| 6.4.2. Rozhlasový příjem | |
Pokračujme nyní v našem popisu blokového schematu rozhlasového přijímače na obrázku 6.8.
obr 6.8.
Zastavili jsme se, abychom vysvětlili princip směšování. Co tedy vlastně v přijímači směšujeme s čím. Předzesílený signál (napětí) z antény se signálem (napětím) z lokálního, místního, 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 fN, bude lokální oscilátor kmitat na kmitočtu
f0=fN+fmf,
kde jsme označili symbolem fmf rozdíl obou kmitočtů. Rozdíl obou kmitočtů není tedy závislý na fN a je pro celé laděné pásmo konstantní. Kmitočtu fmf se říká mezifrekvenční kmitočet (mezifrekvence, anglicky intermediate frequency, IF). Obvykle bývají přijímače konstruovány tak, že pro dlouhé, střední a krátké vlny mají stejný kmitočet fmf (většinou 455kHz), pro VKV se používá vyšší mezifrekvenční kmitočet (většinou 10,7 MHz). Jako nelineární prvek na kterém probíhá směšování se obvykle používá tranzistor, neboť vstupní charakteristika tranzistoru je velmi podobná nelineární charakteristice diody v propustném směru. Často se používá tzv. kmitajícího směšovače, kdy tentýž tranzistor, na kterém probíhá směšování, funguje rovněž jako oscilátor.
Smícháním signálu z předzesilovače se signálem lokálního oscilátoru vznikne směs kmitočtů (viz výše rozbor směšování), které se dále zesilují tzv. mezifrekvenčním zesilovačem. Mezifrekvenční zesilovač je zesilovač konstruovaný tak, aby zesílil jen signály s kmitočty ležícími v úzkém pásmu kmitočtů v okolí mezifrekvenčního kmitočtu; ostatní signály potlačí, viz obrázek 6.9 (zisk je udán v dB).
obr. 6.9.
Šířka pásma přenosu mezifrekvenčního zesilovače je rovna šířce spektra amplitudově modulovaného signálu. Je-li tedy D f maximální modulační kmitočet (pro AM rozhlasový přenos asi 6 kHz), je šířka pásma přenosu mezifrekvenčního zesilovače rovna 2D f, tedy jsou zesilovány jen signály s kmitočty ležícími v pásmu od fmf - D f do fmf + D f. Na toto pásmo kmitočtů je mezifrekvenční zesilovač naladěn pevně u výrobce. Na místě obvodů určujících selektivitu zesilovače se užívají jednak rezonanční obvody LC, jednak tzv. piezokeramické filtry (to jsou 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.
Na místě demodulátoru se pro AM téměř výhradně používá jednoduchý diodový detektor popsaný v odstavci o metodách demodulace. Pro frekvenčně modulovaný signál se obvykle používá poměrového detektoru. Za demodulátorem v rozhlasovém přijímači následuje již jen regulátor hlasitosti, tvořený většinou jednoduchým potenciometrem s logaritmickým průběhem odporu na úhlu otočení a nízkofrekvenční zesilovač, který má na výstupu zapojený reproduktor. Regulaci hlasitosti bychom teoreticky mohli provádět na jakémkoli stupni, kde dochází k zesílení signálu. Proč se tedy reguluje ručně hlasitost právě za demodulátorem? Je to proto, že amplituda demodulovaného napětí je měřítkem jakosti (velikosti) signálu z antény. Podle výkonu a vzdálenosti vysílače může signál z antény amplitudu v rozsahu několika řádů a to by obsluhu přijímače značně komplikovalo, neboť bychom při přelaďování museli současně obsluhovat i knoflík hlasitosti. Proto jsou všechny přijímače vybaveny obvody automatického vyrovnávání citlivosti, AVC (z anglického automatic volume control). Doslovný překlad anglického výrazu je automatické řízení hlasitosti. AVC pracuje tak, že pomocí RC integračního filtru zintegruje napětí na výstupu demodulátoru tak, že výstupní napětí z tohoto filtru je úměrné amplitudě signálu po demodulaci. Typické schema tohoto obvodu je na obrázku 6.10.
obr. 6.10.
Časová konstanta RC filtru je volena tak, aby byla podstatně delší, než perioda nejnižší modulační frekvence (to je cca 100 Hz, tedy perioda 10 ms; časová kostanta na obrázku 6.10. je 10krát větší, tedy 100 ms). Napětí na výstupu filtru tedy není schopno sledovat změny modulačního napětí, ale pomalé změny amplitudy, vzniklé např. přelaďováním nebo změnou příjmových podmínek, sleduje. Toto napětí se pak vede do vysokofrekvenčního předzesilovače a prvního stupně mezifrekvenčního zesilovače. Oba zesilovače jsou konstruovány tak, aby se jejich zesílení mohlo, v určitých mezích, měnit pomocí přivedeného napětí. Regulace je nastavena tak, že i při měnící se amplitudě signálu z antény zůstává amplituda napětí na výstupu demodulátoru prakticky konstantní. Obecnější název pro stejný princip je automatické řízení zesílení, AGC (automatic gain control).
Stereofonní vysílání a příjem
Příjem stereofonního signálu v pásmu FM je dnes naprosto běžnou součástí přijímače. Popis principu stereofonního vysílání by podle mého názoru měl patřit mezi vybavení fyzikáře na gymnaziu. Takže do toho. Stereofonní vysílání znamená vysílání dvou prakticky nezávislých informací v témže 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 probírání impulsní modulace jsme hovořili o časovém multiplexu, TDM (time division multiplexing). Při přenosu stereofonního signálu se používá druhá metoda, frekvenční multiplex, FDM (frequency division multiplexing). FDM spočívá v tom, že si danou šířku přenosového média rozdělím na intervaly a v každém z těchto intervalů přenáším jinou informaci. Vhodnou metodou pro tyto účely je amplitudová modulace, která ”zabírá” relativně malou šířku pásma. 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 byla disjunktní se šířkou pásma signálu L + R. Sledujme obrázek 6.11., který nám představuje rozložení signálů na ose frekvencí. 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. Celkové rozložení výkonu do spektra modulované nosné je takové, že nepřesáhne šířku kanálu předepsanou pro jeden vysílač FM s monofonním vysíláním (tedy zhruba uvedených 250 kHz).
obr. 6.11.
Příjem stereofonního signálu probíhá stejně jako u monofonního až po demodulaci. Demodulací získáme opět kompozitní signál s kmitočtovým spektrem uvedeným na obrázku 6.11. Monofonní přijímač zpracuje pouze část se spektrem do 15 kHz, ostatní signál nezpracuje.
obr. 6.12.
Stereofonní přijímač obsahuje dále filtry, které kompozitní signál rozdělí, podle frekvenčních pásem, která zabírají, na tři signály, viz obrázek 6.12. 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 na principu synchronní detekce a získáme tak demodulovaný signál L -vR. 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.
