Medições de recepção

kit RADIO DSP

com o CI Si4732-A10.



Introdução

 O Laboratório de Eletrônica têm seguido com interesse o desenvolvimento e disponibilidade de modernos circuitos integrados voltados para a área de telecomunicações utilizando o Processamento Digital de Sinais e para isso, entre outras atividades, têm participado ativamente de grupos em rêdes sociais como o Facebook.

 Um grupo em particular é o grupo do Facebook denominado "SI47xx para radioescutas" administrado pelo radio amador de prefixo PU2CLR que também mantêm uma página na internet muito bem organizada com bibliotecas de programação no Ambiente Arduino para o circuito integrado da família Si47xx, rádio receptor para as faixas de OL, OM, OC e FM VHF, tudo isso em apenas um circuito integrado, do fabricante Silicon Labs.

 Link para a página do fabricante do Si47xx   Silicon Labs

 Link para a página do PU2CLR no github

 A página do PU2CLR sendo muito bem organizada e com muita informação baseada no bem conhecido Ambiente Arduino incentivou alguns integrantes do grupo "SI47xx para radioescutas" a desenvolverem soluções próprias para facilitar o acesso de outras pessoas não tão familiarizadas com montagens eletrônicas, a interagirem com o circuito integrado e aumentando bastante o conhecimento adquirido dentro do grupo.

 Um dos participantes do grupo implementou uma montagem dos circuitos necessários para a confeção de um rádio, incluindo micro controlador e painel gráfico, para todos os fins, construiu um kit completo, denominado como kit "RADIO DSP" que é um rádio receptor para as faixas de OL, OM, OC e FM nos modos AM, SSB e FM e tornou este kit acessível a todos os participantes do grupo.

 O kit "RADIO DSP" , em conjunto com os arquivos disponibilizados por PU2CLR no github, é também um mini laboratório para experimentações, dependendo apenas dos conhecimentos de programação do usuário.

  Dentro dos assuntos tratados pelos participantes do grupo, logo surgiu uma questão:

  Qual seria a capacidade de rejeição de sinais indesejados do Si47xx operando em uma montagem mais simples possível, sem o uso de circuitos seletivos de frequências, já que as informações disponíveis do fabricante são excassas e não muito detalhadas.

 O Laboratório de Eletrônica, tomando conhecimento desta questão, fêz saber aos participantes do grupo de que dispunha de alguns instrumentos para medições de radio receptores e poderia realizar alguns ensaios em uma montagem com o Si47xx na configuração mínima e disponibilizar os resultados.

 O autor do kit "RADIO DSP" entrou em contacto e disse que como êle no momento estava afastado de seus instrumentos próprios, iria aproveitar o oferecimento e enviar ao Laboratório de Eletrônica um kit para ser submetido aos ensaios que fossem possíveis de realizar e aproveitaria os resultados para orientar em futuras melhorias e acessórios no kit.

Descrição do Objeto de Ensaio

 O objeto a ser ensaiado é denominado "kit RADIO DSP", que funciona como um receptor de rádio com as seguintes características técnicas:

-- Faixa de frequências de recepção :
-- Ondas Longas : 163 a 259 kHz, demodulação AM
-- Ondas Médias : 520 a 1710 kHz, demodulação AM e SSB
-- Ondas Curtas : 1711 a 29999 kHz, demodulação AM e SSB
-- Faixa de VHF : 64 a 108 MHz, demodulação FM
-- Circuito Integrado com a função de Receptor de Rádio : Si4732-A10 com tecnologia DSP e Low IF do fabricante Silicon Labs.
-- O autor do kit informou que o CI Si4732 está em uma configuração diferente da normal, a nova configuração possibilita demodulação em SSB.

  Documentação: Disponível no Site do fabricante https://www.silabs.com

 -- Si4730-31-34-35-D60.pdf   Broadcast AM/FM/SW/LW Radio Receiver, Si4732-A10 é a versão mais recente do Si4735

 -- Si4732-A10-short.pdf   Broadcast AM/FM/SW/LW/RDS Radio Receiver, Si4732-A10 é a versão mais recente do Si4735

 -- Si4735_SSB_NBFM_programming_guide_20120831.pdf   AN332 Rev 0.8 Universal programming Guide Amendment for Si4735-D60 SSB and NBFM Patches

 -- Si47XX_programming.pdf   AN332

 -- AN388.pdf   Si4740x/1x/2x/3x/4x Evaluation Board Test Procedure

 

Figura 1     Diagrama do Circuito Integrado Si4732.

Metodologia de Ensaio

  Os instrumentos necessários para a montagem de ensaio mostrado na Figura 2 estão listados abaixo:
- Gerador de RF.
- Faixa de frequencias 512kHz a 512MHz.
- Nível de saída RF +20dBm a -150dBm.
- Modulação AM/FM.
- Voltimetro RMS .
- Faixa de frequencias 10Hz a 10MHz.
- Sensibilidade 300VCA a 1mVCA.
- Osciloscópio digital de 2 canais.
- Sensibilidade do Vert. CH1 5 mV/div.
- Sensibilidade do Vert. CH2 5 mV/div.
- Funçao Matemática FFT.

 Os ensaios a serem realizados serão:

-- Sensibilidade de recepção, nível de sinal de RF aplicado na entrada de antena para uma saida de áudio com relação sinal ruído de 26 dB.

-- Resposta a sinais de RF indesejados coincidentes com as frequências imagens da frequência de recepção desejada.

 A metodologia de ensaio será adaptada a disponibilidade de instrumentos de medidas existentes no Laboratório de Eletrônica e de maneira a se obter resultados úteis, seguindo a filosofia interna de "É melhor medir com alguma incerteza, controlada e previsível, do que não medir", as adaptações serão descritas a seguir:

  -- Ensaio de sensibilidade de recepção: O laboratório não dispõem de um medidor de sinal de áudio com rêde de ponderação de audibilidade e filtro "notch" para se realizar a medição da relação (sinal + distorção + ruído) / ( distorção + ruído) abreviado como "SINAD" e que normalmente é utilizado como referência na medida de sensibilidade de recepção.

 A técnica a ser utilizada será a de se medir a relação (sinal + distorção + ruído)/(ruído) abreviado como S/R, ou seja para a medição do ruído, será suprimida a modulação do sinal de RF desejado.

 O procedimento de ensaio será: Com o gerador de RF sintonizado na frequência de recepção e modulação ligada, ajustar o nível de saída de RF para o valor especificado, faça o ajuste da marca de 0dB no medidor de nível, desligue a modulação e verifique se o sinal de áudio no medidor se reduz para -26dB e se necessário ajuste o nível de saída de RF até se obter este valor.

 A experiência em medições em bons receptores de projetos atuais têm mostrado que os resultados de medições de SINAD ou de S/R são muito próximas e a única diferença significante fica por conta de poucos dB ganhos pelo uso ou não da rêde de ponderação de audibilidade.

 Para o presente ensaio não será utilizada nenhuma ponderação de audibilidade e "Filtro Notch", então os resultados serão válidos apenas para modulação AM e deverão estar degradados em torno de 2 ou 3 dBs, dando como resultado de Sensibilidade de Recepção um nível de recepção mais alto nesta mesma magnitude.

  -- Ensaio de Resposta a sinais de RF coincidentes com frequencias imagens da frequencia de recepção desejada: O Laboratório dispõem de apenas 01 Gerador de Sinais de RF adequado a geração de sinais modulados e com controle de nível de saída abrangendo até abaixo 0dBuV, não sendo então possível realizar este ensaio na maneira usual com o uso de 02 Geradores de RF.

 Para contornar esta falta e ainda assim obter resultado útil, será adotado a seguinte metodologia de ensaio:

 Será aproveitado a marcação do nível de áudio definido como 0dB obtido durante o Ensaio de Sensibilidade de Recepção, a frequencia de saída do Gerador será ajustada para a próxima Frequencia Imagem, com modulaçao e o nível do sinal de RF será elevado até o Medidor de Nível na saída do receptor indicar um nível de áudio a -12dB.

 Durante a execução dos ensaios foi verificado uma certa dificuldade em se determinar o ponto de -12dB, havia frequências em que o ponto era estável e em outras, a presença de "Artefatos de ruído" prejudicava a estabilidade do ponto, mas a presença do sinal de modulação no Espectro de Frequências na saída de áudio era certa.

 Para diminuir a incerteza da medição foi acrescentado mais uma medição, descrito abaixo.

 Será aproveitado a marcação do nível de áudio definido como 0dB obtido durante o Ensaio de Sensibilidade de Recepção, ligue novamente a modulação e reduza o nível de saída de RF até o nível de saída de áudio caia para pelo menos -6dB, anote este nível.

 A frequencia de saída do Gerador será ajustada para a próxima Frequencia Imagem, com modulaçao e o nível do sinal de RF será elevado até o Medidor de Nível na saída do receptor indicar um nível de áudio a pelo menos -6dB, anote este nível.

 A presença do sinal de modulação deverá ser audível e sua presença confirmada no Espectro de Frequencias na saída de áudio exibido no Osciloscópio.

 O Laboratório está confiante que os resultados das medições estarão próximos da real capacidade do Objeto de Ensaio, e serão de utilidade para orientar os desenvolvedores em futuras melhorias e projetos de acessórios para estender o performance do kit RADIO DSP.

Configuração de Ensaios

 A Configuração de Ensaio está descrita na Figura 2 abaixo, como o interesse do Laboratório está focado na real capacidade do Circuito Integrado com tecnologia DSP e visando reduzir possíveis interferencias de outros componentes, no caso o circuito de amplificador de áudio presente na montagem do Objeto de Ensaio, foi adaptado uma conexão externa da saída de áudio bem próxima a saída de áudio do Si4732-A10.

 A saída para alto falante do Objeto de Ensaio foi utilizada apenas para confirmação da audibilidade do tom modulante de áudio.

Figura 2     Configuração de Ensaios.

Resultados dos Ensaios

  Descrição dos resultados de ensaio:

* Nível RX, nível de sinal que resulta em S/N de 26 dB para fRx ou nível de áudio 6 dB abaixo da referencia 0dB de fRx para outras frequencias.

* fRx = Frequencia do sinal desejado de recepção, coincidente com a sintonia do receptor.

* Ref (-6dB), nível de sinal em fRx resultando em um nível de áudio 6 dB abaixo da referencia 0dB de fRx.

* FI = 45 kHz Frequencia Intermediaria para as faixas de 163 kHz até 29999 MHz.

* FI = 128 kHz Frequencia Intermediaria para as faixas de 64 MHz até 108 MHz.

* fLO = Frequencia do Oscilador Local para a recepção do sinal desejado fRx.

* fLO = fRx + FI para fRx abaixo de 1 MHz.

* fLO = fRx - FI para fRx acima de 1 MHz.

* fRx - 2xFI, frequencia de entrada coincidente com a primeira Imagem, quando fLO < fRx.

* fRx + 2xFI, frequencia de entrada coincidente com a primeira Imagem, quando fLO > fRx.

* NxLO - FI, N = 2,...,N Frequencias de sinais indesejados de entrada combinados com harmonicos do fLO e resultando em FI e sendo demodulados.

* NxLO + FI, N = 2,...,N Frequencias de sinais indesejados de entrada combinados com harmonicos do fLO e resultando em FI e sendo demodulados.

* fMod = Frequencia de modulaçao.

* NA - Não Aplicável.

* ND - Não Determinado, nível de RF muito alto.

Faixa 520 kHz a 1710 kHz   Modo AM
Ref (-6dB) fRx fLO fRx - 2xFI fRx + 2xFI 2xLO - FI 2xLO + FI 3xLO - FI 3xLO + FI 5xLO - FI 5xLO + FI 7xLO - FI 7xLO + FI
Frequencia (kHz) 600 645 NA 690 1245 1335 1890 1980 3180 3270 4470 4560
Nível RX -4,4dBuV 29,5dBuV NA ND 74dBuV ND ND 80dBuV 49,5dBuV 58dBuV 79dBuV ND 18dBuV
A
Frequencia (kHz) 1500 1455 1410 1590 2865 2955 4320 4410 7230 7320 10140 10230
Nível RX -4,4dBuV 29,5dBuV
 NA 68dBuV ND ND ND 47,6dBuV 63,5dBuV 76,9dBuV 55,6dBuV 17,1dBuV ND
Tabela 1   Modulação AM 30%   fMod 1kHz   filtro áudio 2kHz



Figura 3  fRX = 1500kHz   S/N 26dB Audio

Figura 4   fRX = 1410kHz  

Figura 5   fRX = 10140kHz  




Faixa 1800 kHz a 26500 kHz   Modo AM
Ref (-6dB) fRx fLO fRx - 2xFI fRx + 2xFI 2xLO - FI 2xLO + FI 3xLO - FI 3xLO + FI 5xLO - FI 5xLO + FI 7xLO - FI 7xLO + FI
Frequencia (kHz) 12000 11955 11910 12090 23865 23955 35820 35910 59730 59820 83640 83730
Nível RX -3,1dBuV 29,5dBuV
 NA 59dBuV ND ND ND 49,5dBuV ND ND ND 27,9dBuV ND
A
Frequencia (kHz) 25000 24910 24955 25090 49865 49955 74820 74910 124730 124820 174640 174730
Nível RX 0dBuV 29,5dBuV
 NA 60dBuV ND ND ND 49,5dBuV ND 49,5dBuV ND 34dBuV ND
Tabela 2   Modulação AM 30%   fMod 1kHz   filtro áudio 2kHz



Faixa 64 MHz a 108 MHz   Modo FM
Ref (-12dB) fRx fLO fRx - 2xFI fRx + 2xFI 2xLO - FI 2xLO + FI 3xLO - FI 3xLO + FI 5xLO - FI 5xLO + FI 7xLO - FI 7xLO + FI
Frequencia (MHz) 95.1 94,972 94,844
Nível RX 5,1dBuV 12dBuV NA 74dBuV
Tabela 3   Modulação FM   Desvio 22,5kHz   fMod 1kHz  filtro FI padrão



Figura 6  fRX = 95,100MHz   S/N 26dB Audio

Figura 7   fRX = 95,100MHz   Sem modulaçao

Figura 8   fRX = 94,844MHz   Audio -12dB


Ensaios suplementares no modo SSB, faixa de Ondas Curtas.



Figura 9  Filtro Rejeita-Faixa sendo instalado na montagem de ensaio junto com o kit "RADIO DSP".


  Conforme já foi mencionado acima na descrição das características do kit "RADIO DSP", este está configurado para além da recepção nos modos de AM e FM também para a recepção no modo de SSB em "Banda Lateral Superior" ou em "Banda Lateral Inferior".

  Os modos de SSB no Circuito Integrado Si4732-A10 não são originais do fabricante do dispositivo e o Laboratório de Eletrônica não têve acesso às especificações detalhadas das conversões de frequência implementadas para possibilitar a planificação das frequências a serem ensaiadas, o procedimento adotado para êste caso excepcional foi:

* Realizar a medição de sensibilidade de recepção para o SINAD de 12 dB sem o uso de Rêde de Ponderação de Audibilidade, conforme já explicado anteriormente nos ensaios no modo AM.

* Para possibilitar a medição da sensibilidade de recepção nos modos de SSB, foi projetado um filtro Rejeita-Faixa na frequência de 1 kHz.

* O ensaio será realizado para o filtro de áudio de 3 kHz, valor bem próximo da banda típica usada em SSB de 2,7 kHz.

* Os resultados experimentais de Resposta a Frequências Imagens de Recepção obtidos com apenas um gerador de RF não foram estáveis para serem considerados.

* O ensaio de Resposta a Frequências Imagens de Recepção não será feito devido a falta de um segundo gerador de RF, necessário para se obter resultados estáveis no modo SSB.

  O Filtro Rejeita-Faixa foi ajustado para a carga de 25 k ohms e foi feito a medição da perda de inserção para ruído na faixa limitada de 3 kHz.

* Ver Configuração de Ensaios na Figura 2.

* Com o Filtro Rejeita-Faixa desligado, chave "CH1 fechada" e sem sinal de RF na entrada do kit "RADIO DSP", ver Figura 2 e 10, foi estabelecido o nível de referência 0 dB.

* O Filtro foi inserido no circuito, chave CH1 "Aberta" e medido o valor da perda de inserção para ruídos, ver Figura 11, o valor medido foi de -0,76 dB, um valor coerente com as incertezas já presentes no ensaio de sensibilidade de recepção.

  Maiores detalhes a respeito do Filtro Rejeita-Faixa de 1 kHz utilizado estão nêste Link :

 Página com maiores esclarecimentos a respeito do Filtro Rejeita-Faixa de 1 kHz.



Figura 10  Saída áudio, 0 dB sem Filtro Rejeita-Faixa.


Figura 11  Saída áudio, - 0,76 dB com Filtro Rejeita-Faixa.


  O procedimento adotado para as medições de sensibilidade de recepção nos modos SSB está descrito abaixo.

* Ver Configuração de Ensaios na Figura 2.

* Com o Filtro Rejeita-Faixa desligado, chave "CH1 fechada" e com o gerador de RF sintonizado na frequência de recepção e nível de saída de RF em 30 uV, foi estabelecido o nível de referência 0 dB.

* O Filtro foi inserido no circuito, chave CH1 "Aberta" e observando no voltimetro RMS o valor de saída de áudio, reduza o nível de saída de RF do gerador até se obter o valor de SINAD desejado, levando em consideração a perda de inserção do Filtro Rejeita-Faixa.

* Os resultados das medições de SINAD estão na Tabela 5 e o espectro na saída de áudio na frequência Rx de 3699 kHz está nas figuras 12 e 13.




Figura 12  Saída áudio 1 kHz, 12 dB SINAD sem Filtro Rejeita-Faixa.


Figura 13  Saída áudio, 12 dB SINAD com Filtro Rejeita-Faixa.


Conclusões.


 Os ensaios foram realizados nas faixas de 520kHz até 29999kHz somente em modo AM devido a limitação de instrumental conforme já explicado e os resultados dos ensaios obtidos mostraram que o Si4732 opera de maneira bem robusta.

 A sensibilidade de recepção foi medida e os valores obtidos são bem próximo ao especificado pelo fabricante do CI.

 A resposta a 1º frequencia imagem dentro da faixa de OM e OC foi medida como o mínimo de 59dbuV para saída de áudio -12dB, êste é um bom valor considerando a simplicidade do circuito, é esperado problemas, se houver, apenas em localidades com estações próximas operando justamente na frequencia imagem da estação desejada.

 Fazendo-se a comparação com a Ref(-6dB) resulta em atenuação da 1º imagem em 63,4dB, este valor normalmente é associado com receptores mais elaborados.

 A atenuação das outras frequências imagem. agora fora da Faixa de recepção, cai para 22,4dB indicando a necessidade do uso de filtros limitadores de faixa.

 Os resultados de atenuação das outra frequências imagem mostram também que a atenuação na faixa de OC é pouca, 31dB para sinais interferentes vindo de estações na faixa de FM, o uso de filtros é recomendado.

 A resposta a frequencia imagem dentro da faixa de FM foi medida como o minimo de 74dBuV para saída de áudio -12dB resultando em uma atenuação de 68,9dB, êste valor é associado a receptores acima da média.

 A resposta a outras frequencias imagem devido aos harmonicos do oscilador local começa a apresentar degradação significativa a partir do 3º harmonico.

 A influencia dos harmonicos pares é minima, o que diminui bastante as especificações de filtragem de faixas.


Resumo das medições
Faixa de frequencia (kHz) (Modo) 163 a 216 AM 520 a 1710 AM 1711 a 29999 AM 64000 a 76000 FM 76100 a 108000 FM
Nível RX   26dB S/N (Espec.) NA 30,9dBuV 30,9dBuV 10,9dBuV 10,9dBuV
Nível RX   26dB S/N (Medido) NA 29,5dBuV 29,5dBuV NA 12dBuV
Resposta 1º Imagem
Atenuação @ Ref(-6dB) 		NA 68dBuV
72,4dB 		59dBuV
63,4dB 		NA 74dBuV
68,9dB @Ref(-12dB)
Outras Imagens   Maximo
Atenuação @ Ref(-6dB)		 NA 47,6dBuV @ 4320kHz
52dB 		49,5dBuV @ 35820kHz
53,9dB 		NA ND
Outras Imagens   Minimo
Atenuação @ Ref(-6dB)		 NA 18dBuV @ 4560kHz
22,4dB 		27,9dBuV @ 83640kHz
31dB
 NA ND
Valores encontrados em receptores
comerciais comuns
30dB
30dB
30dB
50dB
50dB
Valores encontrados em receptores
comerciais acima da media
45dB a 55dB
45dB a 55dB
45 a 55dB
60dB a 70dB
60dB a 70dB
Valores encontrados em receptores
comerciais mais elaborado
60dB
60dB a 70dB
60dB a 70dB
80dB a 90dB
80dB a 90dB
Valores encontrados em receptores
comerciais ótimos
80dB
80dB
80dB
100dB
100dB
Tabela 4  


Faixa 1800 kHz a 30000 kHz   Modo SSB
f portadora fRx fLO
Frequencia (kHz) 3700 3699 3655
Nível RX 0,6 uV
A
Frequencia (kHz) 7100 7099 7055
Nível RX 0,5 uV
A
Frequencia (kHz) 14100 14101 14055
Nível RX 0,45 uV
A
Frequencia (kHz) 28500 28501 28455
Nível RX 0,5 uV
Tabela 5   Medidas complementares, modulação SSB   fMod 1kHz  filtro áudio 3 kHz   12 dB SINAD na saída de áudio.


 Os resultados das medições de sensibilidade de recepção no modo SSB estão descritos na Tabela 5.

  Os valores obtidos são coerentes com os valores de sensibilidade de recepção em SSB normalmente encontrados em receptores comerciais portáteis que fazem uso de antena telescópica para OC.