超级FM调谐器 SUPRX 设计



  • 中文转载自:矿石收音机论坛
    英文原文:A high-performance FM receiver.pdf
    完美主义的我重截并处理了所有的图,代价就是有些中文实在不清晰或者有巨大LOGO遮挡了画面的图是从英文原版中获得的。谁有本篇文章的繁体中文原版,请帮我补充这些图

    音频和数字应用中的高性能FM接收机
    本文讨论的FM无线电接收机设计称为SUPRX,具有噪音低,信号性能好的特点,可以克服长期以来敏感度不高的困惑。具体实施方式是通过小心调节,使接收机前端和混频器的强信号宽频特性达到最佳。

    Wayne C. Ryder
    SRI国际有限公司助理研究员

    一般来说,主宰无线电接收机性能的基本参数之一就是敏感度。本文讨论的FM无线电接收机设计称为 SUPRX,具有噪音低,信号性能好的特点,可以克服长期以来敏感度不高的FM TUNER SUPRX困惑。具体实施方式是通过小心调节,使接收机前端和混频器的强信号宽频特性达到 最佳。目标是当接收机处于邻频大信号环境(adjacent channel high-level signals)的时候,维持前端弱信号的敏感度,本文将此称作“表观敏感度(apparent sensitivity)”。
    另外一个重要参数是中频(IF)谐波失真。按照本文提示,选择适当的元器件,可以使IF失真降低,达到可以接受的水平。

    一、设计背景

    现代FM波段接收机的要求是当接收机处于发射台覆盖范围的边缘地带时,具有适当的敏感度。然而,测量结果显示,在高密度、强信号电平环境中,接收机的表观敏感度降低了好几个量级。
    举例来说,将6个FM调谐器/放大器与信号发生器相连,当信噪比(SNR)为30dB时,其敏感度为10-30μV。然而,当与强信号电平环境中的天线连接时,在同样的频率佔用环境下,为了获得同样的相同信噪比,该接收机必需的信号大小为2-5mV之间。
    在实际应用中,现代接收机前端用元器件的限制因素很多。其中,混频器很容易受到中频调制的影响。RF放大器虽然没有如此严重,但是也或多或少地有这方面的局限性。当在很多强信号环境中接收弱信号的时候,这些限制性将显得特别明显。
    还有一个必须考虑的重要因素,那就是与IF放大器、限幅器和检波器相关的谐波失真。谐波失真会降低音频性能,并为FM频带增加一些多馀的信号,而副载波恰好是在该波段被接收的。
    大多数谐波失真发生在IF放大器、限幅器和检波器阶段。虽然群延迟(group delay)较低的陶瓷滤波器的失真最小,但是其它性能差。除此之外,小心地匹配检波器和正交线圈(quadrature coil),可以使谐波失真最小。
    克服了无线电接收机敏感度和谐波失真等方面的不足,下一步就是按照无线电接收机的设计目标进行设计。SUPRX就是满足该目标的一项设计。

    二、设计考虑

    在SUPRX设计中,必须进行评估的元器件(混频器、RF放大器、本机振荡器、IF连接器)分别介绍如下:
    1.混频器
    如下文所述,一些混频器是通过时隙噪声发生器(slot noise generator)进行评估的。使用+27dBm本机振荡器进行驱动的混频器,其表观性能远比使用+7dBm本机振荡器进行驱动的混频器的表现要好。然 而,从混频器成本、本机振荡器驱动器零件的成本,以及一些可能的+27dbm本机振荡器的辐射已经超过了FCC限定值等方面考虑,本设计採用了+7dBm 的混频器。该混频器的时隙噪声电平(slot noise levels )如表1。混频器输出端的时隙噪声电平越低,其性能就越好。
    2.RF放大器
    由于使用了一个低频本机振荡器驱动的混频器,该混频器的带外强信号处理能力比较差,因此必须採用窄带调谐 型前端(narrow-band tuned front end)。最佳方案是选择空载Q为150左右(Qunloaded =150)的前端,以降低临频干扰。另外,前端调谐必须追踪该本机振荡器。
    图1、前端频率
    420518e6-2670-4c7b-9dc5-5404ae71ac6a-图片.png
    总的来说,带有2-6个调谐电路的部件都要进行评估。本设计所选择部件含有4个调谐电路。该电路部件在88.98 MHz和108 MHz (见图1)时的前端负载Q >150。本机振荡器在±2dB范围内追踪前端。
    同时被评估的还有几个用作RF放大器的双门场效应管(FET)。BF904具有最高的三阶截取点(IP3,表示强信号处理能力的一种标准),向门1施加一定电压就能够为BF904提供偏压。
    3.本机振荡器
    本设计的本机振荡器採用考毕子(Colpitts)电路。带内过冲(spur)>60dB(下),最坏情况下的谐波>30dB(下)。由于前端具有适当的选择性,振荡器的谐波不会影响接收机的性能。
    4.IF组件
    IF组件的测试环境为:调制频率6kHz,频差±75kHz。同时被评估的还有一些解调IC、谐振器、电 感器。结果发现,最佳匹配方案为Sanyo LA 1235限幅器/解调器,Sumada正交线圈(谐波失真小于70dB)。评估陶瓷滤波器时发现,Murata SFE10.7MX-A群延迟越小,失真就越小。这些元器件的组合将使最终失真特性优于65dB。

    三、接收机描述

    该FM接收机的方框图和原理图见图2和图3。
    图2、接收机方框图
    f1c65acc-61b6-4994-8ed7-0a930ad7ed0a-图片.png
    图3、接收机原理图
    9b415c86-fb1d-4f18-8a2b-83e49cedd52d-图片.png
    在图3中,L6和L7的外形尺寸为0.6 〞,损耗为0.5dB左右。Q4是一级RF放大器。L9和L10的外形尺寸为0.8 〞,之间进行部分屏蔽。在混频器的输入端,测得的前端增益大约为10dB。该增益足以克服混频器的损耗,但是不会超过后者。
    C23和L11能够使Q5的输出(第二级RF放大器)和混频器之间相互匹配。本机振荡器Q3之后是一个两阶放大器Q1和Q2。
    混频器输出端和Q8之间的元器件作为混频器的终接电路。CF1、CF2、CF3能够提供大约200kHz 接收机带宽。U5用作IF放大器、限幅器和检波器。U4和U5为本机振荡器提供锁相功能。
    1.slot噪音产生器
    使用slot噪音产生器的目的是在信号较强的大都市区域中,评估FM接收机前端的性能。由于前端呈现非线性,较强的本机信号可能会影响小功率发射台所佔用谱率上的信号,从而出现串扰。
    测量前端非线性特性时,必须找到一个最佳的可重复值。双音互调(two-tone intermodulation)无法充分地测量高阶互调失真。但是,如果以任何方式移动天线,或者大气环境发生变化的话,测量结果就会失效。另外,要在 FM波段寻找一个具有足够带宽的真空区来添加测试信号,那将是十分困难的。
    第二种方法是将50个小型FM发射机的输出组合在一起,各个发射机通过不同的节目源进行调制。但是,这样做必须相当小心,否则,各个发射机之间会产生互调效应,使测试间隙(test slot)充满噪声。另外,该方法相当複杂。
    第三个方法将一个狭长时隙置于FM波段的中央噪声上,在整个FM波段产生噪声。进出该时隙的噪声比定义为 噪音功率比。然而,要在1%带宽范围内,在噪声中生成一个满足幅度要求的时隙信号是很困难的。一种可能的方法是在基带产生噪声信号,然后在2-10MHz 范围内进行选频(bandpass),再将其与对应的频率进行混频。混频和放大必须以线性方式操作,以便时隙中不会增加二次噪声。这样,噪声功率比大于 50dB一般是可以实现的。
    事实上,这类装置已经构建成功,当使用带宽为300KHz(随机噪声产生于0-15MHz)的频谱分析仪进行测量时,测得的时隙噪声深度在-30至-58dB之间,具体大小取决于所用的频谱分析仪。时隙噪声发生器的原理图如图4所示。
    图4、时隙杂讯方框图
    bb58c5e6-1a66-4097-85e3-97cdfc528d10-图片.png
    下一步就是2-10MHz之间的通频了。其中,2MHz滤波器边沿定义了时隙的宽度,10MHz滤波器边 沿可以使噪声远离图像频率。採用这两个滤波器以后,就可以避免时隙噪声深度方面的问题。使用+17dBm LO混频器,可以使信号上变频到98MHz。然后,将这两个信号放大并组合起来。通过第二个组合器,可以在时隙信号中添加一个测试信号。
    图5、时隙杂讯频率计画
    c8e6d088-fd0d-41a0-8956-8b3a628f70f6-图片.png
    在图5所示的频率方案中,基带噪音在2-10MHz下降了3dB,在1.5-17MHz下降了60dB。 中心频率为98.0MHz时,噪声被混频为97.35MHz和98.85MHz。图6是带宽大约2MHz,深度为56dB时,使用Tektronix 7L14或2712测到的一个时隙噪声。所有时隙噪声的测试均通过带宽为300MHz的频谱分析仪进行。
    图6、时隙杂讯频谱
    8cd7438b-a24f-4e3c-8de8-67054bbdb8f9-图片.png
    2.测试
    实践证明,这两种测试接收机的方法都是很有用的。当测量单独的组件,如放大器或混频器的时候,往往将被测 组件连接于时隙噪声发生器的输出端。被测装置的输出端与频谱分析仪相连。一直增加来自时隙噪声发生仪的噪声,直到该被测装置呈现非线性为止,也就是说,该 时隙噪声已经上升的很高了。必要时,也可以使用FET。
    观察接收机的整体性能,可以发现另一个很有用的测试方法,即向第二个组合器中添加一个98MHz的载波。然后,该载波的SNR可以作为时隙噪声发生器输入功率电平的函数进行测量。
    测试接收机时,噪声电平选-10dBm,频谱分析仪带宽选300KHz,测量工具有功率计和带通滤波器。结果表明,前端的时隙噪声下降了56dB。当然,该噪声深度还是可以进一步下降的。
    本文使用-10dBm到-70dBm(见图7)的时隙噪声电平测量了6个接收机。其中,接收机1和2体积小,价格低,功率小;接收机3是一个调谐器式放大器;接收机4是一个商业化的调谐器,用作FM重播;接收机5只是一个高端调谐器;接收机6是SUPRX。
    这些测试是通过一个70KHz、9600波特、7.5KHz偏离的数字副载波进行的。信号的概率情况为 90%好信息包,10%差信息包。接收机1-5在-10dBm噪声电平时,其敏感度为20-300mV(-22至+3dBm)。SUPRX的敏感度为 280mV(-58dBm),或者说,其敏感度比平均水平提高了45dBm。
    2918c0f0-e252-4e2b-81a8-7c92dd63404d-图片.png
    图7、时隙杂讯电平VS表观灵敏度
    最终测试是在很多强信号环境中测试弱电台发出的信号。弱电台的电平为100mV,其它电台为2-20mV。对8个调谐放大器、一个孤立的高端调谐器,及SUPRX进行测量,结果如下:
    ‧ 四个接收机: 只听到了噪音。
    ‧ 三个接收机: 只听到了来自其它电台的声音。
    ‧ 二个接收机: 能在背景中听见电台的声音。
    ‧ SUPRX接收机: 能听到没有噪音的电台声音,并且具有很好的立体声分离效果。

    四、结论

    测量结果表明,在较强的外部干扰信号环境中,本设计同传统的FM接收机相比,具有很高的灵敏度和较小的失真。本文介绍的设计原理(混频器、RF放大器和解调器),以及评估方法(使用时隙噪声发生器),还可以应用到其它频率的接收机设计中。



  • 1235不好找阿



  • @rifle 淘宝几块。。。