1) Να σχεδιαστεί και να σχολιαστεί το γενικό ενός πομπού ΑΜ.

Transcript

1 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΥΤΟΕΞΕΤΑΣΗΣ 1) Να σχεδιαστεί και να σχολιαστεί το γενικό ενός πομπού ΑΜ. Με βάση το γενικό δομικό διάγραμμα ενός πομπού, όπως προέκυψε στο τρίτο κεφάλαιο (σχήμα 5.1.1), η διαδικασία της διαμόρφωσης οριοθετεί δύο λειτουργικά τμήματα. Σχήμα 5.1.1: Γενικό διάγραμμα πομπού Το ένα τμήμα αφορά την επεξεργασία του βασικού σήματος, που χαρακτηρίζεται από το φασματικό του περιεχόμενο και περιλαμβάνει: Τον αισθητήρα μετατροπής της πληροφορίας σε ηλεκτρικό σήμα. Την ενίσχυση του σήματος, που πραγματοποιείται σ ένα ή περισσότερα ενισχυτικά στάδια, ώστε το σήμα με κατάλληλο πλάτος και ισχύ να διαμορφώσει το φέρον. Τη χρήση κατάλληλων φίλτρων, τα οποία οριοθετούν την απαραίτητη φασματική ζώνη του σήματος, ανάλογα με την εφαρμογή. Οι χρησιμοποιούμενες διατάξεις διαμορφωτών διαφοροποιούνται με βάση το είδος της διαμόρφωσης που έχουμε επιλέξει. Το δεύτερο τμήμα περιλαμβάνει τη γεννήτρια (ταλαντωτή) του φέροντος σήματος υψηλής συχνότητας, τη διαμόρφωσή του και την ενίσχυση του διαμορφωμένου φέροντος, ώστε με μεγάλη ισχύ να οδεύσει προς το μέσο μετάδοσης. 2) Τι είναι ο αρμονικός ταλαντωτής; Να αναφερθούν βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά του. Το φέρον σήμα υψηλής συχνότητας (f o ) δημιουργείται τοπικά στον πομπό από κύκλωμα αρμονικού ταλαντωτή. Οι αρμονικοί ταλαντωτές στις ραδιοεπικοινωνίες είναι δομημένοι με http//:users.sch.gr/kouvarakis 1

2 συντονιζόμενα κυκλώματα L C και τους συναντούμε με πολλές παραλλαγές. Η αρχή λειτουργίας των ταλαντωτών L-C στηρίζεται στην αυτοταλάντωση, την οποία υφίσταται ένα συντονιζόμενο κύκλωμα L-C, όταν διεγερθεί από ρεύμα Η αυτοταλάντωση εμφανίζεται σε συχνότητα: f o = 1/(2π LC) Ανεξάρτητα από τον τρόπο σχεδίασης του, ο αρμονικός ταλαντωτής χαρακτηρίζεται από τέσσερα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά: Τη συχνότητα λειτουργίας του (f o ). Είναι η συχνότητα του ημιτονικού σήματος στην έξοδο του ταλαντωτή. Την ακρίβεια της συχνότητάς του, δηλαδή από το αν η συχνότητα λειτουργίας του επηρεάζεται από εξωτερικούς μη ελεγχόμενους παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, η τάση τροφοδοσίας κλπ. Τη φασματική καθαρότητα του σήματος που δίνουν. Ο ιδανικός αρμονικός ταλαντωτής με απόλυτα ημιτονική έξοδο χαρακτηρίζεται από φάσμα σαν αυτό του σχήματος 5.2.4α. Στην πράξη το φάσμα ενός ταλαντωτή μοιάζει περισσότερο με αυτό του σχήματος 5.2.4β. Δηλαδή, ο ταλαντωτής λόγω θορύβου δε δίνει τέλειο ημιτονικό σήμα, αλλά ένα συνθετότερο, με Σχήμα 5.2.4: α) Φάσμα ιδανικού αρμονικού ταλαντωτή. β) Πραγματικό φάσμα Τη σταθερότητα του πλάτους του σήματος. Το πλάτος του σήματος του ταλαντωτή πρέπει να διατηρείται σταθερό και να μην εξαρτάται από εξωτερικές παραμέτρους, όπως αλλοιώσεις της τάσης τροφοδοσίας, βιομηχανικούς θορύβους, θερμοκρασία, γήρανση των εξαρτημάτων κλπ. http//:users.sch.gr/kouvarakis 2

3 3) Ποιος ταλαντωτής ονομάζεται VCO; Από τι χαρακτηρίζεται ένας ταλαντωτής VCO; Οι ρυθμιζόμενοι μηχανικά ταλαντωτές σήμερα τείνουν να αντικατασταθούν από τους ταλαντωτές, που η συχνότητα λειτουργίας τους ελέγχεται από ηλεκτρική τάση και φέρουν το όνομα VCO (Voltage Controlled Oscillators), (σχήμα 5.2.6). Σχήμα 5.2.6: α) Ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση (VCO). β) Η χαρακτηριστική λειτουργίας του. Ο ταλαντωτής VCO χαρακτηρίζεται από τη ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας του, τη γραμμικότητα και την κλίση k (Hz/V) της χαρακτηριστικής του f = f(s(t)) (όπου η τάση s(t) αντιπροσωπεύει το ωφέλιμο σήμα, σχήμα 5.2.6β). 4) Να σχεδιαστεί ένας βρόχος φάσης. Να σχολιαστούν τα διάφορα στάδια που υπάρχουν. 5) Τι είναι ο προγραμματιζόμενος συνθέτης (synthesizer)) συχνοτήτων; Η εμφάνιση των ταλαντωτών VCO έφερε πραγματική επανάσταση με τις διατάξεις σύνθεσης συχνότητας. Μια τέτοια διάταξη δίνεται στο σχήμα Πρόκειται ουσιαστικά για διάταξη αυτόματου ελέγχου (σύγκρισης) της φάσης του VCO η οποία είναι διαιρεμένη με τον αριθμό Ν με τη φάση ενός σήματος αναφοράς http//:users.sch.gr/kouvarakis 3

4 που προέρχεται από τοπικό ταλαντωτή αναφοράς με κρύσταλλο Χωρίς να μας απασχολεί ιδιαίτερα η μαθηματική ανάλυση του κυκλώματος κλειστού βρόχου (PLL: Phase Locked Loop), αποδεικνύεται ότι, από τη σύγκριση των φάσεων των σημάτων Α (αναφοράς) και Β (έξοδος του VCO), προκύπτει τάση σφάλματος ε(t) στην είσοδο του VCO, που τείνει να εξισώσει τις συχνότητες f αν και f vco /N, ώστε f αν = f vco /N, απ όπου: f vco = N. f αν (3) Με άλλα λόγια, στην έξοδο του ταλαντωτή VCO το σήμα έχει συχνότητα f vco = f o, η οποία είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της συχνότητας του ταλαντωτή αναφοράς. Διαθέτουμε, δηλαδή, ένα σύστημα προγραμματισμού της συχνότητας του φέροντος με κατάλληλη επιλογή του αριθμού Ν και βήμα (step) προγραμματισμού f αν. Οι διαιρέτες αυτού του είδους είναι κατάλληλα ψηφιακά κυκλώματα. Σήμερα εξάλλου βρίσκουμε στο εμπόριο κυκλώματα PLL και ως ολοκληρωμένα κυκλώματα. 6) Ποιο στάδιο ονομάζουμε διαμορφωτή; Διαμορφωτής (modulator) είναι η διάταξη (το κύκλωμα) με την οποία υλοποιείται η διαδικασία μιας συγκεκριμένης διαμόρφωσης. Τα χρησιμοποιούμενα στην πράξη κυκλώματα διαμόρφωσης ΑΜ είναι πολλά. Μπορούμε να τα κατατάξουμε σε δύο κατηγορίες: Κυκλώματα γραμμικά, που ουσιαστικά υλοποιούν τη διαδικασία της διαμόρφωσης ακριβώς όπως τη γνωρίσαμε στο τρίτο κεφάλαιο. Κυκλώματα μη γραμμικά. Εδώ η διαμόρφωση επιτυγχάνεται από την παραμόρφωση που εισάγει μια δίοδος ή ένα τρανζίστορ που εργάζεται σε τάξη C (διακοπτόμενο κύκλωμα), όταν διαρρέεται από ρεύμα. http//:users.sch.gr/kouvarakis 4

5 7) Να αναφερθούν κυκλώματα που χρησιμοποιούνται ως διαμορφωτές πλάτους. Κυκλώματα γραμμικά Εύκολα επιβεβαιώνουμε ότι: E(t) = [M o + s(t)]. sin(ω ο t) (4) Ο πολλαπλασιαστής δίνει στην έξοδο πάντοτε ως αποτέλεσμα το γινόμενο των τάσεων στις δύο εισόδους, δηλαδή: V εξ = p. V x. V y Ο συντελεστής πολλαπλασιασμού p μετριέται σε V -1 και χαρακτηρίζει τον πολλαπλασιαστή. Στο σχήμα θεωρήσαμε p=1 V -1. Μη γραμμικοί διαμορφωτές ΑΜ Στο σχήμα αποδίδεται ένας διαμορφωτής πλάτους με δίοδο, που λειτουργεί με διακοπτόμενο ρεύμα. Στην δίοδο εφαρμόζεται το άθροισμα του βασικού σηματος και του φέροντος που προέρχεται από τον ταλαντωτή: V(t) = s(t) + M(t) http//:users.sch.gr/kouvarakis 5

6 Το περιοδικό διακοπτόμενο ρεύμα που προκαλείται στη δίοδο έχει πλούσιο φασματικό περιεχόμενο, που μπορούμε να το προσδιορίσουμε μαθηματικά (ανάλυση Fourier). Αποδεικνύεται ότι σ αυτό το φασματικό περιεχόμενο υπάρχουν οι συμμετρικές φασματικές ακτίνες που συναντούμε στη διαμόρφωση ΑΜ (δηλαδή f o, f o + F και f o F). Αν με κατάλληλο φίλτρο επιλέξουμε το συγκεκριμένο τμήμα του φάσματος, στην έξοδο θα πάρουμε το διαμορφωμένο φέρον, όπως σημειώνεται στο σχήμα. 8) Να αναφερθούν κυκλώματα που χρησιμοποιούνται ως διαμορφωτές SSBsc. Η απλούστερη διάταξη για την υλοποίηση διαμόρφωσης SSB είναι αυτή του σχήματος Στηρίζεται στη δημιουργία, μέσω του πολλαπλασιαστή σήματος DSBsc και στη συνέχεια στην επιλογή της πάνω ή της κάτω φασματικής ζώνης με κατάλληλο φίλτρο. 9) Να σχεδιαστεί ένας διαμορφωτής SSBsc όπου αξιοποιούνται ολισθητές φάσης κατά π/2. http//:users.sch.gr/kouvarakis 6

7 10) Ποια διάταξη αξιοποιείται ως διαμορφωτής FM; Η πλήρης διάταξη του VCO με στοιχεία L-C και Varicap εμφανίζεται στο σχήμα Το στοιχείο που σημειώνεται στο σχήμα με τον όρο RFC είναι αποπνικτικό πηνίο και προφυλλάσσει τα κυκλώματα χαμηλής συχνότητας από την επίδραση της υψηλής συχνότητας του ταλαντωτή. Ο πυκνωτής C με τιμή C >> C v δεν υπεισέρχεται στον υπολογισμό της συχνότητας ταλάντωσης. Αν δεν υπήρχε ο πυκνωτής C, η τάση πόλωσης του Varicap θα γειωνόταν μέσω του πηνίου L. 11) Τι είναι δίοδος μεταβλητής χωρητικότητας και που χρησιμοποιείται; Πρόκειται για δίοδο ειδικής τεχνολογίας που, όταν είναι ανάστροφα πολωμένη (σχήμα ), συμπεριφέρεται ως χωρητικότητα (πυκνωτής) και η τιμή της εξαρτάται από την τιμή της τάσης πόλωσης. Έτσι, αν αλλάξουμε την ανάστροφη τάση πόλωσης της διόδου εφαρμόζοντας της αθροιστικά το βασικό σήμα s(t), η http//:users.sch.gr/kouvarakis 7

8 χωρητικότητα της μεταβάλλεται στο ρυθμό του σήματος. Αποτέλεσμα αυτού είναι ότι η συχνότητα του ταλαντωτή μεταβάλλεται στον ίδιο ρυθμό. Έχουμε, δηλαδή, διαμόρφωση συχνότητας και ο διαμορφωτής FM είναι ουσιαστικά ένας ταλαντωτής VCO 12) Ποια διεργασία ονομάζεται προέμφαση και γιατί χρησιμοποιείται; 13) Ποια διεργασία ονομάζεται αποέμφαση; 14) Να σχεδιαστεί το φίλτρο προέμφασης που χρησιμοποιείται στη ραδιοφωνία FM. Οι πειραματικές μετρήσεις έχουν δείξει ότι στο ακουστικό φάσμα οι υψηλές συχνότητες εμφανίζονται συνήθως με μικρό πλάτος. Ένα μουσικό όργανο, για παράδειγμα, όταν ηχεί, παράγει το βασικό ήχο και ήχους σε υψηλότερες αρμονικές με μικρότερο πλάτος. Η μοναδικότητα εξάλλου του ήχου του οργάνου είναι ακριβώς η σύνθεση αυτών των αρμονικών. Τα σήματα μικρού πλάτους και μεγαλύτερης συχνότητας δίνουν μικρό δείκτη διαμόρφωσης (σχέση 25, κεφ. 3) και κατά τη μετάδοση ενδεχομένως επισκιάζονται από το θόρυβο, που είναι ενοχλητικότερος στις υψηλές συχνότητες του ακουστικού φάσματος. Για να ξεπεράσουμε αυτό το πρόβλημα, στη ραδιοφωνία FM το σήμα διαμόρφωσης, πριν εφαρμοστεί στο διαμορφωτή/ταλαντωτή διέρχεται από κατάλληλο δικτύωμα (υψηλοπερατό φίλτρο) καιυφίσταται ενίσχυση των υψηλότερων συχνοτήτων του φάσματος. Αυτή η διεργασία περιγράφεται στην γραφική παράσταση του σχήματος α και είναι γνωστή με τον όρο προέμφαση ( pro-emphasis). (α) (β) Σχήμα : Φίλτρο προέμφασης στη διαμόρφωση FM. http//:users.sch.gr/kouvarakis 8

9 Διεθνώς τα όρια αυτής της διεργασίας έχουν οριοθετηθεί στις συχνότητες F 1 = 2,1 khz και 30 khz (το πάνω όριο των 30 khz είναι εκτός ακουστικού φάσματος) και η κλίση ενίσχυσης είναι 6 db/οκτάβα (Οκτάβα = διπλασιασμός της συχνότητας. Τα 6 db αντιστοιχούν σε διπλασιασμό της τάσης του σήματος). Το χρησιμοποιούμενο δικτύωμα φαίνεται στο σχήμα β. Στην πλευρά του δέκτη ένα χαμηλοπερατό φίλτρο (φίλτρο αποέμφασης) αποκαθιστά την αρχική φυσιογνωμία του σήματος. Η διαδικασία προέμφασης / αποέμφασης συνεισφέρει σημαντικά στην καλυτέρευση του λόγου σήματος / θόρυβο στην FM. 15) 16) 17) 18). ΕΚΤΟΣ ΥΛΗΣ 16) Τι ονομάζουμε στερεοφωνική διαμόρφωση (ή διαμόρφωση stereo); Η στερεοφωνική διαμόρφωση ή, όπως συνηθέστερα αποκαλείται, διαμόρφωση Stereo αφορά τη διαμόρφωση συχνότητας ενός φέροντος από δύο ανεξάρτητες πηγές ακουστικού σήματος. Στη συνέχεια συμβολίζουμε α(t) και δ(t) τα δύο ακουστικά σήματα, ως απλή υπενθύμιση ότι οι δύο πηγές (στην εφαρμογή της ραδιοφωνίας) είναι το αριστερό και δεξιό κανάλι ενός στερεοφωνικού ενισχυτή, μιας ορχήστρας (σχήμα 3.2.5) κλπ. Τα δύο ακουστικά σήματα καταλαμβάνουν την ίδια φασματική ζώνη από μερικά Hz έως 15 khζ 17) Να σχεδιαστεί το δομικό διάγραμμα του στερεοφωνικού κωδικοποιητή. Να σχολιαστεί η λειτουργία του. Αρχικά γίνεται μίξη των δύο σημάτων α(t) και δ(t) και δημιουργούνται δύο νέα σήματα: s 1 (t) = α(t) + δ(t) και s 2 (t) = α(t) δ(t) (18) Οι φασματικές ζώνες των δύο νέων σημάτων είναι ίδιες με αυτές των αρχικών. Με διαμόρφωση DSBsc ενός υποφέροντος σήματος 38 khz μετατοπίζεται η φασματική ζώνη του s 2 (t) και προκύπτει σήμα s 2 (t) (σχήμα 5.4.1, 5.4.2). http//:users.sch.gr/kouvarakis 9

10 Το αποτέλεσμα s(t) = s 1 (t) + s 2 (t) στην έξοδο του προσθετή είναι το σήμα διαμόρφωσης, το οποίο θα διαμορφώσει κατά συχνότητα το τελικό φέρον. 18) Να σχεδιαστεί το δομικό διάγραμμα του στερεοφωνικού αποκωδικοποιητή. Να σχολιαστεί η λειτουργία του. Στη λήψη μετά την αποδιαμόρφωση FM του φέροντος με κατάλληλα φίλτρα ζώνης θα διαχωριστούν τα σήματα s 1 (t) και s 2 (t) (σχήμα 5.4.3). To s 2 (t) θα υποστεί αποδιαμόρφωση DSB από όπου θα προκύψει το σήμα s 2 (t). Στη συνέχεια προσθέτοντας και αφαιρώντας τα σήματα s 1 (t) και s 2 (t), θα προκύψουν τα αρχικά σήματα α(t) και δ(t). Το τμήμα του δέκτη μέσα στη διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα ονομάζεται αποκωδικοποιητής stereo. http//:users.sch.gr/kouvarakis 10

11 19) Τι ονομάζουμε διαμόρφωση VSB; Να σχολιαστεί γιατί και πού χρησιμοποιείται; Η διαμόρφωση υποβαθμισμένης πλευρικής ζώνης, γνωστότερη με τον αγγλικό όρο VSB (Vestigial Side Band modulation), θεωρείται παράγωγη της κλασικής διαμόρφωσης ΑΜ με φέρον. Η φασματική φυσιογνωμία της διαμόρφωσης VSB αποδίδεται στο σχήμα 5.4.4α. Εφαρμόζεται στην περίπτωση που το σήμα διαμόρφωσης s(t) έχει ευρύ φάσμα που εκτείνεται από 0 Hz έως και μερικά MHz. Είναι η περίπτωση του φάσματος Video ή τηλεοπτικού φάσματος από 0 Ηz έως 5 ΜΗz με βάση τις θεσμοθετημένες διεθνώς προδιαγραφές. Διαμόρφωση ΑΜ θα απαιτούσε μεγάλο εύρος ζώνης (διπλάσιο, δηλαδή 10 MHz). Από την άλλη πλευρά είναι ουσιαστικά αδύνατη η αξιοποίηση διαμόρφωσης SSBsc Πράγματι, καθώς η συχνότητα του φέροντος είναι πολύ μεγάλη και οι πλευρικές ζώνες εφάπτονται μεταξύ τους, ο διαχωρισμός τους με φίλτρα είναι πρακτικά αδύνατος. Υιοθετήθηκε λοιπόν για τα τηλεοπτικά σήματα η διαμόρφωση VSB όπου το φασματικό αποτέλεσμα είναι η επιλογή της πάνω πλευρικής ζώνης και υποβαθμισμένου τμήματος της κάτω πλευρικής. Το φάσμα αυτό εξασφαλίζεται με ειδικό φίλτρο, σαν αυτό του σχήματος, γνωστού με το όνομα φίλτρο Νίκουιστ (Niquist). Παρατηρώντας το σχήμα διαπιστώνουμε ότι για τις συχνότητες f> f o + F N έχουμε ουσιαστικά διαμόρφωση SSB. Για τις συχνότητες f o F N < f < f o + F N η διαμόρφωση είναι διπλής ζώνης με άνισες πλευρικές, των οποίων το άθροισμα είναι σταθερό 22,23,24,25,26,27,28ΕΚΤΟΣ ΥΛΗΣ http//:users.sch.gr/kouvarakis 11