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調頻(FM)收音機在高傳真音樂和語音廣播中已經被采用好多年了，它能提供極佳的音質、信號穩定性和抗噪聲能力。最近，FM收音機已開始出現在更多的移動和個人媒體播放器等市場應用中。然而，傳統的 FM設計方法必須使用很長的天線，例如有線的頭戴式耳機，因而對于許多未具備有線耳機的用戶造成限制。另外，隨著無線使用模式在便攜式設備中的不斷普及，越來越多的用戶也希望能使用其它FM天線的無線FM收音機，同時利用無線耳機或揚聲器來聽聲音。 本文將介紹一種FM收音機接收器解決方案，它將天線集成或嵌入于便攜式設備內部，使得耳機線成為一種可選用的配件。我們首先從最大化接收靈敏度著手，然后介紹實現最大化靈敏度的方法，包括最大化諧振頻率的效率、最大化天線尺寸，以及利用可調諧匹配網絡最大化整個FM頻寬效率。最后，本文還將提出可調諧匹配網絡的建置方案。 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系。接收信號強度指示器(RSSI)只能在特定調諧頻率時指出射頻(RF)信號強度，并不提供有關噪聲或信號質量的任何信息。在比較使用不同天線的接收器性能時，音頻信噪比(SNR)或許是一項更好的參數。因此，想為聆聽者帶來更高質量的音頻體驗，使SNR最大化非常重要。 天線是連接RF電路與電磁波的橋梁。就FM接收而言，天線就是一種變換器，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。 市場上有各式各樣的天線，包括頭戴式耳機、金屬短柱(stub)、回路和芯片型天線等，但所有的天線都可以用等效電路進行分析。圖1顯示出一種通用的等效天線電路模型： 
圖 1：通用的天線等效電路模型。 在圖1中，X可以是一個電容或一個電感。X的選擇取決于天線拓樸，其電抗值(電感或電容)與天線幾何學有關。損耗電阻(Rloss)與天線中以熱能形式散發的功耗有關。輻射阻抗(Rrad)則與電磁波產生的電壓有關。為了便于說明，本文將分析回路天線模型，同樣的計算也可適用于其它類型的天線，如短單極天線和耳機天線。 使諧振頻率效率最大化 為了盡量提高天線的轉換能量，我們使用了一個諧振網絡來抵銷天線的反作用阻抗，而這種阻抗可能使天線轉換至內部LNA的電壓值衰減。對于電感式回路天線來說，電容(Cres)可用以使天線在所需的頻率時產生諧振：
諧振頻率(ƒres)是指天線可使電磁波轉換成電壓的最高效率時所使用的頻率。天線效率是 Rrad的功率與天線總功率的比值，以Rrad/Zant表示，其中Zant是具有天線諧振網絡的天線阻抗。Zant可表示為：
當天線處于諧振狀態時，效率η可以表示為：
在其它頻率時的效率為：
除了諧振頻率以外的天線效率η低于最大效率ηres，因為此時的天線輸入阻抗Zant如果不是電容式的，就是電感式的。 最大化天線尺寸 為了恢復所傳輸的射頻信號，天線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可用空間和大小。對于傳統的耳機天線來說，它的長度可達到FM信號的四分之一波長，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，最大化天線的效率就不那么重要了。 不過，由于便攜式設備正變得更小更薄，能用于嵌入式FM天線的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線尺寸，但嵌入式天線收集到的能量仍非常小。因此，在使用較小天線的情況下，還必須兼顧不至于犧牲性能，提高天線效率η就變得更為重要。 利用可調諧匹配網絡最大化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，天線系統的效率是頻率的函數。這一效率可在諧振頻率時達到最大值，但在頻率偏離諧振頻率時，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的天線效率將會顯著下降。 例如，設定一個固定諧振頻率98MHz，那么在該頻率點時可實現很高的效率，但其它頻率點的效率將明顯下降，從而降低遠離諧振頻率時的FM性能。 圖2顯示出固定諧振頻率在中心頻段(98MHz)時的兩種天線(耳機天線和短天線)效率曲線。
圖2：FM頻段內的典型固定諧振天線性能。 從上圖可以看出，98MHz時可實現最佳效率，但頻率越接近頻帶邊緣，效率就隨之遞減。對于耳機天線來說這不是什么大問題，因為這種天線尺寸已經大到能夠在整個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，相較于較長的耳機天線而言，短天線尺寸小，收集到的能量也少，因此當頻率遠離諧振點時效率也會快速地降低。這可能會在頻段邊緣使用固定諧振方案時，造成接收方面的問題，主要原因是短天線具有比耳機更高的'Q'值，使其效率在頻帶邊緣驟低。 Q值代表指質量因子，它與每單位時間內天線網絡中儲存的能量與損耗或輻射能量成正比。針對具有天線諧振網絡的天線等效電路而言，Q值滿足：
與短天線相比，耳機天線由于尺寸較大，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，因而效率驟降的問題就格外顯眼。 天線的Q值也與天線頻寬有關，其間的關系可表示為：
其中，fc是諧振頻率，而BW是天線的3dB頻寬。與較長的耳機天線相比較，高Q值的短天線具有較小的頻寬，因而在頻帶邊緣的損耗較大。 為了克服高Q值固定諧振天線的頻寬限制問題，可以采用自調諧振電路而將'固定諧振改變為可調諧振，使電路得以常處于最大化接收靈敏度的諧振頻率。采用自調諧振天線還可獲得較高的信噪比，因為來自諧振天線的增益可降低接收器的系統噪聲系數，而嵌入式天線固有的高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。 可調諧匹配網絡的建置 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，其可調諧振采用芯片上可調諧的可變電容和調諧算法來實現。
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的先進信號處理算法。天線算法可根據設備的每個頻率調諧點，自動調整可變電容的電容值，以實現最佳性能。 舉例來說，如果用戶調諧到101.1MHz(圖4中的電臺1)，天線算法將把天線電路諧振點調諧到101.1MHz，從而最佳化 101.1MHz的天線效率和接收性能。當用戶調諧到84.1MHz(圖4中的電臺2)時，天線算法隨之重新調諧天線電路諧振點，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調整天線諧振，使其可為每一固定頻率提供最大效率，從而使整個FM頻段上的接收信號強度最大化。在采用可調諧振電路后，整個頻帶上使用嵌入式天線的系統性均有所提升。在指定的頻率上諧振天線還能使其它頻率的干擾衰減，從而顯著地提高接收器的選擇性。因此，使用這種具嵌入式天線的接收器用戶還能免于其它意外信號源的干擾，這一點在FM頻帶擁擠的市區尤其重要。 本文小結 隨著無線使用模式在便攜式設備中越來越普及，更多的用戶希望使用具有嵌入式天線的無線FM收音機，同時也用無線耳機或揚聲器聆聽節目。為了實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的FM接收效果，并進一步探討其建置方法。由于內建嵌入式天線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絡來最大化整個FM頻帶上的接收器的靈敏度，從而使短天線在每個頻率時都能實現最高效率。 作者：Silicon Laboratories公司 Natalian Zhai 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009（10） |
