O rádio de modulação de frequência (FM) tem sido usado para transmissão de música e voz de alta fidelidade por muitos anos. Ele pode fornecer excelente qualidade de som, robustez de sinal e imunidade a ruídos. Recentemente, o rádio FM tem sido cada vez mais usado em reprodutores de mídia móveis e pessoais. No entanto, o método de design FM tradicional requer uma antena muito longa, como um fone de ouvido com fio, o que limita muitos usuários que não têm um fone de ouvido com fio. Além disso, com a popularidade contínua dos modelos de uso sem fio em dispositivos portáteis, mais usuários podem se beneficiar dos rádios FM sem fio que usam outros tipos de antenas FM e, ao mesmo tempo, podem usar fones de ouvido ou alto-falantes sem fio para ouvir os sons.
Este artigo apresentará uma solução de receptor de rádio FM que integra ou embute a antena dentro do dispositivo portátil, tornando o cabo do fone de ouvido uma opção. Começamos maximizando a sensibilidade de recepção e, em seguida, introduzimos métodos para maximizar a sensibilidade, incluindo maximizar a eficiência da frequência de ressonância, maximizar o tamanho da antena e usar uma rede de correspondência sintonizável para maximizar a eficiência de toda a largura de banda FM. Finalmente, este artigo fornecerá o método de realização da rede de correspondência ajustável.
Sensibilidade máxima
A sensibilidade pode ser definida como o menor sinal que o sistema de recepção de FM pode receber enquanto atinge um determinado nível de relação sinal-ruído (SNR). Este é um parâmetro importante do desempenho do sistema de recepção de FM, que está relacionado ao sinal e ao ruído. O Indicador de intensidade do sinal recebido (RSSI) apenas indica a intensidade do sinal RF em um ponto de frequência de sintonia específico. Não fornece nenhuma informação sobre ruído ou qualidade do sinal. Ao comparar o desempenho do receptor em diferentes antenas, a relação sinal-ruído (SNR) de áudio pode ser um parâmetro melhor. Portanto, é muito importante maximizar o SNR para trazer uma experiência de áudio de alta qualidade ao ouvinte.
A antena é uma ponte que conecta o circuito de radiofrequência e as ondas eletromagnéticas. No que diz respeito à recepção FM, a antena é um conversor que converte a energia das ondas eletromagnéticas em voltagem que pode ser usada por circuitos eletrônicos (como amplificadores de baixo ruído (LNA)). A sensibilidade do sistema de recepção de FM está diretamente relacionada à voltagem recebida pelo LNA interno. Para maximizar a sensibilidade, esta tensão deve ser aumentada tanto quanto possível. Existem várias antenas no mercado, incluindo fones de ouvido, chicotes curtos, loops e antenas de chip, mas todas as antenas podem ser analisadas com circuitos equivalentes. A Figura 1 mostra um modelo de circuito de antena equivalente geral:
Na Figura 1, X pode ser um capacitor ou um indutor. A escolha de X depende da topologia da antena, e seu valor elétrico (indutivo ou capacitivo) está relacionado à geometria da antena. A perda de resistência Rloss está relacionada à dissipação de potência na forma de energia térmica na antena. A resistência à radiação Rrad está relacionada à voltagem gerada por ondas eletromagnéticas. Para facilitar a explicação, o texto a seguir tomará o modelo da antena de quadro como o objeto de análise. O mesmo cálculo também pode ser usado para outros tipos de antenas, como antenas monopolo curtas e antenas de fone de ouvido.
Figura 1: Modelo de circuito equivalente da antena.
Maximize a eficiência do ponto de frequência de ressonância
Para maximizar a energia convertida pela antena, uma rede ressonante pode ser usada para compensar a impedância reativa da antena, e esta impedância irá atenuar o valor da tensão conduzida pela antena para o LNA interno. Para antenas de loop indutivo, o capacitor Cres é usado para fazer a antena ressoar na frequência desejada:
A frequência de ressonância se refere ao ponto de frequência no qual a antena converte as ondas eletromagnéticas em voltagem com a maior eficiência. A eficiência da antena é a razão entre a potência em Rrad e a potência total recebida pela antena, que pode ser expressa como Rrad / Zant, onde Zant é a impedância da antena com a rede de ressonância da antena. Zant é expresso como:
Quando a antena está em ressonância, a eficiência η pode ser expressa como:
A eficiência em outros pontos de frequência é:
A eficiência da antena η no ponto de frequência não ressonante é menor do que a eficiência máxima ηres, porque a impedância de entrada da antena Zant neste momento é capacitiva ou indutiva.
Maximizar o tamanho da antena
Para recuperar o sinal de radiofrequência transmitido, a antena deve coletar o máximo de energia possível da onda eletromagnética e converter de forma eficiente a energia da onda eletromagnética em uma tensão por meio de Rrad. A quantidade de energia coletada é limitada pelo espaço disponível e pelo tamanho da antena usada pelo dispositivo portátil. Para uma antena de fone de ouvido tradicional, seu comprimento pode atingir um quarto do comprimento de onda do sinal FM, e energia suficiente pode ser coletada e convertida em uma voltagem que pode ser usada pelo LNA interno. Nesse caso, maximizar a eficiência da antena não é tão importante.
No entanto, como os dispositivos portáteis estão se tornando menores e mais finos, o espaço deixado para antenas FM incorporadas tornou-se muito limitado. Embora o tamanho da antena tenha sido aumentado tanto quanto possível, a energia coletada pela antena embutida ainda é muito pequena. Portanto, torna-se muito importante melhorar a eficiência da antena η sem sacrificar o desempenho e usando uma antena menor.
Utilize rede de correspondência ajustável para maximizar a eficiência na banda de frequência FM
A faixa de freqüência da banda de transmissão FM na maioria dos países é de 87.5 MHz a 108.0 MHz. A banda de frequência da transmissão FM no Japão é de 76 MHz a 90 MHz. Em alguns países da Europa Oriental, a banda de frequência de rádio FM é de 65.8 MHz a 74 MHz. Para se adaptar a todas as bandas de frequência FM do mundo, o sistema de recepção FM precisa de uma largura de banda de 40 MHz. A solução tradicional geralmente é sintonizar a antena na frequência central da banda FM. No entanto, como mostra a fórmula acima, a eficiência do sistema de antena é uma função da frequência. A eficiência atinge seu máximo no ponto de ressonância. Quando a frequência se desvia da frequência de ressonância, a eficiência diminui. É importante notar que, como a largura de banda da banda de frequência FM global atinge 40 MHz, a eficiência da antena diminuirá significativamente quando a frequência estiver longe do ponto de frequência de ressonância. Por exemplo, se uma frequência ressonante fixa for definida para 98 MHz, alta eficiência pode ser alcançada neste ponto de frequência, mas a eficiência de outros pontos de frequência será significativamente reduzida, degradando assim o desempenho da modulação de frequência longe do ponto de frequência ressonante. A Figura 2 mostra as curvas de eficiência de duas antenas (antena de fone de ouvido e antena curta) quando a frequência ressonante fixa está no centro da banda de frequência (98 MHz).
Figura 2: Desempenho típico da antena ressonante fixa na banda FM.
Como pode ser visto na figura acima, o ponto de 98 MHz pode atingir a melhor eficiência, mas quanto mais perto a frequência estiver da borda da banda, mais a eficiência cai. Isso não é um grande problema para as antenas de fone de ouvido, porque o tamanho dessa antena pode coletar energia eletromagnética suficiente em toda a frequência e convertê-la em uma voltagem mais alta para o receptor RF. No entanto, em comparação com a antena de fone de ouvido mais longa, a antena curta é pequena em tamanho e coleta menos energia, então a eficiência diminuirá rapidamente quando a frequência estiver longe do ponto de ressonância, ou seja, a recepção na borda da banda ocorrerá quando o esquema de ressonância fixa for usado. O principal problema é que as antenas curtas têm um valor "Q" mais alto do que os fones de ouvido, o que causa uma queda acentuada na eficiência na borda da banda de frequência.
Q refere-se ao fator de qualidade, que é proporcional à razão entre a energia armazenada na rede de antenas por unidade de tempo e a perda ou energia de radiação. Para o circuito equivalente de antena acima com rede de ressonância de antena, o valor Q satisfaz:
Comparada com a antena curta, a antena do fone de ouvido tem um tamanho maior, portanto, tem uma resistência à radiação Rrad maior, o que leva a um valor Q inferior. Como as aplicações embarcadas requerem o uso de antenas curtas com altos valores de Q, o problema de quedas acentuadas na eficiência é muito proeminente.
O valor Q da antena também está relacionado à largura de banda da antena e sua relação pode ser expressa como:
Onde ƒc é a frequência ressonante ƒc, e BW é a largura de banda de 3dB da antena. Em comparação com uma antena de fone de ouvido mais longa, uma antena curta com um valor Q alto tem uma largura de banda menor, de modo que a perda na borda da banda de frequência é maior.
A fim de superar a limitação da largura de banda da antena ressonante fixa de alto Q, um circuito ressonante autoajustável pode ser usado para alterar a "ressonância fixa" para "ressonância ajustável", de modo que o circuito esteja sempre no ponto de frequência de ressonância, maximizando assim a sensibilidade de recepção. Uma antena ressonante autoajustável pode obter uma relação sinal-ruído mais alta, porque o ganho da antena ressonante pode reduzir a figura de ruído do sistema do receptor e o valor Q alto inerente da antena embutida ajuda a filtrar possíveis harmônicos com o oscilador local Disturbance misturado.
Realização de rede de correspondência ajustável
A Figura 3 mostra o diagrama de blocos conceitual da arquitetura do receptor FM aprimorado com suporte para antenas curtas incorporadas. A "ressonância ajustável" é realizada por diodo varator ajustável no chip e algoritmo de sintonia.
Figura 3: Diagrama de blocos conceitual de Si4704 / 05.
O projeto acima usa uma arquitetura digital de baixo IF de sinal misto com um processador de sinal digital (DSP) para realizar algoritmos de processamento de sinal avançados, incluindo autoajuste de antenas curtas incorporadas. O algoritmo da antena ajusta automaticamente o valor da capacitância do diodo varactor de acordo com cada ponto de sintonia de frequência do dispositivo para obter o melhor desempenho.
Por exemplo, se o usuário sintonizar 101.1 MHz (estação 1 na Figura 4), o algoritmo da antena sintonizará o ponto de ressonância do circuito da antena em 101.1 MHz, otimizando assim a eficiência da antena e o desempenho de recepção em 101.1 MHz. Quando o usuário sintoniza 84.1 MHz (estação 2 na Figura 4), o algoritmo da antena retifica o ponto de ressonância do circuito da antena para otimizar o desempenho de recepção em 84.1 MHz.
Figura 4: Benefícios da ressonância ajustável.
Usar a frequência ajustada para sintonizar o ponto de ressonância da antena pode fornecer eficiência máxima em cada ponto de frequência dado, maximizando assim a intensidade do sinal recebido em toda a banda de frequência de modulação de frequência. Após a adoção do circuito ressonante ajustável, o desempenho do sistema usando a antena embutida foi melhorado em toda a banda de frequência. A antena ressonante no ponto de frequência designado também pode atenuar a interferência de outros pontos de frequência, melhorando significativamente a seletividade do receptor. Portanto, o usuário do receptor com esta antena embutida pode ser melhor protegido de outras fontes de interferência acidental. . Isso é especialmente importante em áreas urbanas onde a banda FM está lotada.
Resumo deste artigo
À medida que o modelo de uso sem fio se torna cada vez mais popular em dispositivos portáteis, mais usuários querem usar rádios FM sem fio com antenas incorporadas enquanto ouvem programas com fones de ouvido ou alto-falantes sem fio. Este artigo discute o princípio de maximizar a sensibilidade para melhorar a recepção de FM usando antenas incorporadas e discute mais como implementá-lo. Como o espaço disponível em dispositivos portáteis que usam antenas embutidas é muito limitado, uma rede de ressonância autoajustável pode ser considerada para maximizar a sensibilidade do receptor em toda a banda FM, de forma a manter a antena curta com eficiência máxima em cada frequência ponto.
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