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Frequency Modulation (FM) radio has been used for high-fidelity music and voice broadcasting for many years.調頻(FM)廣播已用於高保真音樂和語音廣播已有多年了。 It can provide excellent sound quality, signal robustness and noise immunity.它可以提供出色的聲音質量,信號魯棒性和抗噪性。 Recently, FM radio has been increasingly used in mobile and personal media players.最近,調頻廣播已越來越多地用於移動和個人媒體播放器中。 However, the traditional FM design method requires a very long antenna, such as a wired headset, which limits many users who do not have a wired headset.但是,傳統的FM設計方法需要非常長的天線,例如有線耳機,這限制了許多沒有有線耳機的用戶。 In addition, with the continuous popularity of wireless usage models in portable devices, more users can benefit from wireless FM radios that use other types of FM antennas, and at the same time can use wireless headphones or speakers to listen to sounds.此外,隨著便攜式設備中無線使用模型的不斷普及,更多的用戶可以從使用其他類型FM天線的無線FM收音機中受益,同時可以使用無線耳機或揚聲器收聽聲音。
This article will introduce an FM radio receiver solution that integrates or embeds the antenna inside the portable device, making the headphone cable an option.本文將介紹FM無線電接收器解決方案,該解決方案將天線集成或嵌入便攜式設備內部,從而使耳機電纜成為一種選擇。 We start with maximizing the receiving sensitivity, and then introduce methods to maximize the sensitivity, including maximizing the efficiency of the resonance frequency, maximizing the antenna size, and using a tunable matching network to maximize the efficiency of the entire FM bandwidth.我們從最大化接收靈敏度開始,然後介紹最大化靈敏度的方法,包括最大化諧振頻率的效率,最大化天線的尺寸,以及使用可調匹配網絡來最大化整個FM帶寬的效率。 Finally, this article will give the realization method of tunable matching network.最後,本文將給出可調匹配網絡的實現方法。
最大靈敏度
Sensitivity can be defined as the smallest signal that the FM receiving system can receive while achieving a certain level of signal-to-noise ratio (SNR).靈敏度可以定義為FM接收系統在達到一定水平的信噪比(SNR)時可以接收的最小信號。 This is an important parameter of the performance of the FM receiving system, which is related to the signal and noise.這是調頻接收系統性能的重要參數,與信號和噪聲有關。 The Received Signal Strength Indicator (RSSI) only points out the RF signal strength at a specific tuning frequency point.接收信號強度指示器(RSSI)僅指出特定調諧頻率點的RF信號強度。 It does not provide any information about noise or signal quality.它不提供有關噪聲或信號質量的任何信息。 When comparing receiver performance under different antennas, the audio signal-to-noise ratio (SNR) may be a better parameter.當比較不同天線下的接收機性能時,音頻信噪比(SNR)可能是更好的參數。 Therefore, it is very important to maximize SNR to bring a high-quality audio experience to the listener.因此,最大化SNR以給聽眾帶來高質量的音頻體驗非常重要。
FM接收系統的靈敏度與內部LNA接收的電壓直接相關。 To maximize sensitivity, this voltage must be increased as much as possible.為了使靈敏度最大化,必須盡可能增加該電壓。 There are various antennas on the market, including earphones, short whips, loops and chip antennas, but all antennas can be analyzed with equivalent circuits.市場上有各種天線,包括耳機,短鞭,環路和芯片天線,但是所有天線都可以用等效電路進行分析。 Figure 1 shows a general equivalent antenna circuit model:圖XNUMX顯示了一般的等效天線電路模型:
X的選擇取決於天線拓撲,其電(電感或電容)值與天線的幾何形狀有關。 The loss resistance Rloss is related to the power dissipation in the form of heat energy in the antenna.損耗電阻Rloss與天線中熱能形式的功耗有關。 The radiation resistance Rrad is related to the voltage generated from electromagnetic waves.輻射電阻Rrad與電磁波產生的電壓有關。 For ease of explanation, the following text will take the loop antenna model as the analysis object.為了便於說明,以下將環形天線模型作為分析對象。 The same calculation can also be used for other types of antennas, such as short monopole antennas and earphone antennas.相同的計算也可以用於其他類型的天線,例如短單極天線和耳機天線。
圖1:天線等效電路模型。
最大化諧振頻率點的效率
In order to maximize the energy converted by the antenna, a resonant network can be used to offset the reactive impedance of the antenna, and this impedance will attenuate the voltage value conducted by the antenna to the internal LNA.為了使天線轉換的能量最大化,可以使用諧振網絡來抵消天線的電抗阻抗,並且該阻抗將衰減天線傳導至內部LNA的電壓值。 For inductive loop antennas, the capacitor Cres is used to make the antenna resonate at the desired frequency:對於感應環形天線,電容器Cres用於使天線在所需頻率下諧振:
Zant表示為:
當天線處於諧振狀態時,效率η可以表示為:
其他頻率點的效率為:
由於此時的天線輸入阻抗Zant為電容性或電感性,因此非諧振頻率點的天線效率η低於最大效率ηres。
最大化天線尺寸
In order to recover the transmitted radio frequency signal, the antenna must collect as much energy as possible from the electromagnetic wave, and efficiently convert the electromagnetic wave energy into a voltage through Rrad.為了恢復發射的射頻信號,天線必須從電磁波中收集盡可能多的能量,並通過Rrad有效地將電磁波能量轉換為電壓。 The amount of energy collected is limited by the available space and size of the antenna used by the portable device.收集的能量受便攜式設備使用的天線的可用空間和大小限制。 For a traditional earphone antenna, its length can reach a quarter wavelength of the FM signal, and enough energy can be collected and converted into a voltage that can be used by the internal LNA.對於傳統的耳機天線,其長度可以達到FM信號的四分之一波長,並且可以收集足夠的能量並將其轉換為內部LNA可以使用的電壓。 In this case, maximizing antenna efficiency is not so important.在這種情況下,最大化天線效率並不是很重要。
然而,隨著便攜式設備變得越來越小和越來越薄,用於嵌入式FM天線的空間變得非常有限。 儘管已盡可能增加了天線的尺寸,但嵌入式天線收集的能量仍然很小。 因此,在不犧牲性能和使用更小的天線的情況下提高天線效率η變得非常重要。
利用可調匹配網絡來最大程度地提高FM頻段的效率
在大多數國家,FM廣播頻段的頻率範圍是87.5MHz至108.0MHz。 日本的FM廣播頻段為76MHz至90MHz。 在某些東歐國家,FM無線電頻段為65.8MHz至74MHz。 為了適應世界上所有的FM頻段,FM接收系統需要40MHz的帶寬。 傳統的解決方案通常是將天線調諧到FM頻段的中心頻率。 但是,如上式所示,天線系統的效率是頻率的函數。 效率在諧振點達到最大值。 當頻率偏離共振頻率時,效率將降低。 值得注意的是,由於全球FM頻段的帶寬達到40MHz,因此當頻率遠離諧振頻率點時,天線效率將大大降低。 例如,如果將固定的諧振頻率設置為98MHz,則可以在該頻率點處實現高效率,但是其他頻率點的效率將大大降低,從而使遠離諧振頻率點的頻率調製性能下降。 圖2顯示了當固定諧振頻率位於頻帶(98MHz)的中心時,兩個天線(耳機天線和短天線)的效率曲線。
圖2:FM頻帶中典型的固定諧振天線性能。
從上圖可以看出,98MHz的點可以達到最佳效率,但是頻率越接近頻段邊緣,效率下降的幅度就越大。 對於耳機天線而言,這不是一個大問題,因為該天線的尺寸可以在整個頻率上收集足夠的電磁能,並將其轉換為更高的電壓以提供給RF接收器。 但是,與較長的耳機天線相比,較短的天線尺寸較小並且收集的能量較少,因此,當頻率遠離諧振點時,也就是說,在頻帶邊緣的接收時,效率將迅速降低當使用固定共振方案時將發生。 主要問題是短天線的“ Q”值比耳機高,這會導致頻帶邊緣的效率急劇下降。
Q是指品質因數,它與每單位時間存儲在天線網絡中的能量與損耗或輻射能量之比成正比。 For the above antenna equivalent circuit with antenna resonance network, the Q value satisfies:對於具有天線諧振網絡的上述天線等效電路,Q值滿足:
Compared with the short antenna, the earphone antenna has a larger size, so it has a higher radiation resistance Rrad, which leads to a lower Q value.與短天線相比,耳機天線具有更大的尺寸,因此具有更高的輻射電阻Rrad,從而導致更低的Q值。 Since embedded applications require the use of short antennas with high Q values, the problem of steep drops in efficiency is very prominent.由於嵌入式應用需要使用具有高Q值的短天線,因此效率急劇下降的問題非常突出。
天線的Q值也與天線帶寬有關,其關係可以表示為:
其中ƒc是諧振頻率ƒc,BW是天線的3dB帶寬。 與較長的耳機天線相比,具有較高Q值的較短天線具有較小的帶寬,因此在頻帶邊緣的損耗較大。
為了克服高Q固定諧振天線的帶寬限制,可以使用自調諧諧振電路將“固定諧振”更改為“可調諧振”,以使電路始終處於諧振頻率點,從而使接收靈敏度最大化。 自調諧諧振天線可以獲得更高的信噪比,因為諧振天線的增益可以降低接收器的系統噪聲係數,並且嵌入式天線固有的高Q值有助於濾除可能的諧波與本地振盪器干擾混合在一起。
可調匹配網絡的實現
圖3顯示了支持嵌入式短天線的增強型FM接收器架構的概念框圖。 “可調諧振”是通過片上可調變容二極管和調諧算法實現的。
圖3:Si4704 / 05的概念框圖。
The above design uses a mixed-signal digital low-IF architecture with a digital signal processor (DSP) to realize advanced signal processing algorithms including self-tuning of embedded short antennas.上面的設計使用帶有數字信號處理器(DSP)的混合信號數字低中頻架構來實現高級信號處理算法,包括嵌入式短天線的自調諧。 The antenna algorithm automatically adjusts the capacitance value of the varactor diode according to each frequency tuning point of the device to obtain the best performance.天線算法會根據設備的每個頻率調諧點自動調整變容二極管的電容值,以獲得最佳性能。
For example, if the user tunes to 101.1MHz (station 1 in Figure 4), the antenna algorithm will tune the antenna circuit resonance point to 101.1MHz, thereby optimizing the antenna efficiency and reception performance at 101.1MHz.例如,如果用戶調諧到84.1MHz(圖2中的站點4),則天線算法會將天線電路諧振點調諧到84.1MHz,從而在XNUMXMHz時優化天線效率和接收性能。 When the user tunes to XNUMXMHz (station XNUMX in Figure XNUMX), the antenna algorithm retunes the resonance point of the antenna circuit to optimize the receiving performance at XNUMXMHz.當用戶調諧到XNUMXMHz(圖XNUMX中的站點XNUMX)時,天線算法將重新調諧天線電路的諧振點,以優化XNUMXMHz的接收性能。
圖4:可調共振的好處。
。 This is especially important in urban areas where the FM band is crowded.這在FM頻段擁擠的城市地區尤其重要。
本文摘要
As the wireless usage model becomes more and more popular in portable devices, more users want to use wireless FM radios with embedded antennas while listening to programs with wireless headphones or speakers.隨著無線使用模型在便攜式設備中越來越流行,越來越多的用戶希望在收聽帶有無線耳機或揚聲器的節目時使用帶有嵌入式天線的無線FM廣播。 This article discusses the principle of maximizing sensitivity to improve FM reception using embedded antennas, and further discusses how to implement it.本文討論了最大化靈敏度以改善使用嵌入式天線的FM接收的原理,並進一步討論瞭如何實現它。 Since the available space on portable devices that use embedded antennas is very limited, a self-tuning resonance network can be considered to maximize the sensitivity of the receiver over the entire FM band, so as to keep the short antenna with maximum efficiency at each frequency point.由於使用嵌入式天線的便攜式設備上的可用空間非常有限,因此可以考慮使用自調諧諧振網絡,以使接收器在整個FM頻段上的靈敏度最大化,從而使短天線在每個頻率下均具有最大效率。點。
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