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Radio FM portatile a basso costo
Indice 1. Descrizione del dispositivo preso in esame 2. Considerazioni sul progetto 3. Versione digitale della radio 3.1 Cenni sulla demodulazione analogica 3.2 IC per l’elaborazione digitale 4. Conclusioni Appendice
Introduzione In questo lavoro è stata presa in considerazione una radio FM portatile a basso costo. Inizialmente verrà descritto il circuito che costituisce la radio con considerazioni relative al tipo di componenti usati (con attenzione particolare all’integrato montato) e alla scheda stampata realizzata. Quindi verranno proposti alcuni commenti sulle scelte di progetto tenendo presente le caratteristiche del prodotto finale con considerazioni su come il design e il tipo prodotto influenzino la realizzazione del circuito e la scelta componenti. Infine viene considerata una eventuale versione digitale del ricevitore radio, tenendo sempre presente il tipo di prodotto finale che si vuole ottenere ed il mercato di destinazione.
1. Descrizione della radio Il sistema preso in esame è una radio FM portatile con alimentazione a batteria (fig. 1). Si tratta di un prodotto di largo consumo, spesso utilizzato come gadget e in quanto tale ha solo funzioni basilari, un’ampia parte visibile in cui può essere inserito il marchio del committente, un design moderno ed accattivante, ed un costo contenuto. Infatti questa radio ancor oggi può essere ordinata in grande numero di pezzi al costo di 0,99 € cad. Questi aspetti hanno guidato i progettisti nella creazione di questo prodotto, influenzandone varie caratteristiche.
fig. 1 – il dispositivo preso in esame Esaminando il circuito (fig. 2) si può vedere che è composto da diversi elementi passivi: varie capacità (ceramiche a disco ed elettrolitiche) e resistenze, un potenziometro, due interruttori,un jack audio, un transistor PNP (S9012), un transistor NPN (C9014), ed un diodo (910BB). L’unico componente attivo che quindi svolge tutte le operazioni per la demodulazione del segnale ricevuto è il circuito integrato TDA7088T.
Fig. 2 – il circuito stampato
Si può notare subito che i dispositivi utilizzati sono tutti a foro passante, le metallizzazioni sono presenti su un solo lato della scheda (come si può notare dalla foto in controluce - fig. 3), ossia non è multistrato. Le capacità usate sono particolarmente indicate per i circuiti a radiofrequenza, la forma della PCB dipende fortemente dalla forma del contenitore scelto, così come la posizione di 2
alcuni componenti, tra cui il più evidente è il potenziometro. Il potenziometro svolge una doppia funzione: oltre a regolare il volume del segnale in uscita è anche l’interruttore per accendere il dispositivo: offre infatti la possibilità di realizzare meccanicamente un circuito aperto. Sull’altro lato del circuito stampato è presente il circuito integrato: questo infatti è un SMD (Surface Mounted Device) che così è a diretto contatto con le piste. Per quanto riguarda il TDA7088T esso è un circuito
Fig. 3
integrato analogico a transistor bipolari a basso consumo e implementa un ricevitore FM monofonico per circuiti alimentati a batteria (valori tipici per l’alimentazione sono 3V – 5.2mA). Contiene al suo interno tutti gli stadi necessari per l’elaborazione del segnale, dall’antenna fino alla generazione del segnale audio da inviare alle cuffie. Permette lo scanning delle frequenze sia per via elettrica che per via meccanica (con l’usilio di un AFC – Automatic Frequency control – un circuito per centrare la sintonia). Può anche essere utilizzato per ricevere un segnale AM se opportunamente collegato, e funzionare anche con una tensione di alimentazione di soli 1,8V. Lo scanning delle frequenze per via elettrica (è il caso del dispositivo in esame) è eseguito tramite un circuito che opera la selezione in modo unidirezionale comprensivo del pulsante di reset per riportare il selettore all’estremo inferiore della banda. La banda di frequenze con cui questo dispositivo riesce a lavorare è da 0.5 MHz a 110 MHz, quindi comprende la banda dedicata ai segnali FM. Internamente il circuito contiene un sistema ad anello con frequenza fissa (FLL) la cui frequenza intermedia (IF) è di 70KHz (vedi paragrafo 3.1), la selettività in frequenza è ottenuta con filtri RC. Infine presenta anche la possibilità di utilizzare un circuito di “mute” per eliminare segnali di disturbo o troppo deboli. Questo integrato permette diverse configurazioni operative e il datasheet presenta il modo di collegare il dispositivo per le diverse configurazioni. Nel dispositivo in esame l’integrato è usato nella configurazione tipica: alimentazione a 3V, scanning elettrico delle frequenze e demodulazione di tipo FM. Si può vedere infatti che il circuito realizzato (per quello che è stato possibile ricostruire) coincide con il circuito presentato sul datasheet, a parte qualche dettaglio (vedi figure 10 e 11 in appendice) legato al fatto che nel dispositivo non è presente una antenna dedicata ma per ricevere il segnale viene sfruttato il cavo delle cuffie. Inoltre il segnale audio generato viene prima modulato in corrente tramite un potenziometro e successivamente passa attraverso uno stadio amplificatore prima di essere inviato alle cuffie. 3
2. Considerazioni sul progetto Per comprendere alcune delle caratteristiche del progetto nel suo complesso è necessario tenere presente non solo il circuito elettrico ma il tipo di prodotto in esame: una radio portatile (quindi di piccole dimensioni) utilizzata come gadget (il che richiede solo funzioni di base senza particolari prestazioni e basso costo per poter essere trattato in grandissimi volumi). Per ridurre tempi e costi di progetto sono stati utilizzati componenti semplici (dispositivi a foro passante, PCB a semplice strato). In particolare è stato scelto un integrato già disponibile sul mercato che svolgesse praticamente tutte le operazioni necessarie al suo interno, senza alcun intervento esterno. Il circuito integrato TDA7088T è un ricevitore FM. Per poter essere usato in diversi circuiti implementa la parte più importante delle operazioni necessarie, offrendo diverse possibilità e lasciando anche alcuni gradi di libertà al progettista per venire incontro alle diverse esigenze. Infatti, come è stato messo in evidenza precedentemente, in questo dispositivo è stata utilizzata la configurazione tipica seguendo lo schema per i collegamenti consigliato dai costruttori dell’integrato, ma sul datasheet sono mostrati anche i collegamenti per realizzare altre possibilità, come ad esempio realizzare un ricevitore AM, il che cambia sostanzialmente il prodotto finale. Una conferma a ciò può essere riscontrata nel fatto che in dispositivi simili a quello in esame ho ritrovato circuiti simili basati anche sullo stesso integrato. I primi due esempi sotto riportati riguardano ancora dei gadget mentre il terzo è una piccola radio integrata nelle cuffie di un lettore mp3, ma il suo funzionamento è indipendente dal lettore. Il primo dispositivo (fig. 4) utilizza l’integrato D7088 che è identico a quello descritto precedentemente con componenti ancora a foro passante e scheda a semplice strato.
Fig. 4 - Radio gadget Topolino
Il secondo gadget (fig. 5) ha dimensioni leggermente maggiori agli altri dovute al tipo e alla posizione scelta per le batterie, monta l’integrato LA1800 che ha prestazioni leggermente migliori 4
ma ancora paragonabili al TDA7088T. Questo integrato è ancora un ricevitore FM con possibilità di essere trasformarto in un ricevitore AM. Inoltre in questa modalità può anche essere usato come circuito driver per le cuffie. La sintonizzazione non è elettrica ma avviene per via meccanica.
Fig. 5 - Radio gadget Vodafone L’ultimo esempio considerato riguarda una radio montata sul filo di un paio di cuffie (fig. 6). Ha un funzionamento autonomo con alimentazione prorpia. Monta l’integrato CD9088CB di cui non è stato possibile trovare il datasheet, comunque spesso citato insieme all’integrato 7088T. Caratteristica di questo circuito è che dovendo essere di dimensioni molto ridotte usa solo dispositivi SMD e non ha un potenziometro per il controllo del volume ma solo un interruttore per la scelta Hi-Lo.
Fig. 6 - Radio montata sul filo di un paio di cuffie Da questi esempi si può notare anche un’altra caratteristica: se i bassi costi di progetto hanno imposto la scelta di dispositivi di tipo analogico, già pronti e che necessitano della minima circuiteria esterna, analogamente la realizzazione del circuito è influenzata in maniera fondamentale dalle necessità di design e di packaging della radio. La forma della PCB e il placing dei componenti (in modo particolare quelli che consentono all’utente di comandare il dispositivo) sono vincolati a queste esigenze. Il circuito funzionale è solo una parte di un progetto, infatti quando non si 5
ricercano prestazioni tecniche particolari, le esigenze primarie diventano altre (in questo caso un design accattivante che consenta di evidenziare il marchio del committente) e il circuito viene adattato a queste. Nell’ultimo esempio riportato la richiesta più rilevante consiste nell’essere di piccole dimensioni: infatti sono stati usati solo componenti SMD e interruttori a scatto anche se il costo finale risulta sicuramente maggiore rispetto a quello degli altri dispositivi considerati. Questa radio infatti non è un gadget ma un complemento di un lettore MP3, il cui prezzo finale è quindi determinato dalla parte restante di questo sistema.
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3. Versione digitale della radio Il ricevitore analogico appena visto è storicamente affermato e ben conosciuto, ma tenuto conto delle prestazioni raggiunte oggigiorno dai processori digitali, mi sono chiesto perché nessuno dei dispositivi sfruttasse un’elaborazione digitale del segnale. Prima di tutto è necessario richiamare com’è composto a grandi linee un ricevitore analogico per poi esaminarne una versione digitale.
3.1 Cenni sulla demodulazione analogica La modulazione serve a convertire un segnale passa-basso (detto segnale modulante) in un segnale passa-banda così da poter essere trasmesso attraverso un canale di tipo passa-banda come avviene nei segnali radio. Ovviamente questa operazione deve essere reversibile e la ricostruzione del segnale di partenza prende il nome di demodulazione. Esistono varie tecniche di modulazione, sia analogica che digitale. La modulazione FM è una modulazione analogica di angolo: modula una portante sinusoidale di frequenza nota in modo tale che il valore istantaneo della frequenza del segnale modulato sia proporzionale all’ampiezza del segnale modulante x(t ) . Il segnale modulato avrà quindi una frequenza istantanea f (t ) f p f (t ) dove fp è la frequenza della portante e f (t ) vale f (t ) k f x(t ) . L’espressione del segnale modulato diviene allora s(t ) V0 cos (2 f p t 2 k f
t
x( ) d ) .
fig. 7 – esempio di segnale modulato FM
Il segnale modulato avrà allora delle componenti spettrali centrate sulla frequenza fp della portante. La banda del segnale risulta essere limitata e può essere calcolata con buona approssimazione
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utilizzando la formula di Carson: B 2 (f max f m max ) dove con fm
max
si indica la massima
componente frequenziale del segnale modulante. Grazie a questo è quindi possibile sfruttare il canale modulando vari segnali su diverse bande di frequenza, riuscendo a ricostruirli singolarmente senza perdita di informazioni. Poiché si utilizzano sia ricevitori stereofonici che monofonici si usa questo espediente per soddisfare entrambe le esigenze: grazie ad un procedimento di multiplexing si manipolano i segnali relativi ai due canali della stereofonia e li si trasmette sottoforma di un segnale di somma (sinistro + destro) e un segnale di differenza (sinistro - destro). Il segnale differenza viene traslato con un particolare procedimento al di sopra della banda udibile. In questa maniera si ha la compatibilità con i ricevitori monofonici che riproducono il solo segnale di somma, mentre i ricevitori stereofonici riescono a rigenerare gli originali segnali stereo. Un ricevitore radio deve essere innanzitutto in grado di isolare il segnale desiderato all’interno del segnale ricevuto dal canale trasmissivo, quindi demodularlo e convertirlo in banda base per rigenerare il segnale trasmesso. Poiché è necessario elaborare segnali a radio frequenza, questi circuiti risultano prevalentemente analogici, almeno per quanto riguarda il cuore dell’elaborazione. I blocchi funzionali tipici che costituiscono un ricevitore sono mostrati nella figura seguente (fig. 8). Il segnale ricevuto dall’antenna
deve
essere prima di tutto amplificato per poter essere
elaborato
dopo l’attenuazione di
tratta,
quindi
bisogna estrarre il segnale
desiderato.
Per ottenere questo
Fig. 8 – schema ricevitore analogico
lo si manda ad un mixer costituito da un modulatore a prodotto così da operare una traslazione ad una frequenza più bassa. L’altro ingresso del mixer è un tono sinusoidale proveniente da un oscillatore interno controllato. Infatti se chiamiamo FIN la frequenza centrale dell’amplificatore a radio frequenza e FLO la frequenza del tono generato dall’oscillatore locale, a valle del mixer abbiamo un segnale composto da un termine a frequenza FIN + FLO ed un termine a frequenza FIN - FLO = FIF. Filtrando il segnale in uscita dal mixer è possibile isolare il termine alla frequenza più bassa F IF (che prende il nome di frequenza intermedia), eliminando anche i termini spuri nati dalla moltiplicazione, usando 8
un filtro sufficientemente stretto attorno alla frequenza FIF. Quando scegliamo una stazione nella nostra radio in realtà modifichiamo i due termini FIN e FLO in modo da trovare alla frequenza FIF il segnale cercato. In pratica poiché FIN è il termine che ci interessa isolare e FIF è fisso basta porre FLO = FIN – FIF. Per operare questo filtraggio si usa un amplificatore con banda molto stretta. Infine rimane solo da demodulare il segnale per ottenere il segnale passa-basso (nel nostro caso la musica inviata da una stazione radio), per poi inviarlo al sistema di diffusione (cuffie o casse) tramite il relativo amplificatore.
3.2 radio digitale La tecnologia attuale ha permesso ai processori digitali di elaborare anche segnali a radio frequenza. I ricevitori digitali si basano sugli stessi principi appena descritti in quanto sono una realizzazione digitale dello schema appena descritto. Il problema consiste nel non potere mandare il segnale digitalizzato direttamente ad un elaboratore, in quanto è necessarrio ridurlo ad una banda a frequenza minore. Per ottenere questo infatti i ricevitori sono costituiti innanzitutto dall’antenna per ricevere il segnale, un convertitore A / D ad alta velocità ed un mixer digitale (fig. 9). L’altro ingresso del mixer proviene sempre da un oscillatore locale, solo che questa volta anch’esso è digitale.
Fig. 9 – schema ricevitore digitale L’oscillatore deve essere sincronizzato con il converititore, inoltre lo si può impiegare (utilizzando due semplici LUT) per generare due segnali sinusoidali in quadratura: così si può lavorare su un segnale complesso ed avere prestazioni migliori, abbassando il segnale fino a bassissime frequenze – traslazione single-sideband. Il filtro passa-basso che isola il segnale utile può essere realizzato con
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un FIR, semplice da implementare e opera un filtraggio preciso. Inoltre se si volesse modificare il filtro è sufficiente ricaricare i coefficienti senza fare modifiche onerose. Poiché a questo punto il segnale è stato traslato in frequenza, si può allora abbassare anche notevolmente la sample_rate operando una decimazione dei campioni, rendendola compatibile con quella di un DSP o di un FPGA. Se si tiene conto che la larghezza di banda del segnale in uscita e la sample_rate sono vincolate, è anche facile modificare secondo necessità la banda del segnale. A questo punto bisogna demodulare il segnale implementando l’algoritmo ad esempio su DSP o FPGA e, al limite, riconvertirlo in analogico per inviarlo all’amplificatore audio. La grande potenzialità derivante dall’uso di un DSP consiste fondamentalmente nel poter adattare facilmente questo schema a vari tipi di modulazione o ad esigenze particolari di elaborazioni del segnale semplicemente modificando il programma sul processore senza dover cambiare dispositivo. Si ha una grandissima versatilità che viene sprecata se usata solo per una semplice demodulazione FM. Da questo punto di vista il vantaggio dell’utilizzo di un circuito analogico è evidente: per il nostro scopo non c’è bisogno di un dispositivo riprogrammabile e devono essere eseguite solo operazioni già codificate; un circuito analogico fa tutto questo riducendo di molto i costi. Ad esempio se si volesse implementare questo schema si potrebbero usare i dispositivi AFEDRI8201 come down-converter della IF e poi ad esempio il DSP TMS320DRI350 (entrambi della Texas Instruments) sul quale sono già implementate le funzioni che ci servono ma anche un decodificatore MP3, WMA e altre ancora. Gli integrati citati non implementano il circuito di tuning e comunque il costo di un DSP è elevato per lo scopo. Per realizzare in digitale anche la parte mancante si potrebbe usare il dispositivo GC1012B sempre della TI ma il prezzo lieviterebbe ancora. Questo approccio è utile se si volesse aggiungere alle funzionalità di una radio anche altre capacità così da usare un solo processore per elaborare tutte le informazioni. Un’alternativa consiste nel sostituire il DSP con un FPGA visto che il nostro elaboratore non ha bisogno di essere riprogrammato. Ormai quasi tutte le funzioni necessarie si trovano già implementate e così è possibile ridurre costi e tempi di progetto. Inoltre si può provare ad integrare anche altri componenti oltre al cuore della demodulazione quali oscillatori, mixer e filtri se le velocità in gioco non sono proibitive. Entrambi i dispositivi necessitano di una programmazione, problema che non sussiste nel caso analogico. Un altro problema comune a DSP e FPGA è il consumo di corrente, molto dispendioso per un’alimentazione a batteria. L’ultima possibilità che rimane per abbattere i costi di progetto è quella di cercare un circuito già pronto, solo da montare, come è stato fatto nel dispostivo preso in esame. Recentemente sono stati immessi sul mercato chip utili per questo scopo e che comprendono al loro interno tutta la circuiteria necessaria, a differenza degli IC analogici che necessitavano l’uso di componenti 10
aggiuntivi esterni difficili da rendere integrati (capacità e resistenze). Un primo esempio è il SI4700 della Silicon Laboratories che accetta direttamente l’ingresso dall’antenna e genera in uscita il segnale stereo per l’amplificatore audio. Il cuore dell’elaborazione è un DSP e si può notare che rispetto all’analogico 7088T ha un consumo di corrente circa 3 volte maggiore. E’ sprecato ad essere utilizzato per realizzare solamente una radio, ma è ottimo per aggiungere questa funzionalità a dispositivi digitali più complessi come cellulari e lettori MP3 con un piccolo costo aggiuntivo (il chip costa 3$). Un altro dispositivo simile è “Venice 3 FS2023” o il “Venice 4” che, come il precedente, comprende al suo interno tutto i componenti necessari. La brochure afferma che è sufficiente aggiungere l’alimentazione, un’antenna e un display per la selezione della frequenza, purtroppo con una autonomia di sole 60 ore. Entrambi questi chip offrono anche possibilità aggiuntive quali ricezione stereo e elaborazione del segnale RDS che sarebbe impossibile per via analogica.
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Conclusioni In questo lavoro è stata presa in esame una radio portatile FM monofonica a basso costo. Poiché non vi sono esigenze di prestazioni elevate ma piuttosto di semplicità e basso costo, l’utilizzo di un integrato analogico già disponibile sul mercato (on_the_shelf) che svolga al suo interno tutte le elaborazioni necessarie del segnale, si rivela essere la scelta migliore. Il progetto risulta così semplice e veloce, facilmente adattabile alle diverse esigenze a cui il progettista deve rispondere, cosa molto importante in casi come questo in cui le necessità di design sono preponderanti rispetto a quelle circuitali. Infine è stata considerata la possibilità di una versione digitale della radio mostrando come l’elaborazione digitale offra la possibilità di affiancare altre potenzialità rispetto a quelle di cui una semplice radio portatile necessita, diventando economicamente più conveniente solo nel caso in cui si volesse realizzare un sistema più complesso e potente. Comunque la scelta migliore risulta essere quella dell’utilizzo di un chip che implementa al suo interno tutte le elaborazioni necessarie (perdendo in flessibilità ma nel nostro caso ciò è ininfluente), così da semplificare al massimo il progetto. Nonostante ciò, da un punto di vista economico, questa scelta è sconveniente rispetto all’utilizzo di un integrato analogico.
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Appendice Fig. 10 - Schema a blocchi e schema dei collegamenti per il TDA7088T da datasheet
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Fig. 11 - Ricostruzione dello schema circuitale del dispositivo analizzato
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