Radiowe nadajniki FM - Obwody wejściowe nadajnika

Obwody wejściowe nadajnika - modulacja i generacja.

Ten kawałek mojej witryny za zadanie ma szczegółowe omówienie obwodów wejściowych nadajnika . W ich skład wchodzą :

Źródło sygnału audio
Wzmacniacze wejściowe audio
Multiplekser streo
Modulator częstotliwościowy FM
Generator sygnału sinusoidalnego

Źródło sygnału audio.

Źródłem sygnału audio jest dowolne urządzenie przetwarzające dźwięk . Może być to magnetofon , CD czy karta dźwiękowa komputera . Nieodzowny jest tu mixer audio który wszystkie te źródła połączy w jedno oraz odpowiednio wzmocni . Oczywiście nie można zapomnieć również o mikrofonie . W zależności od źródła sygnału wymagane jest zróżnicowany poziom wzmocnienia każdego z nich . Mikrofon dynamiczny musi mieć bardzo duże wzmocnienie a odtwarzacz CD niewielkie . Wyrównanie poziomów sygnałów jest konieczne z dwóch powodów : różne źródła dźwięku muszą mieć tą samą głośność , nie można dopuścić do przesterowania modulatora . Rozbudowane mixery posiadają również korekcję widma sygnału audio popularnie zwaną korektorem lub equalizerem . Jest to bardzo dobre rozwiązanie ponieważ pozwala przystosować dźwięk do najlepszej jakości . Proponuję również zastosowanie oddzielnego korektora , choćby bardzo prostego ( regulacja basów i sopranów ) na kanał mikrofonowy , ponieważ w amatorskich rozwiązaniach odsłuch mamy razem z mikrofonem , co powoduje sprzężenia objawiające się piskami i innymi zakłóceniami dźwięku . Korektor taki pozwala wtedy na ograniczenie częstotliwości przenoszenia mikrofonu . Dobrze jest również aby mixer posiadał wizualny wskaźnik poziomu sygnału wychodzącego , który umożliwia ciągłą kontrolę nad poziomem wysterowania nadajnika . Myślę że ta część nadajnika nie wymaga szczegółowych opisów . Nie zamieszczam tu schematu żadnego mixera ponieważ fachowa prasa ("Praktyczny elektronik","Radioelektronik") oraz inne witryny nt. elektroniki są nimi przepełnione . Konstrukcja mixera jest tak banalnie prosta iż nie powinna sprawić kłopotów nikomu . Z resztą , od biedy można nabyć w dowolnym sklepie elektronicznym gotowy zestaw do samodzielnego montażu .

Wzmacniacze wejściowe audio.

Przejdę teraz do omówienia wzmacniaczy wejściowych . Temat ten właściwie jest tylko teorią ponieważ w niewielu przypadkach istnieje potrzeba zastosowania wzmocnienia w tym bloku . Po przejściu przez mixer sygnał zapewne ma już wystarczającą wartość , taką aby mógł on wysterować multiplekser . Więc tak właściwie to omówię tutaj parametry sygnału jaki powinien dotrzeć do wejść kodera stereo . Po pierwsze powinien mieć on jednak wystarczający poziom . Jeśli zachodzi obawa o zbyt małą jego wartość powinniśmy wzmocnić go dostatecznie . Zbyt niska wartość powoduje zwężenie szerokości modulacji . U nas objawia się to jedynie cichym dźwiękiem jaki odbieramy w odbiorniku odsłuchowym , lecz ze wzrostem odległości od nadajnika sygnał HF jest bardziej podatniejszy na zakłócenia . Następnie powinniśmy zadbać o to aby jego wartość nie była zbyt wysoka . Jeśli tak się dzieje odbierany dźwięk obarczony jest zniekształceniami (charakterystyczne trzeszczenie) . W przypadku przesterowania dźwięk , szczególnie w wysokich częstotliwościach (soprany) jest podatny na zniekształcenia . Powodem tego jest szersza modulacja FM w tym paśmie . Aby zapowiedz powstawaniu tego zjawiska powinniśmy stale (choćby za pomocą wskaźników) monitorować dźwięk wychodzący z mixera . Pomocnym tutaj , i często stosowanym układem jest kompresor dynamiki . Reguluje on samoczynnie wartość sygnału audio w zależności od ustalonego progu . Jeśli poziom jest za mały kompresor go wzmacnia , jeśli zbyt wielki zmniejsza . Jest to ten sam układ który stosowany jest w magnetofonach z automatyczną regulacją poziomu sygnału . Próg kompresora , czy w ogóle wzmocnienia powinniśmy ustalić na 90 % dewiacji modulatora . Bez pomocy oscyloskopu jest to nieco utrudnione . W takim przypadku , aby to uczynić powinniśmy wychwycić graniczny próg przesterowywania się nadajnika na najwyższym możliwym poziomie sygnału z mixera , a następnie nieco go obniżyć . Ten stopień również często zawiera specjalne korektory charakterystyki widma sygnału audio zwane preemfazami. Są to zestrojone na stałe filtry mające za zadanie podbić poziom sygnału w zakresie wyższych częststotliwości akustycznych , a co za tym idzie poszerzyć modulację nadajnika , co wpływa bardzo korzystnie na polepszenie stosunku sygnału do zakłóceń .

Multiplekser stereofoniczny

Następnym blokiem według naszego schematu blokowego (patrz podstawy budowy) powinien być modulator . I rzeczywiście , w nadajnikach radiowych monofonicznych tak jest . Lecz jeśli uzyskać chcemy (jak myślę) nadajnik stereo w tym miejscu powinien pojawić się multiplekser analogowy zwany popularnie koderem stereo . Jeśli zdecydujecie iż Wasz nadajnik wykonacie w wersji mono , z powodzeniem możecie ominąć ten blok , i sygnał audio wprowadzić do modulatora . Lecz zapewniam Was iż koder stereo znacznie polepszy jakość nadawanej przez Was audycji . Poniższy schemat blokowy prezentuje multiplekser stereo oparty na zasadzie przełączania . Ten typ kodera jest prosty w budowie i z reguły najczęściej stosowany :

Opis skrótów :

L-kanał lewy , P-kanał prawy , L+P-sygnał mono , 38kHz L(P)-zkluczowany sygnał kanału lewego(prawego) , Pl-pilot , MPX - kompleksowy sygnał stereo

Kodowanie stereo jest dość złożonym procesem który postaram się omówić . Opierać się będę na schemacie blokowym . Sygnał stereo , jak powszechnie wiadomo zawiera informacje o dźwięku przenoszoną w dwóch kanałach . Dzięki temu ma on bardziej fizjologiczne i lepsze brzmienie . Dowolny modulator (również FM) ma tylko jedno wejście i dlatego możemy wprowadzić do niego bezpośrednio tylko jeden kanał dźwiękowy . Dlatego właśnie kilku sprytnych panów wydumało jak by tu upchnąć dwa źródła dźwięku w jednym kanale . Na początku wymyślono aby każdy kanał nadawać na osobnej częstotliwości . Lecz od razu w tym miejscu pojawił się odwieczny problem kompatybilności odbiorników mono i stereo (mono odbierał by tylko jeden kanał) oraz kosztów (podwójne nadajniki oraz odbiorniki). Więc wymyślono coś innego . Teoria była prosta : należało przełączać z częstotliwością 38 kHz raz to kanał lewy , raz prawy . Ludzkie ucho nie zdąży wyłapać takiej różnicy . Znaczy to iż teoretycznie słyszymy na raz tylko jeden kanał . Jeśli odbiornik był monofoniczny nie stanowiło to żadnego problemu . Tak więc wracając do tematu omówię przedstawiony powyżej schemat . Dwa pierwsze bloki są wam już znane . Spełniają one identyczne funkcje jak te które omówiłem na początku . Są to źródło dźwięku stereo i wzmacniacze . Mają one takie same własności jak omówione wcześniej . W ich skład winny wejść preemfazy na każdym z kanałów a ponadto niezbędne jest dodanie dolnoprzepustowego filtru 15kHz . Jest to potrzebne gdyż sygnały audio o częstotliwościach wyższych niż 15kHz zniekształcają widmo MPX , a dla ludzkiego ucha , którego próg słyszalności wynosi właśnie tyle, nie czyni to różnicy . Centralnym blokiem jest generator sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 19 kHz , zwanego pilotem . Za zadanie ma on poinformować odbiornik iż nadawana audycja ma wersję stereofoniczną . Jest to ten sygnał który zapala lampkę stereo w odbiorniku i przełącza go w tryb stereo . Stanowi on ponadto bazę dla sygnału przełączającego i tym samym podstawę do demodulacji . W bloku zwanym podwajaczem częstotliwość sygnału pilota wychodząc jednym z dwóch wyjść jest podwajana do wartości 38kHz . Jest to właśnie częstotliwość przełączania obu kanałów stereo . Lecz zanim trafi on do bloków kluczy jego kształt zamieniony być musi z sinusoidy na przebieg prostokątny . Jest to konieczne ponieważ klucze elektroniczne działać muszą naprzemiennie . Klucz jest zwykłym przełącznikiem elektronicznym najczęściej układem scalonym lub tranzystorem . Zbocze dodatnie sygnału zamyka klucz kanału prawego a lewy pozostawia otwarty . Na zboczu ujemnym zachodzi odwrotna sytuacja . Tak więc w jednym momencie nadawany jest tylko jeden z kanałów . Dalej oba zkluczowane częstotliwością 38kHz kanały , w bloku sumatora łączone są razem i dodawany jest do nich sygnał pilota . Ponadto do sumatora dociera także połączony dźwięk kanałów L+P w wersji dla odbiorników monofonicznej . Na schemacie zachodzi pewna nieścisłość gdyż wszystkie te sygnały sumowane są w co najmniej dwóch blokach (((38kHz L + 38kHz P)+ sygnał mono L+P)+pilot 19kHz) . Po zsumowaniu otrzymujemy zespolony sygnał stereofoniczny zwany w skrócie MPX . Dalej sygnał ten wędruje do filtru dolnoprzepustowego 56kHz , mającego na celu wyzbycie się niepotrzebnych zakłóceń z MPX i zawężenia jego pasma do pożądanej częstotliwości .

Przykładowy, praktyczny i nieco odmienny opis multipleksera, wraz z przebiegami z oscyloskopu który na pewno warto obejrzeć znajdziesz na schemacie kodera stereo

Modulator FM.

W następnej kolejności MPX lub sygnał monofoniczny kierowany jest do wejścia modulatora FM . Blok ten nakłada sygnał audio na częstotliwość nośnej wytworzonej w generatorze . W radiofonii na paśmie UKF stosujemy modulację częstotliwości . Zapewnia ona o wiele lepszą jakość dzwięku , oraz jest odporniejsza na zakłócenia . Modulacja taka polega na zmianie częstotliwości podstawowej w takt częstotliwości wejściowej . Zmiana ta zwana jest dewiacją . Dla radiofonii UKF dewiacja wynosi ok. +(-) 75 kHz . Z tego właśnie powodu modulację FM stosować można jedynie na wysokim paśmie częstotliwości (od ok.10 MHz) . Stosowanie modulacji FM na niższych pasmach jest niewykonalne gdyż dewiacja wykraczała by daleko poza tolerancję ustalonej wartości częstotliwości danego pasma . Modulowanie FM dokonuje się z reguły poprzez zmianę parametrów ( pojemności ) w obwodzie rezonansowym generatora . Służy do tego warikap (dioda pojemnościowa ) włączona równolegle z kondensatorem rezonansowym . Zmiana napięcia wstecznego takiej diody , powoduje zmianę jej pojemności o ułamki pikofaradów (w zależności od typu ) , co powoduje zmianę wypadkowej pojemności rezonansu , dając w efekcie zmianę (zmniejszanie się ) częstotliwości . Na oscyloskopie widać to jako charakterystyczne rozszerzanie się sinusoidy nośnej . Modulacja na warikapie jest podstawowym układem tego typu bloków nadajnika . Jednakże może się ona odbywać również na innych zasadach . Przykładem może być generator przeciwsobny który składa się z dwóch , sprzężonych równolegle generatorów o identycznej częstotliwości . Modulacja w tego typu układzie polega na zmianie częstotliwości jednego z generatorów co w efekcie daje modulację FM . Przy omawianiu modulacji warto jeszcze wspomnieć o parametrach i poziomach sygnału mono i stereo . Sygnał monofoniczny zamyka się w przedziale częstotliwości do 16 kHz . Po podaniu na modulator powoduje on niewielką dewiację . Natomiast pasmo MPX sięga granicy 56 kHz co daje stosunkowo większy poziom dewiacji , a więc szersze pasmo odbioru . MPX jest również sygnałem wiele bardziej złożonym , przez co podatniejszym na zakłócenia niż mono . W efekcie audycje stereofoniczne wymagają wyższych poziomów sygnału przy odbiorze .

Generator nośnej.

Ostatnim omówionym tutaj blokiem jest generator nośnej . Jest to niejako serce naszego nadajnika . Ma on za zadanie wytworzyć częstotliwość dzięki której sygnał nadajnika będzie mógł być odbierany poprzez radioodbiornik . Generator to układ przetwarzający napięcie stałe w przemienne . Układ taki to nic innego jak wzmacniacz selektywny pracujący z układem dodatniego sprzężenia zwrotnego . Istnieje wiele modeli generatorów oraz ich odmian (układ Meissnera , Colpittsa , Hartleya ) . Wszystkie pracują w oparciu o sprzężenie zwrotne poprzez układ LC dlatego w przybliżeniu częstotliwość takich generatorów wynosi :

f=1 / (2*pi*pierwiastek z(LC))

Dodatkowo istnieje także układ generatora opartego na rezonatorze kwarcowym który dokładnie ustala częstotliwość takiego układu . Generator kwarcowy jest jednym z najlepszych modeli generatorów niestety wymaga trudnodostępnego rezonatora na pasmo FM . Oczywiście można sobie poradzić przystosowując układ z innym rezonatorem lecz jest to nieco skomplikowane (konieczność stosowania zwielokrotniaczy i dzielników ). Nie będę tutaj dokładnie omawiał poszczególnych układów wzbudnic ponieważ nie ma chyba potrzeby . Teoretycznie starczyć powinny schematy ideowe które zamieszczam . Wspomnieć jeszce warto iż generator spełniać powinien pewne normy . Głównym wymaganiem jest jego częstotliwość . Współczesna radiofonia FM w naszym kraju korzysta z jednego pasma częstotliwości . Pasmo to, zwane zachodnim zawiera się w granicach od 87.5 do 108.0 MHz . Jego nazwa pochodzi od tego iż przyjęte zostało w latach 60 jako standard w Europie zachodniej i Ameryce . Do niedawna istniało jeszcze pasmo zwanym wschodnim operujące na częstotliwościach od 65.0 do 74.0 MHz. W obecnej chwili nie jest już używane i prawnie zabroniono na nim jakiejkolwiek publicznej emisji radiowej. Zakres częstotliwości tego pasma przekazany został zgodnie z normami Unii Europejskiej dla łączności wojskowej i komunikacyjnej . Częstotliwości generatorów własnej roboty proponuje lokować w takich miejscach pasma FM gdzie nie ma legalnych rozgłośni radiowych . Są to z reguły oba krańce zakresu UKF no i dziury pomiędzy nadającymi radiostacjami.
Następnym ważnym parametrem generatora jest stabilność częstotliwości tzn. jej niezmienność w funkcji czasu . Parametr ten zależy od typu układu generatora oraz od sposobu jego praktycznego wykonania . Największą stabilność zapewniają generatory kwarcowe . Ważnym parametrem jest też kształt sinusoidy . Im jest on dokładniejszy tym sygnał z generatora ma lepszą jakość . Na koniec warto jeszcze wspomnieć o zmorze radioelektroników budujących generator czyli harmonicznych . Generator oprócz nośnej która jest jego głównym produktem wytwarza jeszcze częstotliwości harmoniczne które są wielokrotnościami nośnej . Mają one mniejszą wartość poziomu sygnału lecz przechodząc poprzez bloki wzmacniaczy osiągają znaczną moc . Harmoniczne te negatywnie wpływają na bloki wzmacniaczy generując tam sprzężenia , osłabiając wzmocnienie i przyczyniając się do generacji zakłóceń . Dla przykładu wzbudnica pracując przy częstotliwości 73 MHz generuje drugą harmoniczną przypadającą na krótkofalarskie pasmo 144 MHz co oczywiście lokalnie je zagłusza . Dlatego ważne jest aby następny po generatorze blok separatora posiadał zestaw filtrów górno zaporowych .

Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej, poznać rodzaje, zasady działania, kryteria doboru i parametry generatorów to zapraszam do działu Balcera, a w szczególności jego opracowania dotyczącego generatorów.