FM-Empfänger Digitale Architekturen vereinfachen das Design

Autor / Redakteur: Dr. Lawrence Der* / Jan Vollmuth

Single-Chip-FM-Tuner wie der Si4700 von Silicon Laboratories zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit und Interferenzunterdrückung aus. Gleichzeitig erleichtern sie die Integration von FM-Tunern in nahezu jedem tragbaren Consumer-Gerät, da sie den Designprozess erheblich vereinfachen.

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Mini-Empfänger: Mit den FM-Tuner-Chips von Silicon Labs finden Radioempfänger in USB-Sticks Platz
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( Archiv: Vogel Business Media )

In den letzten zehn Jahren ergaben sich bei der Entwicklung von HF-Kommunikations-ICs wesentliche Fortschritte. Diese basieren auf neuen HF-Architekturen, die früher aufgrund geringer Integration, hoher Stromaufnahme und unzureichender Prozesstechnologie nicht denkbar waren.

Heute ermöglichen hoch leistungsfähige und kompakte Sub-Micron-CMOS-Technologien mittels Digitaltechnik komplett neue Designansätze bei HF-Kommunikationsschaltkreisen.

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Entwickler nutzen diese Technik heute für zahlreiche drahtlose Kommunikationsstandards wie GPS, WLAN und Mobilfunk. Damit stehen robuste und hochintegrierte Chipsätze zur Verfügung, mit denen sich die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert.

Die Vorteile sind vielfältig: Die Integration externer Bauteile und HF-Schaltkreise in das digitale Basisband verringert die Stückliste, den Platzbedarf auf der Leiterplatte, vereinfacht das Design auf Boardebene und verbessert die Fertigungsabläufe.

Diese Vorteile werden am Si4700 von Silicon Laboratories deutlich: Bei diesem Baustein handelt es sich um einen Funk-Tuner-IC in CMOS-Technologie, der eine digitale Architektur mit niedriger Zwischenfrequenz und somit eine komplett integrierte Lösung bereitstellt.

Hoher Bedarf an leistungsfähigen Wandlern

Ein typischer digitaler Low-IF-Empfänger basiert auf einer Mixed-Signal-Architektur mit einem A/D-Wandler (ADC), der die Eingangsphasen- (I) und Quadraturphasen- (Q) IF-Signale in digitale IF-Signale wandelt (Bild 1). Die ADC-Ausgänge werden anschließend mit einem digitalen Quadratur-Mixer auf das Basisband herabgewandelt.

Diese Architektur bietet den Integrationsvorteil einer analogen Low-IF-Architektur sowie die wiederholbare und zuverlässige Ausführung digitaler Schaltkreisimplementierungen. Entwickler können durch die Kombination analoger und digitaler Schaltkreise eine hohe Spiegelfrequenzunterdrückung erzielen, da sich die digitalen Schaltkreise ideal anpassen lassen und so kalibriert werden können, dass sie analoge Unzulänglichkeiten beseitigen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass analoge ZF-Tiefpassfilter nicht die gesamte Kanalfilterung bereitstellen müssen und in vielen Fällen nur so viel Filterung gewährleisten müssen, um alternierende Kanalstörungen zu verringern und Anti-Aliasing bei den A/D-Wandlern zu vermeiden.

Kanalfilterung im Digitalbereich ermöglicht einen genauen Filter-Roll-off-Faktor (Dämpfung) bei gleichzeitig kleinerer Silizium-Die-Fläche und den Vorteilen kompakter Sub-Micron-CMOS-Technologie.

Der einzige Nachteil der digitalen Low-IF-Architektur: Der Bedarf an hoch leistungsfähigen A/D-Wandlern und die damit verbundenen Anforderungen an die Wandler. Diese Anforderungen hängen von der Zwischenfrequenz, der erforderlichen Interferenzfilterung vor dem Wandler und den Anforderungen an den Dynamikbereich des Eingangssignals ab.

Digitale Architekturen erhöhen die Qualität

Der FM-Tuner Si4700 (Bild 2) basiert hingegen auf der digitalen Low-IF-Empfängerarchitektur und Synthesizer-Technologie von Silicon Laboratories und bietet eine hohe HF-Leistungsfähigkeit und Interferenzunterdrückung. Der Baustein benötigt nur einen externen Überbrückungskondensator und weniger als 20 mm2 Platz auf der Leiterplatte.

Die Low-IF-Architektur erübrigt externe Bauteile und werkseitige Einstellungen aufgrund analoger Abweichungen. Die Mixed-Signal-Architektur ermöglicht eine digitale Signalverarbeitung (DSP) zur Kanalwahl, FM-Demodulation und Stereo-Audiodatenverarbeitung und bietet damit im Gegensatz zu herkömmlichen analogen Architekturen erhebliche Vorteile.

Der Si4700 erzielt ohne externe Anpassungsschaltkreise eine Empfindlichkeit von 2,5 µV. Die Überlastsicherheit beträgt 108 dBµV mit IP3 und die benachbarte bzw. alternierende Kanalempfindlichkeit liegt bei 50 bzw. 70 dB. DSP-Funktionalität sorgt bei unterschiedlichen Signalempfangsbedingungen für eine hohe Klangqualität.

Der hohe Integrationsgrad, die hohe Leistungsfähigkeit und Interferenzunterdrückung lassen sich direkt auf die digitale Low-IF-Architektur, die digitale Implementierung der Kanalwahl und die FM-Demodulationsfunktionen zurückführen. Neben der einfacheren und kürzeren Entwicklung erhöht die digitale Integration dieser Architektur auch die Qualität und den Fertigungsablauf, da keine externen Bauelemente erforderlich sind.

Hohe Empfindlichkeit und Inteferenzunterdrückung

Die digitale Architektur hat das FM-Tuner-Design revolutioniert, da nun eine vollständige CMOS-Implementierung eines FM-Empfängers auf einem IC erhältlich ist. Diese Art der Integration, wie sie im Si4700 von Silicon Laboratories zu finden ist, bietet eine hohe Empfindlichkeit und Interferenzunterdrückung. Single-Chip-FM-Tuner erleichtern die Integration von FM-Tunern in nahezu jedem tragbaren Consumer-Gerät, da sich der Designprozess erheblich vereinfacht.

Entwickler können das Gesamtsystem bereits im Testlabor des IC-Herstellers testen und verifizieren, was die Qualität und einfache Fertigung des Endprodukts verbessert. Die Nachfrage seitens der Verbraucher wird dabei zu einer vermehrten Integration von FM-Tunern in tragbare elektronische Geräte führen.

Die Si470x-FM-Tuner-Familie

Die Bausteine der Tuner-Familie sind in CMOS-Technologie ausgeführt. Sie basieren auf der digitalen Low-IF-Empfängerarchitektur und Synthesizer-Technologie von Silicon Laboratories und bietet eine hohe HF-Leistungsfähigkeit und Interferenzunterdrückung. Dank ihres hohen Integrationsgrades ist zum Aufbau eines FM-Tuners lediglich ein externer Überbrückungskondensator erforderlich. Je nach Modell belegen die Tuner-ICs lediglich 10 bis 20 mm2 auf der Platine. Dank des integrierten Power-Managements lassen sich die Bausteine an 2,7 bis 5,5 V betreiben.

Die digitale Signalverarbeitung unterstützt Kanalwahl, FM-Domodulation und Stereo-Audiodatenverarbeitung. Zudem ist bei unterschiedlichen Signalempfangsbedingungen eine hohe Klangqualität sichergestellt. Das unkomplizierte Programmiermodell der Bausteine trägt zu verkürzten Entwicklungszeiten bei.

Die Typen Si4701 und Si4703 verfügen zusätzlich über einen digitalen Prozessor für RDS (Radio Data System) mit allen erforderlichen Funktionen für Symboldekodierung, Blocksynchronisierung, Fehlererkennung und -korrektur. Damit können am Display etwa eines Autoradios der Name des aktuell empfangenen Songs oder die Radiostation angezeigt werden.

*Dr. Lawrence Der ist Mitarbeiter von Silicon Laboratories.

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