Rádio s frekvenční modulací (FM) se používá k věrnému poslechu hudby a hlasu již mnoho let. Může poskytnout vynikající kvalitu zvuku, robustnost signálu a odolnost proti šumu. V poslední době se FM rádio stále více používá v mobilních a osobních přehrávačích médií. Tradiční metoda návrhu FM však vyžaduje velmi dlouhou anténu, například kabelovou náhlavní soupravu, což omezuje mnoho uživatelů, kteří kabelovou náhlavní soupravu nemají. Kromě toho, s rostoucí popularitou modelů bezdrátového použití v přenosných zařízeních, může více uživatelů těžit z bezdrátových FM rádií, která používají jiné typy FM antén, a současně mohou k poslechu zvuků používat bezdrátová sluchátka nebo reproduktory.
Tento článek představí řešení rádiového přijímače FM, které integruje nebo vloží anténu do přenosného zařízení, přičemž kabel sluchátek bude doplňkem. Začneme s maximalizací citlivosti příjmu a poté zavedeme metody pro maximalizaci citlivosti, včetně maximalizace účinnosti rezonanční frekvence, maximalizace velikosti antény a použití laditelné přizpůsobovací sítě k maximalizaci efektivity celé šířky pásma FM. Nakonec tento článek poskytne metodu realizace laditelné odpovídající sítě.
Maximální citlivost
Citlivost lze definovat jako nejmenší signál, který může přijímací systém FM přijímat při dosažení určité úrovně odstupu signálu od šumu (SNR). Toto je důležitý parametr výkonu přijímacího systému FM, který souvisí se signálem a šumem. Indikátor síly přijatého signálu (RSSI) pouze ukazuje sílu RF signálu v konkrétním ladicím frekvenčním bodě. Neposkytuje žádné informace o šumu nebo kvalitě signálu. Při porovnávání výkonu přijímače pod různými anténami může být lepším parametrem poměr zvukových signálů k šumům (SNR). Proto je velmi důležité maximalizovat SNR, aby posluchač přinesl vysoce kvalitní zvukový zážitek.
Anténa je můstek spojující vysokofrekvenční obvod a elektromagnetické vlny. Pokud jde o příjem FM, anténa je převodník, který převádí energii z elektromagnetických vln na napětí, které mohou využívat elektronické obvody (například nízkošumové zesilovače (LNA)). Citlivost přijímacího systému FM přímo souvisí s napětím přijímaným interní LNA. Aby se maximalizovala citlivost, musí být toto napětí co nejvíce zvýšeno. Na trhu existují různé antény, včetně sluchátek, krátkých bičů, smyček a čipových antén, ale všechny antény lze analyzovat pomocí ekvivalentních obvodů. Obrázek 1 ukazuje obecný ekvivalentní model anténního obvodu:
Na obrázku 1 může být X kondenzátor nebo induktor. Volba X závisí na topologii antény a její elektrická (indukční nebo kapacitní) hodnota souvisí s geometrií antény. Ztrátový odpor Rloss souvisí s rozptylem energie ve formě tepelné energie v anténě. Radiační odpor Rrad souvisí s napětím generovaným elektromagnetickými vlnami. Pro snazší vysvětlení bude v následujícím textu použit model smyčkové antény jako analytický objekt. Stejný výpočet lze použít i pro jiné typy antén, jako jsou krátké monopolní antény a antény pro sluchátka.
Obrázek 1: Model s obvodem ekvivalentním anténě.
Maximalizujte účinnost bodu rezonanční frekvence
Aby se maximalizovala energie přeměněná anténou, lze k vyrovnání reaktivní impedance antény použít rezonanční síť a tato impedance zeslabí hodnotu napětí vedeného anténou do vnitřní LNA. U indukčních smyčkových antén se kondenzátor Cres používá k tomu, aby anténa rezonovala na požadované frekvenci:
Rezonanční frekvence se vztahuje k frekvenčnímu bodu, ve kterém anténa převádí elektromagnetické vlny na napětí s nejvyšší účinností. Účinnost antény je poměr výkonu na Rradu k celkovému výkonu přijímanému anténou, který lze vyjádřit jako Rrad / Zant, kde Zant je impedance antény se sítí rezonance antény. Zant je vyjádřen jako:
Když je anténa v rezonanci, lze účinnost η vyjádřit jako:
Účinnost v dalších frekvenčních bodech je:
Účinnost antény η v rezonančním kmitočtovém bodě je nižší než maximální účinnost ηres, protože vstupní impedance antény Zant je v tomto okamžiku buď kapacitní nebo indukční.
Maximalizujte velikost antény
Aby bylo možné obnovit vysílaný vysokofrekvenční signál, musí anténa sbírat co nejvíce energie z elektromagnetické vlny a efektivně převádět energii elektromagnetické vlny na napětí přes Rrad. Množství shromážděné energie je omezeno dostupným prostorem a velikostí antény používané přenosným zařízením. U tradiční sluchátkové antény může její délka dosáhnout čtvrtinové vlnové délky signálu FM a je možné shromáždit dostatek energie a přeměnit ji na napětí, které může využívat interní LNA. V tomto případě není tak důležité maximalizovat účinnost antény.
Jelikož se však přenosná zařízení zmenšují a ztenčují, prostor pro vestavěné antény FM je velmi omezený. Přestože byla velikost antény co nejvíce zvětšena, energie shromážděná zabudovanou anténou je stále velmi malá. Proto se stává velmi důležité zlepšit účinnost antény η bez obětování výkonu a použití menší antény.
Využijte nastavitelnou odpovídající síť pro maximalizaci účinnosti ve frekvenčním pásmu FM
Kmitočtový rozsah vysílacího pásma FM ve většině zemí je 87.5 MHz až 108.0 MHz. Kmitočtové pásmo FM vysílání v Japonsku je 76MHz až 90MHz. V některých východoevropských zemích je vysokofrekvenční pásmo FM 65.8 MHz až 74 MHz. Aby bylo možné se přizpůsobit všem kmitočtovým pásmům FM na světě, potřebuje přijímací systém FM šířku pásma 40 MHz. Tradičním řešením je obvykle vyladění antény na střední frekvenci pásma FM. Jak však ukazuje výše uvedený vzorec, účinnost anténního systému je funkcí frekvence. Účinnost dosahuje svého maxima v rezonančním bodě. Když se frekvence odchyluje od rezonanční frekvence, účinnost se sníží. Stojí za zmínku, že protože šířka pásma globálního kmitočtového pásma FM dosahuje 40 MHz, účinnost antény se významně sníží, když je frekvence daleko od bodu rezonanční frekvence. Například pokud je pevná rezonanční frekvence nastavena na 98 MHz, lze v tomto frekvenčním bodě dosáhnout vysoké účinnosti, ale účinnost ostatních frekvenčních bodů bude významně snížena, čímž se zhorší výkon modulace frekvence daleko od bodu rezonanční frekvence. Obrázek 2 ukazuje křivky účinnosti dvou antén (anténa pro sluchátka a krátká anténa), když je pevná rezonanční frekvence ve středu frekvenčního pásma (98 MHz).
Obrázek 2: Typický výkon pevné rezonanční antény v pásmu FM.
Jak je patrné z výše uvedeného obrázku, bod 98MHz může dosáhnout nejlepší účinnosti, ale čím blíže je frekvence k okraji pásma, tím více účinnost klesá. Pro sluchátkové antény to není velký problém, protože velikost této antény může sbírat dostatek elektromagnetické energie na celé frekvenci a převádět ji na vyšší napětí do RF přijímače. Ve srovnání s delší anténou pro sluchátka je však krátká anténa malé velikosti a sbírá méně energie, takže účinnost rychle poklesne, když je frekvence daleko od rezonančního bodu, to znamená příjmu na okraji pásma nastane, když se použije schéma pevné rezonance. Hlavním problémem je, že krátké antény mají vyšší hodnotu „Q“ než sluchátka, což způsobí prudký pokles účinnosti na okraji frekvenčního pásma.
Q označuje faktor kvality, který je úměrný poměru energie uložené v anténní síti za jednotku času ke ztrátě nebo energii záření. Pro výše uvedený ekvivalentní obvod antény se sítí rezonance antény vyhovuje hodnota Q:
Ve srovnání s krátkou anténou má anténa sluchátek větší velikost, takže má vyšší radiační odolnost Rrad, což vede k nižší hodnotě Q. Vzhledem k tomu, že vestavěné aplikace vyžadují použití krátkých antén s vysokými hodnotami Q, je problém výrazných poklesů účinnosti velmi výrazný.
Hodnota Q antény také souvisí se šířkou pásma antény a její vztah lze vyjádřit jako:
Kde ƒc je rezonanční frekvence ƒc a BW je šířka pásma 3dB antény. Ve srovnání s delší anténou pro sluchátka má krátká anténa s vysokou hodnotou Q menší šířku pásma, takže ztráta na okraji frekvenčního pásma je větší.
Aby bylo možné překonat omezení šířky pásma pevné Q rezonanční antény, lze použít samonastavovací rezonanční obvod ke změně „pevné rezonance“ na „nastavitelnou rezonanci“, takže obvod je vždy v bodě rezonanční frekvence, čímž maximalizuje přijímací citlivost. Samoladicí rezonanční anténa může získat vyšší poměr signál / šum, protože zisk z rezonanční antény může snížit systémový šum přijímače a inherentní vysoká hodnota Q zabudované antény pomáhá odfiltrovat možné harmonické s místním oscilátorem Disturbance smíchané dohromady.
Realizace nastavitelné odpovídající sítě
Obrázek 3 ukazuje koncepční blokové schéma vylepšené architektury přijímače FM podporující vložené krátké antény. „Nastavitelná rezonance“ je realizována pomocí nastavitelné varaktorové diody na čipu a algoritmu ladění.
Obrázek 3: Koncepční blokové schéma Si4704 / 05.
Výše uvedená konstrukce využívá architekturu digitálního signálu s nízkým IF se smíšeným signálem s procesorem digitálního signálu (DSP) k realizaci pokročilých algoritmů zpracování signálu včetně automatického ladění vložených krátkých antén. Algoritmus antény automaticky upravuje hodnotu kapacity varaktorové diody podle každého bodu ladění frekvence zařízení, aby se dosáhlo nejlepšího výkonu.
Například pokud se uživatel naladí na 101.1 MHz (stanice 1 na obrázku 4), algoritmus antény vyladí rezonanční bod obvodu antény na 101.1 MHz, čímž optimalizuje účinnost antény a výkon příjmu na 101.1 MHz. Když se uživatel naladí na 84.1 MHz (stanice 2 na obrázku 4), algoritmus antény přeladí rezonanční bod anténního obvodu, aby optimalizoval přijímací výkon na 84.1 MHz.
Obrázek 4: Výhody nastavitelné rezonance.
Použití upravené frekvence k vyladění rezonančního bodu antény může poskytnout maximální účinnost v každém daném frekvenčním bodě, čímž se maximalizuje síla přijímaného signálu v celém frekvenčním pásmu frekvenční modulace. Po přijetí nastavitelného rezonančního obvodu byl vylepšen výkon systému využívajícího zabudovanou anténu v celém frekvenčním pásmu. Rezonanční anténa v určeném kmitočtovém bodě může také zmírnit rušení jiných kmitočtových bodů, čímž významně zlepší selektivitu přijímače. Proto může být uživatel přijímače s touto vestavěnou anténou lépe chráněn před jinými zdroji náhodného rušení. . To je důležité zejména v městských oblastech, kde je pásmo FM přeplněné.
Shrnutí tohoto článku
Vzhledem k tomu, že model bezdrátového použití je v přenosných zařízeních stále populárnější, chce stále více uživatelů používat bezdrátová FM rádia s vestavěnými anténami při poslechu programů s bezdrátovými sluchátky nebo reproduktory. Tento článek pojednává o principu maximalizace citlivosti pro zlepšení příjmu FM pomocí zabudovaných antén a dále pojednává o tom, jak jej implementovat. Vzhledem k tomu, že dostupný prostor na přenosných zařízeních, která používají vestavěné antény, je velmi omezený, lze uvažovat o samoladící rezonanční síti, která maximalizuje citlivost přijímače v celém pásmu FM, aby byla zachována krátká anténa s maximální účinností na každé frekvenci směřovat.
Náš další produkt:
