7 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΥΤΟΕΞΕΤΑΣΗΣ. 1) Ποιος είναι ο ρόλος του δέκτη στις επικοινωνίες.

Transcript

1 7 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΥΤΟΕΞΕΤΑΣΗΣ 1) Ποιος είναι ο ρόλος του δέκτη στις επικοινωνίες. Ρόλος του δέκτη είναι να ενισχύει επιλεκτικά και να επεξεργάζεται το ωφέλιμο φέρον σήμα που λαμβάνει και να αποδίδει στην έξοδο την πληροφορία. 2) Να αναφερθούν τα βασικότερα χαρακτηριστικά ενός ραδιοφωνικού δέκτη. Βασικά χαρακτηριστικά του δέκτη είναι η σταθερότητα συντονισμού, η ευαισθησία, η επιλεκτικότητα, η πιστότητα, η έλλειψη παρασιτικών εκπομπών και η γραμμικότητα του. 3) Να σχεδιαστεί το γενικό διάγραμμα ενός απλού δέκτη. 4) Να αναφερθούν διάφορα μειονεκτήματα του απλού άμεσης ενίσχυσης δέκτη. Η χρήση επιλεκτικών φίλτρων εισόδου με υψηλό Q. Η επιλεκτικότητα του δέκτη δεν είναι σταθερή για όλη την ζώνη λειτουργίας του. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα του απλού δέκτη είναι η γραμμικότητά του, που έμμεσα χαρακτηρίζει τη δυναμική εισόδου. Σε κάποιες περιπτώσεις πολύ ισχυρού φέροντος στην είσοδο ενδεχομένως δημιουργηθεί κορεσμός του σήματος σε κάποιο στάδιο ενίσχυσης και τελικά να εμφανιστούν παραμορφώσεις στην έξοδο.

2 5) Να σχεδιαστεί το γενικό διάγραμμα ενός υπερετερόδυνου δέκτη. 6) Ποιος είναι ο ρόλος το της διάταξης AGC στο δέκτη. Η χρήση διάταξης αυτόματου ελέγχου του κέρδους (AGC) προφυλάσσει το δέκτη από κορεσμό και φαινόμενα ενδοδιαμορφώσεων. Επίσης η ισχύς του ωφέλιμου σήματος στην έξοδο δεν εξαρτάται από τις διακυμάνσεις του σήματος στην είσοδο του δέκτη. 7) Να αναφερθούν τα πλεονεκτήματα του υπερετερόδυνου δέκτη. Η μετάθεση συχνότητας δίνει πολλά, πλεονεκτήματα στο δέκτη. Αυξάνει την επιλεκτικότητα του και καταργεί ουσιαστικά τη χρήση επιλεκτικών φίλτρων εισόδου. 8) Με παραδείγματα να εξηγηθεί ο τρόπος επιλογής της ενδιάμεσης συχνότητας του δέκτη. Ας υποθέσουμε ένα δέκτη με στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας (f I ). Όταν ο τοπικός ταλαντωτής είναι ρυθμισμένος σε συχνότητα (f T ), ο δέκτης είναι συντονισμένος να λάβει επιθυμητό φέρον σήμα E(t) συχνότητας (f ο ), για την οποία ισχύει: f I = f T f o ή f o = f T - f I (3) Με αυτή τη ρύθμιση του τοπικού ταλαντωτή μια δεύτερη συχνότητα (f o ) αποδεικνύεται ενοχλητική. Πρόκειται για τη συχνότητα ενός άλλου φέροντος που, αν εμφανιστεί στην

3 είσοδο του δέκτη ταυτόχρονα με το επιθυμητό φέρον και συνδυαστεί με τη συχνότητα του τοπικού ταλαντωτή, δίνει f I = f o f T ή f o = f I + f T, (4) οπότε εκλαμβάνεται από το δέκτη επίσης ως δεύτερο ωφέλιμο σήμα. Η συχνότητα (f o ) ονομάζεται συχνότητα είδωλο ή συχνότητα εικόνα και απέχει από την ωφέλιμη συχνότητα λήψης 2f I. Πράγματι, από τις προηγούμενες σχέσεις: 2f I = f o f o ή f o = f o + 2f I (5) Η ταυτόχρονη λήψη δύο φερόντων με διαφορετικές συχνότητες αποτελεί βασικό πρόβλημα για τον υπερετερόδυνο δέκτη. Έτσι, η επιλογή της ενδιάμεσης συχνότητας λειτουργίας στη σχεδίαση του δέκτη υπόκειται σε κανόνες που εμφανίζονται αντιφατικοί. Αν επιλεγεί σχετικά μεγάλη ενδιάμεση συχνότητα, η ωφέλιμη φέρουσα συχνότητα f o και η συχνότητα είδωλο f o απέχουν πολύ και εύκολα η τελευταία περιορίζεται εύκολα και σημαντικά με το φίλτρο εισόδου. Βέβαια στην περίπτωση αυτή το φίλτρο και τα στάδια ενίσχυσης της ενδιάμεσης συχνότητας είναι πιο ευαίσθητα στην κατασκευή και τη ρύθμισή τους, ιδιαίτερα, όταν το φασματικό εύρος κάθε διαύλου είναι μικρό (άρα, απαιτείται υψηλή επιλεκτικότητα) και ο συντελεστής ποιότητας είναι μεγάλος. Έτσι, ο στόχος της μετάθεσης συχνότητας, ώστε στην συνέχεια να γίνει πιο εύκολα η περαιτέρω επεξεργασία του σήματος, δεν επιτυγχάνεται πλήρως. Η τελική επιλογή της τιμής της ενδιάμεσης συχνότητας στο δέκτη γίνεται σε συνδυασμό με το ολικό φασματικό εύρος της ζώνης, στην οποία προορίζεται να λειτουργήσει ο δέκτης. Στο σχήμα αποδίδεται το συνολικό εύρος ζώνης ενός δέκτη που περιλαμβάνει Ν διαφορετικά κανάλια εκπομπής και εκτείνεται από f οmin έως f οmax. Έτσι, η φασματική ζώνη είδωλο εκτείνεται από : [f omin, f omax ] = [ f omin +2f I, f omax + 2f I ] (6) Το φίλτρο εισόδου, δεν απαιτεί συντονισμό και αγκαλιάζει όλο το φασματικό εύρος που πρέπει να λαμβάνει ο δέκτης, δηλαδή (f omin, f omax ). Η ζώνη - είδωλο δεν ενοχλεί το δέκτη, όταν η τιμή της ενδιάμεσης συχνότητας έχει επιλεγεί έτσι, ώστε: f omin > f omax ή f omin + 2f I > f omax ή f I > (f omax f omin ) / 2 (7)

4 Σχήμα 7.2.3: Ζώνη λειτουργίας του δέκτη και ζώνη - είδωλο 9) Για ποιο λόγο χρησιμοποιείται πολλές φορές και δεύτερο στάδιο ετεροδύνωσης στους δέκτες. Να τεκμηριωθεί με παραδείγματα. Η χρησιμοποίηση δύο σταδίων μετάθεσης συχνότητας στο δέκτη δίνει λύση στα διάφορα προβλήματα που δημιουργεί το μοναδικό στάδιο ετεροδύνωσης. Είδαμε ότι όσο μικρότερη είναι η ενδιάμεση συχνότητα που χρησιμοποιείται στον δέκτη τόσο πιό εύκολη είναι η κατασκευή των σταδίων ενδιάμεσης συχνότητας (φίλτρου και ενισχυτών) που έμμεσα, μέσω του συντελεστή ποιότητας Q = f I /(BW), ορίζουν την επιλεκτικότητα του δέκτη. Από την άλλη πλευρά όσο μεγαλύτερη τιμή ενδιάμεσης συχνότητας επιλέγεται τόσο πιό εύκολα απορρίπτεται η ενοχλητική συχνότητα είδωλο. Η αντίφαση αυτή καταργείται, αν υιοθετηθεί η χρήση δύο σταδίων ενδιάμεσης συχνότητας, f I1, f I2 με f I1 > f I2, όπως φαίνεται και στο σχήμα Το πρώτο στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας f I1 διευκολύνει την απόρριψη της συχνότητας είδωλο, ενώ το δεύτερο κάνει την επιλογή του καναλιού ακρόασης. Σχήμα 7.4.1: Δέκτης με δύο στάδια ετεροδύνωσης

5 Εφαρμογή: Ας υποθέσουμε, για παράδειγμα, ότι ένας δέκτης που προορίζεται να λάβει ανεξάρτητα κανάλια εκπομπής σε συχνότητες πάνω από 200 MHz με εύρος ζώνης BW = 5 khz διαθέτει δύο στάδια ενδιάμεσων συχνοτήτων, με συχνότητες αντίστοιχα f Ι1 = 21,4 MHz και f Ι2 = 455 khz. Με βάση προηγούμενη συνθήκη, για να έχουμε απόρριψη των συχνοτήτων εικόνας, είναι προφανές, καθώς 2f I1 = 42,8 MHz, ότι η ζώνη λειτουργίας του δέκτη μπορεί να είναι έως και 40 MHz, με την προϋπόθεση ότι ο τοπικός ταλαντωτής ρυθμίζεται από 221,4 MHz έως 261,4 MHz. 10) Τι είναι ο φωρατής αναπτύγματος. Να δοθεί το σχήμα. Στην κλασική διαμόρφωση πλάτους το βασικό σήμα s(t) είναι το πλάτος (το ανάπτυγμα) του φέροντος σήματος. Στο ρόλο του αποδιαμορφωτή συναντούμε μια απλή δίοδο συνδυασμένη με ένα χαμηλοπερατό φίλτρο R-C (πυκνωτή και αντίσταση). Σχήμα 7.5.1: Φωρατής αναπτύγματος και η λειτουργία του 11) Να δοθούν οι σχέσεις με τις οποίες υπολογίζονται τα στοιχεία του φωρατή D-R-C. 1/ω Ι << RC << 1/Ω Με αναλυτικότερη μελέτη του φωρατή αναπτύγματος D-R-C (δίοδος αντίσταση - πυκνωτής) αποδεικνύεται ότι, αν m είναι το ποσοστό διαμόρφωσης πλάτους που χρησιμοποιήθηκε στον πομπό, ο φωρατής δεν εισάγει παραμόρφωση, όταν ισχύει: m 1/ [1 + (2πRC) 2 ] 1/2.

6 Από πρακτική άποψη η προηγούμενη σχέση υποδηλώνει ότι δεν μπορούμε να έχουμε m = 1, δηλαδή ποσοστό διαμόρφωσης 100%. Μια βασική παρατήρηση για τη λειτουργία του κυκλώματος αφορά την ισοδύναμη αντίσταση εισόδου του φωρατή. Αποδεικνύεται ότι (σχήμα 7.5.2): R εισ R/2 Σχήμα 7.5.2: Ισοδύναμη αντίσταση εισόδου του φωρατή αναπτύγματος Αυτή η σχέση είναι εξίσου σημαντική όσο και οι προηγούμενες. Προσδιορίζει έμμεσα την επιλογή της τιμής της αντίστασης R, η οποία πρέπει να είναι του ιδίου μεγέθους με την αντίσταση εξόδου του ενισχυτή που προηγείται, για να υπάρχει σωστή προσαρμογή και μέγιστη μεταφορά ισχύος από τον ενισχυτή στο στάδιο αποδιαμόρφωσης. Εφαρμογή: Σε ραδιοφωνικό δέκτη ΑΜ με στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας f I = 455 khz να υπολογιστούν τα στοιχεία του φωρατή αναπτύγματος. Το εύρος ζώνης κάθε ραδιοφωνικού διαύλου είναι 10 khz. Ο ενισχυτής ενδιάμεσης συχνότητας που προηγείται του φωρατή παρουσιάζει αντίσταση εξόδου 1 kω. Λύση: Το εύρος ζώνης διαύλου στην ΑΜ είναι 2F max, όπου F max η μέγιστη συχνότητα του σήματος διαμόρφωσης. Άρα, F max = 5 khz. Πρέπει ο φωρατής να ικανοποιεί τη συνθήκη: (1/2π ) < RC < (1/2π ). Επίσης η σωστή προσαρμογή του φωρατή στον ενισχυτή που προηγείται επιτυγχάνεται, όταν R /2= R εξ, δηλαδή R = 2 kω. Λύνοντας την ανισότητα προσδιορίζουμε την τιμή του πυκνωτή. 12) Να σχεδιαστεί και να εξηγηθεί η λειτουργία του σύγχρονου φωρατή. Ο σύχρονος η σύμφωνος αποδιαμορφωτής ή φωρατής φαίνεται στο σχήμα

7 Σχήμα 7.5.3: Αρχή του σύμφωνου ή σύγχρονου φωρατή Το διαμορφωμένο σήμα πολλαπλασιάζεται με το σήμα ενός τοπικού ταλαντωτή της ίδιας συχνότητας και φάσης με το φέρον σήμα (σύγχρονο ή σύμφωνο σήμα). Πράγματι, θεωρώντας το σήμα E(t) διαμορφωμένο κατά πλάτος, έχουμε διαδοχικά: E(t) = [E o + s(t)]. cos(ω o t) R(t) = 1. cos(ω ο t). Στην έξοδο του πολλαπλασιαστή έχουμε: V 1 (t) = [E o + s(t)] cos 2 (ω ο t) = E o cos 2 (ω ο t) + s(t) cos 2 (ω ο t) = E o /2 + s(t)/2 + (E o /2)cos(2ω ο t) + [s(t)/2] cos(2ω ο t). Στην έξοδο του φίλτρου χαμηλών συχνοτήτων φτάνει μόνο το ωφέλιμο σήμα s(t), ενώ ο πυκνωτής C αποκόπτει τη συνεχή συνιστώσα της τάσης Ε ο /2. Δηλαδή: V εξ = s(t) (18) Εύκολα διαπιστώνεται ότι η έλλειψη τέλειου συγχρονισμού συχνότητας και φάσης του τοπικού ταλαντωτή με το φέρον σήμα δημιουργεί προβλήματα στη φώραση του σήματος. 13) Τι είναι και πού χρησιμοποιείται στην FM ο συμμετρικός περιοριστής. Το πλάτος του σήματος στη διαμόρφωση FM δεν επηρεάζεται από την πληροφορία και παραμένει σταθερό. Αυτή η παρατήρηση δίνει τη δυνατότητα να προηγηθεί του σταδίου αποδιαμόρφωσης του σήματος ένας συμμετρικός περιοριστής (ψαλιδιστής) (σχήμα 7.6.1), που ψαλιδίζοντας τις κορυφές του φέροντος το απαλλάσει από παρασιτικές κυματώσεις και παρασιτικές αλλοιώσεις, που τυχόν προήλθαν από θόρυβο, βιομηχανικά παράσιτα κλπ. Αυτή η διαδικασία συνεισφέρει στην καλύτερη ποιότητα του δέκτη FM απαλλάσσοντας τον αποδιαμορφωτή από τις παρασιτικές διακυμάνσεις του σήματος και αυξάνει τελικά το λόγο σήματος προς θόρυβο στην έξοδο. Στην έξοδο του ψαλιδιστή το μεσοπερατό φίλτρο L-C αποκαθιστά την ημιτονική φυσιογνωμία του ψαλιδισμένου φέροντος

8 14) Να δοθεί και να σχολιαστεί απλή διάταξη αποδιαμόρφωσης FM. Ως απλός διευκρινιστής συχνότητας αξιοποιείται ένα απλό επιλεκτικό φίλτρο, σαν αυτό του σχήματος Η απόκριση του φίλτρου επιλέγεται έτσι, ώστε η κεντρική συχνότητα του φέροντος να βρίσκεται περίπου στο μέσο του ανοδικού ή καθοδικού τμήματος της χαρακτηριστικής του. Σχήμα 7.6.2α: Απόκριση ενός διευκρινιστή συχνότητας Σχήμα 7.6.2β: Διευκρινιστής με απλό φίλτρο Είναι προφανές ότι με τέτοια διάταξη το φέρον σήμα, του οποίου η συχνότητα παρουσιάζει μεταβολές γύρω από την κεντρική του συχνότητα, μετά την διέλευση από το φίλτρο είναι διαμορφωμένο

9 και κατά πλάτος, όπως χαρακτηριστικά απεικονίζεται στο σχήμα. Στη συνέχεια προσφέρεται ένας απλός φωρατής αναπτύγματος (πλάτους) D R C, που μελετήθηκε σε προηγούμενη παράγραφο για να έχουμε αποδιαμόρφωση. Η σχετικά απλή διάταξη του σχήματος με ένα φίλτρο παρουσιάζει ένα βασικό μειονέκτημα. Η χαρακτηριστική απόκριση του φίλτρου δεν είναι γραμμική, με αποτέλεσμα όταν οι μεταβολές συχνότητας είναι μεγάλες, να εμφανίζονται στην έξοδο παραμορφώσεις του σήματος. Έτσι, η χρήση της διάταξης περιορίζεται σε περιπτώσεις διαμόρφωσης FM με μικρή απόκλιση συχνότητας Δf max. 15) Να σχολιαστεί η αποδιαμόρφωση συχνότητας με βρόχο PLL. Ο βρόχος φάσης PLL, χρησιμοποιείται ευρύτατα για αποδιαμόρφωση FM. Το γενικό διάγραμμα του αποδιαμορφωτή φαίνεται στο σχήμα Η συχνότητα του σήματος εισόδου συγκρίνεται με τη συχνότητα του VCO, που είναι υπολογισμένος με κεντρική συχνότητα ίδια με του φέροντος. Η τάση ελέγχου του VCO, που προσπαθεί να τον συγχρονίσει στη συχνότητα του σήματος εισόδου αντιπροσωπεύει τις μεταβολές της συχνότητας του, δηλαδή το ωφέλιμο σήμα s(t). Σχήμα 7.6.6: Αποδιαμόρφωση FM με PLL 16) Τι είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο; Ορίζουμε: - (S/N) : το λόγο ισχύος του ωφέλιμου βασικού σήματος προς τον θόρυβο στην έξοδο του δέκτη. - (S /Ν ) : το λόγο ισχύος σήματος προς θόρυβο στην είσοδο του αποδιαμορφωτή. Το μέγεθος S αναφέρεται στο σήμα που προέκυψε από τη διαδικασία ενίσχυσης και ετεροδύνωσης, ενώ ο θόρυβος Ν είναι αθροιστικά ο θόρυβος εισόδου επιβαρυμένος από το θερμοδυναμικό θόρυβο των κυκλωμάτων του δέκτη.

10 - S i / N i ) το λόγο ισχύος του φέροντος σήματος πρός το θόρυβο στην έξοδο του δέκτη. 17) Να δοθούν οι σχέσεις που συνδέουν την ισχύ του σήματος εισόδου με το λόγο ισχύων σήματος προς θόρυβο στην έξοδο του δέκτη για τις περιπτώσεις AM και FM. Για την ΑΜ: = S i = (1/m 2 )ktbg R (S/N) = 2kTF max. G R. (1/m 2 ) (S/N) (28) (διότι Β = 2F max ) Αν m =1 (100%), τότε: S i = 2kTF max. G R. (S/N) (29) Για την FM: S i = ktbg R [1/3m 2 (m+1)](s/n) = = 2kTF. max G. R (1/3m 2 ). (S/N) (30) (διότι Β = 2F max (m+1) ) Οι τελευταίες σχέσεις συνδέουν την ισχύ που πρέπει να έχει το φέρον σήμα στην είσοδο του δέκτη με τον επιθυμητό λόγο σήματος πρός θόρυβο στην έξοδο. Αν θέλουμε οι προηγούμενες σχέσεις να αναφέρονται όχι στην ισχύ, αλλά στην ενεργό τιμή του σήματος εισόδου (θεωρώντας την κεραία ως γεννήτρια), πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι : S i = E 2 /4R i, όπου R i η ισοδύναμη αντίσταση εισόδου του δέκτη, που συνήθως λαμβάνεται 50 Ω (προσαρμογή με την κεραία). 18) Ποια διαμόρφωση έχει καλύτερα αποτελέσματα στο θέμα του θορύβου. Συγκρίνοντας τις σχέσεις (29) και (30), εύκολα διαπιστώνουμε ότι για το ίδιο σήμα S i στην είσοδο του δέκτη ισχύει: (S/N) FM = 3m 2. (S/N) AM. (31) Αν m>1, τότε: (S/N) FM > (S/N) AM Η διαμόρφωση FM παρουσιάζει μεγαλύτερη αντοχή στο θόρυβο. Στην περίπτωση της ραδιοφωνίας FM, m 5, άρα: (S/N) FM = (S/N) AM ή (S/N) FM = 75. (S/N) AM (32) ή εκφραζόμενοι σε db: (S/N) FM = (S/N) AM + 18,8 db. Το πλεονέκτημα της FΜ είναι σημαντικό. Τα συμπεράσματα αυτά, που ισχύουν με την προυπόθεση ότι το σήμα στην είσοδο του αποδιαμορφωτή είναι μεγαλύτερο από το θόρυβο (S >> N ).

11