kell növelni. Különböző antennák vannak a piacon, többek között fülhallgató, rövid ostor, hurok és chipantenna, de az összes antennát egyenértékű áramkörökkel lehet elemezni. Az 1. ábra egy általános egyenértékű antenna áramkör modellt mutat:
Az 1. ábrán X lehet kondenzátor vagy induktor. X megválasztása az antenna topológiájától függ, és elektromos (induktív vagy kapacitív) értéke összefügg az antenna geometriájával. Az Rloss veszteségellenállás összefügg az antenna hőenergia formájában történő energiaveszteségével. Az Rrad sugárzási ellenállás összefügg az elektromágneses hullámok által generált feszültséggel. A magyarázat megkönnyítése érdekében a következő szöveg a hurokantennamodellt veszi elemzési objektumnak. Ugyanez a számítás alkalmazható más típusú antennákra is, például rövid monopólus antennákra és fülhallgató antennákra.
1 ábra: Antenna egyenértékű áramköri modell.
Maximalizálja a rezonancia frekvencia pont hatékonyságát
Az antenna által átalakított energia maximalizálása érdekében rezonáns hálózatot lehet használni az antenna reaktív impedanciájának ellensúlyozására, és ez az impedancia gyengíti az antenna által a belső LNA felé vezetett feszültségértéket. Induktív hurokantennáknál a Cres kondenzátort használják arra, hogy az antenna a kívánt frekvencián rezonáljon:
A rezonancia frekvencia arra a frekvenciapontra vonatkozik, amelynél az antenna az elektromágneses hullámokat a legnagyobb hatásfokkal feszültséggé alakítja. Az antenna hatékonysága az Rrad-on mért teljesítmény és az antenna által vett teljes teljesítmény aránya, amelyet Rrad / Zant-ként fejezhetünk ki, ahol Zant az antenna és az antenna rezonancia hálózat impedanciája. A Zant kifejezése:
Ha az antenna rezonancia, a η hatékonyságot kifejezhetjük:
A többi frekvenciapont hatékonysága:
Az antenna η hatékonysága a nem rezonáns frekvencia ponton alacsonyabb, mint a maximális ηres hatásfok, mivel a Zant antennabemeneti impedancia ekkor kapacitív vagy induktív.
Az antenna méretének maximalizálása
Az átvitt rádiófrekvenciás jel visszanyerése érdekében az antennának a lehető legtöbb energiát össze kell gyűjtenie az elektromágneses hullámból, és az elektromágneses hullám energiáját Rrad-on keresztül feszültséggé kell hatékonyan átalakítania. Az összegyűjtött energia mennyiségét a rendelkezésre álló hely és a hordozható eszköz által használt antenna mérete korlátozza. Egy hagyományos fülhallgató-antenna esetében a hossza elérheti az FM-jel negyed hullámhosszát, és elegendő energiát lehet összegyűjteni és a belső LNA által felhasználható feszültséggé alakítani. Ebben az esetben az antenna hatékonyságának maximalizálása nem olyan fontos.
Mivel azonban a hordozható eszközök egyre kisebbek és vékonyabbak, a beágyazott FM antennák számára hagyott hely nagyon korlátozott lett. Annak ellenére, hogy az antenna méretét a lehető legnagyobb mértékben megnövelték, a beágyazott antenna által összegyűjtött energia még mindig nagyon kicsi. Ezért nagyon fontossá válik az antenna hatékonyságának javítása η a teljesítmény feláldozása és egy kisebb antenna használata nélkül.
Használja az állítható illesztési hálózatot az FM frekvenciasáv hatékonyságának maximalizálása érdekében
Az FM-sáv frekvenciatartománya a legtöbb országban 87.5–108.0 MHz. A Japánban sugárzott FM frekvenciasáv 76 és 90 MHz között van. Néhány kelet-európai országban az FM rádiófrekvenciás sáv 65.8–74 MHz. A világ összes FM frekvenciasávjához való alkalmazkodáshoz az FM vevő rendszernek 40MHz sávszélességre van szüksége. A hagyományos megoldás általában az antenna hangolása az FM sáv középfrekvenciájára. Amint azonban a fenti képlet mutatja, az antennarendszer hatékonysága a frekvencia függvénye. A hatékonyság a rezonancia ponton éri el a maximumot. Amikor a frekvencia eltér a rezonancia frekvenciától, a hatékonyság csökken. Érdemes megjegyezni, hogy mivel a globális FM frekvenciasáv sávszélessége eléri a 40MHz-et, az antenna hatékonysága jelentősen csökken, ha a frekvencia messze van a rezonancia frekvenciapontjától. Például, ha egy fix rezonancia frekvenciát 98MHz-re állítunk, ezen a frekvenciaponton nagy hatékonyság érhető el, de a többi frekvenciapont hatékonysága jelentősen csökken, ezáltal rontja a frekvenciamoduláció teljesítményét messze a rezonáns frekvenciaponttól. A 2. ábra két antenna (fülhallgató-antenna és rövid antenna) hatékonysági görbéjét mutatja, amikor a rögzített rezonanciafrekvencia a frekvenciasáv közepén van (98MHz).
2. ábra: Tipikus rögzített rezonáns antenna teljesítmény az FM sávban.
Amint a fenti ábrából látható, a 98MHz-es ponttal lehet elérni a legjobb hatékonyságot, de minél közelebb van a frekvencia a sáv széléhez, annál inkább csökken a hatásfok. Ez nem jelent nagy problémát a fülhallgató antennák számára, mert ennek az antennának a mérete elegendő elektromágneses energiát képes összegyűjteni a teljes frekvenciában, és nagyobb feszültséggé alakítani az RF vevő felé. A hosszabb fülhallgató antennához képest azonban a rövid antenna kicsi és kevesebb energiát gyűjt, így a hatékonyság gyorsan csökken, ha a frekvencia messze van a rezonancia ponttól, vagyis a vétel a sáv szélén a rögzített rezonancia séma alkalmazásakor fog bekövetkezni. A fő probléma az, hogy a rövid antennák magasabb "Q" értékkel rendelkeznek, mint a fülhallgatók, ami a hatékonyság meredek csökkenését okozza a frekvenciasáv szélén.
Q a minőségi tényezőre vonatkozik, amely arányos az antennahálózatban időegységenként tárolt energia és a veszteség vagy sugárzási energia arányával. Az antenna rezonancia hálózattal ellátott fenti antennaegyenértékű áramkör esetében a Q érték kielégíti:
A rövid antennához képest a fülhallgató antennájának mérete nagyobb, ezért nagyobb a Rrad sugárzási ellenállása, ami alacsonyabb Q értékhez vezet. Mivel a beágyazott alkalmazások rövid, magas Q értékű antennákat igényelnek, a meredek hatékonyságcsökkenés problémája nagyon hangsúlyos.
Az antenna Q értéke szintén összefügg az antenna sávszélességével, és a kapcsolata a következőképpen fejezhető ki:
Ahol ƒc a rezonáns frekvencia ƒc, és BW az antenna 3dB sávszélessége. Egy hosszabb fülhallgató antennához képest egy rövid, magas Q értékű antenna kisebb sávszélességgel rendelkezik, így a veszteség a frekvenciasáv szélén nagyobb.
A magas Q rögzített rezonancia antenna sávszélességének korlátozásának leküzdése érdekében egy önhangoló rezonáns áramkör használható a "rögzített rezonancia" "állítható rezonanciára" változtatására úgy, hogy az áramkör mindig a rezonancia frekvencia pontján legyen, ezáltal maximalizálja a vételi érzékenységet. Az önhangoló rezonáns antenna nagyobb jel / zaj arányt érhet el, mert a rezonáns antenna erősítése csökkentheti a vevő rendszer zajszintjét, és a beágyazott antenna eredendő magas Q értéke segít kiszűrni a lehetséges harmonikusokat a helyi oszcillátorral a Disturbance-t összekeverve.
Állítható illesztési hálózat megvalósítása
A 3. ábra a beépített rövid antennákat támogató továbbfejlesztett FM-vevő architektúra elvi blokkvázlatát mutatja. Az "állítható rezonancia" a chipen belül állítható varaktoros diódával és a hangolási algoritmussal valósul meg.
3. ábra: Az Si4704 / 05 elvi blokkdiagramja.
A fenti kialakítás vegyes jelű digitális alacsony IF-architektúrát és digitális jelfeldolgozót (DSP) használ a fejlett jelfeldolgozó algoritmusok megvalósításához, beleértve a beágyazott rövid antennák önhangolását. Az antenna algoritmus a legjobb teljesítmény elérése érdekében automatikusan beállítja a varaktor dióda kapacitási értékét az eszköz egyes frekvencia-beállítási pontjai szerint.
Például, ha a felhasználó 101.1 MHz-re hangol (az 1. állomás a 4. ábrán), az antenna algoritmus az antenna áramkörének rezonanciapontját 101.1 MHz-re hangolja, ezáltal optimalizálja az antenna hatékonyságát és vételi teljesítményét 101.1 MHz-en. Amikor a felhasználó 84.1 MHz-re hangol (2. állomás a 4. ábrán), az antenna algoritmus újból hangolja az antenna áramkör rezonanciapontját, hogy optimalizálja a vételi teljesítményt 84.1 MHz-en.
4. ábra: Az állítható rezonancia előnyei.
A beállított frekvencia felhasználásával az antenna rezonanciapontjának hangolása maximális hatékonyságot eredményezhet az egyes frekvenciapontokon, ezáltal maximalizálva a vételi jelerősséget a teljes frekvenciamodulációs frekvenciasávon. Az állítható rezonáns áramkör átvétele után a beágyazott antennát használó rendszer teljesítménye a teljes frekvenciasávban javult. A kijelölt frekvenciaponton lévő rezonáns antenna más frekvenciapontok interferenciáját is csillapíthatja, ezáltal jelentősen javítva a vevő szelektivitását. Ezért a vevő ezzel a beágyazott antennával jobban védhető más véletlenszerű interferenciaforrásoktól. . Ez különösen fontos olyan városi területeken, ahol az FM sáv zsúfolt.
A cikk összefoglalása
Amint a vezeték nélküli használati modell egyre népszerűbbé válik a hordozható eszközökben, egyre több felhasználó szeretné beágyazott antennákkal ellátott vezeték nélküli FM rádiókat használni, miközben vezeték nélküli fejhallgatóval vagy hangszóróval hallgatja a programokat. Ez a cikk az érzékenység maximalizálásának elvét tárgyalja az FM vételének javítása érdekében a beágyazott antennák segítségével, és tovább tárgyalja annak megvalósítását. Mivel a beágyazott antennákat használó hordozható eszközökben rendelkezésre álló hely nagyon korlátozott, úgy tekinthetjük, hogy egy önhangoló rezonancia hálózat maximalizálja a vevő érzékenységét a teljes FM sávban, hogy a rövid antenna maximális hatékonysággal maradjon meg minden frekvencián pont.
Másik termék:
