06.06.2015 Views

Návrh komunikačného prijímača pre pásmo 45 ... - Žilinská univerzita

Návrh komunikačného prijímača pre pásmo 45 ... - Žilinská univerzita

Návrh komunikačného prijímača pre pásmo 45 ... - Žilinská univerzita

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Elektrotechnická fakulta<br />

Katedra telekomunikácií<br />

Návrh komunikačného prijímača <strong>pre</strong> pásmo<br />

<strong>45</strong> až 860 MHZ<br />

Peter KUBO<br />

2007


Návrh komunikačného prijímača <strong>pre</strong> pásmo<br />

<strong>45</strong> až 860 MHz<br />

DIPLOMOVÁ PRÁCA<br />

Peter KUBO<br />

Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Elektrotechnická fakulta<br />

Katedra telekomunikácií<br />

Študijný odbor:<br />

TELEKOMUNIKÁCIE<br />

Vedúci diplomovej práce: Doc.Ing. Rudolf Hronec CSc.<br />

Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.)<br />

Dátum odovzdania diplomovej práce: 18. mája 2007<br />

ŽILINA 2007


ANOTAČNÝ LIST<br />

Názov diplomovej práce: Návrh komunikačného prijímača <strong>pre</strong> pásmo <strong>45</strong> až 860 MHz<br />

Fakulta: Elektrotechnická Katedra: Telekomunikácií<br />

Priezvisko a meno: KUBO Peter Rok: 2007<br />

Počet strán: 61 Počet obrázkov: 40 Počet tabuliek: 2<br />

Počet grafov: 0 Počet príloh: 0 Počet použitej literatúry: 13<br />

ANOTÁCIA<br />

Diplomová práca je koncipovaná ako teoreticko – praktické spracovanie návrhu<br />

komunikačného prijímača <strong>pre</strong> pásmo VKV a UKV. V teoretickom spracovaní tejto práce<br />

sa autor zameral na popis jednotlivých modulov v komunikačnom prijímači, ako aj<br />

matematický a fyzikálny popis modulácií. Taktiež sú v práci rozobraté aj prijímače<br />

s digitálnym spracovaním signálov.<br />

Praktická časť je zhotovenie navrhnutého riešenia prijímača.<br />

SUMMARY<br />

The diploma thesis is theoretically-practical eleboration suggestion of<br />

communication receiver for area of VHF and UHF. In theoretical part of this work, author<br />

focused on the description some moduls in communication receiver and mathematical and<br />

physical description of modulation. In this work are descripted receiver with digital<br />

processing signal too.<br />

Practically part is construction of suggested receiver<br />

Vedúci diplomovej práce: Doc.Ing. Rudolf Hronec CSc.<br />

Recenzent:<br />

Dátum odovzdania: 18. mája 2006


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obsah..................................................................................................................................<br />

1. ÚVOD......................................................................................................................... 1<br />

2. HLAVNÉ POŽIADAVKY KLADENÉ NA PRIJÍMAČE.................................... 2<br />

2.1 Citlivosť prijímača.............................................................................................. 2<br />

2.2 Šumové číslo prijímača....................................................................................... 2<br />

2.3 Selektivita prijímača ...........................................................................................2<br />

2.4 Frekvenčná stabilita a <strong>pre</strong>snosť naladenia prijímača...........................................3<br />

2.5 Parazitné a vlastné príjmi prijímača.................................................................... 3<br />

2.6 Krížová modulácia...............................................................................................3<br />

2.7 Možnosti príjmu rôzne modulovaných signálov..................................................4<br />

2.8 Spotreba el. energie..............................................................................................4<br />

2.9 Rozmery, váha a tvar........................................................................................... 4<br />

2.10 Vybavenie pomocnými obvodmi.........................................................................4<br />

3. MODULÁCIE..............................................................................................................5<br />

3.1 Amplitúdová modulácia (AM)............................................................................ 5<br />

3.2 Jednopásmová modulácia (SSB)..........................................................................8<br />

3.3 Frekvenčná modulácia (FM)............................................................................... 11<br />

3.4 CW modulácia.....................................................................................................15<br />

4. KONCEPCIA PRIJÍMAČA.......................................................................................16<br />

5. TEORETICKÝ ROZBOR A NÁVRH JEDNOTLIVÝCH MODULOV...............17<br />

5.1 Vstupná časť: TV TUNER..................................................................................17<br />

5.1.1 Hlavné parametre TV kanálového voliča 6 PN 387 273.....................................20<br />

5.2 Zmiešavače..........................................................................................................22<br />

5.2.1 Výpočet prvkov rezonančného obvodu <strong>pre</strong> kryštál v obvode zmiešavača..........26<br />

5.2.2 Výpočet väzobného obvodu na výstupe IO SA 612............................................28<br />

5.3 Detektory a demodulátory................................................................................... 31<br />

5.3.1 Popis demodulátora MAA 661 ........................................................................... 31<br />

5.4 Výpočet fázovacieho článku............................................................................... 37<br />

5.5 Nastavenie koincidenčného detektora................................................................. 39<br />

6. KONEČNÁ SCHÉMA KOMUNIKAČNÉHO PRIJÍMAČA.................................. 40<br />

7. KONŠTRUKCIA A PREVEDENIE CIEVOK V KOMUNIKAČNOM<br />

PRIJÍMAČI.................................................................................................................. 41<br />

8. KONCOVÝ ZOSILŇOVACÍ VÝKONOVÝ STUPEŇ 1W..................................... 44<br />

9. NAPÁJACIE ZDROJE KOMUNIKAČNÉHO PRIJÍMAČA.................................<strong>45</strong>


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

10. KOMUNIKAČNÝ PRIJÍMAČ S DIGITÁLNYM SPRACOVANÍM SIGNÁLOV<br />

10.1 A/D <strong>pre</strong>vodníky...................................................................................................49<br />

10.2 Digitálne signálové procesory............................................................................ 50<br />

10.3 Superheterodynný prijímač s digitalizáciou mf. Signálov................................. 52<br />

11. ZHODNOTENIE VÝSLEDKOV............................................................................. 55<br />

12. ZOZNAM POUŽITÝCH SÚČIASTOK.................................................................. 56<br />

12.1 Komunikačný prijímač....................................................................................... 56<br />

12.2 Zosilňovač 1W................................................................................................... 57<br />

12.3 Zdroje napätia..................................................................................................... 58<br />

Použitá literatúra.................................................................................................................59<br />

Čestné <strong>pre</strong>hlásenie..............................................................................................................60<br />

Poďakovanie.......................................................................................................................61


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

ZOZNAM OBRÁZKOV<br />

Obr.3.a Znázornenie jednotlivých frekvencií pri AM<br />

Obr.3.b Horné a dolné postranné pásmo amplitúdovo modulovaného signálu<br />

Obr.3.c Jednopásmový modulátor s fázovou kompenzáciou<br />

Obr.3.d Vplyv g(t) na nosnú vlnu a okamžitá frekvencia ω ok FM vlny<br />

Obr.3.e Modulačný signál g 1 (t) a frekvenčne modulovaný signál f 1 (t).<br />

Obr.4.a Bloková schéma prijímača<br />

Obr.5.1a Vstupný filter TV tunera <strong>pre</strong> VKV pásmo<br />

Obr.5.2 b Všeobecná schéma zmiešavača<br />

Obr.5.2 c Rôzne varianty prijímačov<br />

Obr.5.2.d Collpytsov oscilátor s kryštálom<br />

Obr.5.2.e Collpytsov LC oscilátor<br />

Obr.5.2.f Hartleyov LC oscilátor<br />

Obr.5.2.1.a Vnútorná bloková schéma obvodu SA 612 a usporiadanie jeho pinov<br />

Obr.5.2.1.b Naviazanie zmiešavača na filter<br />

Obr.5.3.a Detektor a demodulátor<br />

Obr.5.3.1a Bloková schéma IO MAA 661<br />

Obr.5.3.1.b Koincidenčný detektor<br />

Obr.5.3.1.c Názorné vysvetlenie koincidencie<br />

Obr.5.3.1.d Detekčná závislosť<br />

Obr.5.3.1.e Fázovací článok<br />

Obr.5.3.1.f Zjednodušená schéma koincidenčného detektora<br />

Obr.5.3.1.g Praktické zapojenie posúvača fázy<br />

Obr.5.4.a Náhradná schéma fázovacieho obvodu<br />

Obr.5.4.b Nastavenie koincidenčného detektora<br />

Obr.6.a Schéma komunikačného prijímača<br />

Obr.6.b Doska plošného spoja zo strany spojov<br />

Obr.6.c Doska plošného spoja zo strany súčiastok<br />

Obr.7.a Prevedenie cievok v prijímači<br />

Obr.7.1.a Značenie kondenzátorov<br />

Obr.8.a Rozloženie súčiastok na doske modulu zosilňovača<br />

Obr.8.b Obrazec dosky spojov modulu zosilňovača


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr.8.c Schéma zapojenia zosilňovača 1 W<br />

Obr.9.a Všeobecná bloková schéma napájacieho zdroja<br />

Obr.9.b Schéma zapojenia napájacieho zdroja so stabilizátorom MA 7812<br />

Obr.9.c Doska plošného spoja <strong>pre</strong> stabilizovaný zdroj 12V<br />

Obr.9.d Schéma zapojenia napájacieho zdroja so stabilizátorom LM 317<br />

Obr.10.a Zmiešavač so samočinným potlačením zrkadlových signálov<br />

Obr.10.b Superheterodyn s digitalizáciou <strong>pre</strong>vedenou na výstupe mf zosilňovača<br />

Obr.10.c Superheterodyn s priamou konverziou zložiek IQ do základného pásma<br />

Obr.10.d Superheterodynný prijímač s dvojitým zmiešavaním a priamou konverziou<br />

zložiek I,Q do základného pásma.<br />

ZOZNAM TABULIEK<br />

Tab.5.3.1.a Logická funkcia hradla NAND<br />

Tab.7.1.a Značenie plochých keramických kondenzátorov


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

ZOZNAM POUŽITÝCH SKRATIEK A SYMBOLOV<br />

A/D Analógovo – digitálný <strong>pre</strong>vodník (Analog / digitally)<br />

AM Amplitúdová modulácia<br />

AVC Automatické riadenie zisku (Automatic Volume Control)<br />

CCIR Medzinárodný poradný orgán <strong>pre</strong> rádiokomunikácie (Consultative Committee<br />

for International Radio)<br />

CW Modulácia s kľúčovaním<br />

DPS Doska plošných spojov<br />

FM Frekvenčná modulácia<br />

IO Integrovaný obvod<br />

KS Koncový stupeň<br />

KV Krátke vlny<br />

LED Dióda vyžarujúca svetlo (Light Emitting Dióde)<br />

MF Medzifrekvencia<br />

SMD Zariadenie <strong>pre</strong> povrchovú montáž (Surface Mounted Device)<br />

SMT Technológia povrchovej montáže (Surface Mounted Technology)<br />

SSB Modulácia s jedným postranným pásmom (Single Side Band )<br />

TV Televízny (Television)<br />

UHF Ultra vysoká frekvencia (Ultra High Frequency)<br />

VHF Veľmi vysoká frekvencia (Very High Frequency)<br />

VKV Veľmi krátke vlny


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

1.ÚVOD<br />

Často krát padá otázka aký prijímač na príjem rozhlasových staníc je najlepší.<br />

Uspokojivú odpoveď však nikto nedá. Niekto <strong>pre</strong>feruje to - druhý zase ono rádio.<br />

Pri návrhu rádioprijímača však rozhoduje aj to, na čo ho budeme používať.<br />

Presnejšie povedané: ako a kde ho využijeme? V kuchyni nám postačí aj obyčajné malé<br />

rádio. Vytiahneme teleskopickú anténu alebo cez poličku <strong>pre</strong>hodíme z rádia trčiaci drôtik<br />

a hrá to.... Na záhradu si určite zoberieme malý tranzistor, ktorý nám bude spríjemňovať<br />

chvíle počas oddychu. To isté platí aj na - výletoch, chatách, internátoch, kanceláriách a<br />

podobne. Takéto prijímače sú osadené väčšinou len pásmom VKV prípadne SV.<br />

Ak si však povieme, že nejaká miestna, alebo regionálna stanica nás svojim<br />

obsahom alebo programom neuspokojuje a chceli by sme počuť, čo sa vysiela o niekoľko<br />

desiatok - alebo stoviek kilometrov ďalej, musíme už pouvažovať nad niečím iným. Čo<br />

tak kvalitný stolný komunikačný prijímač? Pri tejto kategórii však budeme musieť možno<br />

čerpať bankový úver, <strong>pre</strong>tože zostrojenie tohto prijímača je finančne dosť náročné,<br />

<strong>pre</strong>tože sú obvodovo zložitejšie a náročnejšie.<br />

Ešte by sme rozhlasové prijímače mohli rozdeliť na analógové a digitálne.<br />

Analógovo sa zatiaľ vysiela všade (aj u nás, aj v zahraničí), digitálne rozhlasové<br />

vysielanie je zatiaľ v plienkach (najmä v okolitých krajinách - systém DAB (digital audio<br />

broadcasting), DRM (digital radio mondiale) - tieto systémy tu nebudem rozoberať, u nás<br />

zatiaľ nefungujú).<br />

Cieľom práce je návrh komunikačného prijímača <strong>pre</strong> pásmo <strong>45</strong> až 860 MHz.<br />

Zaoberal som sa teoretickým popisom jednotlivých modulov navrhnutého prijímača.<br />

Úlohou bola aj realizácia navrhnutého prijímača. V poslednej časti práce som sa zameral<br />

na prijímače s digitálnym spracovaním signálu.<br />

1


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

2.HLAVNÉ PARAMETRE A KONŠTRUKCIE PRIJÍMAČOV:<br />

V tejto časti si všimneme základné vlastnosti VKV prijímačov a podrobnejšie si<br />

rozoberieme tie, ktoré majú zvláštnu dôležitosť <strong>pre</strong> dobrý príjem signálov.<br />

2.1 Citlivosť prijímača:<br />

Umin označuje obvykle hodnotu napätia ktorú musí anténa dodať na vstupné<br />

svorky prijímača, aby sa na výstupe dosiahlo určitého pomeru signál/šum.<br />

U každého údaja citlivosti je treba povedať, <strong>pre</strong> akú moduláciu platí tzn. že je treba uviesť<br />

druh aj parametre modulácie.<br />

2.2 Šumové číslo prijímača:<br />

Označuje, koľkokrát sa zhorší pomer signál/šum na výstupe prijímača oproti<br />

vstupu. Ak označíme výkony signálu a šumu na vstupe ako S1 a N1 a hodnoty na výstupe<br />

S2 a N2, potom je šumové číslo prijímača F definované ako pomer signál/šum na vstupe<br />

a výstupe, teda :<br />

S1N<br />

F =<br />

S N<br />

2<br />

2<br />

1<br />

2.3 Selektivita prijímača:<br />

Býva tesne spojená s inými parametrami, šírkou priepustného pásma<br />

a súčiniteľom tvaru priepustnej charakteristiky filtra. Vysvetlím bližšie tieto pojmy:<br />

Stanica ktorú chceme prijímať vysiela signály ktoré majú určitú šírku frekvenčného<br />

spektra Bs<br />

Aby sme prijali informáciu obsiahnutú vo vysielanom signály, musíme zachytiť väčšinu<br />

energie obsiahnutú vo frekvenčnom spektre.(stačí 80 -90%), pričom súčasne chceme aby<br />

spektrá iných signálov – nás nezaujímajúcich staníc boli odfiltrované. Orgánom ktorý<br />

prijíma informáciu, býva obvykle ucho a to má schopnosť bez námahy spracovať signály<br />

rozsahu asi 60 dB. Ak nastavíme na prijímači, <strong>pre</strong> sluch vhodnú úroveň signálu, potom<br />

zníženie signálu o 6 dB ucho ešte rozozná. Rušivé signály nižšie asi o 30 dB ucho síce<br />

ešte vníma ako rušenie, avšak ako veľmi slabé a v podstate nebrániace dobrému prijímu.<br />

Rušivé signály s úrovňou o 60 dB nižšou, ucho <strong>pre</strong>stáva počuť.<br />

2


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

2.4 Frekvenčná stabilita a <strong>pre</strong>snosť naladenia prijímača:<br />

Sú to dva príbuzné parametre, označujúce do akej miery je schopný prijímač<br />

jednu nastavenú stanicu udržať v priepustnom pásme, poprípade s akou <strong>pre</strong>snosťou<br />

dovoľuje prijímač naladiť a nájsť podľa údaju stupnice protistanice, ktorej frekvenciu<br />

poznáme. Obidva parametre bývajú udané ako odchýlka v Hz alebo kHz s označením<br />

okolností, za ktorých táto odchýlka ne<strong>pre</strong>siahne danú medzu. Presnosť naladenia<br />

prijímača je tesne spojená s jeho frekvenčnou stabilizáciou, je totiž logické, aby stabilný<br />

prijímač mal taktiež <strong>pre</strong>snú stupnicu.<br />

2.5 Parazitné a vlastné príjmi prijímača:<br />

Sú nepríjemnou vlastnosťou prijímača pracujúcich na superhetovom princípe. Pod<br />

pojmom parazitný príjem budeme označovať príjem takých staníc, ktoré v skutočnosti na<br />

naladenej frekvencii nepracujú, ale sú niekde inde a vplyvom nelineárnych vlastností<br />

niektorých obvodov prijímača, zvlášť zmiešavačov, boli frekvenčne posunuté.<br />

Najznámejším <strong>pre</strong>javom býva tzv, Zrkadlový príjem, kde jednu stanicu počujeme na<br />

superhete nielen na správnej, ale i na zrkadlovej frekvencii.<br />

Vlastné príjmi sa vyskytujú u prijímačov <strong>pre</strong>vedených na superhetovom princípe s viac<br />

než jedným zmiešavaním. Býva to obvykle niekoľko miest v pásme, kde sa prijíma<br />

niektorá harmonická frekvencia jedného z oscilátorov zmiešavača. V týchto miestach<br />

býva prijímač viac, alebo menej zahltený a príjem slabých signálov v blízkom okolí<br />

nemožný. Vhodnými opatreniami(tienenie, voľba mf kmitočtu) je možné počet miest<br />

vlastného príjmu znížiť na minimum a rovnako aj intenzitu zahltenia prijímača.<br />

2.6 Krížová modulácia:<br />

Je rovnako vyvolaná nelineárnymi prvkami – tranzistormi. Pod týmto názvom<br />

označujeme jav, keď silná stanica pracujúca na frekvencii blízkej prijímanej stanice jej<br />

vtisne svoju moduláciu, aj keď je neskôr v ďalších obvodoch odfiltrovaná. Táto vlastnosť<br />

sa <strong>pre</strong>javuje hlavne u superhetov, kde sú zmiešavače málo odolné voči krížovej<br />

modulácii.<br />

Parazitná modulácia počúvanej stanice inou nežiadúcou stanicou znamená vlastne vznik<br />

ďalšieho postranného pásma okolo nosnej žiadanej stanice, ktoré tam pôvodne nebolo, čo<br />

sa rovná rušeniu. Krížová modulácia sa podobne ako AM obvykle udáva v %, pričom je<br />

potrebné určiť podmienky, za ktorých nastáva, tj. napätie vyvolané rušivou stanicou na<br />

vstupe, stupeň jej modulácie a vzdialenosť od žiadanej stanice.<br />

3


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

2.7 Možnosti príjmu rôzne modulovaných signálov<br />

2.8 Spotreba el. energie:<br />

aj jej druh(sieť, batérie a pod), možnosť napájať náhradnými zdrojmi<br />

2.9 Rozmery ,váha a tvar – možnosti <strong>pre</strong>vážania a <strong>pre</strong>nášania<br />

2.10 Vybavenie pomocnými obvodmi – indikátor naladenia a pod.<br />

Rada týchto požiadaviek je vzájomne zviazaná.., napr. citlivý prijímač musí mať<br />

aj dobrú selektivitu, selektívny prijímač musí byť stabilný atď...<br />

Je samozrejmé, že výber koncepcie prijímača bude do značnej miery ovplyvňovaný<br />

schopnosťami a možnosťami svojho tvorcu, či už odbornými alebo ekonomickými.<br />

4


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

3. MODULÁCIE<br />

3.1Amplitúdová modulácia (AM)<br />

Mení sa amplitúda nosnej vlny v rytme okamžitej hodnoty modulačného signálu.<br />

Pozrime sa ako bude vyzerať úplné spektrum amplitúdovo modulovaného signálu. Pri<br />

odvodzovaní spektrálnej rovnice budeme vychádzať z vyjadrenia časového priebehu<br />

nosného harmonického signálu, ktorý je v tvare :<br />

x = X m cos (vt + φ v ) (3.1.1)<br />

kde x <strong>pre</strong>dstavuje okamžitú hodnotu obvodovej veličiny (napätie alebo prúd), X m je jej<br />

amplitúda, v je uhlová frekvencia nosného signálu a φ v je jej fáza.<br />

Zodpovedzme základnú otázku. Ako dôjde k amplitúdovej modulácii, resp. ako sa<br />

zmení harmonický nosný signál? O amplitúdovo modulovanom signály budeme hovoriť<br />

vtedy, ak amplitúda nosného signálu bude ovplyvňovaná modulačným signálom. To<br />

znamená, že X m bude časovo závislá, teda X m -> X m (t). Potom<br />

x{t) = X m {t)cos(vt + (φ v ) (3.1.2)<br />

Modulačný signál môže mať všeobecný časový priebeh, často aj náhodného charakteru,<br />

takže častokrát nie je možno ho vystihnúť konkrétnou časovou funkciou. Pre analýzu<br />

spektra modulovaného signálu je potrebné uvažovať harmonický signál, ktorý môže<br />

obsahovať aj jednosmernú zložku. Potom takýto modulačný signál nadobudne tvar<br />

X m (t) = X m 0 + δ X m cos (ωt + φ ω) (3.1.3)<br />

Po dosadení (3.1.3) do (3.1.2) dostaneme<br />

x(t) = [ X m 0 + δX m cos(ωt +φ ω ) ] cos (vt + φ v ) (3.1.4)<br />

A po roznásobení:<br />

x(t) = X m 0 cos (vt + φ v ) + δX m cos (ωt + φ ω ) cos (vt + φ v ) (3.1.5)<br />

Zaveďme substitúciu<br />

cos (vt + φ v ) = cos α (3.1.6)<br />

cos (ωt + φ ω ) = cos β<br />

5


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Pre súčin kosínusov podľa trigonometrického vzťahu platí spoločný vzťah<br />

cos (α ± β) = cosα cosβ ± sinα sinβ (3.1.7)<br />

kde po jeho úprave dostávame:<br />

cosα cosβ = ½ [cos(α +β) + cos(α –β)] (3.1.8)<br />

a po vrátení substitúcie za cosα cosβ a dosadení do rovnice (3.1.5) nadobudne úplná<br />

spektrálna rovnica amplitúdovo modulovaného signálu tvar:<br />

x(<br />

t)<br />

= X<br />

+ X<br />

m0<br />

m0<br />

⎧1<br />

X<br />

⎨ δ<br />

⎩2<br />

X<br />

⎧<br />

1 X<br />

⎨cos(<br />

vt + ϕ<br />

v<br />

) + δ<br />

⎩<br />

2 X<br />

m<br />

m0<br />

cos<br />

m0<br />

cos<br />

[( v − ω)<br />

t + ( ϕ − ϕ )]<br />

m<br />

v<br />

[( v + ω)<br />

t + ( ϕ + ϕ )]<br />

ω<br />

⎫<br />

⎬<br />

⎭<br />

v<br />

ω<br />

⎫<br />

⎬ +<br />

⎭<br />

(3.1.9)<br />

kde výrazy (v + ω), (v - ω) <strong>pre</strong>dstavujú dve postranné zložky o súčtovej a rozdielovej<br />

uhlovej frekvencii, ktoré sú navzájom symetricky umiestnené po obidvoch stranách<br />

nosnej uhlovej frekvencie v.<br />

Označme člen:<br />

X<br />

m =<br />

δ ma<br />

(3.1.10)<br />

X<br />

m0<br />

pričom koeficient δ určuje mieru vplyvu modulačného signálu na amplitúdu nosnej<br />

pri modulácii. Vzťah (3.1.10) je tzv. hĺbka amplitúdovej modulácie.<br />

Dosadením m a z člena (3.1.10) do (3.1.9) dostaneme výslednú úplnú spektrálnu<br />

rovnicu amplitúdovo modulovaného signálu :<br />

⎧<br />

x(<br />

t)<br />

= X<br />

m0<br />

⎨cos(<br />

vt + ϕ<br />

v<br />

) +<br />

⎩<br />

⎧1<br />

+ X<br />

m0<br />

⎨ ma<br />

cos<br />

⎩2<br />

1<br />

2<br />

m<br />

[( v − ω) t + ( ϕ − ϕ )] ⎬ ⎫<br />

⎭<br />

v<br />

a<br />

cos<br />

[( v + ω) t + ( ϕ + ϕ )]<br />

ω<br />

v<br />

ω<br />

⎫<br />

⎬ +<br />

⎭<br />

(3.1.11)<br />

6


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr 3.a Znázornenie jednotlivých frekvencií pri AM<br />

Predpokladajme, že uhlová frekvencia modulačného signálu sa mení v rozmedzí celého<br />

spektra modulačného signálu. To má za následok, že v rozmedzí tohto spektra sa budú<br />

meniť i rozsahy obidvoch spektrálnych postranných zložiek. Tento stav je zobrazený na<br />

obr.3.b<br />

Obr 3.b Horné a dolné postranné pásmo amplitúdovo modulovaného signálu<br />

Z hľadiska <strong>pre</strong>nosu informácie amplitúdovo modulovaným signálom nie je nutné <strong>pre</strong>nášať<br />

celé spektrum (obr.3.b), ale postačí <strong>pre</strong>nášať iba jedno postranné pásmo. V technickej<br />

praxi sa používa <strong>pre</strong> amplitúdovo modulovaný rádiový signál <strong>pre</strong>nos úplného signálu.<br />

Prenos jedného postranného pásma a čiastočne potlačenej nosnej sa používa v televíznych<br />

systémoch (<strong>pre</strong>nos obrazového signálu). V systémoch na <strong>pre</strong>nos telefónnych hovorov sa<br />

väčšinou používa <strong>pre</strong>nos s jedným postranným pásmom. Potlačenie nežiadúcich zložiek<br />

spektra resp. nosnej sa realizuje obvodovým riešením amplitúdového modulátora a<br />

filtráciou.<br />

7


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Skúmajme teraz výkonové pomery signálu AM s dvomi postrannými pásmami. Výstupný<br />

výkon pri 100 % modulácii sa rozdelí na tri časti. Polovica výkonu sa spotrebuje vo<br />

vysielaní nosnej vlny. Druhá polovica sa rozdelí na obidve postranné pásma. Jedno<br />

pásmo teda nesie len 25 % celkového vyžiareného výkonu. Teda keď máme AM vysielač<br />

s výstupným výkonom 1 W, z toho 0,5 W dostane nosný signál a 0,25 W jednotlivé<br />

postranné pásma.<br />

Čo sa týka technickej realizácie AM, to môžeme robiť dvomi základnými spôsobmi:<br />

a., kolektorová (anódová) modulácia,<br />

b., modulácia v okruhu riadiacej elektródy (mriežková)<br />

3.2 Jednopásmová modulácia SSB<br />

Jednopásmová modulácia je vo frekvenčnej oblasti charakterizovaná<br />

prítomnosťou len jednej postrannej zložky, dolnej, alebo hornej. Druhá zložka a nosná<br />

frekvencia sú potlačené (v angličtine pod názvom single sideband - SSB). Potlačenie<br />

nežiadúcej zložky (pásma) je možné dosiahnuť dvomi spôsobmi:<br />

a) zapojením vhodného filtra na výstupe modulátora,<br />

b) kompenzáciou nežiadúceho produktu vhodným obvodovým zapojením<br />

modulátora realizujúceho jednopásmovú moduláciu<br />

S prvým spôsobom (filtračná metóda) sme sa vlastne doposiaľ zaoberali, treba iba<br />

pripomenúť, že na pásmovú priepust' sú kladené veľké nároky najmä na jej selektivitu a<br />

časovú stálosť, ktoré so stúpajúcou frekvenciou nosného signálu sa zvyšujú. Aby nežiadúce<br />

pásmo bolo čo najviac potlačené používa sa v praxi pri tejto metóde transpozícia<br />

frekvencie. Vlastná modulácia sa uskutoční na frekvencii výhodnej z hľadiska filtrácie, a<br />

takto vzniknutý signál s jedným postranným pásmom (zložkou) sa transponuje na<br />

<strong>pre</strong>vádzkovú frekvenciu. Zaoberajme sa teraz ďalším spôsobom vytvorenia jednopásmovej<br />

modulácie a to moduláciou s fázovou kompenzáciou (fázová metóda). Tento spôsob z<br />

hľadiska realizácie nevyžaduje použiť technicky a obvodovo zložité pásmové priepuste na<br />

odfiltrovanie nežiadúcej zložky (pásma), ale zato vyžaduje použiť dva vyvážené<br />

modulátory. Princíp tejto metódy je možné odvodiť nasledovne. Pri fázovej metóde<br />

8


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

generujeme dva amplitúdovo modulované signály s potlačenou nosnou frekvenciou,<br />

ktoré potom vstupujú do sumačného obvodu obr.3.c. Výsledkom je signál obsahujúci<br />

dolnú alebo hornú postrannú zložku (pásmo). Keďže pri amplitúdovej modulácii<br />

(klasickej i s potlačenou nosnou) sa fáza dolného i horného postranného pásma odlišuje<br />

znamienkom znamenajúcim fázový posuv n, môžeme použiť na potlačenie nežiadúceho<br />

postranného pásma fázového rozlíšenia.<br />

Vychádzajme z obr.3.c, kde do vyváženého modulátora Ml vstupuje už známy<br />

modulačný signál X m (t) =X m o + δcos(ω +φω) a nosná X m cos(v + φ v ), pričom sme počiatočné<br />

fázové posuny položili φ ω = φ v = 0. Pre takýto systém v súlade so vzťahmi (3.1.1) až (3.1.4)<br />

platí<br />

⎛ π ⎞ ⎛ π ⎞<br />

x( t)<br />

= X<br />

m 0<br />

m<br />

a<br />

cos vt cos ωt<br />

+ δX<br />

m<br />

cos ⎜ vt − ⎟ cos ⎜ωt<br />

− ⎟ (3.2.1)<br />

⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠<br />

ďalej upravíme výraz nasledovným spôsobom<br />

x(<br />

t)<br />

= X<br />

= X<br />

m0<br />

m<br />

m0<br />

2<br />

a<br />

⎧<br />

⎨m<br />

⎩<br />

a<br />

X<br />

cos vt cosωt<br />

+ δ<br />

X<br />

m<br />

m0<br />

π π ⎫<br />

cos( vt − ) cos( ωt<br />

− ) ⎬ =<br />

2 2 ⎭<br />

[ cos( v + ω)<br />

t + cos( v − ω)<br />

t + cos( v − ω)<br />

t − cos( v + ω)<br />

t]<br />

(3.2.2)<br />

potom<br />

ma<br />

x( t)<br />

= X<br />

m 0<br />

cos( v − ω)<br />

t<br />

2<br />

kde platia trigonometrické výrazy<br />

⎛ ⎞<br />

cos ⎜vt − π ⎟ = sin vt<br />

⎝ 2 ⎠<br />

π<br />

cos( ωt<br />

− ) = sin ωt<br />

(3.2.3)<br />

2<br />

9


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Rozpíšme vzťah (3.1.1) podľa prislúchajúcich znamienok. Z (3.1.1) dostávame dva výrazy<br />

v tvare<br />

cos(v + ω) = cos v cos ω – sin v sinω (3.2.4)<br />

cos( v - ω) = cos v cos ω + sin v sinω<br />

<strong>pre</strong>násobme prvý výraz v (3.2.4) číslom (-1) a pripočítajme ho k druhému výrazu. Potom po<br />

jednoduchej úprave dostávame:<br />

1<br />

sin vt sin ω t = [ cos( v − ω)<br />

t − cos( v + ω)<br />

t] (3.2.5)<br />

2<br />

Po dosadení z (3.2.3) do (3.2.1) s použitím (3.2.5) dostávame rovnicu (3.2.2) popisujúcu<br />

amplitúdovo modulovaný signál s potlačenou nosnou a s jedným - dolným postranným<br />

pásmom. Prenásobením druhého výrazu vo vzťahu (3.2.4) číslom (-1) a po vykonaní<br />

rovnakej úpravy ako v <strong>pre</strong>dchádzajúcom prípade dostaneme vzťah (3.2.2) v tvare:<br />

ma<br />

x( t)<br />

= X<br />

m 0<br />

cos( v + ω)<br />

t<br />

(3.2.6)<br />

2<br />

čo je amplitúdovo modulovaný signál s potlačenou nosnou ale s horným postranným<br />

pásmom.<br />

Keďže priebeh X m (t) môže byť vyjadrený súčtom elementárnych harmonických priebehov,<br />

platia <strong>pre</strong>dchádzajúce poznatky <strong>pre</strong> ľubovoľný priebeh modulačného signálu.<br />

K fázovej metóde amplitúdovej modulácie s jedným postranným pásmom treba<br />

poznamenať, že síce teoreticky nie je potrebný žiadny filter, ale pri praktickej aplikácii je<br />

potrebné za sumačný člen zaradiť pásmovú priepust', alebo ďalšie nadväzujúce stupne<br />

navrhnúť dostatočne selektívne, ktoré budú potláčať vyššie harmonické vznikajúce<br />

nelinearitou modulátora, ktorá je ale nevyhnutná k jeho správnej funkcii. Ďalej si musíme<br />

uvedomiť, že sú kladené nároky na fázovacie členy, t. j. obidva fázovacie články musia<br />

mať konštantný priebeh posunutia fázy <strong>pre</strong> všetky <strong>pre</strong>nášané modulačné frekvencie. V<br />

praxi ale nedosiahneme úplné potlačenie nežiadúcej postrannej zložky (pásma). Výsledný<br />

posun fázovacieho článku posúvajúci modulačný signál bude ležať v pásme spektra<br />

modulačného signálu v určitej tolerancii v okolí hodnoty 71^2. To znamená, že postranná<br />

zložka bude vždy zatlmená iba s konečnou hodnotou, a to tým vyššou čím kvalitnejšie budú<br />

fázovacie články. V neposlednej miere na nedostatočné zatlmenie potlačenej postrannej<br />

10


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

zložky má vplyv aj nevyváženosť reálnych modulátorov Ml a M2. V praxi sa dosahuje<br />

potlačenie postrannej zložky asi o - 30 dB.<br />

Obr 3.c : Jednopásmový modulátor s fázovou kompenzáciou<br />

3.3 Frekvenčná modulácia (FM):<br />

Frekvenčná modulácia je významnou metódou <strong>pre</strong>nosu informácií. Vo všeobecnosti<br />

pod pojmom modulácia rozumieme ovplyvňovanie niektorého parametra nosnej vlny<br />

informáciou, ktorú chceme <strong>pre</strong>nášať. Túto informáciu obsahuje modulačný signál, ktorým sa<br />

v modulačnej sústave ovplyvňuje nosná vlna, výsledkom čoho je na výstupe sústavy<br />

modulovaná nosná vlna. Ak modulačným signálom ovplyvňujeme frekvenciu nosnej vlny,<br />

hovoríme, že výstupný signál je frekvenčne modulovaný. Na označenie <strong>pre</strong> frekvenčnú<br />

moduláciu bol zavedený symbol FM. V literatúre sa <strong>pre</strong> frekvenčnú moduláciu zaužívali aj<br />

pojmy uhlové, resp. exponenciálne modulácie.<br />

Fyzikálny princíp a matematický popis FM<br />

Na <strong>pre</strong>nos informácií používa modulačná sústava harmonickú nosnú vlnu sínusového<br />

priebehu. Prenášaná informácia – modulačná funkcia re<strong>pre</strong>zentuje funkciu času. Označme<br />

tento signál g(t). Potom frekvenčne modulovaný signál na výstupe modulačnej sústavy FM<br />

modulátora bude f(t) v tvare:<br />

f (t) = A 0 cos φ(t) (3.3.1)<br />

kde<br />

t<br />

ϕ( t)<br />

= ∫ ω(<br />

t)<br />

dt + ϕ<br />

0<br />

0<br />

(3.3.2)<br />

kde<br />

- A 0 je konštantná amplitúda kmitov (poväčšine napätie ale aj prúd)<br />

11


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

- φ(t) je veličina, ktorá vyjadruje okamžitú hodnotu časovo <strong>pre</strong>menlivej fázy<br />

kmitov. Dosaďme (3.3.2) do (3.3.1), potom dostávame:<br />

t<br />

⎡<br />

⎤<br />

f ( t)<br />

= A0 cos⎢∫ω(<br />

t)<br />

dt + ϕ0<br />

⎥<br />

(3.3.3)<br />

⎣ 0 ⎦<br />

Ako je možno vidieť z (3.3.2) argument harmonickej funkcie kosínus je časovo závislý. Táto<br />

časová závislosť je spôsobená modulačným signálom g(t). Aby sme mohli vzťah (3.3.3)<br />

považovať za frekvenčne modulovaný signál, potom integrant ω(t) musí vyhovovať tvaru:<br />

ω(t) = ω 0 + ω 0 g(t) (3.3.4)<br />

Po dosadení (3.3.4) do (3.3.3) dostaneme:<br />

t<br />

t<br />

⎧<br />

⎫ ⎧<br />

⎫<br />

f ( t)<br />

= A0 cos⎨∫ω0[ 1+<br />

g(<br />

t)<br />

] dt + ϕ0<br />

⎬ = A0<br />

cos⎨ω<br />

0t<br />

+ ω0∫<br />

g(<br />

t)<br />

dt + ϕ0<br />

⎬ (3.3.5)<br />

⎩ 0<br />

⎭ ⎩<br />

0 ⎭<br />

rovnica (3.3.5) opisuje frekvenčne modulovaný signál a vyjadruje nám vzťah medzi nosnou<br />

vlnou s uhlovou frekvenciou ω 0 a medzi modulačnou funkciou (signálom) g(t). Uhol φ 0 je<br />

fázový uhol v okamihu začiatku pozorovania deja. Ak je modulačný signál g(t) = 0 je ω(t) =<br />

ω 0 , teda okamžitá frekvencia je rovná frekvencii nosnej vlny. Argument harmonickej<br />

funkcie vo vzťahu (3.3.5) <strong>pre</strong>dstavuje výraz:<br />

t<br />

⎧<br />

⎫<br />

ϕ( t)<br />

= ⎨ω<br />

0<br />

t + ω0∫<br />

g(<br />

t)<br />

dt + ϕ0<br />

⎬<br />

(3.3.6)<br />

⎩<br />

0 ⎭<br />

Okamžitú frekvenciu ω ok frekvenčne modulovanej vlny určíme deriváciou argumentu (3.3.6)<br />

podľa času, teda:<br />

t<br />

d ⎛<br />

⎞<br />

ω<br />

ok<br />

= ⎜ω0t<br />

ω0<br />

g( t)<br />

dt ϕ ⎟<br />

0<br />

= ω0<br />

+ ω0g(<br />

t)<br />

dt<br />

+ ∫ +<br />

(3.3.7)<br />

⎝<br />

0 ⎠<br />

Výraz (3.3.7) inter<strong>pre</strong>tujeme tak, že okamžitá frekvencia ω ok je závislá od modulačnej<br />

funkcie g(t) čo znamená, že nosná vlna s kruhovou frekvenciou ω 0 sa mení v rytme zmien<br />

modulačného signálu g(t). Analyzujme v súlade s (3.3.5) frekvenčne modulovaný signál.<br />

Posúďme tento signál z pohľadu modulačného signálu g(t). V princípe môžu nastať tri<br />

prípady.<br />

a) g(t) = 0<br />

b) g(t) = konštanta, (g(t) = k)<br />

c) g(t) ≠ 0, g(t) ≠ konštanta<br />

12


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

V prípade a) f(t) re<strong>pre</strong>zentuje nemodulovanú nosnú vlnu. Po dosadení g(t) = 0 do (3.3.5)<br />

bude<br />

( ω + )<br />

f ( t)<br />

= A cos t ϕ<br />

(3.3.8)<br />

0 0 0<br />

Prípad b). Dosaďme do 2,5 za g(t) = k, potom<br />

0<br />

cos 1<br />

( + k) ω<br />

0<br />

+<br />

0<br />

f ( t)<br />

= A<br />

t ϕ<br />

(3.3.9)<br />

V treťom prípade c) sa fázový uhol φ(t) mení v rytme zmien g(t) a teda okamžitá frekvencia<br />

sa mení simultánne so signálom g(t). Na obr. 3.d je uvedený príklad frekvenčne<br />

modulovanej vlny. V časti a) je zobrazená vstupná informácia – priebeh modulačného<br />

signálu g (t). V časti b) je zobrazená frekvenčne modulovaná vlna f(t) a v časti c) je priebeh<br />

okamžitej frekvencie ω ok signálu f(t).<br />

Obr. 3.d Vplyv g(t) na nosnú vlnu a okamžitá frekvencia ω ok FM vlny<br />

Prípad c) <strong>pre</strong>dstavuje modulovanú vlnu s ustálenou frekvenčnou odchýlkou ∆ω, o ktorú<br />

sa odlišuje od nosnej vlny s uhlovou frekvenciou ω 0 .<br />

Modulačný signál môže byť harmonický signál alebo akýkoľvek neharmonický signál, vo<br />

všeobecnosti i neperiodický signál.<br />

Z <strong>pre</strong>dchádzajúcich úvah a vzťahov vidíme, že charakteristickými veličinami frekvenčne<br />

modulovanej vlny sú:<br />

ω 0<br />

ω ok<br />

- kruhová frekvencia nemodulovanej vlny (nosná)<br />

- okamžitá kruhová frekvencia – modulovaná vlna<br />

∆ω ok - okamžitá frekvenčná odchýlka (frekvenčný zdvih alebo deviácia)<br />

13


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Okamžitá frekvencia ω ok , ako aj frekvenčná odchýlka ∆ω ok , lineárne závisí od<br />

modulačného signálu g(t). Zaoberajme sa teraz frekvenčne modulovaným signálom, ktorý<br />

je realizovaný v modulačnej sústave za <strong>pre</strong>dpokladu, že modulačný signál g(t) je<br />

harmonický signál. Pretože amplitúda modulačného signálu sa v modulátore mení na<br />

frekvenčnú odchýlku, budeme brať do úvahy modulačný signál v tvare<br />

g<br />

Δω t ) = cos ωmt<br />

(3.3.10)<br />

ω<br />

1 (<br />

0<br />

kde g 1 (t) je okamžitá hodnota modulačného signálu a ∆ω/ω 0 je veličina úmerná<br />

amplitúde modulačného signálu.<br />

∆ω - je najvyššia frekvenčná odchýlka, ktorá vznikne pri maxime amplitúdy<br />

modulačného signálu<br />

ω 0 - je kruhová frekvencia nemodulovanej vlny<br />

ω m - je kruhová frekvencia nízkofrekvenčného signálu<br />

V zmysle <strong>pre</strong>dchádzajúceho podľa (3.3.6) <strong>pre</strong> časovo <strong>pre</strong>menlivý uhol φ 1 (t) platí:<br />

t<br />

Δ<br />

∫ ⎟ ⎞<br />

⎜ ⎛ Δω<br />

ω<br />

ϕ<br />

1( t)<br />

= ω0t<br />

+ ω0<br />

cosωmt<br />

dt + ϕ0<br />

= ω0t<br />

+ sinωmt<br />

+ ϕ0<br />

(3.3.11)<br />

0 ⎝ ω0<br />

⎠<br />

ωm<br />

Po dosadení do (3.3.1) dostávame <strong>pre</strong> frekvenčne modulovanú vlnu harmonickým<br />

signálom vzťah:<br />

⎛ Δω<br />

⎞<br />

f = ⎜ + +<br />

⎟<br />

1( t)<br />

A0<br />

cos ω0t<br />

sinωmt<br />

ϕ0<br />

⎝ ωm<br />

⎠<br />

(3.3.12)<br />

Pomer<br />

Δω<br />

voláme index frekvenčnej modulácie a označujeme ho m fr , teda<br />

ω m<br />

Δω<br />

= (3.3.13)<br />

ω<br />

m fr<br />

m<br />

Po dosadení do (3.3.12) býva najčastejšie používaný vzťah <strong>pre</strong> frekvenčne modulovanú<br />

vlnu v tvare<br />

f<br />

( ω t + m ω + )<br />

1( t)<br />

= A0<br />

cos<br />

0 fr<br />

sin<br />

mt<br />

ϕ0<br />

(3.3.14)<br />

Okamžitú frekvenciu ω ok dostaneme deriváciou okamžitej fázy φ 1 (t) podľa času alebo<br />

dosadením (3.3.10) do (3.3.7)<br />

ω<br />

ok<br />

dϕ<br />

( t)<br />

d ⎡ Δω<br />

⎤<br />

= 1 = ⎢ω0t<br />

+ sinωmt<br />

+ ϕ0<br />

⎥ = ω0<br />

+ ω cosωmt<br />

dt dt ω<br />

Δ<br />

(3.3.15)<br />

⎣<br />

m<br />

⎦<br />

14


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

resp.<br />

ω<br />

ok<br />

⎛ Δω<br />

t ⎞<br />

= ω<br />

ω<br />

t<br />

0<br />

+ ω0<br />

⎜ cos<br />

m<br />

= ω0<br />

+ Δω<br />

cosωm ω<br />

⎟<br />

(3.3.16)<br />

⎝ 0 ⎠<br />

Na základe vyššie uvedeného vyslovme nasledovné dôležité závery:<br />

a) Veľkosť frekvenčnej odchýlky ∆ω ok priamoúmerne závisí od amplitúdy<br />

modulačného<br />

signálu, pričom maximálny frekvenčný zdvih zodpovedá maximu amplitúdy<br />

modulačného signálu<br />

b) Rýchlosť zmeny, s akou sa uskutočňuje frekvenčná odchýlka je závislá od<br />

frekvencie<br />

modulačného signálu ω m<br />

Veľkosť modulačnej frekvencie ovplyvňuje šírku <strong>pre</strong>nášaného pásma frekvenčne<br />

modulovaného signálu, resp. ovplyvňuje jeho frekvenčné spektrum.<br />

Obr. 3.e Modulačný signál g 1 (t) a frekvenčne modulovaný signál f 1 (t).<br />

3.4 CW modulácia:<br />

Morseove kódovanie je metóda <strong>pre</strong> <strong>pre</strong>nos informácie cez telegrafiu. Princíp<br />

spočíva vo vysielaní štandardizovaných sekvencií krátkych a dlhých impulzov na<br />

zobrazenie znakov, číslic, a špeciálnych znakov správy.<br />

Krátke a dlhé hlásky môžu byť <strong>pre</strong>zentované na vysielacej a prijímacej strane aj zvukom,<br />

aj značkami a sú obyčajne známe ako bodka a čiarka.<br />

Medzinárodná Morseova abeceda je zložená zo šiestich segmentov:<br />

15


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

1. krátka značka .<br />

2. dlhá značka –<br />

3. vnútorný rozdiel vlastností (medzi bodkou a čiarkou)<br />

4. krátky rozdiel (medzi znakmi)<br />

5. stredný rozdiel (medzi slovami)<br />

6. dlhý rozdiel (medzi vetami)<br />

Morseov kód môže byť <strong>pre</strong>nášaný rôznymi spôsobmi. Originálne je <strong>pre</strong>zentovaný spôsob<br />

<strong>pre</strong>nosu ako elektrické impulzy po telegrafnom vedení, ale taktiež ako audio-tón<br />

prostredníctvom rádiového signálu s krátkym alebo dlhým pulzom, alebo tónom.<br />

Morseov kód je pri <strong>pre</strong>nose v dvoch stavoch - ON a OFF – to je v podstate prvá forma<br />

digitálneho signálu.<br />

4. KONCEPCIA PRIJÍMAČA<br />

Navrhnutý komunikačný prijímač sa skladá zo štyroch hlavných častí:<br />

Tie tvoria:<br />

1. Vstupná jednotka - TV Tuner<br />

2 .Zmiešavač s kryštálovým oscilátorom<br />

3. Mf zosilňovač s demodulátorom<br />

4. Koncový výkonový zosilňovač<br />

Prijímač je zapojený ako superhet s dvojitým zmiešavaním. Jeho podrobná schéma je na<br />

obr.4.a<br />

Obr. 4.a Bloková schéma prijímača<br />

16


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

5. TEORETICKÝ ROZBOR A NÁVRH JEDNOTLIVÝCH MODULOV:<br />

V tejto časti sa budem zaoberať návrhom konkrétnych častí modulov<br />

z <strong>pre</strong>dchádzajúcej blokovej schémy<br />

5.1 Vstupná časť: TV tuner<br />

V mojom zapojení <strong>pre</strong>dstavuje kanálový volič vstupný obvod. Je to prvá časť<br />

prijímača, ktorej vlastnosti sú najdôležitejšie pri príjme slabých signálov. Vstupný obvod<br />

<strong>pre</strong>vádza napätie z antény k prvému zosilňovaciemu stupňu a to tak, aby bol <strong>pre</strong>nos<br />

optimálny so zreteľom na <strong>pre</strong>nesenú šírku pásma, aby nenastávalo skreslenie modulácie<br />

signálu a aby straty signálu vo vstupných obvodoch boli malé, vzhľadom k dosiahnutiu<br />

čo najlepšieho pomeru signálu k šumu (S/N).<br />

U tranzistorových prijímačov sa používa bežne feritová anténa a <strong>pre</strong> rozsah VKV sa<br />

používa prútová anténa alebo dipól. Aj <strong>pre</strong>to tieto antény považujeme za časť vstupných<br />

obvodov a ich <strong>pre</strong>vedenie má vplyv na výslednú citlivosť prijímača a <strong>pre</strong> daný pomer<br />

signál/šum.<br />

Pre svoje vhodné vlastnosti (vhodné rozdelenie pásiem, pomerne vysoký<br />

zisk atď...), som sa rozhodl <strong>pre</strong> kanálový volič typu 6 PN 387 273 Je to VHF/ UHF<br />

televízny kanálový volič.<br />

Signál prijímaného kmitočtu prichádza do anténneho konektora IEC s menovitou<br />

impedanciou 75Ω. Je to veľmi pozitívna vlastnosť prijímača (či už <strong>pre</strong>nosných, tunerov,<br />

skenerov).<br />

17


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Popis zapojenia VHF časti kanálového voliča:<br />

Pred aktívny ladený vstupný zosilňovač je zaradený filter, ktorého detailná schéma je na<br />

obrázku:<br />

Obr. 5.1 a Vstupný filter TV tunera <strong>pre</strong> VKV pásmo<br />

Pre zabezpečenie požadovaného potlačenia v oblasti mf signálov, rozhlasového pásma<br />

a UHF signálov, vznikol komplikovaný vstupný filter, zložený z troch funkčných filtrov,<br />

ku ktorým som znázornil frekvenčné priebehy.<br />

Filetr I - zabezpečuje potlačenie UHF signálu nad 460 MHz. Tento filter tvorí<br />

vzduchová cievka.<br />

Filter II - v <strong>pre</strong>vedení T článku vo vetvách s dvoma paralelnými a jedným sériovým<br />

rezonančným obvodom zabezpečuje dokonalé potlačenie mf signálov.<br />

Filter III - v <strong>pre</strong>vedení článku gama realizuje potlačenie frekvenčnej oblasti pod mf<br />

signály, teda potláča rušenie spôsobené rozhlasovými vysielačmi<br />

Kaskádovým usporiadaním všetkých troch filtrov vznikne výsledný <strong>pre</strong>nos len v oblasti<br />

VHF s potlačením frekvencií mimo toto <strong>pre</strong>nášané pásmo. Obdobným spôsobom je<br />

realizovaná frekvenčná výhybka <strong>pre</strong> UHF pásmo, ktorá zaisťuje voľný priechod UHF<br />

signálu a útlm VHF.<br />

Takto selektovaný signál ďalej pokračuje na zosilňovací MOSFE tranzistor BF 998R.<br />

Nakoľko pri zmene frekvencie dochádza tiež k zmene vstupnej impedancie tranzistora BF<br />

998R, došlo by k zmene tlmenia obvodu pri súčasnom rozlaďovaní. Túto zmenu upravuje<br />

na konštantnú ladiaca dióda BB620. Použitím tranzistora BF 998R sa získa veľké<br />

18


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

zosilnenie pri malom šume, veľký vstupný odpor a tým malé tlmenie vstupných<br />

obvodová veľká stabilita daná stálosťou parametrov v širokom frekvenčnom rozsahu.<br />

Zmenou napätia na druhom hradle BF 998R je riadený zisk a <strong>pre</strong>to je pripojené cez R2 na<br />

Uavc, ktoré <strong>pre</strong> slabé signály je + 8,5V(maximálny zisk) a <strong>pre</strong> silné signály +<br />

1V(minimálny zisk)<br />

Na symetrickom výstupe tunera je štandardný TV mf signál s kmitočtom nosnej<br />

obrazu 38 MHz. Šírka mf pásma je 8MHz, mf signál má teda kmitočtový rozsah asi 39 až<br />

31 MHz. Oscilátor v tomto tuneri kmitá na všetkých pásmach o frekvenciu<br />

medzifrekvencie nad prijímaným kmitočtom. Ja potrebujem čo najselektívnejšie<br />

odfiltrovať frekvenciu 37,3 MHz, ktorá mi vyhovuje pri ďalšom spracovaní v obvodoch.<br />

Aplikácie: Rada kanálových voličov je navrhnutá <strong>pre</strong> pokrytie rozšírených<br />

pásiem VHF/ UHF, vrátane káblových a hyperbandu. Medzifrekvenčný výstup je<br />

navrhnutý <strong>pre</strong> priame pripojenie rôznych PAV filtrov.<br />

Tento kanálový volič vyhovuje požiadavkám <strong>pre</strong> vyžarovanie, spracovateľnosť signálu<br />

a odolnosťou voči interferenčnému vyžarovaniu európskym normám EN 55013, EN<br />

55020 a Amsblatt DBP 15/1992 za <strong>pre</strong>dpokladu profesionálneho použitia<br />

v zodpovedajúcom TV prijímači.<br />

Kanálový volič rady 6 PN 387 273 je kombinovaný VHF/UHF volič s elektronickým<br />

ladením a <strong>pre</strong>pínaním pásiem. Je postavený na nízkostratovej doske plošných spojov,<br />

ktorá je osadená v kovovom ráme zo Zn. Je použitá technológia povrchovej montáže<br />

súčiastok SMT, ktorá umožnila zmenšiť mechanické rozmery, zlepšiť elektrické<br />

parametre a vysoko zvýšiť spoľahlivosť.<br />

IEC (75Ω) anténny konektor je osadený na bočnej strane rámu. Všetky ostatné<br />

<strong>pre</strong>pojenia sú realizované kompaktným konektorom na spodnej strane rámu.<br />

Elektrické zapojenie obsahuje tri vstupné ladené zosilňovače osadené MOSFET<br />

tranzistormi. Tým je aj určené rozdelenie pásma prijímaných signálov na VHF1 , VHF 2<br />

a UHF. Tieto kanálové voliče <strong>pre</strong>to umožňujú príjem vo všetkých súčasných svetových<br />

TV frekvenčných pásmach, vrátane tzv. hyperpásma.<br />

Oscilátory, zmiešavače, a zosilňovače medzifrekvenčného signálu sú v jednom IO.<br />

Výstupný obvod je navrhnutý <strong>pre</strong> priame pripojenie PAV filtra. Mf výstup tunera<br />

neobsahuje ladený obvod a má malú impedanciu (typicky 100 až 300 Ω) a je<br />

prispôsobený <strong>pre</strong> pripojenie filtra PAV obrazovej mf. Využitie televízneho filtra PAV<br />

nemá v komunikačnom prijímači význam, naopak je nutné žiadanú frekvenciu 37,3 MHz<br />

19


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

prvej medzifrekvencie čo najselektívnejšie odfiltrovať. Filter je tvorený dvojitou<br />

kapacitne viazanou pásmovou priepusťou s rezonančnými obvodmi O01 a O02 a má<br />

šírku pásma asi 1 MHz.<br />

5.1.1 Hlavné parametre TV kanálového voliča 6 PN 387 273:<br />

Popis vývodov:<br />

1 - napätie AVC<br />

2 - napájacie napätie + 12V<br />

3 - spínacie napätie VHF 1 + 12V<br />

4 - spínacie napätie VHF 2 + 12V<br />

6 - spínacie napätie UHF + 12V<br />

7 - napájacie napätie ladiacej časti 0,5 – 28 V<br />

12 - mf výstup<br />

13 - mf výstup<br />

Elektrické parametre:<br />

VHF 1<br />

Vf zosilňovač BF 998 R<br />

Ladiace diódy 4 x BB 620<br />

3 x BB 515<br />

VHF 2<br />

Vf zosilňovač BF 998 R<br />

Ladiace diódy 4 x BB 998 R<br />

BB 515<br />

UHF<br />

Vf zosilňovač BF 998<br />

Ladiace diódy 4 x BB 515<br />

Oscilátor , zmiešavač IO<br />

TDA 533 OT<br />

Ladiaci tranzistor BC 847 BB<br />

Napájacie napätia: + 12 V ± 10 %<br />

+ 30 V ± 10 % (0,5 – 28 V)<br />

20


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Celkový odber prúdu:<br />

Z napájania + 12 V<br />

Pri MAX zisku :<br />

pri MIN zisku:<br />

VHF 1 - 75 mA<br />

VHF 1 - 60 mA<br />

VHF 2 - 80 mA<br />

VHF 2 - 65 mA<br />

UHF - 80 mA UHF - 65 mA<br />

Z napájania + 30 V<br />

max 1,5 mA<br />

Signálové charakteristiky:<br />

Vstupná impedancia 75 Ω nesym.<br />

Koeficient odrazu:<br />

VHF max 60 %<br />

UHF max 50 %<br />

Výstupná impedancia: 100 Ω symetr.<br />

Napäťové zosilnenie:<br />

VHF<br />

min. 30 dB<br />

UHF<br />

min. 30 dB<br />

Šumové číslo:<br />

VHF max. 7kT 0<br />

UHF max 10kT 0<br />

Maximálna použiteľná úroveň vstupného signálu pri minimálnom zisku - max 200 mW<br />

Potlačenie nežiadúcich signálov :<br />

Selektivita <strong>pre</strong> vstupný zrkadlový signál:<br />

VHF 1<br />

min 50 dB<br />

VHF 2<br />

min 50 dB<br />

UHF<br />

min <strong>45</strong> dB<br />

Selektivita <strong>pre</strong> vstupný medzifrekvenčný signál:<br />

VHF 1<br />

min 50 dB<br />

VHF 2<br />

min 55 dB<br />

UHF<br />

min 60 dB<br />

21


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Krížová modulácia:<br />

Vstupný signál, ktorý vytvára 1 % krížovej modulácie , t.j. 1 % modulácie rušivého<br />

signálu je <strong>pre</strong>nesené do užitočného signálu.<br />

Charakteristiky oscilátora:<br />

Oscilátor pracuje nad prijímanou frekvenciou.<br />

Zdvih frekvencie oscilátora pri zmene napájacieho napätia o 2 %<br />

VHF<br />

max. 200 kHz<br />

UHF<br />

max 300 kHz<br />

Zmena frekvencie oscilátora pri zmene teploty okolia z 25 na 40 °C:<br />

VHF 1<br />

max ± 400 kHz<br />

VHF 2<br />

max ± 500 kHz<br />

UHF<br />

max ± 800 kHz<br />

5.2 Zmiešavače<br />

Rôzne elektronické zariadenia (napr. rádiové alebo televízne prijímače, vysielače,<br />

modemy, frekvenčné ústredne a iné) potrebujú meniť určitú frekvenciu f1 na inú<br />

frekvenciu f2. Táto zmena sa uskutočňuje v obvodoch nazývaných zmiešavače, alebo<br />

meniče frekvencie. K zmene frekvencie z hodnoty f1 na f2 je potrebná pomocná<br />

frekvencia heterodynného oscilátora. Vo všeobecnosti môžeme povedať, že zmiešavač je<br />

vlastne nelineárny šesťpól, ktorý má tri dvojice svoriek (obr.5.2.b) Prvá dvojica je určená<br />

<strong>pre</strong> napätie u1 s frekvenciou f1, na druhú dvojicu svoriek sa pripája napätie u 0<br />

s frekvenciou f0, a na tretej dvojici sa nachádza napätie u2 s frekvenciou f2 nazývanou aj<br />

medzifrekvencia f m f<br />

22


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr.5.2.b : Všeobecná schéma zmiešavača<br />

Oscilátor s frekvenciou f0, môže existovať ako samostatný stupeň, alebo k<br />

osciláciám vrátane zmeny frekvencie dochádza v spoločnom (jedinom) stupni. V prvom<br />

prípade hovoríme, že zmiešavač sa skladá z oscilátora a nelineárneho obvodu v ktorom<br />

dochádza ku konverzii frekvencie a v druhom prípade hovoríme o kmitajúcom, alebo o<br />

samokmitajúcom zmiešavací.<br />

Vo všeobecnosti vytvára každý menič frekvencie rôzne kombinácie obidvoch vstupných<br />

frekvencií f0 a f1. Tieto kombinácie môžeme vyjadriť rovnicou<br />

f2 =mf0 ± nf1 (5.2.1)<br />

kde m a n sú celé čísla. Filter na výstupe zmiešavača vyberie z tohto spektra požadovaný<br />

zmiešavací produkt f2. Najčastejšie sa využívajú produkty, kde m = n = 1, ktoré majú<br />

relatívne vysokú úroveň signálu. Pre tento prípad sa rovnica (10.1) zjednoduší na tvar<br />

f2 = f0 – f1 (5.2.2)<br />

f2 =f0 + f1 (5.2.3)<br />

Pri prijímačoch využívame zmenu frekvencie podľa rovnice (5.2.2), kde vysokú vstupnú<br />

frekvenciu meníme na nízku frekvenciu. Túto frekvenciu nazývame medzifrekvenciou.<br />

Pri vysielačoch je požiadavka opačná a to z dvoch relatívne nízkych frekvencií je účelné<br />

vytvoriť frekvenciu vyššiu, takže sa uplatňuje rovnica (5.2.3).<br />

V zásade môžeme použiť buď jeden tranzistor <strong>pre</strong> zmiešavanie a druhý ako oscilátor,<br />

alebo realizovať tzv. samokmitajúci zmiešavač, kde jeden tranzistor pracuje aj ako<br />

oscilátor aj ako zmiešavač. Pre zmiešavanie je dôležité, aby úroveň signálu, ktorú<br />

zmiešavač spracováva, bola i u rôzne silných staníc málo odlišná. Dosiahneme to<br />

riadením zisku prijímača ešte <strong>pre</strong>d zmiešavačom, to znamená vo vysokofrekvenčnom<br />

23


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

zosilňovači, pokiaľ ho prijímač obsahuje, alebo tlmením vstupného obvodu pri príjme<br />

silných staníc.<br />

Pri oddelenom zmiešavači a oscilátore sa taktiež ale môže riadiť priamo zmiešavač. Toto<br />

zapojenie sa však veľmi nerozšírilo hlavne <strong>pre</strong>to, že oscilátor a zmiešavač sú vždy<br />

priamo viazané a tím dochádza k rozlaďovaniu oscilátora vplyvom zmien kapacity<br />

riadeného zmiešavača. Je totiž známe, že so zmenou pracovného bodu tranzistora sa<br />

mimo iné menia aj kapacity jednotlivých elektród. Bloková schéma tohto usporiadania je<br />

na obr.d.<br />

Z blokových schém jednotlivých alternatív zapojení vstupného obvodu,<br />

vysokofrekvenčného zosilňovača, zmiešavača a oscilátora, ktoré sú znázornené na obr. a<br />

až e, možno použiť najjednoduchšiu alternatívu podľa obr. a <strong>pre</strong> najmenej náročné a málo<br />

citlivé prijímače.<br />

Pre prijímače s väčšou citlivosťou sa oveľa viac používa alternatíva podľa obr. b, tj.<br />

riadený vstupný obvod a kmitajúci zmiešavač. Pre luxusné a veľmi citlivé prijímače sa<br />

používa alternatíva c, tj. neriadený vstupný obvod a kmitajúci zmiešavač.<br />

Najnáročnejšia je alternatíva e, ktorá sa od <strong>pre</strong>dchádzajúcich líši oddelenou funkiou<br />

oscilátora a zmiešavača, vyžaduje až tri tranzistory, ale zaisťuje najlepší výsledok.<br />

Obr.5.2.c Rôzne varianty prijímačov<br />

Ak má mať rádiový prijímač superheterodynného typu čo najväčšiu blízku<br />

selektivitu, musí mať nízku mf frekvenciu. Naopak k zaisteniu čo najväčšej vzdialenej<br />

(zrkadlovej) selektivity je žiadúca čo najvyššia mf frekvencia. Tieto dve protichodné<br />

požiadavky však nemôže súčasne splniť prijímač s jedinou <strong>pre</strong>menou kmitočtu. Podstatne<br />

ľahšie je ich dosiahnutie u prijímača s dvojitým (alebo trojitým ) zmiešavaním, ktorý má<br />

dostatočný odstup medzi jednotlivými mf frekvenciami.<br />

24


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Prvá mf je spravidla čo najvyššia, čím sa zaisťuje veľká vzdialená selektivita. V prijímači<br />

som použil TV tuner, ktorého výstup dáva mf signál 37,3 MHz.<br />

Druhý mf signál prijímača s dvojitým zmiešavaním musí byť naopak nízky, lebo<br />

v druhom mf zosilňovači je nutné dosiahnuť veľkú blízku selektivitu, tj.čo najvyššiu<br />

strmosť bokov krivky selektivity. Pri použití klasických mf filtrov LC sa <strong>pre</strong> danú triedu<br />

prijímačov FM ukazuje ako vyhovujúca druhá mf 6,5 MHz alebo 10,7 MHz.<br />

U moderných bezindukčných filtrov však táto frekvencia môže byť aj vyššia. Pri voľbe<br />

druhého mf signálu u prijímačov s viacnásobnou <strong>pre</strong>menou kmitočtu je však nutné<br />

sledovať nielen blízku selektivitu, ale aj možnosť príjmu nežiadúcich zrkadlových<br />

signálov. Aby sa táto možnosť vylúčila, musí byť druhý mf signál vyšší ako polovica<br />

šírky pásma B mf1 prvého mf signálu.<br />

V komunikačnom prijímači je mf signál z tunera relatívne vysokej<br />

frekvencie (37,3 MHz), <strong>pre</strong>to by bolo obtiažne ho priamo filtrovať, zosilňovať<br />

a demodulovať na nf signál. Preto je navrhnuté ešte jedno zmiešavanie mf signálu. Mf<br />

signál je 2. zmiešavačom <strong>pre</strong>menený na signál 2. medzifrekvencie s hodnotou 10,7 MHz.<br />

Ku zmiešavaniu som použil nízkonapäťový monolitický integrovaný obvod SA 612,<br />

ktorý je na to určený a využíva frekvenciu z externého kryštálového oscilátora.<br />

Kryštálové oscilátory s touto frekvenciou (48MHz) nie sú veľmi dostupné, je ich možné<br />

objednať v jednom z mála obchodov. Ja som tiež hľadal dlhšiu dobu, no aj sa mi<br />

podarilo. Z mf tuneru je využitá frekvencia 37,3 MHz, ktorý po odčítaní od frekvencie<br />

kryštálu dá požadovaný signál 10,7 MHz druhej medzifrekvencie.<br />

f mf 2 = f osc – f mf 1 = 48MHz – 37,3 MHz = 10,7 MHz<br />

Výrobca udáva niekoľko možností zapojenia obvodu SA 612 s oscilátorom. Tieto<br />

možnosti sú aj na obr. 5.2.a až 5.2.c<br />

25


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

5.2.d.,Collpytsov oscilátor s kryštálom 5.2.e.,Collpytsov LC oscilátor 5.2.f.,Hartleyov LC oscilátor<br />

5.2.1 Výpočet rezonančného obvodu <strong>pre</strong> kryštál obvodu SA 612:<br />

Zapojenie s kryštálovým oscilátorom je veľmi stabilné a má veľa pozitívnych<br />

vlastností. Z možných zapojení som si vybral práve toto.<br />

Oscilátor je zapojený s kryštálom o frekvencii 48,0 MHz. Kryštál je brúsený z výroby na<br />

3.harmonickú základnú rezonanciu. Aby oscilátor správne kmital na správnej frekvencii<br />

3. harmonickej výbrusu, je v oscilátore okrem spätnoväzobného kapacitného deliča<br />

C9(C3) a C7(C2) ešte cievka L5(L1), ktorá tvorí s kondenzátorom C7 paralelný<br />

rezonančný obvod. Tento obvod je naladený medzi základnú rezonanciu kryštálu a 3.<br />

harmonickú a zamedzuje tak rozkmitaniu oscilátora na základnej rezonancii, na ktorej<br />

býva stratový odpor kryštálu menší.<br />

Výpočet jednotlivých prvkov.<br />

Keďže požadujem aby mi rezonančný obvod kmital na frekvencii medzi základnou<br />

rezonanciou kryštálu a 3 harmonickou (48 MHz), môžem vychádzať z toho že:<br />

f = 48/3 = 16 MHz<br />

čiže potrebujem tento obvod navrhnúť <strong>pre</strong> frekvenciu o niečo vyššiu ako 16 MHz.<br />

Uvažujem teda 16,25 MHz.<br />

f = 16,25 MHz<br />

nech C7 = 33 pF<br />

potrebujem zistiť indukčnosť cievky L5 aby bol tento obvod v rezonancii.<br />

Podľa Thomsonovho vzťahu platí:<br />

f<br />

1 ∗<br />

2<br />

=<br />

π<br />

26<br />

1<br />

LC


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

1<br />

Po úprave dostávame: L =<br />

ω 2<br />

⋅<br />

C<br />

1 −6<br />

Po dosadní: L =<br />

= 2,93 ⋅10<br />

6 2<br />

−12<br />

(2 ⋅ 3,14 ⋅16,25<br />

⋅10<br />

) ⋅ 33 ⋅10<br />

H<br />

Obvod SA 612 obsahuje balančný zmiešavač a oscilátor. Je určený <strong>pre</strong> nízkonapäťové<br />

komunikačné systémy s frekvenciou signálu do 500MHz. S lokálnym oscilátorom <strong>pre</strong><br />

frekvencie väčšie ako 200MHz. Pri frekvencii <strong>45</strong> Mhz je typický šum <strong>pre</strong> tento<br />

monolitycký obvod pod 6 dB. Preto je vhodný aj <strong>pre</strong> bezdrôtové telefóny.<br />

Signál prvej medzifrekvencie z tunera je na obvod O01 naviazaný symetricky väzobnou<br />

cievkou L1, zmiešavač s obvodom SA 612 je naviazaný na obvod O02 taktiež symetricky<br />

väzobným vinutím L 4.(viď konečná schéma)<br />

:<br />

Obr. 5.2.1.aVnútorná bloková schéma obvodu SA 612 a usporiadanie jeho pinov<br />

Oscilátor v obvode SA 612 je tvorený tranzistorom v zapojení so spoločným kolektorom.<br />

Emitor tohto tranzistoru je na vývode 7 IO1 a báza na vývode 6 IO1<br />

IO1 je napájaný napätím 8V, ktoré je stabilizované Zenerovou diódou D1.<br />

27


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

5.2.2Výpočet väzobného obvodu na výstupe IO SA 612<br />

Signál druhej medzifrekvencie (10,7 MHz) je po zmiešaní vedený na vývody 4<br />

a 5 IO 1 a je cez mf obvod O03 privádzaný na keramický filter a je filtrovaný so šírkou<br />

pásma asi 150 kHz. To je vhodná šírka pásma <strong>pre</strong> nasledujúci obvod – demodulátor.<br />

Z katalógového listu tohto IO SA 612 je uvedené aj nasledovné zapojenie rezonančného<br />

obvodu, ktorý je naladený na medzifrekvenciu 10,7 MHz.:<br />

Obr. 5.2.1.b Naviazanie zmiešavača na filter<br />

Paralelne s hlavným vinutím je kondenzátor, ktorý s touto indukčnosťou rezonuje na 10,7<br />

MHz.<br />

Nech: C 10 je 68 pF, potom podľa Thomsonovho vzťahu platí<br />

1<br />

1<br />

L6<br />

= =<br />

= 3,25 ⋅10<br />

ω<br />

2 6 2<br />

−12<br />

⋅ C (2 ⋅ 3,14 ⋅10,7<br />

⋅10<br />

) ⋅ 68 ⋅10<br />

Vedľajšie vinutie je len väzobné a transformuje rezonančný obvod na nízku impedanciu.<br />

Tu je potrebné prídavný kondenzátor odstrániť. Táto cievka sa navíja medzi závity prvej<br />

cievky.<br />

Vo všeobecnosti je za zmiešavačom zaradený mf. zosilňovač. Ak sa mení<br />

frekvencia prijímaného signálu, mení sa aj v superheterodyne frekvencia miestneho<br />

oscilátora, a to práve tak, aby medzifrekvencia bola stále konštantná. Vďaka tomu môže<br />

byť mf zosilňovač naladený trvale na túto pevnú frekvenciu, čo uľahčuje jeho<br />

konštrukciu. Takýto zosilňovač môže mať veľké zosilnenie, zaisťujúce prijímaču veľkú<br />

citlivosť, naviac možno u neho dosiahnuť veľkú selektivitu a samozrejme aj konštantnú<br />

šírku pásma. Celkový vf zisk, ktorému odpovedá vf citlivosť prijímača, závisí teda hlavne<br />

na počte mf stupňov, pričom stupňom rozumieme mf ladený obvod a aktívna zosilňujúca<br />

súčiastka.<br />

−6<br />

H<br />

28


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Čo by však mnohí amatéri nemali zanedbávať, je záležitosť týkajúca sa<br />

medzifrekvenčných filtrov. Výrobcovia v tuneroch osádzajú 230 kHz, resp. až 280 kHz<br />

široké filtre (to je už takpovediac - nešťastie). Preto každý lovec vzdialených signálov -<br />

na VKV tieto filtre vymení za užšie. Buď 150 kHz, alebo ešte užšie - 110, resp. 80 kHz.<br />

Veľmi úzke filtre - 56 kHz už nie sú veľmi doporučované, nakoľko je to na úkor kvality<br />

<strong>pre</strong>dnesu stanice, resp. strata stereo efektu, dynamiky a funkcie RDS. Mnohí sa teraz<br />

pýtajú - čo sú to tie filtre a <strong>pre</strong>čo je dobré ich pri návrhu nezanedbať.... Na kvalite a šírke<br />

tohto vstupného článku totiž závisí selektivita celého prijímača. Do každého rádia sa<br />

dostáva signál o určitej šírke pásma. Pásmo VKV je široké 200 kHz (pásmo stredných vĺn<br />

- 9 kHz). V celej šírke pásma (VKV) môžu ísť rôzne sprievodné informácie - či už RDS<br />

kód, PI kód, rádiotext,... alebo stereo. Zároveň sa však môže stať to, čo je veľmi<br />

nepríjemné, že po naladení určitej frekvencie - napríklad 104.0 MHz, počujeme túto<br />

stanicu na 103.9 MHz, resp. ešte aj na 103.8 MHz a samozrejme aj opačným smerom -<br />

teda na 104.1 MHz a 104.2 MHz. A v čom je to pri diaľkovom príjme nevhodné?<br />

Jednoducho <strong>pre</strong>to, lebo na 104.1 MHz, alebo na 104.2 MHz môže vysielať slabšia -<br />

vzdialenejšia stanica. No a tá silná - na 104.0 MHz ju spoľahlivo "zakryje" a my tú<br />

slabšiu nepočujeme. V tomto prípade vieme, že prijímač má osadené široké filtre (buď<br />

230 kHz alebo až 280 kHz). Takže nám stanica hrá - 230 kHz - smerom dolu od 104.0<br />

MHz a 230 kHz smerom hore - od 104.0 MHz (prakticky na troch - až piatich<br />

frekvenciách za sebou - 103.8, 103.9, 104.0, 104.1, 104.2 MHz). Ideálny stav je teda - dať<br />

do prijímača 110 alebo 80 kHz filtre. Pri týchto už vieme stanicu vyselektovať len na<br />

<strong>pre</strong>sne určenú frekvenciu a nestane sa, že <strong>pre</strong>sahuje do vedľajších. Selektivita prijímača je<br />

teda schopnosť odladiť od seba dva vysielače, ktoré sú vedľa seba. A v prípade širokých<br />

filtrov, sa tieto dve stanice (frekvencie) navzájom rušia a miešajú sa do seba. V prijímači<br />

sú ďalej podstatné aj citlivé vstupné obvody a ich odolnosť voči silným signálom. Pri<br />

silných miestnych signáloch sa môže stať, že ak je rádio málo odolné, tieto signály vôjdu<br />

dnu do prijímača a robia "šarapatu". Vstupná jednotka by mala mať hodnotu aspoň 1 µV<br />

(mikrovolt) a menej, aby vpustila do prijímača aj slabé signály. S ďalším nepríjemným<br />

javom s ktorým sa môžeme stretnúť - je zrkadlová frekvencia. Naladili ste nejakú stanicu<br />

na určitej frekvencii a pritom viete, že tam vôbec nevysiela. A naviac - zachytili ste ju v<br />

starom nevyužívanom pásme VKV OIRT? (66 - 74 MHz = tzv. východné pásmo). V<br />

tomto prípade sa môže jednať o zrkadlovú frekvenciu. Tá je spôsobená nedokonalosťou<br />

prijímača. Stanica sa vo "východnom" pásme OIRT objaví o 21.4 MHz nižšie. A <strong>pre</strong>čo?<br />

Oscilátor rádia vytvára signál na frekvencii o 10.7 MHz nižšej ako je signál stanice.<br />

29


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Pokiaľ je v rádiu osadené dvojité zmiešavanie signálu, zrkadlovú frekvenciu dostaneme o<br />

uvedených 21.4 MHz nižšie (2 x 10.7 MHz = 21.4 MHz). Drahšie typy prijímačov majú<br />

trojité vstupné zmiešavanie signálu, takže so zrkadlovými frekvenciami by sme sa tu<br />

nemali stretnúť. Zrkadlové frekvencie sa totiž vytvárajú len v úseku od 87.5 MHz do cca<br />

96.0 MHz a tie sa <strong>pre</strong>nášajú (zrkadlia) v spomenutom "východnom pásme" 66 -74 MHz.<br />

Niektoré však majú aj vstup <strong>pre</strong> pásmo AM (napr. <strong>pre</strong> drôtové antény na krátke vlny).<br />

Pokiaľ má niektorý prijímač len teleskopickú anténu (prípadne ešte vstavanú feritovú na<br />

stredné vlny), musíme si vystačiť len s tým. Môžeme byť však ochudobnený o možnosť<br />

skutočného diaľkového príjmu - teda možnosť pripojiť externú anténu (Yagi, dipol,<br />

longwire,...). Komunikačné prijímače sú však odkázané len na externé antény, nakoľko<br />

tieto zariadenia sú určené iba do interiéru (sú napájané 220 V a nemôžeme ich teda zobrať<br />

so sebou do terénu).<br />

Frekvenčné spektrum signálu FM pri modulácii jediným harmonickým signálom<br />

sa skladá z nekonečného počtu postranných párov pásiem, umiestnených súmerne okolo<br />

nosnej vlny. Vzdialené pásma však sú <strong>pre</strong> <strong>pre</strong>nos informácie nepodstatné a nie je nutné<br />

ich <strong>pre</strong>nášať. Potrebná šírka pásma vf kanála je v praxi orientačne určovaná Carsonovým<br />

vzťahom.<br />

Podľa normy OIRT sa používa maximálny frekvenčný zdvih ∆f = 50kHz a maximálna<br />

modulačná frekvencia fm = 15 kHz, takže v zhode s Carsonovým vzťahom musí byť šírka<br />

pásma mf zosilňovača asi 130 kHz.<br />

B = 2.∆f + 2 f m = 2. 50 kHz + 2.15 kHz = 130 kHz<br />

a mf signál je najčastejšie 10,7MHz. Signál v poslednom mf stupni je obvykle už tak<br />

veľký, že nemôže byť lineárne zosilnený. Tento stupeň potom plní funkciu obmedzovača.<br />

Za ním nasleduje detektor FM s článkom deemfáze.<br />

Väčšina typov frekvenčných demodulátorov vyžaduje ku svojej realizácii minimálne<br />

jeden alebo dva rezonančné obvody LC, ktoré sú rozmerné, drahé a majú malú teplotnú<br />

a časovú stabilitu. Z týchto dôvodov nie sú vhodné <strong>pre</strong> moderné monolitické technológie.<br />

Jedným z demodulátorov FM podstatne výhodnejším je koincidenčný – kvadratúrny<br />

detektor.<br />

30


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

5.3 DETEKTORY A DEMODULÁTORY<br />

Obvody, ktorými sa získavajú z vysokofrekvenčných modulovaných signálov<br />

signály modulačné sa nazývajú demodulátory. Podľa toho, akým spôsobom je signál<br />

na nosnej vlne namodulovaný sa delia demodulátory v princípe na demodulátory<br />

amplitúdové a frekvenčné. Uveďme najskôr rozdiel medzi detektorom a<br />

demodulátorom. Obvod každého diódového detektora pozostáva z diódy D, ktorá má<br />

nelineárny priebeh ampér - voltovej charakteristiky, zo zaťažovacej impedancie<br />

tvorenej rezistorom R a kondenzátorom C a rezonančného obvodu, ktorý je zdrojom<br />

vysokofrekvenčnej energie. Diódový detektor je vysokofrekvenčný jednocestný<br />

usmerňovač so zberacím kondenzátorom C a zaťažovacím odporom R paralelne<br />

pripojeným ku kondenzátoru. Ak pripojíme za detektor časovú konštantu záťaže<br />

C v R z realizujeme demodulátor. Zapojenie diódového detektora je uvedené na<br />

obrázku 11.1.<br />

Obr.5.3.a:<br />

Detektor a demodulátor<br />

5.3.1 Popis demodulátora MAA 661<br />

Ako demodulátor som v komunikačnom prijímači použil IO MAA 661 v základnom<br />

katalógovom zapojení. Tento sa skladá z:<br />

1., trojstupňového vf. zosilňovača s celkovým ziskom 60 dB<br />

2., koincidenčného detektora<br />

3., výstupný nf zosilňovač<br />

31


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr. 5.3.1a Bloková schéma IO MAA 661<br />

1. Zosilňovací vf. stupeň<br />

mf signál o frekvencii 10,7 MHz sa privádza na vstup trojstupňového<br />

diferenčného zosilňovača s obmedzovačom. Úlohou zosilňovača je dostatočne zosilniť<br />

a obmedziť vstupný signál. Na výstupe dostávame obdĺžnikový priebeh, už <strong>pre</strong> signály<br />

s malou amplitúdou. Vstup vf zosilňovača je na vývode 6. K dispozícii sú dva výstupy –<br />

vývod 4 kde je k dispozícii signál s plnou úrovňou (napr. <strong>pre</strong> ďalší zosilňovací stupeň,<br />

alebo <strong>pre</strong> detekciu amplitúdy signálu) a vývod 8, kde je výstupný signál potlačený o 20<br />

dB a fázovo posunutý o 90°. Tento signál je privedený na vstup koincidenčného<br />

detektora.<br />

2. Koincidenčný detektor<br />

Koincidenčný detektor zaisťuje (koincidenciou sa tu rozumie dĺžka časovej zhody<br />

dvoch napäťových impulzov fázovo posunutých o 90°) že sa na jeho výstupe objavia<br />

kladné impulzy<br />

32


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

len vtedy, ak budú na oboch vstupoch súčasne napätia zhodnej polarity. Pri zmenách<br />

frekvencie sa mení taktiež fázový posuv oboch vstupných napätí, a tým aj doba trvania<br />

napätia zhodnej polarity. Výsledná šírka výstupného impulzu bude <strong>pre</strong>to závislá na<br />

okamžitej frekvencii vstupného signálu. Impulzy<br />

s <strong>pre</strong>mennou šírkou sa privádzajú na integračný<br />

člen RC, ktorého kondenzátor sa nabíja na strednú<br />

hodnotu impulzného napätia. Ak sa zmení<br />

frekvencia, zmení sa aj fázový posuv a následne<br />

pri zmene frekvencie na jednu stranu dochádza ku<br />

koincidencii v ďalších časových intervaloch<br />

a výsledné napäťové impulzy sú širšie. Tým je<br />

taktiež výstupné napätie väčšie ako polovica<br />

medzivrcholového napätia impulzu.<br />

Obr.5.3.1.b Koincidenčný detektor<br />

Pri opačnej zmene frekvencie je koincidencia kratšia , impulzy sa zúžia a výsledné<br />

napätie bude menšie.<br />

Tak sa bude amplitúda výstupného napätia zväčšovať či zmenšovať súhlasne s fázovým<br />

rozdielom oboch napätí a bude teda priamo úmerná frekvenčnému zdvihu.<br />

Fázový komparátor – pôsobí ako koincidenčný stupeň (hradlo NAND). Na jeho výstupe<br />

sa objavuje teda nenulový signál len vtedy, ak majú oba vstupné signály rovnakú polaritu.<br />

Doba počas ktorej tento stav nastáva, je závislá na okamžitej hodnote fázového posunu.<br />

Výstupný signál má <strong>pre</strong>to podobu impulzov o konštantnej amplitúde a šírke T priamo<br />

úmerné fázovému posunu a teda aj amplitúda modulačného signálu. Ak necháme tieto<br />

šírkové modulované impulzy <strong>pre</strong>chádzať dolnou priepusťou, získame na jej výstupe<br />

požadovaný demodulovaný signál.<br />

33


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Pre lepšie pochopenie hradla NAND slúži nasledujúci obrázok:<br />

Koincidenčný detektor, nazývaný aj ako<br />

Product detektor je detektor multiplikatívny.<br />

Svojou funkciou patrí medzi digitálne obvody.<br />

V číslicovej technike realizuje funkciu<br />

Exclusive – Nor, alebo koincidencia.<br />

Y = A.B + A.B<br />

Stavovú tabuľku tejto funkcie môžeme<br />

vyjadriť:<br />

A B A.B A.B Y<br />

0 0 0 1 1<br />

0 1 0 0 0<br />

1 0 0 0 0<br />

1 1 1 0 1<br />

Tab.5.3.1a Logická funkcia hradla NAND Obr. 5.3.1c Názorné vysvetlenie koincidencie<br />

Ak vyjadríme závislosť Y na φ dostaneme detekčnú závislosť na obr.<br />

Obr. 5.3.1d Detekčná závislosť<br />

34


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Keď priradíme funkcii Y výstupné napätie môžeme napísať:<br />

U výst = k 1 . φ<br />

Ak má byť obvod frekvenčným detektorom, musí aspoň v určitom frekvenčnom rozsahu<br />

realizovať funkciu:<br />

U výst = k 2 . f<br />

Porovnaním týchto dvoch podmienok dostávame, že koincidenčný detektor dáva lineárnu<br />

závislosť výstupného napätia na frekvencii len za <strong>pre</strong>dpokladu, že φ/f = konšt.<br />

Potrebujeme teda nájsť obvod, ktorý mení lineárne fázový posuv s frekvenciou.<br />

Pre tento účel sa používa najčastejšie fázovací článok:<br />

Obr. 5.3.1e Fázovací článok<br />

Priamková časť priebehu fázy bude tým dlhšia, čím menší bude činiteľ akosti<br />

použitého obvodu. Tým však klesne súčasne dosiahnuteľná veľkosť výstupného napätia<br />

a musíme voliť kompromis medzi skreslením a výstupnou amplitúdou.<br />

Zjednodušená schéma koincidenčného detektora je na obr.5.3.1f Demodulácia<br />

FM signálu využíva vlastnosti fázovacieho článku. Tento obvod musí mať na frekvencii<br />

f 0 (mf) fázový posun o 90°.<br />

Detektor využíva diferenčné stupne <strong>pre</strong> vlastnú demoduláciu. Tranzistor Q3 je budený<br />

obmedzeným výstupným napätím vf zosilňovača, tranzistor Q1 potom cez vonkajší<br />

fázovací obvod posunutým napätím o 90°. Tranzistor Q7 stabilizuje celkový prúd<br />

diferenčnému stupňu. Ak bude signál bez modulácie bude na výstupe polovičné napájacie<br />

napätie, <strong>pre</strong>tože diferenčné stupne budú otvorené <strong>pre</strong>sne polovicu periódy vstupnej<br />

frekvencie.(stupeň vedie len vtedy, pokiaľ sú dva nad sebou ležiace tranzistory otvorené).<br />

Pokiaľ sa frekvenčne modulovaný signál odchýli od frekvencie f 0 (na jednu alebo druhu<br />

stranu ) nebude už posun fázovacieho článku <strong>pre</strong>sne 90°, ale mierne sa zmenší. To<br />

znamená, že diferenčné stupne nebudú otvorené polovicu periódy, ale po kratšiu či dlhšiu<br />

dobu. Na výstupe detektora je potom sled šírkovo modulovaných pulzov, sledujúcich<br />

frekvenčný zdvih signálu. Tie sa potom integrujú cez spomínaný RC článok.<br />

35


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr. 5.3.1f Zjednodušená schéma koincidenčného detektora<br />

Ak má koincidenčný detektor pracovať s minimálnym skreslením musí fázovací<br />

obvod spĺňať požiadavky lineárneho <strong>pre</strong>vodu napätia, v danom frekvenčnom pásme.<br />

Tejto požiadavke vyhovuje už spomínaný jednoduchý obvod LC. Čím je akosť obvodu<br />

väčšia tým je frekvenčné pásmo užšie a demodulačná krivka (tzv. krivka S) strmšia.<br />

Taktiež amplitúda výstupného signálu sa zväčší a zväčší sa aj potlačenie parazitnej<br />

amplitúdovej modulácie.<br />

Praktické zapojenie posúvača fázy ukazuje obrázok. Kondenzátor Cx, ktorý je zapojený<br />

medzi vývodmi 8 a 12 integrovaného obvodu MAA 661, ovplyvňuje svojou kapacitou<br />

skreslenie nf signálu. Pri zväčšujúcej sa kapacite (asi až do 20 pF) sa skreslenie zmenšuje<br />

a výstupný nf signál sa zväčšuje. Pre potlačenie AM je výhodnejšia väčšia kapacita tohto<br />

kondenzátora. Praxou je však overené, že v rozmedzí 5 až 15 pF zostáva potlačenie AM<br />

už takmer rovnaké. Ak sa zväčšuje kapacita Cx (pri súčasnom zmenšovaní indukčnosti<br />

cievky Lx) zväčšuje sa mierne skreslenie , ale i úroveň nf signálu. Pre dosiahnutie<br />

požadovanej šírky pásma detektoru je potrebné, aby tento obvod LxCx mal určitú akosť<br />

Q. Čím je Q väčšia, tým je <strong>pre</strong>pustené pásmo užšie.<br />

obr. 5.3.1g Praktické zapojenie posúvača fázy<br />

36


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

5.4 Výpočet fázovacieho článku:<br />

Ku výpočtu a zapojeniu som použil katalógové zapojenie obvodu MAA 661<br />

Výrobca uvádza zapojenie integrovaného obvodu MAA 661 <strong>pre</strong> medzifrekvenciu 6,5<br />

MHz a zdvih 50 kHz. Pre frekvenciu 10,7 MHz som musel navrhnúť vhodný fázovací<br />

člen. Hodnoty ostatných vonkajších prvkov možno ponechať.<br />

Vychádzal som z toho, že <strong>pre</strong> únosné harmonické skreslenie k = 2,5%, je potrebné aby<br />

ladený obvod fázovacieho členu mal (<strong>pre</strong> ∆f = 50 kHz), šírku pásma B ≥ 250 kHz.<br />

Prevádzkový činiteľ akosti ladeného obvodu fázovacieho členu potom zrejme bude:<br />

f<br />

Q = B<br />

0<br />

10,7.10<br />

=<br />

250.10<br />

6<br />

3<br />

= 42<br />

Výstupný odpor medzifrekvenčného zosilňovača udáva výrobca R výst 8 = 60Ω a vstupný<br />

odpor koincidenčného demodulátora možno zanedbať. Ak navrhnem kapacitu C1 tak, aby<br />

bol ladený obvod výkonovo prispôsobený k medzifrekvenčnému zosilňovaču, je potrebné<br />

aby činiteľ akosti nezaťaženého kmitavého okruhu bol<br />

Q 0 = 2Q = 2 .42 = 84<br />

Čo je hodnota reálne dosiahnuteľná. Ladiaca kapacita nech je pritom C = 270 pF.<br />

Ekvivalentná stratová vodivosť kmitavého okruhu potom bude<br />

6<br />

−12<br />

. .270.10<br />

−4<br />

0<br />

C 2.3,14.10,7.10<br />

Q = ω =<br />

Q<br />

84<br />

0<br />

= 2,159.10<br />

Hodnotu kondenzátora C19 v obvode odporúča výrobca použiť od 15 pF do 20 pF. Ja<br />

som zvolil optimálny stred 18 pF.<br />

S<br />

Pre ďalšie výpočty uvažujme fázovací člen a jeho náhradný obvod:<br />

37


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr.5.4.a Náhradná schéma fázovacieho obvodu<br />

Fázová charakteristika náhradného obvodu je daná vzťahom:<br />

X<br />

= arctg<br />

R<br />

2 0<br />

ϕ (5.4.1)<br />

R<br />

R<br />

výst<br />

0<br />

výst<br />

−<br />

−<br />

X<br />

X<br />

X<br />

R<br />

1<br />

2<br />

1<br />

+ 1<br />

Ak má byť pri strednej frekvencii fázový posuv medzi vstupným a výstupným napätím<br />

90°, bude splnené:<br />

R výst X<br />

1<br />

+ + 1 = 0<br />

(5.4.2)<br />

R X<br />

0<br />

2<br />

<strong>pre</strong>tože R výst / R 0 >>1, možno približne napísať<br />

X 1 = - X 2 (5.4.3)<br />

Pre X 1 a X 2 platí:<br />

X<br />

1<br />

1<br />

= −<br />

a<br />

ω C<br />

0<br />

1<br />

X<br />

2<br />

=<br />

X<br />

X<br />

L<br />

L<br />

X<br />

C<br />

+ X<br />

C<br />

ω0L<br />

= −<br />

2<br />

ω LC −1<br />

0<br />

(5.4.4)<br />

Po dosadení do (5.4.3) dostaneme:<br />

1<br />

L = (5.4.5)<br />

ω<br />

2<br />

.( C + 1)<br />

0<br />

C<br />

po dosadení :<br />

1 −6<br />

L =<br />

= 0,768. 10<br />

6 2<br />

− 12<br />

−12<br />

(2.3,14.10,7.10 ) .(270.10 + 18.10 )<br />

H<br />

38


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

5.5 Nastavenie koincidenčného detektora:<br />

MB1 - IN (vstup) mf signálu 10,7 MHz<br />

MB2 - jednosm. napájacie napätie namerané na<br />

vývode 13<br />

MB3 - napájacie napätie bloku<br />

MB4 - OUT (výstup) nf signálu<br />

MB5 - ½ napätie z napätia nameraného v MB2<br />

Obr.5.4.b Nastavenie koincidenčného detektora<br />

Poznámky:<br />

- kondenzátor C je oddeľovací<br />

- rezistor Rv upravuje zaťažovaciu impedanciu ďalšieho stupňa<br />

- rezistor Ro upravuje (znižuje) napájacie napätie IO<br />

Postup nastavenia:<br />

1., do MB1 treba priviesť z vf generátora napätie o frekvencii 10,7 MHz FM s dostatočne<br />

veľkou amplitúdou (asi 0,1 až 0,3 V )<br />

2., v MB2 zmerať jednosmerné napájacie napätie IO MAA 661, meriame za rezistorom<br />

Ro<br />

3., otáčaním jadra cievky Lx nastaviť v MB5 <strong>pre</strong>sne polovicu jednosmerného napätia, aké<br />

sme namerali v MB2<br />

39


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

6. KONEČNÁ SCHÉMA KOMUNIKAČNÉHO PRIJÍMAČA<br />

Obr.6.a Schéma komunikačného prijímača<br />

Obr.6.b Doska plošného spoja zo strany spojov<br />

40


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr.6.c Doska plošného spoja zo strany súčiastok<br />

7. KONŠTRUKCIA A PREVEDENIE CIEVOK V PRIJÍMAČI<br />

Pásmová priepusť prvej medzifrekvencie, zmiešavač a zosilňovač a demodulátor<br />

druhej medzifrekvencie sú zapojené na doske s jednostrannými plošnými spojmi.<br />

Súčiastky sú bežného <strong>pre</strong>vedenia. Cievky sú navinuté na cievkových telieskach z výroby<br />

TESLA Pardubice o priemere 6 mm s tieniacim krytom. Cievka fázovacieho obvodu je<br />

navinutá na cievkovom teliesku TESLA Orava.<br />

Cievka L1 obvodu O01 má dva závity medeného lakovaného drôtu o priemere 0,25 mm<br />

a je navinutá medzi závity L2 u jej studeného konca..<br />

Cievky L2 a L3 (obvodu O01 a O02) majú 13 závitov medeného lakovaného drôtu<br />

o priemere 0,5mm navinutých na bakelitovom cievkovom teliesku o priemere 6 mm,<br />

medzi závitmi nie sú medzery. Studený koniec vinutia je u pätky telieska. V cievkach sú<br />

feritové jadrá M4 x 12 z hmoty NO5(modré).<br />

Cievka L4 obvodu O02 má 3 závity medeného lakovaného drôtu o priemere 0,25 mm a je<br />

navinutá medzi závity L3 u jej studeného konca.<br />

Cievka L5 má 25 závitov medeného lakovaného drôtu o priemere 0,3 mm navinutých na<br />

bakelitovom cievkovom teliesku o priemere 6 mm, medzi závitmi nie sú medzery. V<br />

cievke je feritové jadro M4 x 12 z hmoty NO5(modré).<br />

Cievka L7 obvoduO03 má 5 závitov medeného lakovaného drôtu o priemere 0,25 mm<br />

a je navinutá uprostred na cievke L6.<br />

Cievka L8 fázovacieho obvodu F01 musí byť stabilná a s čo najväčším činiteľom akosti<br />

Q. Je navinutá na plastovom cievkovom teliesku o priemere 5 mm. Teliesko má<br />

pertinaxovú pätku s pájkovacími kolíkmi a hliníkový tieniaci kryt so štvorcovým<br />

pôdorysom. Tieto telieska boli používané v rôznych TV prijímačoch Tesla Orava.<br />

Vinutie tejto cievky musí byť <strong>pre</strong>vedené zvlášť dôkladne, začiatok i koniec vinutia musí<br />

byť priviazaný niťou k cievkovému teliesku. K upevneniu vinutia sa nemôže použiť<br />

žiadne lepidlo ani lak!!!<br />

Cievka L8 má 13 závitov medeného lakovaného drôtu o priemere 0,55 mm-medzi závitmi<br />

nie sú medzery. V cievke je feritové jadro M4 x 8 z hmoty N05(modré). Jadro je vhodné<br />

na konci zašróbovanom do cievky ubrúsiť pod uhlom asi <strong>45</strong> ۫ aby bolo možné jemne<br />

nastaviť indukčnosť cievky. Jadro som zaistil v cievke gumičkou.<br />

41


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr.7.a Prevedenie cievok v prijímači<br />

7.1 Výber súčiastok pri navrhovaní prijímačov.<br />

Výberu súčiastok <strong>pre</strong> prijímače VKV, by sme mali venovať zvýšenú pozornosť,<br />

ak chceme dosiahnuť dobrých výsledkov.<br />

Začneme rezistormi. Vhodné typy volíme podľa použitia a konštrukcie samotného<br />

prijímača, u jednoduchších menej náročných zapojení stačí používať bežné uhlíkové,<br />

avšak v zásade by sme mali vo vysokofrekvenčných obvodoch používať vrstvové<br />

metalizované, napr. TR 191 a podobné. To platí aj o použití v stabilizátoroch ladiaceho<br />

napätia, kde vyžadujeme dobrú tepelnú stabilitu, v ostatných obvodoch potom môžeme<br />

použiť bežné uhlíkové, napr. TR 212 a podobné. U špičkových zapojení používame<br />

výhradne len vrstvové metalizované rezistory vo všetkých obvodoch bez rozdielu. V<br />

zásade, čo platí <strong>pre</strong> rezistory, vzťahuje sa aj na odporové trimre, v menej náročných<br />

zapojeniach použijeme menej tepelne stabilné lakosazové typy, napr. TP 008, 009. V zapojeniach,<br />

kde vyžadujeme lepšiu tepelnú stabilitu, volíme typy keramického <strong>pre</strong>vedenia,<br />

napr. TP 110, 112, najlepšie však cermetové TP 01 1, 012.<br />

Kondenzátory vo vysokofrekvenčných obvodoch používame zásadne ploché keramické,<br />

rada TK 7xx, TK 6xx. Do rezonančných obvodov použijeme typy s minimálnou<br />

tepelnou závislosťou, z hmoty N047, ktoré majú mierny záporný súčiniteľ, ktorý vhodne<br />

kompenzuje kladnú tepelnú závislosť cievok. Na blokovanie napájacieho napätia môžeme<br />

použiť typy z hmoty s väčšou permitivitou, ktoré majú menšie rozmery a aj väčšiu<br />

tepelnú závislosť a <strong>pre</strong>to sú do ladených obvodov nevhodné.<br />

42


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Un [VJ Značenie Hmota Značenie<br />

12,5 n N 047 J<br />

25 P N750 U<br />

32 q N1 500 V<br />

40 s E.1000 F<br />

50 t E4000 W<br />

250 d<br />

Tab.7.1.a Značenie plochých keramických kondenzátorov<br />

Obr.7.1.a Značenie kondenzátorov<br />

Do medzifrekvenčných ladených obvodov je najlepšie použiť polystyrolové typy<br />

TGL5155 (NDR). Ich záporný teplotný súčiniteľ je o niečo väčší ako u kondenzátorov z<br />

hmoty N047, môžeme ich však v prípade nedostatku nahradiť typom TK 754. V<br />

nízkofrekvenčných obvodoch ako oddeľovacie a väzobné by sme mali používať<br />

polyesterové kondenzátory, napr. TC 205 alebo TGL38I59 (NDR) a podobné, len v<br />

odôvodnených prípadoch použijeme keramické .<br />

Medzifrekvenčné cievky zásadne používame spolu s krytom, len v špecifických<br />

prípadoch bez krytu. Cievky v ladených obvodoch sa dolaďujú feritovými jadrami, ktoré<br />

sú značené farebne a najčastejšie v <strong>pre</strong>vedení so závitom M4 v dĺžke 8 alebo 12 mm.<br />

Veľmi často sa v popisovaných zapojeniach vyskytuje cievka ladeného obvodu<br />

VKV a mf transformátor, <strong>pre</strong>to si popíšeme ich stavbu. Mf transformátor - po odstránení<br />

pôvodného vinutia z kostričky -najprv navíjame sekundárne vinutie pri spodnom konci<br />

kostričky a to lakovaným drôtom o konkrétnom priemere, potom navinieme primárny<br />

obvod. Cievky sa navíjajú s rovnakým zmyslom. Pri zapájaní koncov drôtov vinutia vždy<br />

dbáme na to, aby spolu susedili „studené" konce cievok, čím sa zmenšia parazitné väzby<br />

a zlepší stabilita zapojenia. Nakoniec na primárne vinutie pripojíme kondenzátor<br />

ladeného obvodu. Vinutie je treba fixovať. Konce zaistíme niťou a ešte zalakujeme<br />

vhodným bezfarebným lakom.<br />

Cievky mávajú len pár závitov, maximálne do 10 a navíjame ich pomerne hrubým<br />

drôtom. Ak má cievka náhodou odbočku, tak najprv očistíme drôt v mieste odbočky a<br />

urobíme na ňom slučku asi 2 mm, ktorú pocínujeme. Vinutie potom navíjanie od odbočky<br />

na trn vhodného priemeru, takého, aby sme vedeli už navinutú cievku potom nasadiť na<br />

kostričku. Konce vinutia dôkladne očistíme a zaspájkujeme do dosky so spojmi.<br />

43


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

8. KONCOVÝ ZOSILŇOVACÍ VÝKONOVÝ STUPEŇ 1W<br />

Na zosilnenie nf signálu, ktorý je už demodulovaný som použil monofónny<br />

zosilňovač, s výstupným výkonom 1 W, osadený obvodom LM 386.<br />

Schéma zapojenia je na obr. 4.a. Zo vstupného konektora K2 je signál cez oddeľovací<br />

kondenzátor C1 privádzaný na potenciometer hlasitosti P1. Z jeho bežca ide cez rezistor<br />

R1 na neinvertujúci vstup koncového zosilňovača IC1. Jeho zisk je daný rezistorom R2,<br />

pripojeným spolu so sériovým kondenzátorom C3 medzi vývodmi GAIN obvodu IC1.<br />

Tým je daný zisk koncového zosilňovača IC1 34 dB (50x). Na výstupe je zapojený RC<br />

člen R3, C4 obmedzujúci vf kmitanie koncového stupňa . Záťaž je pripojená cez väzobný<br />

kondenzátor C5 na konektore K3.<br />

Obvod je napájaný z externého zdroja jednosmerného napätia 4 až 12 V. Prúdová<br />

spotreba je závislá na napájacom napätí a vybudení a pohybuje sa v rozpätí od 1 do 120<br />

mA. Frekvenčný rozsah zosilňovača je 20 Hz až 20 kHz, <strong>pre</strong> šírku pásma -3dB. Na doske<br />

zosilňovača je napájanie ešte filtrované dvojicou kondenzátorov C6 a C7.<br />

Modul zosilňovača 1W je zhotovený na jednostrannej doske s plošnými spojmi<br />

o rozmeroch 28 x 41 mm. Zapojenie obsahuje minimum externých súčiastok.<br />

Obr.8.a Rozloženie súčiastok na doske modulu<br />

zosilňovača<br />

Obr.8.b Obrazec dosky spojov modulu<br />

zosilňovača<br />

44


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr.8.c Schéma zapojenia zosilňovača 1 W<br />

9. NAPÁJACIE ZDROJE PRIJÍMAČA<br />

Činnosť celého prijímača je podmienená dodávaním el. energie vo forme<br />

jednosmerného napätia a prúdu. Energiu získavame zo striedavej siete pomocou<br />

sieťových napájacích zdrojov. Na napájanie som musel použiť dva samostatné moduly<br />

napájania a to 30V <strong>pre</strong> ladiace napätie <strong>pre</strong> varikapy TV tunera, ktoré je v rozsahu od 0,5<br />

až 30V. K ladeniu som použil potenciometer P1. Toto ladiace napätie musí byť dobre<br />

filtrované a stabilizované.<br />

Druhým modulom napájania je 12V stabilizovaný zdroj. TV tuner sa napája týmto<br />

napätím, pásma sa <strong>pre</strong>pínajú elektronicky v tuneri pomocou spínacích diód tak, že sa na<br />

vývod požadovaného pásma pripojí napätie + 12V. Vývody napájania ostatných dvoch<br />

pásiem musia zostať nepripojené.<br />

Ďalej je týmto napätím (12V) napájaný aj obvod IO1 (SA 612). Toto napätie som však<br />

ešte stabilizoval na 8V Zenerovou diódou. To je napätie ktoré udáva výrobca ako<br />

napájacie napätie. Taktiež je napätím +12V napájaný obvod IO2 (MAA 661).<br />

Koncový zosilňovač je napájaný napätím +12V. Z týchto dôvodov som sa snažil<br />

navrhnúť filtráciu a stabilizáciu tohto modulu napájania o niečo zložitejšiu ako <strong>pre</strong> modul<br />

napájania 30V. Filtrácia je veľmi dôležitá hlavne <strong>pre</strong>to, aby sa na IO 1 a IO2 nedostávali<br />

rôzne šumy z napájacieho napätia, čo by v konečnom dôsledku negatívne ovplyvňovalo<br />

vlastnosti celého prijímača.<br />

Kôli tomu som použil <strong>pre</strong>d usmerňovačom kondenzátory C1 a C2, ktoré blokujú vf.<br />

zložku superponovanú na sieťové napätie.<br />

<strong>45</strong>


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Tr.-transformátor Usm.- usmerňovač F – filter Stab- stabilizátor<br />

Obr.9.a Všeobecná bloková schéma napájacieho zdroja<br />

Základnou časťou sieťového napájacieho zdroja je usmerňovač, ktorý <strong>pre</strong>mieňa<br />

striedavé napätie na jednosmerné napätie. Skladá sa zo štyroch diod , zapojených do<br />

mostíka, na ktorý je pripojená záťaž.<br />

Ako filter som použil filter so zberacím kondenzátorom s kapacitou 2 mF. Tento spôsob<br />

filtrácie je vhodný <strong>pre</strong> malé prúdy, čo ma priviedlo k rozhodnutiu použiť tento princíp.<br />

Pre veľké prúdy sa používajú LC filtre.<br />

Ďalšou časťou napájacích zdrojov sú stabilizátory. Na tieto sa kladú veľmi prísne<br />

požiadavky, nakoľko potrebujeme udržať konštantné hodnoty napätia na záťaži pri<br />

kolísaní napätia zdroja, alebo pri zmenách zaťažovacieho prúdu. Veľmi dobré vlastnosti<br />

vykazujú integrované stabilizátory.<br />

Pre stabilizáciu 12V som použil štandardný stabilizátor s pevným výstupným napätím. Je<br />

to stabilizátor MA 7812 , ktorý je <strong>pre</strong> prúdy do 1A.<br />

Obr.9.b Schéma zapojenia napájacieho zdroja so stabilizátorom MA 7812<br />

46


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Obr.9.c Doska plošného spoja <strong>pre</strong> stabilizovaný zdroj 12V<br />

Pre napätie 30V som použil stabilizátor s nastaviteľným výstupným napätím LM 317,<br />

v základnom katalógovom zapojení. Tento stabilizátor umožňuje vo vhodnom zapojení<br />

stabilizovať až napätie na hodnotu 37V<br />

Obr.9.d Schéma zapojenia napájacieho zdroja so stabilizátorom LM 317<br />

10. KOMUNIKAČNÝ PRIJÍMAČ S DIGITÁLNYM SPRACOVANÍM SIGNÁLU<br />

Ak sa hovorí o digitalizácii vysielania, tak väčšinou v súvislosti s televíziou.<br />

Analógový televízny signál prijímaný cez anténu by mal podľa plánov Európskej únie do<br />

roku 2012 nahradiť digitálny štandard. Predstavy o digitalizácii rozhlasového vysielania<br />

sú však zatiaľ napriek niekoľkým európskym pilotným projektom veľmi hmlisté.<br />

Rovnako ako pri digitálnej televízii, aj pri rozhlasovom vysielaní prinesie opustenie<br />

analógového signálu vyššiu kvalitu príjmu, rozšíri frekvenčný priestor <strong>pre</strong> nové stanice a<br />

vytvorí <strong>pre</strong>dpoklady na vznik nových služieb. Na jednu frekvenciu sa totiž zmestí vďaka<br />

komprimácii viac dátových tokov.<br />

47


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Poslucháči budú môcť napríklad <strong>pre</strong>pínať medzi hudobným vysielaním, spravodajstvom a<br />

informáciami o doprave, ktoré pobežia na jednej rozhlasovej stanici súčasne. Na správy či<br />

dopravný servis teda nebudú musieť čakať ako v súčasnosti – budú si ich môcť pustiť na<br />

želanie. Niektoré digitálne rádiové prijímače umožnia vysielanie aj pozastaviť a neskôr<br />

pokračovať v <strong>pre</strong>hrávaní už odvysielaného programu. Digitálny signál <strong>pre</strong>náša aj iné dáta<br />

ako rozhlasové vysielanie. Jednoduchá služba ako RDS, ktorá na displeji rádia zobrazuje<br />

názov naladenej stanice, tak môže nadobudnúť oveľa rafinovanejšiu a užitočnejšiu<br />

podobu. Môže zobrazovať najaktuálnejšie správy či grafické prvky. Napríklad mapy<br />

počas <strong>pre</strong>dpovede počasia, ale aj reklamné bannery, čím by sa mohol otvoriť nový<br />

priestor <strong>pre</strong> rozhlasovú reklamu. Navyše, s <strong>pre</strong>pojením na satelitný pozičný systém GPS<br />

(Global Positioning System) by marketéri mohli zacieliť rozhlasové spoty podľa pozície,<br />

kde sa poslucháč práve nachádza. Na jednu digitálnu frekvenciu sa zmestí nie jedna ako<br />

pri analógovom systéme, ale osem až desať staníc. Mohol by sa tak otvoriť priestor <strong>pre</strong><br />

nových hráčov zameraných na rôzne žánre, podobne ako v internete. Napriek výhodám<br />

digitálneho vysielania stojí a padá jeho rozmach na spotrebiteľskom rozšírení zariadení,<br />

ktoré sú schopné digitálny signál prijímať. Poslucháči totiž potrebujú dekodér alebo nový<br />

prijímač a tie sú zatiaľ drahé. Priemerná cena sa pohybuje okolo 60 eur. Navyše, o novej<br />

technológii nemajú veľa informácií a mnohí o nej ešte ani nepočuli. Keďže chýba dopyt,<br />

rozhlasové stanice sa do digitalizácie nehrnú. Na rozdiel od digitálnej televízie nejestvuje<br />

ani tlak zo strany štátu, ktorý by stanovil termín na vypnutie analógového signálu.<br />

V tejto častí sa zameriam na aplikácie A/D <strong>pre</strong>vodníkov, D/A <strong>pre</strong>vodníkov<br />

a digitálnych signálových procesov v profesionálnych komunikačných prijímačoch,<br />

určených <strong>pre</strong> analógové aj digitálne modulácie.<br />

V rádiových prijímačoch <strong>pre</strong> analógové modulácie sa uskutočňujú rôzne formy<br />

spracovania signálu, ktoré možno realizovať nielen klasickými obvodmi, ale taktiež po<br />

<strong>pre</strong>dchádzajúcej digitalizácii analógových signálov aj obvodmi digitálnymi. Prechod na<br />

digitálne spracovanie signálu môže priniesť nielen výrazné zlepšenie technických<br />

parametrov celého prijímača, ale vďaka vyspelej technológii a veľkosériovej výrobe<br />

uvažovaných obvodov, taktiež výrazné ekonomické prínosy. Názorne to dokumentuje<br />

jeden z najčastejších procesov uskutočňovaných v rádiových prijímačoch – frekvenčná<br />

filtrácia. Analógové dolné, horné a pásmové priepuste RLC sú relatívne drahé a to nielen<br />

v dôsledku vysokej ceny komponentov ale i vzhľadom k nutnosti ich individuálneho<br />

ladenia pri výrobe pri servise.<br />

48


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Výhodou digitálnych frekvenčných filtrov realizovaných v monolitickej podobe je to, že<br />

tieto nedostatky nemajú. Priebehy ich frekvenčných charakteristík majú digitálnu<br />

<strong>pre</strong>snosť a reprodukovateľnosť. Časová a teplotná stabilita je u nich výborná. Uvedené<br />

priaznivé vlastnosti digitálnych filtrov sú dosahované <strong>pre</strong>dovšetkým tým, že dominantne<br />

závisia na taktovacom signály, ktorého frekvenčnú stabilitu a <strong>pre</strong>snosť možno pri využití<br />

moderných metód syntézy frekvencií udržovať na vysokej úrovni.<br />

Väčšina uvedených <strong>pre</strong>dností je charakteristická nielen <strong>pre</strong> digitálne frekvenčné filtre,<br />

ale i <strong>pre</strong> ďalšie obvody s digitálnym spracovaním signálu, ako sú napr. rôzne typy<br />

digitálnych demodulátorov, obvody <strong>pre</strong> delenie modulovaných prijímaných signálov na<br />

synfáznu a kvadratúrnu zložku. Tieto dielčie jednotky sa obvykle riešia ako monolitické<br />

integrované obvody, označované ako Digitálne signálové procesory. Tieto procesory<br />

doplnené A/D <strong>pre</strong>vodníkmi <strong>pre</strong>dstavujú základné funkčné bloky digitálnej časti<br />

uvažovaných prijímačov.<br />

10.1 A/D <strong>pre</strong>vodníky:<br />

Pokiaľ by mali byť v maximálnej miere využité všetky výhody digitálneho<br />

spracovania signálu, bolo by vhodné uskutočňovať A/D <strong>pre</strong>vod tesne za prijímacou<br />

anténou, teda priamo na vstupe prijímača. Takéto koncepcie však zatiaľ nie sú prakticky<br />

realizovateľné. Hlavným limitujúcim faktorom sú obmedzené schopnosti súčasných A/D<br />

<strong>pre</strong>vodníkov. Jedným zo základných parametrov A/D <strong>pre</strong>vodníkov je ich dynamický<br />

rozsah, definovaný obecne ako pomer maximálneho a minimálneho vstupného signálu. U<br />

n-bitvého <strong>pre</strong>vodníka je dynamický rozsah DR viazaný s počtom bitov n relácií.<br />

log (DR + 1) = nlog 2 = 0,301 n<br />

Pri obvykle dobre splnenej nerovnosti DR > 1 je dynamický rozsah vyjadrený v dB<br />

DR[dB] = 20 log DR = 6,02n<br />

Teda s každým pridaným bitom sa zväčšuje približne o 6 dB.<br />

U moderných komunikačných prijímačov ,určených <strong>pre</strong> uvažované vysokofrekvenčné<br />

pásmo 0,1 až 30 MHz, teda zhruba <strong>pre</strong> DV, SV a KV sa bežne vyžaduje dynamický<br />

rozsah 100 až 120 dB. Tomu zrejme odpovedá 16 až 20 bitová re<strong>pre</strong>zentácia<br />

kvantovaných vzorkov. Pokiaľ by mal A/D <strong>pre</strong>vodník spracovávať prijímané signály<br />

v celom ich frekvenčnom pásme, tj. s max. frekvenciou fmax = 30 MHz, musel by<br />

v zhode so Shannonovou teóriou pracovať so vzorkovacou frekvenciou min fv = 2fsmax<br />

= 60 MHz. Prevodníky s takýmito parametrami však zatiaľ nie sú dostupné. Základný<br />

problém tu totiž spočíva v tom, že s rastúcim počtom bitov na vzorku, a teda so<br />

49


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

zväčšovaním dynamického rozsahu, sa približne nepriamo úmerne zmenšuje<br />

dosiahnuteľná frekvencia vzorkovania. Tak napr. moderné A/D <strong>pre</strong>vodníky so<br />

vzorkovacou frekvenciou fv = 60 Mhz sú maximálne 8 bitové, a majú dynamický rozsah<br />

asi 48 dB, čo je ale <strong>pre</strong> danú aplikáciu zrejme nedostačujúce. Oproti tomu u <strong>pre</strong>vodníkov<br />

so 16, alebo i viac bitmi, ktoré by vyhovovali svojím dynamickým rozsahom, nemožno<br />

dosiahnuť vyšších vzorkovacích frekvencií ako 50 až 150 kHz.<br />

10.2 Digitálne signálové procesory:<br />

Charakteristickou črtou digitalizovaných komunikačných prijímačov, určených<br />

<strong>pre</strong> príjem signálov s rôznymi typmi amplitúdových a frekvenčných modulácií, je<br />

skutočnosť, že ich digitálny signálový procesor je „dvojkanálový“, <strong>pre</strong>tože je určený <strong>pre</strong><br />

spracovanie vstupného signálu rozdeleného do tzv. synfáznej zložky I a kvadratúrnej<br />

zložky Q. Toto rozdelenie sa <strong>pre</strong>vádza buď ešte <strong>pre</strong>d demodulácoiu – teda na<br />

medzifrekvencii, alebo priamo v procese synchrónnej demodulácie. Môže byť realizované<br />

analógovými obvodmi (obr1). Ale možno ho aj realizovať taktiež čisto digitálne. (obr2)<br />

Uvažovaná dvojkanálová koncepcia sa môže javiť na prvý pohľad možno zbytočne<br />

zložitá. Má však veľkú <strong>pre</strong>dnosť v tom, že umožňuje rozlíšiť v demodulovanom signály<br />

zložku odpovedajúcu napr. dolnému postrannému pásmu prijímaného signálu od zložky<br />

odpovedajúcej hornému postrannému pásmu. Zdôraznime že rozlíšenie, resp výber<br />

jedného z postranných pásiem je nutné <strong>pre</strong> príjem signálu SSB a signálov ISB.<br />

K principiálnemu objasneniu funkcie obvodu <strong>pre</strong> delenie modulovaného signálu do<br />

zložiek I a Q, slúži obr.1. znázorňujúci tzv. zmiešavač so samočinným potlačením<br />

zrkadlových signálov. Tento zmiešavač vzniká vhodnou kombináciou dvoch dielčích<br />

zmiešavačov S1 a S2, doplnených o niekoľko ďalších pasívnych členov. Predpokladajme<br />

, že na jeho vstup prichádza jednak užitočný signál o frekvencii f s , jednak nežiadúci<br />

zrkadlový signál o frekvencii f z . Oba tieto signály sa v deliči výkonu delia do dvoch<br />

zhodných zložiek. Tieto prichádzajú ako synfázne na jeden vstup dielčích zmiešavačov<br />

S 1 , S 2 . Na druhý vstup týchto zmiešavačov prichádzajú signály miestneho<br />

oscilátora(heterodynu), ktoré majú rovnakú frekvenciu, avšak trvalý fázový posuv 90 tj.<br />

sú v kvadratúre. Medzifrekvenčné výstupy oboch zmiešavačov sa po frekvenčnej filtrácii<br />

privádzajú do hybridného kvadratúrneho člena. Vplyvom takto definovaných fázových<br />

pomerov sa na jednom výstupe člena objavuje medzifrekvenčný signál f smf vznikajúci<br />

z požadovaného vstupného signálu f s , a na druhom výstupe medzifrekvenčný signál f zmf<br />

vznikajúci z nežiadúceho zrkadlového signálu f z – je teda dosiahnutá ich dokonalá<br />

50


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

separácia. Ak budeme považovať u zmiešavača z obr.1 užitočný signál f s za dolné<br />

postranné pásmo signálu DSB alebo ISB, ďalej signál miestneho oscilátora f 0 za nosnú f c<br />

a konečne zrkadlový signál f z za horné postranné pásmo, objaví sa na jednom výstupe<br />

hybridného člena zložka zodpovedajúca dolnému postrannému pásmu a na druhom<br />

výstupe zložka zodpovedajúca hornému postrannému pásmu vstupného signálu DSB<br />

resp. ISB.<br />

Pri uvažovaných frekvenčných reláciách sú obe tieto zložky situované do základného<br />

pásma, tj. sú zložkami demodulovanými, skúmané zapojenie tu totiž pracuje ako<br />

homodyn – čo je superheterodyn s nulovým medzifrekvenčným kmitočtom (<strong>pre</strong> f c = f o je<br />

zrejme f mf = f c –f o =0). Skutočnosť, že homodym okrem frekvenčnej translácie realizuje<br />

súčasne aj synchrónnu demoduláciu vstupného signálu je jeho veľkou <strong>pre</strong>dnosťou. Jeho<br />

ďalšou výhodou ja aj dokonalé odstránenie problémov spojených s príjmom<br />

nežiadúcich zrkadlových signálov<br />

f z = f s + 2f mf , ktorá sa tu stotožňujú s prijímaným užitočným signálom f s .<br />

U prijímačov homodynného typu môže byť výhodné to, že podstatná časť zosilnenia<br />

a selektivity sa získava až v základnom pásme. Pre správnu činnosť klasického<br />

homodynu je však potrebná dokonalá frekvenčná a fázová koherencia miestneho<br />

oscilátora s nosnou vlnou prijímaného signálu, ktorej dosiahnutie je obtiažne. U zapojenia<br />

na obr.1 so vstupným signálom deleným do I a Q môžu byť požiadavky na koherenciu<br />

signálu miestneho oscilátora menej prísne.<br />

Obr.10.a. Zmiešavač so samočinným potlačením zrkadlových signálov<br />

51


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

10.3 Superheterodynný prijímač s digitalizáciou medzifrekvenčného signálu<br />

Na obr.10.b. je schéma zapojenia superheterodynného prijímača s jedným<br />

zmiešavaním, u ktorého je prijímaný signál <strong>pre</strong>menený v zmiešavači na signál<br />

medzifrekvenčný, ktorý je po zosilnení v A/D <strong>pre</strong>vodníku digitalizovaný. Nasledujúce<br />

delenie signálu do zložiek I a Q sa uskutočňuje v digitálnom deliči, a to tak, že sa reálne<br />

vzorky jeho vstupného signálu násobia komplexnou (sínusovou a kosínusovou )<br />

digitalizovanou re<strong>pre</strong>zentáciou heterodynného signálu. Zložky I a Q ďalej <strong>pre</strong>chádzajú<br />

digitálnymi dolnými priepusťami, ktoré sa zbavia nežiadúcich produktov vznikajúcich<br />

v <strong>pre</strong>dchádzajúcich stupňoch prijímača.(napr. v A/D <strong>pre</strong>vodníku), často sa používa<br />

priepusť typu FIR (s konečnou impulzovou odozvou ). Okrem filtračnej funkcie dovoľujú<br />

priepuste rovnako redukovať výstupnú vzorkovaciu frekvenciu, tj. frekvenciu použitú pri<br />

digitalizácii medzifrekvenčného signálu.<br />

Prednosťou uvažovanej koncepcie je, že k digitalizácii signálu dochádza už na<br />

medzifrekvencii, čím sa značne redukuje počet analógových obvodov so všetkými ich<br />

typickými nedostatkami. Na druhej strane však má táto koncepcia niekoľko závažných<br />

nedostatkov. Základný nedostatok spočíva v tom, že cenovo dostupné A/D <strong>pre</strong>vodníky<br />

s dostatočne veľkým dynamickým rozsahom majú malú vzorkovaciu frekvenciu, ktorá si<br />

tým pádom vynucuje aj nízku vzorkovaciu frekvenciu. Tá má však za následok<br />

i nedostatočné potlačenie parazitných zrkadlových signálov, ktoré je možné zlepšiť jedine<br />

<strong>pre</strong>chodom na komplikovanejšiu koncepciu superheterodynnu s dvojitým zmiešavaním<br />

(najlepšie typu UP convertor kde prvá medzifrekvencia je vyššia ako najvyššia frekvencia<br />

prijímaného signálu) K dosiahnutiu veľkej selektivity je potrebný veľmi akostný pásmový<br />

filter, zaradený za druhý zmiešavač. Táto koncepcia digitalizovaného prijímača sa v praxi<br />

nevyužíva.<br />

Obr.10.b. superheterodyn s digitalizáciou <strong>pre</strong>vedenou na výstupe mf zosilňovača<br />

52


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Prijímač s priamou konverziou zložiek I a Q do základného pásma<br />

Na obr.3 je prijímač, u ktorého sa priamo za pasívnymi vstupnými obvodmi delí<br />

pomocou analógových zmiešavačov vstupný signál do I a Q zložiek, a tie sa pritom<br />

súčasne konvertujú do základného pásma. Táto koncepcia teda zodpovedá<br />

superheterodynu s nulovým medzifrekvenčným kmitočtom – tj. homodynu,<br />

označovanému taktiež ako prijímač s priamou konverziou (obr.10.a). Po zosilnení a po<br />

filtrácii dolnými priepusťami sa obidve zložky digitalizujú ďalej spracúvajú obvyklím<br />

spôsobom. Analógová časť takéhoto prijímača je redukovaná takmer na absolútne<br />

minimum, čo je jeho najväčšou <strong>pre</strong>dnosťou. Prijímač homodynného typu však má taktiež<br />

radu nedostatkov, ktoré nie je možné pri súčasnom stave technológie dosť dobre<br />

<strong>pre</strong>konať. Ak má byť <strong>pre</strong>kryté pásmo 0,1 – 30 MHz, musí byť v tomto pásme<br />

<strong>pre</strong>laditeľný aj miestny oscilátor. Ten je v moderných komunikačných prijímačoch<br />

riešený ako syntezátor frekvencií. Frekvenčná syntéza v pásme širšom ako dve oktávy je<br />

dnes síce už bežná, ale v danom prípade je komplikovaná, lebo syntezátor musí<br />

poskytovať dva výstupné signály so vzájomnou fázou <strong>pre</strong>sne 90°. V uvedenom širokom<br />

pásme by malo byť dosiahnuté dokonalého súbehu amplitúdových a fázových<br />

charakteristík kanála I a Q, čo zrovna nie je ľahké. Pokiaľ je súbeh len o málo narušený,<br />

rýchlo sa zväčšujú <strong>pre</strong>sluchy medzi oboma postrannými pásmami, narastá nelineárne<br />

skreslenie a pod.<br />

Ďalší problém vzniká tým, že prakticky celé zosilnenie prijímača je sústredené do<br />

základného pásma.<br />

Obr.10.c Superheterodyn s priamou konverziou zložiek IQ do základného pásma<br />

53


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Superheterodynný prijímač s dvojitým zmiešavaním a priamou konverziou zložiek<br />

I,Q do základného pásma.<br />

Tento prijímač je riešený ako superheterodyn s dvojitým zmiešavaním<br />

najčastejšie typu „up-convertor“, jeho druhé zmiešavače pracujú s nulovým<br />

medzifrekvenčným kmitočtom a <strong>pre</strong>vádzajú teda obidva vstupné signály priamo do<br />

základného pásma. Táto koncepcia má niekoľko výhod. A/D <strong>pre</strong>vodníky tu spracovávajú<br />

analógové signály v základnom pásme, takže môžu mať pri požadovanej nízkej<br />

vzorkovacej frekvencii veľký dynamický rozsah. K analógovému deliču zložiek I, Q<br />

prichádzajú vstupné signály s konštantnou frekvenciou, odpovedajúcou 1. mf prijímača,<br />

a vďaka tomu môže byť dosiahnutá <strong>pre</strong>sná symetria oboch vetiev tohto deliča<br />

.Zosilňovače a dolné priepuste nasledujúce za deličom IQ zaisťujú len časť celkového<br />

zosilnenia a selektivity prijímača ,čo rovnako uľahčuje dosiahnutie <strong>pre</strong>sného súbehu ich<br />

frekvenčných charakteristík. Prípadné malé odchýlky od súbehu je potom možné<br />

korigovať v digitálnom signálovom procesore. Teoreticky by takáto korekcia bola možná<br />

i u zapojenia z obr.10.b a 10.c, avšak nesymetria kanálov IQ je tu oveľa väčšia, a tým aj<br />

jej dokonalé odstránenie v procesore DSP je prakticky nemožné. Hlavným nedostatkom<br />

prijímača z obr.10.d je pomerne veľká vstupná analógová vysokofrekvenčná<br />

a medzifrekvenčná časť, ktorá je výrobne drahá z funkčného hľadiska vykazuje typické<br />

nedostatky analógových obvodov. Pri celkovom hodnotení sa ukazuje táto alternatíva ako<br />

najlepšia zo spomínaných.<br />

Obr.10.d Superheterodynný prijímač s dvojitým zmiešavaním a priamou konverziou<br />

zložiek I,Q do základného pásma.<br />

54


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

11. ZHODNOTENIE VÝSLEDKOV:<br />

Navrhnutá koncepcia prijímača vykazuje veľa výhod. Ako vstupný diel som<br />

použil TV tuner 6 PN 387 273, ktorý má v porovnaní s inými tunermi vyššie zosilnenie.<br />

Toto zosilnenie by som nedosiahol riešením vstupnej jednotky ako samostatných<br />

modulov zložených z jednotlivých filtrov a vf zosilňovačov. Taktiež sú zlepšené aj<br />

elektrické parametre tunera, <strong>pre</strong>tože je použitá technológia povrchovej montáže súčiastok<br />

SMT. Toto taktiež umožňuje zmenšiť mechanické rozmery a vysoko zvyšuje<br />

spoľahlivosť. Vďaka tomu, že v technológii SMT nie sú drôtové vývody súčiastok, môžu<br />

byť vnútorné rozmery podstatne menšie ako u klasického <strong>pre</strong>vedenia. Tým zaberá menšiu<br />

plochu na doske spojov a umožňuje kompaktnejšie <strong>pre</strong>vedenie. Doska plošného spoja<br />

tohto tunera je osadená z obidvoch strán, čo ušetrí ďalších 50 % plochy dosky. Týmto<br />

klesajú aj výrobné náklady na samotné zhotovenie komunikačného prijímača. Taktiež pri<br />

manipulácii s prijímačom, pokiaľ by bola táto vstupná časť navrhnutá a zhotovená<br />

samotným konštruktérom ( teda namiesto tunera ) by mohlo často dochádzať aj<br />

k miernym otrasom, čím by sa mohol <strong>pre</strong>javiť niektorý studený spoj, ktorý by mohol<br />

vzniknúť pri spájkovaní. Pri SMT technológii je spoľahlivosť vyššia, <strong>pre</strong>tože SMD<br />

súčiastky sú menšie, ľahšie a spoľahlivejšie sú spojené s doskou. Všeobecne návrh<br />

vstupnej časti takéhoto komunikačného prijímača je veľmi náročný.<br />

Pomerne náročný je aj návrh a konštrukcia vstupných filtrov. Filtre spoločne<br />

s nasledujúcim zosilňovacím aktívnym prvkom <strong>pre</strong> dané pásmo by museli byť riešené<br />

samostatne. Pokiaľ by som uvažoval pásmo VHF I (<strong>45</strong>- 165 MHz) pri návrhu by som bral<br />

do úvahy výpočet súčiastok <strong>pre</strong> túto frekvenciu. Ale už <strong>pre</strong> pásmo VHF III (160- 460<br />

MHz) by som musel navrhovať súčiastky vzhľadom k tejto frekvencii, <strong>pre</strong>tože by sa<br />

podstatne menil charakter vstupných obvodov, pokiaľ by bol použitý vstupný obvod <strong>pre</strong><br />

VHF I.<br />

Vieme že zmenou frekvencie sa výrazne mení kapacita kondenzátora, a taktiež<br />

zmenou vstupnej frekvencie sa mení vnútorný odpor tranzistora. V tuneri sa s týmto<br />

problémom nestretávame, nakoľko tam už sú vyriešené tieto vstupné obvody a na oveľa<br />

menšej ploche. Z tohto vyplíva jednoznačná úspora či už súčiastok, návrhu, alebo<br />

samotného priestoru. Ďalej sa v tuneri nachádza aj zmiešavač, čo mi tiež uľahčilo<br />

samotný návrh prijímača.<br />

55


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Komunikačný prijímač je navrhnutý len <strong>pre</strong> signály frekvenčne modulované,<br />

<strong>pre</strong>tože amplitúdová modulácia(AM), modulácia s jedným postranným pásmom (SSB)<br />

a CW modulácia v danom frekvenčnom pásme nevysiela, čiže by bol návrh a konštrukcia<br />

prijímača <strong>pre</strong> tieto modulácie neefektívny. Signály s týmito moduláciami môžeme<br />

prijímať asi do 30 MHz. Prijímanie tohto pásma však nebolo náplňou tejto práce. Pokiaľ<br />

by sa však vysielali signály takto modulované v pásme VKV, stačilo by už len<br />

<strong>pre</strong>pínačom <strong>pre</strong>pínať medzi jednotlivými detektormi, ktoré by som <strong>pre</strong> každú túto<br />

moduláciu zaradil za filtrom, ktorý je za zmiešavačom SA 612. Celý prijímač je<br />

umiestnený v plastovej škatuli, kde na <strong>pre</strong>dnom paneli sa nachádza vypínač, <strong>pre</strong>pínač<br />

frekvenčných pásiem, ladenie prijímača, ovládanie hlasitosti a konektor na AUDIO<br />

výstup. Na zadnej strane prijímača sa nachádza poistkové púzdro a anténny vstup 75Ω.<br />

Navrhnutý komunikačný prijímač spoľahlivo funguje v pásme od <strong>45</strong> – 860<br />

MHz, čím pokladám úlohu tejto práce za splnenú.<br />

12. ZOZNAM POUŽITÝCH SÚČIASTOK<br />

12.1 Komunikačný prijímač:<br />

Rezistory – miniatúrne TR 212<br />

R1 ...........2,2 kΩ<br />

R3.............10 kΩ<br />

R4.............220Ω<br />

R5.............330Ω<br />

R6.............120Ω<br />

Trimre a potenciometre:<br />

R2.............10 kΩ<br />

P1..............10 až 50 k desaťotáčkový potenciometer<br />

Kondenzátory keramické TK 754, TK 774, TK 724, TK 744, TK 755, TK 775, TK 725<br />

C3, C5........18 pF<br />

C10.............68 pF<br />

C7...............33 pF<br />

C9...............8,2 pF<br />

C8...............1,5 nF<br />

56


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

C6...............10 nF<br />

C12 ............4,7 nF<br />

C13 ............150 pF<br />

C19 ............18 pF<br />

Kondenzátory keramické TK 782<br />

C14, C16, C18, C20......100 nF<br />

Kondenzátor keramický TK 656<br />

C4...............1 pF<br />

Kondenzátor styroflexový s veľkou akosťou a stabilitou<br />

C21.............270 pF<br />

Kondenzátory elektrolytycké radiálne:<br />

C1...............100 µF/ 16V<br />

C11.............220 µF/ 16V<br />

C2...............10 µF/ 50V<br />

C17..............4,7 µF/ 50V<br />

Cievky a ladené obvody: viď ďalej<br />

Polovodičové súčiastky:<br />

D1................KZ 260/8V2<br />

IO1...............SA 612<br />

IO2...............MAA 661<br />

Ostatné súčiastky:<br />

Kryštál ..........48 MHz (3.harmonická)<br />

Keramický mf filter ......10,7 MHz E10,7 S<br />

TV hyperband tuner – TV kanálový volič OTF 6 PN 387 273<br />

12.2 Zosilňovač 1 W:<br />

R1...............10 kΩ<br />

R2...............1,2 kΩ<br />

R3...............10Ω<br />

C3...............10 µF/50V<br />

C5...............220 µF/16V<br />

57


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

C6...............470 µF/25V<br />

C1...............1 µF/CF1<br />

C2...............1 nF<br />

C4, C7........100 nF<br />

IC1..............LM 386<br />

P1...............P 16M/10 kΩ<br />

12.3 Zdroje napätia:<br />

transformátor s odbočkami<br />

stabilizátor........MA 7812<br />

stabilizátor........LM 317<br />

usmerňovacie diódy.......KY 132/80<br />

kondenzátory .........2 mF/ 100V<br />

led dióda ................LQ 1102<br />

rezistor ..................3k3<br />

kondenzátory..........10 nF<br />

kondenzátory..........2 µF<br />

58


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Použitá literatúra<br />

[1] Amatérske krátkovlnné prijímače Jaroslav Navrátil Vydanie I. Praha 1969<br />

[2] Navrhování obvodu tranzistorových prijímačov B.Sieber, J. Drábek<br />

Nakladatelství technické literatury Praha 1967<br />

[3] Kanálový volič (neznámy autor)<br />

[4] Analógové obvodové systémy vybrané kapitoly Ing. Vladimír Hotmar PhD.<br />

Vydala Žilinská <strong>univerzita</strong> v EDIS 2004<br />

[5] Sdelovací technika 7/ Elektronika, Komunikace, Multimédia Červenec 1994<br />

Vydáva Rozvid s.r.o.<br />

[6] IO pro spotrební elektroniku, obvody <strong>pre</strong> TV prijímače MAA 661 SOUEaEaU<br />

Vejprnicka56 PLZEN 2002<br />

[7] Amatérske RADIO rada B číslo 5/1995<br />

[8] Amatérske rádio 1/2004 vydavateľ AMARO s.r.o<br />

[8] Demodulátory s <strong>pre</strong>menou FM na šírkove modulované impulsy (neznámy autor)<br />

[9] OTF VHF/UHF televízne kanálové voliče 6PN 387 27X and familly OTF a.s.<br />

Nižná 1994<br />

[10] Amatérske rádio pro konstruktéry 1988 ročník XXXVII<br />

[11] Amatérske rádio 5/2004<br />

[12] http://.edunet.soupol.cz/weisz/dilna/en_kat/ds661.zip<br />

[13] http://stanislavkan.blog.sme.sk/c/85596/Prijem-rozhlasovych-stanic.html<br />

[14] Analógové obvodové systémy II Ing. Vladimír Hotmar PhD. Žilina 2006<br />

59


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

ČESTNÉ PREHLÁSENIE<br />

Prehlasujem, že som túto diplomovú prácu vypracoval samostatne pod odborným<br />

vedením vedúceho diplomovej práce Doc. Ing. Rudolfom Hroncom CSc. a používal som<br />

len literatúru uvedenú v práci.<br />

Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.<br />

V Žiline dňa 18.05.2007 .........................<br />

Peter KUBO<br />

60


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

Poďakovanie<br />

Touto cestou by som sa chcel poďakovať všetkým, ktorí odbornou cestou alebo<br />

teoretickou pomocou prispeli k vypracovaniu tejto diplomovej práce. Taktiež tým, ktorí mi<br />

pomohli zohnať niektoré komponenty, potrebné k ukončeniu práce. Zvlášť sa chcem<br />

poďakovať vedúcemu diplomovej práce Doc. Ing. Rudolfovi Hroncovi CSc. za jeho cenné<br />

rady, pripomienky, ochotu a čas, ktorý mi venoval pri konzultáciách.<br />

61


Žilinská <strong>univerzita</strong> v Žiline<br />

62

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!