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調頻(FM)收音機在高傳真音樂(lè )和語(yǔ)音廣播中已經(jīng)被采用好多年了，它能提供極佳的音質(zhì)、信號穩定性和抗噪聲能力。最近，FM收音機已開(kāi)始出現在更多的移動(dòng)和個(gè)人媒體播放器等市場(chǎng)應用中。然而，傳統的 FM設計方法必須使用很長(cháng)的天線(xiàn)，例如有線(xiàn)的頭戴式耳機，因而對于許多未具備有線(xiàn)耳機的用戶(hù)造成限制。另外，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)使用模式在便攜式設備中的不斷普及，越來(lái)越多的用戶(hù)也希望能使用其它FM天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)FM收音機，同時(shí)利用無(wú)線(xiàn)耳機或揚聲器來(lái)聽(tīng)聲音。 本文將介紹一種FM收音機接收器解決方案，它將天線(xiàn)集成或嵌入于便攜式設備內部，使得耳機線(xiàn)成為一種可選用的配件。我們首先從最大化接收靈敏度著(zhù)手，然后介紹實(shí)現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(xiàn)尺寸，以及利用可調諧匹配網(wǎng)絡(luò )最大化整個(gè)FM頻寬效率。最后，本文還將提出可調諧匹配網(wǎng)絡(luò )的建置方案。 最大化靈敏度 靈敏度可被定義為FM接收器系統可接收并能實(shí)現特定信噪比(SNR)的最小信號。這是FM接收系統性能的一項重要參數，它與信號和噪聲都有關(guān)系。接收信號強度指示器(RSSI)只能在特定調諧頻率時(shí)指出射頻(RF)信號強度，并不提供有關(guān)噪聲或信號質(zhì)量的任何信息。在比較使用不同天線(xiàn)的接收器性能時(shí)，音頻信噪比(SNR)或許是一項更好的參數。因此，想為聆聽(tīng)者帶來(lái)更高質(zhì)量的音頻體驗，使SNR最大化非常重要。 天線(xiàn)是連接RF電路與電磁波的橋梁。就FM接收而言，天線(xiàn)就是一種變換器，能將能量從電磁波轉換成電子電路(如低噪聲放大器；LNA)可用的電壓。FM接收系統的靈敏度直接關(guān)系到內部LNA所接收的電壓。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這一電壓。 市場(chǎng)上有各式各樣的天線(xiàn)，包括頭戴式耳機、金屬短柱(stub)、回路和芯片型天線(xiàn)等，但所有的天線(xiàn)都可以用等效電路進(jìn)行分析。圖1顯示出一種通用的等效天線(xiàn)電路模型： 
圖 1：通用的天線(xiàn)等效電路模型。 在圖1中，X可以是一個(gè)電容或一個(gè)電感。X的選擇取決于天線(xiàn)拓樸，其電抗值(電感或電容)與天線(xiàn)幾何學(xué)有關(guān)。損耗電阻(Rloss)與天線(xiàn)中以熱能形式散發(fā)的功耗有關(guān)。輻射阻抗(Rrad)則與電磁波產(chǎn)生的電壓有關(guān)。為了便于說(shuō)明，本文將分析回路天線(xiàn)模型，同樣的計算也可適用于其它類(lèi)型的天線(xiàn)，如短單極天線(xiàn)和耳機天線(xiàn)。 使諧振頻率效率最大化 為了盡量提高天線(xiàn)的轉換能量，我們使用了一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò )來(lái)抵銷(xiāo)天線(xiàn)的反作用阻抗，而這種阻抗可能使天線(xiàn)轉換至內部LNA的電壓值衰減。對于電感式回路天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，電容(Cres)可用以使天線(xiàn)在所需的頻率時(shí)產(chǎn)生諧振：
諧振頻率(ƒres)是指天線(xiàn)可使電磁波轉換成電壓的最高效率時(shí)所使用的頻率。天線(xiàn)效率是 Rrad的功率與天線(xiàn)總功率的比值，以Rrad/Zant表示，其中Zant是具有天線(xiàn)諧振網(wǎng)絡(luò )的天線(xiàn)阻抗。Zant可表示為：
當天線(xiàn)處于諧振狀態(tài)時(shí)，效率η可以表示為：
在其它頻率時(shí)的效率為：
除了諧振頻率以外的天線(xiàn)效率η低于最大效率ηres，因為此時(shí)的天線(xiàn)輸入阻抗Zant如果不是電容式的，就是電感式的。 最大化天線(xiàn)尺寸 為了恢復所傳輸的射頻信號，天線(xiàn)必須從電磁波中盡可能地收集到最多的能量，并有效率地將電磁波能量轉換成電壓。所收集到的能量受制于便攜式設備中的天線(xiàn)可用空間和大小。對于傳統的耳機天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，它的長(cháng)度可達到FM信號的四分之一波長(cháng)，就能夠收集到足夠的能量并轉換成內部LNA的可用電壓。在此情況下，最大化天線(xiàn)的效率就不那么重要了。 不過(guò)，由于便攜式設備正變得更小更薄，能用于嵌入式FM天線(xiàn)的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線(xiàn)尺寸，但嵌入式天線(xiàn)收集到的能量仍非常小。因此，在使用較小天線(xiàn)的情況下，還必須兼顧不至于犧牲性能，提高天線(xiàn)效率η就變得更為重要。 利用可調諧匹配網(wǎng)絡(luò )最大化FM頻段效率 大多數國家的FM廣播頻段的頻率范圍是87.5MHz到108.0MHz。日本的FM廣播頻段是76MHz到90MHz。而在一些東歐國家中，FM廣播頻段是65.8MHz到74MHz。為了適應全球所有的FM頻段，FM接收系統必須具備40MHz的頻寬。傳統的解決方案通常是將天線(xiàn)調諧在FM頻段的中心頻率。然而，如同上述公式所顯示的，天線(xiàn)系統的效率是頻率的函數。這一效率可在諧振頻率時(shí)達到最大值，但在頻率偏離諧振頻率時(shí)，其效率也隨之下降。因此，由于全球FM頻段的頻寬達40MHz，當頻率遠離諧振頻率時(shí)的天線(xiàn)效率將會(huì )顯著(zhù)下降。 例如，設定一個(gè)固定諧振頻率98MHz，那么在該頻率點(diǎn)時(shí)可實(shí)現很高的效率，但其它頻率點(diǎn)的效率將明顯下降，從而降低遠離諧振頻率時(shí)的FM性能。 圖2顯示出固定諧振頻率在中心頻段(98MHz)時(shí)的兩種天線(xiàn)(耳機天線(xiàn)和短天線(xiàn))效率曲線(xiàn)。
圖2：FM頻段內的典型固定諧振天線(xiàn)性能。 從上圖可以看出，98MHz時(shí)可實(shí)現最佳效率，但頻率越接近頻帶邊緣，效率就隨之遞減。對于耳機天線(xiàn)來(lái)說(shuō)這不是什么大問(wèn)題，因為這種天線(xiàn)尺寸已經(jīng)大到能夠在整個(gè)頻帶內收集到足夠的電磁能量，并轉換成較高的電壓至RF接收器中。然而，相較于較長(cháng)的耳機天線(xiàn)而言，短天線(xiàn)尺寸小，收集到的能量也少，因此當頻率遠離諧振點(diǎn)時(shí)效率也會(huì )快速地降低。這可能會(huì )在頻段邊緣使用固定諧振方案時(shí)，造成接收方面的問(wèn)題，主要原因是短天線(xiàn)具有比耳機更高的'Q'值，使其效率在頻帶邊緣驟低。 Q值代表指質(zhì)量因子，它與每單位時(shí)間內天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中儲存的能量與損耗或輻射能量成正比。針對具有天線(xiàn)諧振網(wǎng)絡(luò )的天線(xiàn)等效電路而言，Q值滿(mǎn)足：
與短天線(xiàn)相比，耳機天線(xiàn)由于尺寸較大，天生就具有較高的輻射電阻Rrad，因此也使其Q值較低。由于嵌入式應用必須使用較高Q值的短天線(xiàn)，因而效率驟降的問(wèn)題就格外顯眼。 天線(xiàn)的Q值也與天線(xiàn)頻寬有關(guān)，其間的關(guān)系可表示為：
其中，fc是諧振頻率，而B(niǎo)W是天線(xiàn)的3dB頻寬。與較長(cháng)的耳機天線(xiàn)相比較，高Q值的短天線(xiàn)具有較小的頻寬，因而在頻帶邊緣的損耗較大。 為了克服高Q值固定諧振天線(xiàn)的頻寬限制問(wèn)題，可以采用自調諧振電路而將'固定諧振改變?yōu)榭烧{諧振，使電路得以常處于最大化接收靈敏度的諧振頻率。采用自調諧振天線(xiàn)還可獲得較高的信噪比，因為來(lái)自諧振天線(xiàn)的增益可降低接收器的系統噪聲系數，而嵌入式天線(xiàn)固有的高Q值又有助于濾除可能與本地振蕩器諧波混合在一起的干擾。 可調諧匹配網(wǎng)絡(luò )的建置 圖 3顯示增強型FM接收器架構的概念方塊圖。該FM接收器架構可用以支持嵌入式短天線(xiàn)，其可調諧振采用芯片上可調諧的可變電容和調諧算法來(lái)實(shí)現。
圖3：Si4704/05的概念架構圖。 上述設計使用具有數字信號處理器(DSP)的混合信號數字低中頻架構，建置出一項包括自調諧嵌入式短天線(xiàn)的先進(jìn)信號處理算法。天線(xiàn)算法可根據設備的每個(gè)頻率調諧點(diǎn)，自動(dòng)調整可變電容的電容值，以實(shí)現最佳性能。 舉例來(lái)說(shuō)，如果用戶(hù)調諧到101.1MHz(圖4中的電臺1)，天線(xiàn)算法將把天線(xiàn)電路諧振點(diǎn)調諧到101.1MHz，從而最佳化 101.1MHz的天線(xiàn)效率和接收性能。當用戶(hù)調諧到84.1MHz(圖4中的電臺2)時(shí)，天線(xiàn)算法隨之重新調諧天線(xiàn)電路諧振點(diǎn)，而使84.1MHz的接收性能最佳化。
圖 4：可調諧振的好處。 利用調諧后的頻率來(lái)調整天線(xiàn)諧振，使其可為每一固定頻率提供最大效率，從而使整個(gè)FM頻段上的接收信號強度最大化。在采用可調諧振電路后，整個(gè)頻帶上使用嵌入式天線(xiàn)的系統性均有所提升。在指定的頻率上諧振天線(xiàn)還能使其它頻率的干擾衰減，從而顯著(zhù)地提高接收器的選擇性。因此，使用這種具嵌入式天線(xiàn)的接收器用戶(hù)還能免于其它意外信號源的干擾，這一點(diǎn)在FM頻帶擁擠的市區尤其重要。 本文小結 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)使用模式在便攜式設備中越來(lái)越普及，更多的用戶(hù)希望使用具有嵌入式天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)FM收音機，同時(shí)也用無(wú)線(xiàn)耳機或揚聲器聆聽(tīng)節目。為了實(shí)現最大化靈敏度的目標，本文討論如何改善使用嵌入式天線(xiàn)的FM接收效果，并進(jìn)一步探討其建置方法。由于內建嵌入式天線(xiàn)的便攜式設備可用空間非常有限，可以考慮采用自調諧諧振網(wǎng)絡(luò )來(lái)最大化整個(gè)FM頻帶上的接收器的靈敏度，從而使短天線(xiàn)在每個(gè)頻率時(shí)都能實(shí)現最高效率。 作者：Silicon Laboratories公司 Natalian Zhai 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2009（10） |
