[转载]超级FM调谐器 SUPRX 设计 关键词 SBL-1

dxhdtv

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. RyderSRI
                                                                                                                                                                                                         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

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3、接收机原理

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
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
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

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。



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。

dxhdtv

后记：
1 本贴是看了 电子管技术区（一种FM国频超级高频头的研制：http://www.crystalradio.cn/forum ... &extra=page%3D1 ）的帖子有感而发的，但那是有用电子管元件制作的，对于不是很懂电子管或者感觉制作麻烦的坛友可以参考这个帖子也制作一个超级FM调谐器
2 文章原是繁体的，自己转换成简体，文字可能有错漏，看到有错误的地方麻烦指正
3 最后附上英文原版pdf资料，图片和原理图更清晰：

xlf0602

谢谢楼主！

jackywu_xp

楼主做一个吧

ace919

好文！值得试试，特别是有关slot noise测试的方法可借用到其他机器。
顺便帮楼主上个清晰点的原理图：

iffi123

密密麻麻的变容管

66718

难得的好资料。

这篇文章有很多值得吸取的经验，可以帮助大家跳出“经典电路”的条条框框，
其实这种电路结构和设计思路，很多年以前对讲机和专业电台电路都在用了，但是用在FM收音机上，还很少。

只不过随着传统FM电路已经没有厂家和专业的机构进行研究，国内更是鲜有研究的，能找到的资料都是很多年以前的。

再次感谢楼主提供的资料。

sevens1823

这篇文章好，很有借鉴意义～

dxhdtv

jackywu_xp 发表于 2018-6-7 08:26
楼主做一个吧

我是懒人一个，而且也缺乏相关仪器，暂时制作不了 在等你的阴谋中的7连高频头呢

dxhdtv

2549608436 发表于 2018-6-7 09:39
为啥不谈天线？高灵敏度离开天线就是扯淡。

只有窄带才能玩儿到高灵敏度和低噪音的佳境，但它牺牲的是信 ...

接收天线确实很重要！以后有机会或者谈谈，文章主要给大家参考的，有需要就用其资料，没有就当普通帖子看看就行。

peiguoqing

2549608436 发表于 2018-6-7 09:39
为啥不谈天线？高灵敏度离开天线就是扯淡。

只有窄带才能玩儿到高灵敏度和低噪音的佳境，但它牺牲的是信 ...

我感觉，他这里提到了  高放的lc的Q值，觉得很好，其他地方，我没有见过说，FM高放的Q多少才更好，接入系数什么的东东。

是不是，大家一直感觉，对于这么高的频率，Q值高些，低些无所为呢？

小徒弟下山

放大量最高的中放, 连用3级陶瓷...性能能有多好, 可见一班.

66718

2549608436 发表于 2018-6-7 09:39
为啥不谈天线？高灵敏度离开天线就是扯淡。

只有窄带才能玩儿到高灵敏度和低噪音的佳境，但它牺牲的是信 ...

楼主转贴，只是给大家提供一个思路而已，没有必要上纲上线。


更何况人家最后还附有，一种比较符合现在电磁环境的测试方法，得出的结论。

现在的电磁环境，亦非几十年前的情况可比，现在的各种干扰无处不在，怎样在各种干扰环境中，接收弱信号，才是最重要的问题，

至于带宽的问题，这个电路的带宽完全没有问题，三级低群延迟陶瓷滤波器串联电路，依然可以达到256khz以上的带宽。


场效应管高放，多级选频回路，也没有什么不妥，看看小鬼子的顶级FM调谐器，哪个不是这种电路构架？


双二极管平衡混频器，也不是什么离经叛道的东西，很多电台接收机都在用。

总体来说，这个帖子值得借鉴的东西，还是很多的。

爱康木

很好的文章，需要好好学习