FM-Radio (Frequency Modulation) wird seit vielen Jahren für High-Fidelity-Musik und Sprachübertragung verwendet. Es bietet eine hervorragende Klangqualität, Signalrobustheit und Störfestigkeit. In letzter Zeit wurde FM-Radio zunehmend in mobilen und persönlichen Mediaplayern verwendet. Die herkömmliche FM-Entwurfsmethode erfordert jedoch eine sehr lange Antenne, z. B. ein kabelgebundenes Headset, was viele Benutzer einschränkt, die kein kabelgebundenes Headset haben. Mit der anhaltenden Beliebtheit von Modellen für die drahtlose Nutzung in tragbaren Geräten können mehr Benutzer von drahtlosen FM-Radios profitieren, die andere Arten von FM-Antennen verwenden, und gleichzeitig drahtlose Kopfhörer oder Lautsprecher zum Hören von Tönen verwenden.
In diesem Artikel wird eine FM-Radioempfängerlösung vorgestellt, die die Antenne in das tragbare Gerät integriert oder einbettet, sodass das Kopfhörerkabel eine Option ist. Wir beginnen mit der Maximierung der Empfangsempfindlichkeit und führen dann Methoden zur Maximierung der Empfindlichkeit ein, einschließlich der Maximierung der Effizienz der Resonanzfrequenz, der Maximierung der Antennengröße und der Verwendung eines abstimmbaren Anpassungsnetzwerks, um die Effizienz der gesamten FM-Bandbreite zu maximieren. Schließlich wird in diesem Artikel die Realisierungsmethode für ein abstimmbares Matching-Netzwerk beschrieben.
Maximale Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit kann als das kleinste Signal definiert werden, das das FM-Empfangssystem empfangen kann, während ein bestimmtes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erreicht wird. Dies ist ein wichtiger Parameter für die Leistung des FM-Empfangssystems, der sich auf das Signal und das Rauschen bezieht. Der RSSI (Received Signal Strength Indicator) zeigt nur die HF-Signalstärke an einem bestimmten Abstimmfrequenzpunkt an. Es enthält keine Informationen zu Rauschen oder Signalqualität. Beim Vergleich der Empfängerleistung unter verschiedenen Antennen kann das Audiosignal-Rausch-Verhältnis (SNR) ein besserer Parameter sein. Daher ist es sehr wichtig, das SNR zu maximieren, um dem Hörer ein qualitativ hochwertiges Audioerlebnis zu bieten.
Die Antenne ist eine Brücke, die den Hochfrequenzkreis und elektromagnetische Wellen verbindet. Für den FM-Empfang ist die Antenne ein Wandler, der Energie aus elektromagnetischen Wellen in Spannung umwandelt, die von elektronischen Schaltkreisen (wie z. B. rauscharmen Verstärkern (LNA)) verwendet werden kann. Die Empfindlichkeit des FM-Empfangssystems steht in direktem Zusammenhang mit der vom internen LNA empfangenen Spannung. Um die Empfindlichkeit zu maximieren, muss diese Spannung so weit wie möglich erhöht werden. Es gibt verschiedene Antennen auf dem Markt, darunter Kopfhörer, kurze Peitschen, Loops und Chip-Antennen. Alle Antennen können jedoch mit Ersatzschaltungen analysiert werden. Abbildung 1 zeigt ein allgemeines äquivalentes Antennenschaltungsmodell:
In 1 kann X ein Kondensator oder eine Induktivität sein. Die Wahl von X hängt von der Antennentopologie ab und sein elektrischer (induktiver oder kapazitiver) Wert hängt von der Antennengeometrie ab. Der Verlustwiderstand Rloss hängt mit der Verlustleistung in Form von Wärmeenergie in der Antenne zusammen. Der Strahlungswiderstand Rrad hängt mit der von elektromagnetischen Wellen erzeugten Spannung zusammen. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird im folgenden Text das Rahmenantennenmodell als Analyseobjekt verwendet. Die gleiche Berechnung kann auch für andere Antennentypen verwendet werden, z. B. kurze Monopolantennen und Kopfhörerantennen.
Abbildung 1: Ersatzschaltbild der Antenne.
Maximieren Sie den Wirkungsgrad des Resonanzfrequenzpunkts
Um die von der Antenne umgewandelte Energie zu maximieren, kann ein Resonanznetzwerk verwendet werden, um die Blindimpedanz der Antenne auszugleichen, und diese Impedanz dämpft den von der Antenne an den internen LNA geleiteten Spannungswert. Bei induktiven Rahmenantennen wird der Kondensator Cres verwendet, um die Antenne mit der gewünschten Frequenz in Resonanz zu bringen:
Die Resonanzfrequenz bezieht sich auf den Frequenzpunkt, an dem die Antenne elektromagnetische Wellen mit dem höchsten Wirkungsgrad in Spannung umwandelt. Der Antennenwirkungsgrad ist das Verhältnis der Leistung von Rrad zur von der Antenne empfangenen Gesamtleistung, die als Rrad / Zant ausgedrückt werden kann, wobei Zant die Impedanz der Antenne mit dem Antennenresonanznetzwerk ist. Zant wird ausgedrückt als:
Wenn sich die Antenne in Resonanz befindet, kann der Wirkungsgrad η ausgedrückt werden als:
Der Wirkungsgrad an anderen Frequenzpunkten beträgt:
Der Antennenwirkungsgrad η am nicht resonanten Frequenzpunkt ist niedriger als der maximale Wirkungsgrad ηres, da die Antenneneingangsimpedanz Zant zu diesem Zeitpunkt entweder kapazitiv oder induktiv ist.
Maximieren Sie die Antennengröße
Um das übertragene Hochfrequenzsignal wiederherzustellen, muss die Antenne so viel Energie wie möglich von der elektromagnetischen Welle sammeln und die Energie der elektromagnetischen Welle über Rrad effizient in eine Spannung umwandeln. Die Menge der gesammelten Energie wird durch den verfügbaren Platz und die Größe der vom tragbaren Gerät verwendeten Antenne begrenzt. Bei einer herkömmlichen Kopfhörerantenne kann ihre Länge eine viertel Wellenlänge des FM-Signals erreichen, und es kann genügend Energie gesammelt und in eine Spannung umgewandelt werden, die von der internen LNA verwendet werden kann. In diesem Fall ist die Maximierung der Antenneneffizienz nicht so wichtig.
Da tragbare Geräte jedoch immer kleiner und dünner werden, ist der Platz für eingebettete FM-Antennen sehr begrenzt. Obwohl die Antennengröße so weit wie möglich erhöht wurde, ist die von der eingebetteten Antenne gesammelte Energie immer noch sehr klein. Daher wird es sehr wichtig, den Antennenwirkungsgrad η zu verbessern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen und eine kleinere Antenne zu verwenden.
Verwenden Sie ein einstellbares Anpassungsnetzwerk, um die Effizienz im FM-Frequenzband zu maximieren
Der Frequenzbereich des FM-Rundfunkbandes liegt in den meisten Ländern zwischen 87.5 MHz und 108.0 MHz. Das Frequenzband des UKW-Rundfunks in Japan beträgt 76 MHz bis 90 MHz. In einigen osteuropäischen Ländern beträgt das FM-Radiofrequenzband 65.8 MHz bis 74 MHz. Um sich an alle FM-Frequenzbänder der Welt anzupassen, benötigt das FM-Empfangssystem eine Bandbreite von 40 MHz. Die herkömmliche Lösung besteht normalerweise darin, die Antenne auf die Mittenfrequenz des FM-Bandes abzustimmen. Wie die obige Formel zeigt, ist die Effizienz des Antennensystems jedoch eine Funktion der Frequenz. Der Wirkungsgrad erreicht am Resonanzpunkt sein Maximum. Wenn die Frequenz von der Resonanzfrequenz abweicht, nimmt der Wirkungsgrad ab. Es ist anzumerken, dass, da die Bandbreite des globalen FM-Frequenzbandes 40 MHz erreicht, der Antennenwirkungsgrad erheblich abnimmt, wenn die Frequenz weit vom Resonanzfrequenzpunkt entfernt ist. Wenn beispielsweise eine feste Resonanzfrequenz auf 98 MHz eingestellt ist, kann an diesem Frequenzpunkt ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden, aber der Wirkungsgrad anderer Frequenzpunkte wird erheblich verringert, wodurch die Frequenzmodulationsleistung weit entfernt vom Resonanzfrequenzpunkt verschlechtert wird. Abbildung 2 zeigt die Wirkungsgradkurven von zwei Antennen (Kopfhörerantenne und Kurzantenne), wenn sich die feste Resonanzfrequenz in der Mitte des Frequenzbandes (98 MHz) befindet.
Abbildung 2: Typische Leistung einer festen Resonanzantenne im FM-Band.
Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist, kann der 98-MHz-Punkt den besten Wirkungsgrad erzielen. Je näher die Frequenz jedoch am Rand des Bandes liegt, desto stärker sinkt der Wirkungsgrad. Dies ist kein großes Problem für Kopfhörerantennen, da die Größe dieser Antenne genügend elektromagnetische Energie in der gesamten Frequenz sammeln und in eine höhere Spannung für den HF-Empfänger umwandeln kann. Verglichen mit der längeren Kopfhörerantenne ist die kurze Antenne jedoch klein und sammelt weniger Energie, so dass der Wirkungsgrad schnell abnimmt, wenn die Frequenz weit vom Resonanzpunkt entfernt ist, dh vom Empfang am Rand des Bandes tritt auf, wenn das feste Resonanzschema verwendet wird. Das Hauptproblem besteht darin, dass kurze Antennen einen höheren "Q" -Wert als Kopfhörer haben, was zu einem steilen Wirkungsgradabfall am Rand des Frequenzbandes führt.
Q bezieht sich auf den Qualitätsfaktor, der proportional zum Verhältnis der im Antennennetz pro Zeiteinheit gespeicherten Energie zum Verlust oder zur Strahlungsenergie ist. Für das obige Antennenäquivalentschaltbild mit Antennenresonanznetz erfüllt der Q-Wert:
Verglichen mit der kurzen Antenne hat die Kopfhörerantenne eine größere Größe, so dass sie einen höheren Strahlungswiderstand Rrad hat, was zu einem niedrigeren Q-Wert führt. Da eingebettete Anwendungen die Verwendung kurzer Antennen mit hohen Q-Werten erfordern, ist das Problem steiler Effizienzabfälle sehr ausgeprägt.
Der Q-Wert der Antenne hängt auch mit der Antennenbandbreite zusammen, und seine Beziehung kann ausgedrückt werden als:
Dabei ist ƒc die Resonanzfrequenz ƒc und BW die 3dB-Bandbreite der Antenne. Im Vergleich zu einer längeren Kopfhörerantenne hat eine kurze Antenne mit einem hohen Q-Wert eine geringere Bandbreite, sodass der Verlust am Rand des Frequenzbandes größer ist.
Um die Bandbreitenbegrenzung der festen Resonanzantenne mit hohem Q zu überwinden, kann ein selbstabstimmender Resonanzkreis verwendet werden, um die "feste Resonanz" in "einstellbare Resonanz" zu ändern, so dass sich die Schaltung immer am Resonanzfrequenzpunkt befindet. Dadurch wird die Empfangsempfindlichkeit maximiert. Eine selbstabstimmende Resonanzantenne kann ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis erzielen, da die Verstärkung der Resonanzantenne die Systemrauschzahl des Empfängers verringern kann und der inhärente hohe Q-Wert der eingebetteten Antenne dabei hilft, mögliche Harmonische herauszufiltern mit dem lokalen Oszillator Störung gemischt.
Realisierung eines einstellbaren Matching-Netzwerks
Abbildung 3 zeigt das konzeptionelle Blockdiagramm der erweiterten FM-Empfängerarchitektur, die eingebettete Kurzantennen unterstützt. "Einstellbare Resonanz" wird durch eine auf dem Chip einstellbare Varaktordiode und einen Abstimmalgorithmus realisiert.
Abbildung 3: Konzeptionelles Blockdiagramm von Si4704 / 05.
Das obige Design verwendet eine digitale Mixed-Signal-Low-IF-Architektur mit einem digitalen Signalprozessor (DSP), um fortschrittliche Signalverarbeitungsalgorithmen einschließlich der Selbstoptimierung eingebetteter Kurzantennen zu realisieren. Der Antennenalgorithmus passt den Kapazitätswert der Varaktordiode automatisch an jeden Frequenzabstimmungspunkt des Geräts an, um die beste Leistung zu erzielen.
Wenn der Benutzer beispielsweise 101.1 MHz einstellt (Station 1 in Abbildung 4), stimmt der Antennenalgorithmus den Resonanzpunkt des Antennenkreises auf 101.1 MHz ab, wodurch die Antenneneffizienz und die Empfangsleistung bei 101.1 MHz optimiert werden. Wenn der Benutzer 84.1 MHz einstellt (Station 2 in Abbildung 4), stimmt der Antennenalgorithmus den Resonanzpunkt der Antennenschaltung neu ab, um die Empfangsleistung bei 84.1 MHz zu optimieren.
Abbildung 4: Vorteile der einstellbaren Resonanz.
Die Verwendung der eingestellten Frequenz zum Abstimmen des Antennenresonanzpunkts kann an jedem gegebenen Frequenzpunkt eine maximale Effizienz liefern, wodurch die empfangene Signalstärke auf dem gesamten Frequenzmodulationsfrequenzband maximiert wird. Nach der Übernahme des einstellbaren Resonanzkreises wurde die Leistung des Systems unter Verwendung der eingebetteten Antenne im gesamten Frequenzband verbessert. Die Resonanzantenne am festgelegten Frequenzpunkt kann auch die Interferenz anderer Frequenzpunkte dämpfen, wodurch die Selektivität des Empfängers erheblich verbessert wird. Daher kann der Benutzer des Empfängers mit dieser eingebetteten Antenne besser vor anderen versehentlichen Störquellen geschützt werden. . Dies ist besonders wichtig in städtischen Gebieten, in denen das FM-Band überfüllt ist.
Zusammenfassung dieses Artikels
Da das Modell der drahtlosen Nutzung bei tragbaren Geräten immer beliebter wird, möchten immer mehr Benutzer drahtlose FM-Radios mit eingebetteten Antennen verwenden, während sie Programme mit drahtlosen Kopfhörern oder Lautsprechern hören. In diesem Artikel wird das Prinzip der Maximierung der Empfindlichkeit zur Verbesserung des FM-Empfangs mithilfe eingebetteter Antennen erläutert und die Implementierung erläutert. Da der verfügbare Platz auf tragbaren Geräten, die eingebettete Antennen verwenden, sehr begrenzt ist, kann ein selbstabstimmendes Resonanznetzwerk in Betracht gezogen werden, um die Empfindlichkeit des Empfängers über das gesamte FM-Band zu maximieren, um die kurze Antenne bei jeder Frequenz mit maximaler Effizienz zu halten Punkt.
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