Συστήματα εκπομπής Το φέρον σήμα υψηλής συχνότητας (f o ) δημιουργείται τοπικά στον πομπό από κύκλωμα αρμονικού (ημιτονικού) ταλαντωτή. Η αρχή λειτουργίας των ταλαντωτών L-C στηρίζεται στην αυτοταλάντωση, την οποία υφίσταται ένα συντονιζόμενο κύκλωμα L-C, όταν διεγερθεί από ρεύμα (σχήμα 5.2.1). Η αυτοταλάντωση εμφανίζεται σε συχνότητα: f o = 1/(2π LC) (1) και υφίσταται απόσβεση, λόγω των ωμικών απωλειών του κυκλώματος (ωμική αντίσταση της επαγωγής). Σχήμα 5.2.1: Η αυτοταλάντωση ενός κυκλώματος L-C Η απόσβεση χαρακτηρίζει έμμεσα την ποιότητα του κυκλώματος, που εκφράζεται από το συντελεστή ποιότητας Q = (2πf o L)/r, (2) όπου r η ωμική αντίσταση της επαγωγής. Αν με κάποιο τρόπο το κύκλωμα επανατροφοδοτείται συνεχώς με ενέργεια, αντισταθμίζονται οι απώλειες και δημιουργούνται ταλαντώσεις που συντηρούνται (δεν υφίστανται απόσβεση). Το αποτέλεσμα αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενισχυτή με τρανζίστορ. Το τρανζίστορ ενισχύει μέρος της ενεργειας του κυκλώματος L-C και το ανατροφοδοτεί (θετική ανάδραση) σε κάθε κύκλο λειτουργίας 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.
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. 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. Σημαντικό είναι επίσης η τάση εξόδου του ταλαντωτή να μην επηρεάζεται από το ρεύμα που θα πρέπει να δώσει στο στάδιο (φόρτος) που ακολουθεί. Γι αυτό το λόγο η σωστή αξιοποίηση του ταλαντωτή επιβάλλει τη χρησιμοποίηση στην έξοδο του κυκλώματος ακολούθου τάσης (ενισχυτή με κέρδος τάσης 1), που έχει άπειρη αντίσταση εισόδου και ζητάει μηδαμινό ρεύμα από τον ταλαντωτή (σχήμα 5.2.5). Σχήμα 5.2.5: Ταλαντωτής με κύκλωμα εξόδου ακόλουθο τάσης Οι ρυθμιζόμενοι μηχανικά ταλαντωτές σήμερα τείνουν να αντικατασταθούν από τους τ και φέρουν το όνομα VCO. Ο ταλαντωτής VCO(Voltage Controlled Oscillators- Ταλαντωτής, που η συχνότητα λειτουργίας του ελέγχεται από ηλεκτρική τάση ) 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. 2
Το PLL (Phase Locked Loop) 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 που προέρχεται από τοπικό ταλαντωτή αναφοράς με κρύσταλλο. 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. 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.
Διαμορφωτές συχνότητας Στη διαμόρφωση FM ο διαμορφωτής ταυτίζεται με τον ταλαντωτή που παράγει τη φέρουσα συχνότητα. Συνήθως σε ένα ταλαντωτή L-C ο πυκνωτής C, που η τιμή του προσδιορίζει την συχνότητα ταλάντωσης, αντικαθίσταται μερικώς από ένα νέο στοιχείο, γνωστό ως δίοδος μεταβλητής χωρητικότητας ή δίοδος Varicap. Πρόκειται για δίοδο ειδικής τεχνολογίας που, όταν είναι ανάστροφα πολωμένη, 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 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 Η πλήρης διάταξη του VCO με στοιχεία L-C και Varicap εμφανίζεται στο σχήμα 5.3.13. 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. Στο σχήμα 5.3.14 φαίνεται ο βρόχος PLL με ενσωματωμένο ένα στάδιο προσθετή, που επιτρέπει τη διαμόρφωση συχνότητας του VCO. Αν δεν εφαρμόζεται σήμα διαμόρφωσης s(t), τότε η τάση σφάλματος ε(t) απλά σταθεροποιεί τη συχνότητα του VCO στην τιμή: f o =Nf α Όταν εφαρμόζουμε σήμα διαμόρφωσης s(t), τότε η συχνότητα του VCO δίνεται από τη σχέση: f(t) = f o + k. s(t) = N. f α + k. s(t) 4
Φίλτρο προέμφασης: Οι πειραματικές μετρήσεις έχουν δείξει ότι στο ακουστικό φάσμα οι υψηλές συχνότητες εμφανίζονται συνήθως με μικρό πλάτος. Τα σήματα μικρού πλάτους και μεγαλύτερης συχνότητας δίνουν μικρό δείκτη διαμόρφωσης 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) και υφίσταται ενίσχυση των υψηλότερων συχνοτήτων του φάσματος. Αυτή η διεργασία περιγράφεται στην γραφική παράσταση του σχήματος 5.3.15α και είναι γνωστή με τον όρο προέμφαση ( pro-emphasis). (α) (β) Σχήμα 5.3.15: Φίλτρο προέμφασης στη διαμόρφωση FM. 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 5.3.15β. 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 (σχήμα 3.2.5). Τα δύο ακουστικά σήματα καταλαμβάνουν την ίδια φασματική ζώνη από μερικά Hz έως 15 khz. Η διάταξη φαίνεται στο σχήμα 5.4.1. Αρχικά γίνεται μίξη των δύο σημάτων α(t) και δ(t) και δημιουργούνται δύο νέα σήματα: s 1 (t)=α(t)+δ(t) s 2 (t)=α(t) δ(t) 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).
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. Η φασματική φυσιογνωμία όλων των σημάτων διαδοχικά αποδίδεται στο σχήμα 5.4.2. Για να διευκολυνθεί η διαδικασία αποδιαμόρφωσης και επαναπροσδιορισμού των αρχικών σημάτων α(t) και δ(t) στο δέκτη, στο φάσμα του σήματος s(t) ενσωματώνεται και φασματική ακτίνα 19 khz (από την οποία δημιουργήθηκε το υποφέρον των 38 khz). Στο δέκτη η συχνότητα 19 khz θα χρησιμοποιηθεί ως αναφορά για την αναγέννηση του υποφέροντος των 38 khz, που είναι απαραίτητο για την αποδιαμόρφωση DSB. Η διάταξη αυτή ονομάζεται στερεοφωνικός κωδικοποιητής ή απλά κωδικοποιητής stereo. 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 5.4.3 ονομάζεται αποκωδικοποιητής stereo. Η διαμόρφωση υποβαθμισμένης πλευρικής ζώνης, γνωστότερη με τον αγγλικό όρο VSB (Vestigial Side Band modulation), θεωρείται παράγωγη της κλασικής διαμόρφωσης ΑΜ με φέρον. 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). Από την άλλη πλευρά είναι ουσιαστικά αδύνατη η αξιοποίηση διαμόρφωσης SSBsc. 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, γνωστού με το όνομα φίλτρο Νίκουιστ (Niquist 6