Rádiové vysílání

Jak vypadá rozhlasový a televizní přijímač uvnitř? Z čeho se skládá a proč?

Vstupním signálem obou přijímačů je modulovaný signál nosné vlny z vysílače. V současné době se jedná převážně o analogově modulovaný signál, u rozhlasového vysílání je to amplitudová modulace v pásmu dlouhých, středních a krátkých vln (DV, SV, KV, angl. LW, MW, SW) a frekvenční modulace v pásmu velmi krátkých vln (VKV, v angličtině se pro označení tohoto pásma spíše používá označení FM, které se vztahuje k druhu modulace a nikoliv k délce vlny). U televizního přenosu je to amplitudová modulace pro obrazový signál a frekvenční modulace pro zvukový signál, u přenosu televizního signálu z družic se používá FM i pro obrazový signál.

Přijímač musí se signálem z antény provést následující operace:
(1) vybrat nosný kmitočet požadované stanice,
(2) zesílit signál vybrané nosné vlny,
(3) demodulovat zesílený signál, tj. získat z něj původní informaci,
(4) zesílit signál z demodulátoru.

V rozhlasovém přijímači zesílený signál uvádí do pohybu membránu reproduktoru a reprodukuje tak vysílaný zvuk, u televizního přijímače zesílený videosignál ovládá okamžitou intenzitu jasu paprsku obrazovky.

Signál z antény má typickou úroveň od několika mikrovoltů (velmi slabý signál) do jednotek milivoltů. Pro diodový detektor ¤ je třeba signálu o amplitudě okolo 2 voltů. Z toho plyne, že v přijímači musíme před detekcí signál zesílit 10³-10⁵ krát.

Prakticky všechny přijímače v současnosti (včetně přijímačů družicového signálu) pracují na principu superheterodynu. V přijímači je lokální oscilátor, směšovač a tzv. mezifrekvenční zesilovač. To je zesilovač zesilovač laděný na pásmo kmitočtů v okolí tzv. mezifrekvence. Přijímaný modulovaný signál se předzesílí a ve směšovači se vytvoří rozdílový kmitočet mezi frekvencí lokálního oscilátoru a přijímaným kmitočtem. Lokální oscilátor je laděn souběžně se vstupním zesilovačem tak, aby kmital vždy o mezifrekvenční kmitočet výše než je signál nosné vlny, na kterou je přijímač naladěn. Rozdílový kmitočet zůstává tedy při ladění konstantní a v mezifrekvenčním zesilovači se mohou nastavit obvody zajišťující selektivitu tak, aby byla co nejlepší. Bez superheterodynního principu bychom museli celý několikastupňový zesilovač (zesílení 10⁵ nelze dosáhnout v jediném stupni, obvyklé zesílení jednoho stupně je okolo 10) při změně přijímané stanice přeladit, což by bylo prakticky nemožné.

Schéma rozhlasového přijímače AM

Signál z antény je nejprve zesilován vysokofrekvenčním předzesilovačem, který je jen velmi jednoduše laděný, takže jeho selektivita je malá. Tento stupeň není pro práci přijímače nezbytný a v některých přijímačích není použit.

Podstatnou částí přijímače je směšovač, do kterého se signál dostává po předzesílení (pokud chybí vysokofrekvenční předzesilovač, je řazen hned za anténou). Ve směšovači se signál z antény směšuje se signálem místního (lokálního) oscilátoru.

Místní oscilátor je generátor signálu harmonického průběhu o kmitočtu, který ladíme souběžně s laděním vysokofrekvenčního předzesilovače a to tak, aby kmitočet lokálního oscilátoru byl v celém pásmu ladění o konstantní hodnotu vyšší, než je kmitočet, na který je naladěn vstupní vysokofrekvenční předzesilovač. Přijímáme-li tedy vysílač, jehož nosný kmitočet má hodnotu f_N, bude lokální oscilátor kmitat na kmitočtu f₀= f_N+ f_mf, kde f_mf je mezifrekvenční kmitočet (mezifrekvence). Není závislý na f_N a je pro celé laděné pásmo konstantní. Ladí se změnou kapacity v kmitavém LC obvodu. Místo kondenzátorů se dnes používají varicapy ¤.

Obvykle bývají přijímače konstruovány tak, že pro dlouhé, střední a krátké vlny mají stejný kmitočet f_mf (většinou 455 kHz), pro VKV se používá vyšší mezifrekvenční kmitočet (většinou 10,7 MHz).

Smícháním signálu z předzesilovače se signálem lokálního oscilátoru vznikne směs kmitočtů , které se dále zesilují mezifrekvenčním zesilovačem. Ten zesiluje jen signály s kmitočty ležícími v úzkém pásmu kmitočtů v okolí mezifrekvenčního kmitočtu; ostatní signály potlačí, viz obr. 2. Konkrétně je-li tedy Df maximální modulační kmitočet (pro AM rozhlasový přenos asi 6 kHz), jsou zesilovány jen signály s kmitočty ležícími v pásmu od f_mf - D f do f_mf + D f. Na toto pásmo kmitočtů je mezifrekvenční zesilovač naladěn pevně u výrobce.

Na místě obvodů určujících selektivitu zesilovače se užívají rezonanční obvody LC nebo piezokeramické filtry (součástky pracující na principu mechanické rezonance výbrusu z piezoelektrického materiálu, neobsahují ani indukčnosti ani kapacity a nemusí se při výrobě dolaďovat). Mezifrekvenční zesilovač u přijímačů pro AM i FM je konstruován tak, že má dvě pásma propustnosti, jedno v okolí 455 kHz, jedno v okolí 10,7 MHz. Mezifrekvenčním zesilovačem zesílíme signál na hodnotu cca 1-2 volty, což je úroveň vhodná pro následující demodulaci.

obr. 2

Za demodulátorem v rozhlasovém přijímači následuje již jen regulátor hlasitosti, tvořený většinou jednoduchým potenciometrem. Regulaci hlasitosti bychom teoreticky mohli provádět na jakémkoli stupni, kde dochází k zesílení signálu. Proč se tedy reguluje ručně hlasitost právě za demodulátorem? Odpověď... ¤

Stereofonní vysílání a příjem

Stereofonní vysílání znamená vysílání dvou prakticky nezávislých informací v tomtéž přenosovém kanálu (kanálem nazýváme pásmo frekvencí přidělené vysílači pro jeho provoz). Těmito dvěma informacemi jsou signály získané při snímání zvukových efektů dvěma směrově citlivými mikrofony a mají u posluchače simulovat dojem přítomnosti u zvukového efektu, např. v koncertní síni. Stereo efekt je založen na tom, že při přítomnosti posluchače u plošného zdroje zvuku, jakým je např. filharmonické těleso, slyší levé ucho poněkud jiný signál než pravé a sloučením těchto vjemů v mozku vzniká prostorový dojem.

Vysílat a přijímat stereofonně přináší jednu velkou komplikaci a tou je slučitelnost (kompatibilita) s monofonním vysíláním. Nelze totiž souhlasit s tím, aby majitel monofonního přijímače slyšel ze stereofonního vysílání jenom jeden kanál, tj. např. zvuk jen z jedné strany koncertního tělesa. Je proto potřeba zařídit stereo vysílání tak, aby ve vysílaném signálu byl přítomen obvyklý monofonní signál a navíc další informace, která umožní rekonstrukci obou stereofonních signálů. Tomuto postupu, tj. systému, při kterém se jedním přenosovým kanálem přenáší více informací, říkáme multiplexování. Při přenosu stereofonního signálu se používá frekvenční multiplex, FDM. Spočívá v tom, že si danou šířku pásma rozdělím na intervaly a v každém z těchto intervalů přenáším jinou informaci. Při rozhlasovém přenosu FM (na AM se stereo nevysílá) je šířka pásma našeho média dána předepsanou šířkou pásma kanálu pro jeden vysílač FM, což je asi 250 kHz.

Označme si signál levého mikrofonu písmenem L a pravého písmenem R. Při monofonním vysílání se vysílá součet obou signálů tedy L + R a tedy i stereofonní signál musí v první řadě obsahovat signál L + R. Monofonní přijímač dekóduje tento signál a reprodukuje jej v jediném reproduktoru. To je tedy kompatibilita s monofonním vysíláním.

Stereofonní vysílaný signál však může obsahovat ještě ”něco navíc”, pokud toto ”něco navíc” nebude škodit monofonnímu příjmu. Stereofonní přijímač pak z této dodatečné informace spolu s informací L + R vytvoří dva oddělené signály a bude je reprodukovat ve dvou reproduktorech, jeden nalevo od posluchače a druhý napravo. Aby rekonstrukce signálu byla jednoduchá, bylo rozhodnuto, že dalším signálem bude signál reprezentující rozdíl napětí pro levý a pravý kanál, tedy L - R. Tento signál je třeba přenést současně se signálem L + R.

Abychom mohli přenášet najednou dvě různé informace, použijeme frekvenční multiplex FDM, tedy ”posuneme” signál L - R na frekvenční ose tak, aby celá jeho šířka pásma se nekryla se šířkou pásma signálu L + R (viz obr. 3).

Signál L + R, tj. zvukový signál dobré kvality má šířku pásma od cca 50 Hz do 15 kHz. Bylo rozhodnuto, že se signál L - R posune po frekvenční ose tím, že se amplitudově namoduluje na kmitočet 38 kHz; tomuto kmitočtu říkáme subnosný kmitočet. Modulace se provádí s potlačenou nosnou vlnou a zabírá pásmo od 38-15 = 23 kHz do 38+15 = 53 kHz. Nosný kmitočet se potlačuje proto, aby netvořil ve spektru složeného signálu významný kmitočet, který by pak ovlivňoval šířku postranních pásem při kmitočtové modulaci. Místo nosného kmitočtu se vysílá s relativně malou amplitudou a ve frekvenčním pásmu, které není obsazeno signálem, polovina subnosného kmitočtu, (přesněji harmonický signál, jehož frekvenci získáme vydělením subnosného kmitočtu dvěma) tedy 19 kHz, který nazýváme pilotním kmitočtem. Pilotní kmitočet nese informace o okamžité fázi subnosného kmitočtu, avšak má relativně malou amplitudu a proto neovlivňuje podstatně šířku postranních pásem při kmitočtové modulaci. Takto vzniklý signál se nazývá kompozitním signálem.

Kompozitní signál se celý namoduluje frekvenčně na nosný kmitočet a vyšle se do prostoru.

Příjem stereofonního signálu probíhá stejně jako u monofonního až po demodulaci. Demodulací získáme opět kompozitní signál s kmitočtovým spektrem uvedeným na obrázku 3 ¤. Monofonní přijímač zpracuje pouze část se spektrem do 15 kHz, ostatní signál nezpracuje.

Stereofonní přijímač obsahuje dále filtry, které kompozitní signál rozdělí, podle frekvenčních pásem, která zabírají, na tři signály, viz obr. 4.

Těmito třemi signály jsou L + R nemodulovaný signál 50Hz-15kHz, pilotní signál 19 kHz a amplitudově modulovaný signál L - R se šířkou pásma od 23 do 53 kHz. Signál L - R je třeba nejprve demodulovat. K tomu potřebujeme původní nosný kmitočet 38kHz, který získáme zdvojením pilotního kmitočtu pomocí fázového závěsu ¤. Amplitudově modulovaný signál pak demodulujeme a získáme tak signál L -R.

Nyní je třeba již jen ze signálů L - R a L + R vytvořit opět signály L a R. To se děje pomocí tzv. maticových obvodů, v nichž dojde k sečtení a odečtení signálů L + R a L - R. Sečtením získáme signál 2L, odečtením signál 2R. Každý signál je dále zesílen svým vlastním audiozesilovačem a putuje do svého reproduktoru.

Televizní vysílání a příjem

Přenos ”pohyblivého” obrazu na dálku je založen na stejném principu jako kinematografie, tedy na rychlém střídání jednotlivých obrázků, které se jen málo liší. Lidské oko má totiž jistou setrvačnost, tj. schopnost ”pamatovat” si po dobu 30-100 ms obraz na sítnici. V kině se promítá 24 obrázků za sekundu tak, že každý obrázek je prosvětlen dvakrát, oko tedy vnímá 48 vjemů za sekundu. Na jeden zrakový vjem tedy připadá cca 21 ms. Při tomto kmitočtu střídání zrakových vjemů oko prakticky nezpozoruje změny v intenzitě světla způsobené střídáním světla a tmy (objektivně vzato má intenzita světla prakticky obdélníkový průběh, vždy po dobu řádově 10 milisekund plátno není vůbec osvětleno).

Promítání filmového pásu má před přenosem obrazu na dálku jednu velkou výhodu - celý obrázek se na plátno promítá najednou. To nelze při přenosu na dálku zabezpečit - museli bychom informaci o jasu, případně barvě každého obrazového bodu přenášet zvláštním informačním kanálem. Při přenosu na dálku máme, podobně jako u rozhlasového přenosu, k dispozici jeden přenosový kanál, který je ekvivalentní jednomu páru vodičů. Musíme proto informaci o jasu každého obrazového bodu vysílat sériově ("za sebou"). V tomtéž okamžiku lze do přenosového kanálu ještě ”vtěsnat” i informaci o barvě obrazového bodu, informaci o jednotlivých obrazových bodech však musíme vysílat za sebou.

Je zřejmé, že čím více obrazových bodů bude třeba na přenos jednoho obrázku, tím větší šířku pásma bude signál obrazové informace (zkráceně obrazový signál) zabírat. Základní informací pro rozhodnutí, na kolik ”obrazových bodů” obrázek rozložit, je rozlišovací schopnost lidského oka a běžná vzdálenost pozorování obrazu na obrazovce. Obraz se rozkládá na řádky, které obsahují jednotlivé obrazové body. Základním číslem je počet řádek, na které se budoucí obraz na obrazovce bude rozkládat - je jich 625 (pro zajímavost, k tomu, abychom se přiblížili rozlišení obrazu na kinematografickém plátně, potřebovali bychom minimálně dvojnásobný počet řádek. V současné době se konají intenzívní pokusy s tzv. HDTV, televizním systémem s vysokým rozlišením, který má mít, alespoň podle evropského návrhu, 1250 řádek).

Vzájemný poměr stran televizní obrazovky je šířka:výška = 4:3 (v současné době jsou moderní televizory ”wide” s poměrem stran 16:9). Aby bylo rozlišení ve vodorovném směru stejné jako ve svislém směru, je počet obrazových bodů na řádek 4/3.625=832. Frekvence výměny obrázků byla stanovena na 50 Hz původně z důvodu synchronizace se síťovým kmitočtem; dnes jsou ale již obě frekvence od sebe odděleny.

Z uvedených čísel je již možné spočítat šířku pásma obrazového signálu. Za předpokladu, že 1 perioda obrazového signálu tvoří 2 obrazové body (v minimu signálu je obrazový bod světlý, v maximu tmavý) bude za jednu sekundu potřeba 416 period na jeden řádek, 625 řádků na jeden obrázek a obrázků je 50 za sekundu. Vynásobením těchto tří čísel dostáváme hodnotu cca 13.10⁶ s^-1, tedy maximální frekvence takto tvořeného obrazového signálu (a tedy také šířka pásma) by byla 13 MHz. Takováto šířka pásma by kladla příliš velké nároky na šířku přenosového kanálu a byla proto snížena na polovinu zavedením tzv. prokládaného řádkování.

Obrázek se kreslí nejprve z lichých řádků (říká se mu půlsnímek, protože obsahuje informaci jen o polovině obrázku), pak se elektronový paprsek vrátí na začátek obrazovky a kreslí druhou polovinu obrázku, tedy sudé řádky, a to přesně do mezery mezi lichými řádky. Při návratu zespoda na vršek obrazovky je elektronový paprsek zatemněn, a podobně při kreslení jednotlivých řádků se elektronový paprsek zatemňuje, běží-li zprava nalevo (řádky se kreslí zleva doprava). Signál potřebný pro zatemňování zpětných běhů při kreslení řádků a půlsnímků musíme ovšem do obrazového signálu dodat; nazývá se zatemňovací směs. Zavedením prokládaného řádkování snížíme šířku pásma obrazového signálu na polovinu, tj. na 6,5 MHz.

Rozklad obrazu na jednotlivé řádky v televizní kameře a jeho opětovné nakreslení na televizní obrazovce musí probíhat naprosto synchronně, jinak by obraz na přijímači nebyl stabilní (jistě jste viděli televizní obraz rozpadnutý na pruhy, nebo beznadějně putující po obrazovce nahoru nebo dolů; to první je špatná synchronizace řádků, to druhé půlsnímků). Proto je nutné společně s obrazovou informací vysílat ještě časovou informaci o začátku každého řádku a o začátku každého půlsnímku. To se děje pomocí synchronizačních impulsů řádek a synchronizačních impulsů půlsnímků, které se rovněž začlení do obrazového signálu (časově do dob, kdy se elektronový paprsek zatemňuje a amplitudově do rozsahu, který je na obrazovce vnímán jako černá barva, takže obrázku na obrazovce nevadí).

Komplexu synchronizačních řádkových a půlsnímkových impulsů se říká synchronizační směs. Obrazový signál opatřený zatemňovací a synchronizační směsí nazýváme úplným (černobílým) televizním signálem.

Úplný televizní signál namodulujeme amplitudově na nosnou vlnu a přeneseme k anténě přijímače. Spektrum přenášeného signálu vidíme na obr. 5.

Amplitudová modulace vytvoří dvě postranní pásma, spodní a horní, celkově by tedy přenos jednoho televizního programu zabíral 13 MHz. Pro zúžení tohoto frekvenčního pásma se přenos provádí s částečně potlačeným jedním postranním pásmem tak, že celková šířka jednoho kanálu je 8 MHz. Zvukový doprovod zabírá v tomto pásmu jen zcela zanedbatelnou šířku, a to přesto, že je přenášen frekvenční modulací. Nosný kmitočet zvuku je vyšší než nosný kmitočet obrazu a má od něj odstup 6,5 MHz.

Šířku kanálu a odstup nosné zvuku od nosné obrazu předepisuje televizní norma. Popsané uspořádání je tzv. norma OIRT (západoevropská, u nás na těch vysílačích, které vysílají v barevném systému PAL). Kromě ní existuje ještě norma CCIR (východoevropská, u nás jen na vysílačích, které ještě vysílají v barevném systému SECAM), u které je kanál užší (7 MHz) a odstup nosné zvuku od nosné obrazu 5,5 MHz. Pro příjem v našich podmínkách je proto třeba tzv. vícenormový televizor, který automaticky normu vysílání rozliší a přizpůsobí se jí.

Televizní přijímač je velmi podobný rozhlasovému až po demodulátor. Jediný rozdíl je v tom, že zvukový a obrazový signál se demodulují odděleně. Mezifrekvenční kmitočet obrazu je v normě OIRT 38 MHz, z čehož plyne, že mezifrekvenční kmitočet zvuku je 31,5 MHz (kmitočty se odečítají od kmitočtu oscilátoru, takže vyšší nosný kmitočet zvuku znamená nižší mezifrekvenční kmitočet). Zesílení v mezifrekvenčním zesilovači je v řádu 5000. Nejmenší signál z antény, který je přijímač schopen zpracovat (zašuměný, ale zasynchronizovaný obraz) je cca 50m V, tj. cca o řád vyšší, než u rozhlasového příjmu.

Demodulovaný obrazový signál obsahuje synchronizační směs, kterou je třeba oddělit od obrazového signálu a použít k synchronizaci generátorů řádkového a snímkového rozkladu. Obrazový signál po svém dalším zesílení v obrazovém zesilovači na amplitudu řádově 100 V slouží k jasové modulaci elektronového paprsku obrazovky (připojuje se mezi katodu obrazovky a tzv. Wehneltův válec ¤, který u obrazovky nahrazuje řídicí mřížku). Synchronizované výstupy z generátorů řádkového a snímkového rozkladu se přivádějí na dva páry (horizontální a vertikální) vychylovacích cívek ¤, které způsobují magneticky vychylování elektronového paprsku. Běžný vychylovací úhel je v současné době 120° u černobílých obrazovek a 90° u barevných obrazovek.

Kromě signálových obvodů potřebuje každý přístroj a tedy i televizní přijímač napájecí obvody. Ty zajišťují mimo jiné rovněž napájení obrazovky včetně urychlujícího napětí pro elektronový paprsek na energii potřebnou k tomu, aby se luminofor na vnitřní straně stínítka při dopadu paprsku rozsvítil (toto napětí se nemoduluje obrazovým signálem, prostě jen urychluje ty elektrony, kterým Wehneltův válec ”dovolí” proletět). Kromě žhavení a urychlujícího napětí ¤, které je v řádu 10kV, potřebuje obrazovka několik napětí na tzv. fokusační elektrody ¤. Napětí na těchto elektrodách vytváří elektrické pole vhodného tvaru, který fokusuje (zaostřuje) elektronový svazek vycházející z katody (po jeho intenzitní modulaci obrazovým signálem). Zvukový signál se po demodulaci (zpravidla poměrovým detektorem ¤) zesiluje v audio zesilovači podobně jako v rozhlasovém přijímači. Stejným způsobem jako v rozhlasovém přijímači se zajišťuje automatické vyrovnávání citlivosti, AVC, pouze řídicí signál se odvozuje od amplitudy obrazového signálu po jeho demodulaci. Účinnost AVC je pozoruhodná, při tisícinásobné změně vstupního napětí do mezifrekvenčního zesilovače se výstupní napětí obrazového zesilovače mění jen 1,4krát.

Rozhlasový a televizní příjem

Schéma rozhlasového přijímače AM

Stereofonní vysílání a příjem

Televizní vysílání a příjem