Moduli RF per segnali AUDIO nelle nuove bande Europee 863-865MHz

Alta qualità professionale nei microfoni senza fili

By Yukinaga Koike, Circuit Design, Inc.

WA-TX-01 e WA-RX-01 che integrano tutti i componenti, come I filtri SAW,  risonatori SAW e circuiti di riduzione rumore ICS, sono stati sviluppati per realizzare i nostri sistemi di microfoni radio supercompatti recentemente immessi sul mercato. Questi  moduli audio ad alta fedeltà, WA-TX-01 e WA-RX-01, consentono ai costruttori di sistemi audio di realizzare microfoni senza fili anche in mancanza di quella approfondita conoscenza della tecnica radio, per dare ai prodotti un valore aggiunto utilizzando la tecnologia wireless. I moduli TX ed RX sono conformi alle normative radio Europee e allo standard EMS sotto la Direttiva R&TTE. Poiché la procedura per ottenere la certificazione è molto complessa e richiede tempo e denaro, molti costruttori che non hanno grandi quantità produttive potrebbero essere scoraggiati nel progettare apparecchiature wireless, così integrando i nostri moduli nei loro sistemi potranno facilmente immettere sul mercato prodotti senza ulteriori certificazioni.

Per i sistemi di ricezione che richiedono comunicazioni più fidate, il ricevitore WA-RX-02 che utilizza la tecnologia di ricezione diversity per ridurre problemi di punti morti dovuto all’effetto multivia, può essere più indicato in questi casi. Anche il convertitore DC/DC che permette al trasmettitore di funzionare con una batteria da 1,5V è stato realizzato, perseguendo il concetto di miniaturizzazione, come un accessorio facoltativo per l’applicazione.

Trasmissione Audio con ampia portata dinamica

E’ generalmente risaputo che il massimo suono udibile da un essere umano è circa 140dBSPL.. Il livello di pressione del suono menzionato è calcolato sulla base del minimo suono udibile 0dBSPL  = 20µpa’.

Anche in una stanza silenziosa, esiste un rumore di fondo di circa 20dBSPL *^1. e la pressione del suono di una voce umana è di circa 120dBSPL. Così si può dire che il livello di pressione del suono richiesto per la trasmissione audio senza fili usuale è 100dB, dato sottraendo 20dBSPL da 120dBSPL.

Limiti delle regole radio (Radio regulations)

Ogni paese ha precise regole nelle frequenze e nelle larghezze di banda, ciò non consente di utilizzare i mezzi radio illimitatamente. In generale quando una frequenza udibile di 15kHz è frequenza analogica modulata, la larghezza di banda occupata raggiungerà ‘(massima deviazione di frequenza + massima modulazione di frequenza) x 2 ’.

Consideriamo la larghezza di banda richiesta per trasmettere un segnale audio con una portata dinamica di 100dB, usando FM*². Si presume dunque che un circuito FM è configurato con un condensatore variabile usato per la modulazione e collegato a un circuito oscillatore al cristallo. Il cristallo è una accurata fonte di oscillazione. Componenti come transistor per oscillazione e condensatore variabile usato per la modulazione producono rumori. Si verificherà quindi che esiste un rumore residuo FM di  50Hz senza modulazione, anche se è stato misurato usando un cut-off-low pass filter di 20kHz.

Un circuito PLL nel quale è integrato un circuito di oscillazione LC, avrà più rumori residui FM.

*² FM = Frequency Modulation

Ora ritorniamo al calcolo della larghezza di banda occupata trasmettendo un segnale audio che richiede 100dB di portata dinamica. Un incremento di 20dB è pari a dieci fold, e quando questo valore viene aumentato o diminuito logaritmicamente, l’incremento sarà di 100dB  pari a 100-1000 fold. A condizioni che ci siano 50Hz di rumore residuo FM, questa portata dinamica di 100dB richiederà una deviazione di frequenza di 5MHz.

Riduzione rumore

Per risolvere questo problema e far fronte ai requisiti relativi alla deviazione di frequenza determinato dalle normative radio, il microfono standard senza fili usa un compressore nel trasmettitore e un espansore nel ricevitore. Questo metodo è conosciuto come “sistema compressore riduzione rumore ” (vedere figura 1).

Perché è usata una trasmissione analogica per il microfono senza fili ?

I sistemi di trasmissione audio come i satelliti di radiotrasmissione trasmettono i suoni con sistema PCM. Perché utilizzare una trasmissione analogica per un microfono senza fili ?

Possono esserci 4 motivi;

. Molti paesi non  hanno una banda di frequenza assegnata esclusivamente ai sistemi digitali di microfonia senza fili.

. I sistemi di trasmissione digitale come il sistema PCM usano un ampio range di frequenze e questo tipo di utilizzo è semplice nelle modulazioni di frequenza inferiori a 1GHz.

. Nelle modulazioni di frequenza superiori a 1GHz, si verificano di frequente punti morti con lenti movimenti. Ciò significa che questo tipo di frequenza non è adatta per i sistemi di microfonia senza fili destinati ad essere utilizzati per rappresentazioni dal vivo dove sono necessari spostamenti di posizione.

. Se la conversione digitale viene effettuata nella parte trasmittente, il consumo di energia è molto alto. Come risultato, sarà difficile far funzionare un sistema con batterie di piccole capacità

Piano funzione frequenza

Nel caso in cui un sistema microfonico senza fili operi con il metodo di divisione frequenza nella stessa area, è importante stabilire un piano di frequenza. Più trasmissioni analogiche di segnali in FM, per esempio più di 3 frequenze con la stessa larghezza di banda causano sempre interferenze. L’interferenza riduce estremamente la fedeltà acustica provocando un suono distorto. Ciò è causato da una intermodulazione in una parte non lineare del ricevitore e questo fenomeno è chiamato “terza intermodulazione” (figura 3).

Necessità di ricezione in diversity

Generalmente punti morti dovuti a corsie multiple di trasmissione possono verificarsi frequentemente a intervalli di 1/2 lambda. In più, se ci sono parti metalliche nell’area di funzionamento saranno ancora più frequenti i punti morti dovuti al riflettersi del metallo. Se la distanza tra il trasmettitore e il ricevitore è superiore a 50 metri, i sistemi di ricezione diversity ridurranno questo problema. Se nella trasmissione dati via radio, in caso di errore, una richiesta di rinvio e lo switching fra le diverse antenne possono essere programmati senza che il tempo di ritardo causato da questa procedura rechi problema, diversamente, per i sistemi microfonici via radio, l’operatività in tempo reale è un fattore fondamentale e più di 10msec di ritardo non sono accettabili.

Convertitore DC/DC a basso rumore

Il convertitore DC/DC a basso rumore consente di far funzionare i moduli trasmettitore e ricevitore a 3V utilizzando una batteria di 1.5V. Generalmente i convertitori DC/DC sono classificati in due tipi: a frequenza variabile e a frequenza fissa. Per i sistemi senza fili, il tipo a frequenza fissa è usato come una sorgente di energia, ciò consente di effettuare misure contro i rumori. In più è utilizzato un filtro in stato di output per ridurre il rumore.

Per raggiungere un globale di 100dB di portata dinamica in sistemi microfonici senza fili, il rumore residuo del convertitore DC/DC deve essere inferiore a  –60dBm.

Input buffer

Questo circuito è un ulteriore ammortizzatore per l’unità microfono e altre fonti di segnali audio. Il massimo livello input è –10dBv e l’input di impedenza è 7.5 kohm

Compressore

Il segnale audio dal circuito ammortizzatore sarà compresso a metà ad un rapporto di 2:1. (vedere circuito equivalente). Questo circuito è configurato come un circuito di rifornimento energia, un circuito di rettificazione full-wave, un rettificatore di controllo corrente e un amplificatore summing.

Il circuito full wave rettificherà completamente il segnale in entrata e poi riavvierà il segnale rettificato utilizzando capacità esterna. La corrente erogata sarà corrente controllata per la gain-cell amplificata.

La capacità smoothing decide anche il tempo costante del compensatore, moltiplicando il suo valore attraverso una resistenza interna (R=10 kohm).

La corrente output (Irect) è data da;

Irect=Vin(av)/Rin×n

Rin=20 kohm,  Vin(av)=Avelage value, n=4(Gain of internal Tr

Gain Cell

La gain cell amplifica il segnale in ingresso verificando l’incremento con il controllo della corrente dal rettificatore full-wave e la corrente output.

La corrente output è data da;

Iout=(Vin/Rin×Io)×Irect

Rin=20 kohm  Io= internal constant current

Summing amplificatore

Il “summing” addiziona il segnale di entrata e il segnale dalla gain cell producendo un segnale sommato. Le caratteristiche dell’amplificatore summing usato per il compressore differiscono da quelle dell’espansore. Per questo motivo,  il trasmettitore e il ricevitore usano rispettivamente un differente specifico IC.

La relazione del compressore input-output è;

Vout=(vIo×Rrect×R?G/n×Rsum×Vin(av))Vin

Sostituendo la costante con A, il voltaggio input  è espresso come segue;

Vout=A×vVin=A×1/2logVin

Ora potete notate che la relazione voltaggio input-output ha un rapporto di 2 a 1.

Pre-emphasis

Per sopprimere un rumore ad alta frequenza nella modulazione di frequenza specifica, questo circuito accentua la parte di frequenza più alta di un segnale audio con  la costante tempo di 50usec.

Filtro low-pass AF

Oscillatore e modulatore

Per ottenere direttamente una oscillazione del range di frequenza di 800MHz, è utilizzato, come un elemento oscillante, il risonatore SAW realizzato su cristallo con alta stabilità in temperatura.

Amplificatore di potenza RF

Filtro RF low pass

Regolatore di voltaggio

Questo circuito consente di fornire un voltaggio stabile all’intero circuito. Il supply voltage va da  2.8V a 10V. l’output voltage è 2.7V.

ricevitore WA-RX-01

FIG. 6

Filtro RF band-pass

Oscillatore locale (OSC)

Utilizzando un oscillatore al cristallo, questo circuito genera una oscillazione di frequenza locale richiesta per ottenere una frequenza intermedia di 10.7MHz.

Amplificatore RF (LNA)

Mixer

Amplificatore IF 1-3

Rivelatore FM

Rivelatore RSSI

Comparatore silenzioso

De-emphasis

Amplificatore AF

Analog switch

Expander

Il segnale audio dal circuito switching analogico è amplificato del doppio ad un rapporto di 1:2.

La relazione input-output dell’espansore è così espresso;

Vout=(n×Rsum×Vin(av)/Io×Rrect×R?G)Vin

Sostituendo la costante A, l’input-output sarà;

Vout=A×Vin²=A×2logVin

Questo mostra che la relazione input-output ha un rapporto di 1:2.

Amplificatore AF output

LED driver

Regolatore di voltaggio

Questo circuito fornisce un voltaggio stabile all’intero circuito.

Il supply voltage è 2.8V a 10V. Il voltaggio di uscita è 2.7V.

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