Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Moderné riešenie komunikačného prijímača pre pásmo 140 – 145 MHz

Peter Kuzmík

2OO7

ii

Moderné riešenie komunikačného prijímača pre pásmo 140 – 145 MHz

BAKALÁRSKA PRÁCA

Peter Kuzmík

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Študijný odbor: TELEKOMUNIKAČNÝ MANAŽMENT

Vedúci bakalárskej práce: Doc. Ing. Rudolf Hronec PhD.

Stupeň kvalifikácie: bakalár (Bc.) Dátum odovzdania bakalárskej práce: 18. 5. 2007

ŽILINA 2007

ABSTRAKT

Bakalárska práca je venovaná riešeniu komunikačného prijímača. Čitateľovi poskytne

prehľadné riešenie a kompletný návod na zostrojenie komunikačného prijímača, jeho

uvedenie do prevádzky ako aj jeho samotné používanie. Ukazuje aj pohľad do súčasnosti,

ktorý sa vplyvom zásahu výpočtovej techniky razantne zmenil. Hovorí o realizácii

prijímača podľa softvéru, ktorý je voľne prístupný všetkým užívateľom, čiže pri

zodpovedajúcich vedomostiach môže každý svoj prijímač voľne vyvýjať bez pájkovania.

Čitateľ sa na základe tejto práce oboznámi s doterajšími i súčasnými riešeniami

komunikačných prijímačov.

Praktická časť je venovaná zostrojeniu a naladeniu prijímača pre amatérske pásmo

144 – 146 MHz.

1

ABSTRAKT

Diese Arbeit bescheftigt sich mit der Losung eines komunikation Empfengers Sie

bietet dem Lesser eine komplette Einlaitung zum zusauenbauen eines komunikations

Empfänger, seine einleitung in den Betrieb so wie seine benutzung. Sie zeigt auch den

Einblick in die Gegenwart, die sich razant durch den einfluss der Technik verändert hat.

Sie gibt Einblick uber die realization des Enmfängers durch die Software, die allen

Benutzern frei zugänglich ist, also jeder kann seinen Enmpfänger selbst zussamensetzen.

Der Lesser kann sich mit Hilfe dieser Arbeit mit derzaitigen Losungen von komunikation

Empfängern bekantmachen.

Der praktishe Teil is der zussamensetzung und einstellung des Empfengers fúr

amateur Band 144-146 MHz gewitmet.

2

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií

ANOTAČNÝ ZÁZNAM - ZÁVEREČNÁ BAKALÁRSKA PRÁCA

Názov práce: Moderné riešenie komunikačného prijímača pre pásmo 140 – 145 MHz.

Priezvisko a meno: Kuzmík Peter Školský rok: 2006 / 2007

Počet strán: 46 Počet obrázkov: 15 Počet tabuliek: 0

Počet grafov: 0 Počet príloh: 0 Použitá liter.: 9

Anotácia v slovenskom jazyku:

Obsahom práce je riešenie súčasných i doterajších technológií komunikačných

prijímačov. Práca ďalej obsahuje kompletný návod na zostrojenie prijímača a jeho

uvedenie do prevádzky. V poslednej časti je vysvetlená súčasná technológia

komunikačných prijímačov.

Anotácia v cudzom jazyku (nem.):

Die Arbeit beinhaltet losungen von derzeitigen und vergangenen technologien von

komunikation Empfängern. Weiter beinhaltet sie eine complete Einleitung zur

zusamenzetsung eines Empfänger un seine in gangsetzung. In dem letzten Teil ist die

Technologii von komunikation Empfängern dagerstelt.

Kľúčové slová: superhet, modulácie, nízkofrekvenčný signál, selektivita, šírka pásma,

softvérom definované rádio.

Vedúci práce: Doc. Ing. Rudolf Hronec PhD.

Recenzent práce: Ing. Roman Pšenko

Dátum odovzdania práce: 18. 5. 2007

3

OBSAH 1.Úvod.......................................................................................................................7

1.1. Požiadavky na krátkovlnný prijímač: .................................................................... 9

2. Základné pojmy..................................................................................................10 2.1. Citlivosť prijímača:............................................................................................. 10

2.2. Dynamický rozsah: ............................................................................................. 11

2.3. Selektivita: ......................................................................................................... 11

2.4. Modulácie: ......................................................................................................... 12

2.5. Druhy modulácií:................................................................................................ 13

2.6. Frekvenčná modulácia: ....................................................................................... 13

2.7. Demodulátory FM: ............................................................................................. 16

2.8. Fázová modulácia: .............................................................................................. 17

2.9. Demodulátory PM: ............................................................................................. 18

3. Celkový návrh a realizácia prijímača:...............................................................19 3.1. Popis zapojenia:.................................................................................................. 19

3.2. Konštrukcia prijímača:........................................................................................ 27

3.3. Zdroj napätia: ..................................................................................................... 28

3.4. Naladenie a uvedenie prijímača do prevádzky:.................................................... 32

4. Softvérom definované rádio SDR 1000, technika a prevádzka: .......................34 4.1. Úvod: ................................................................................................................. 34

4.2. Čo je to softvérom definované rádio?.................................................................. 34

4.3. Všeobecne o softvérovom prijímači: ................................................................... 36

4.4. Ďalší vývoj: ........................................................................................................ 37

4.5. Celková štruktúra SDR 1000 a PC: ..................................................................... 38

Záver: .....................................................................................................................41

4

Zoznam použitých obrázkov

Obr.1.1 Bloková schéma jednoduchého superhetu.

Obr.3.1 FM prijímač pre amatérske pásmo 2m.

Obr.3.2 Zapojenie MBA 810 so záťažou v napájanej vetve

Obr.3.3 Zapojenie MBA 810 so záťažou „proti zemi“a väzbou „bootstrap“.

Obr.3.4 Zapojenie MBA 810 so záťažou „proti zemi“bez väzby „bootstrap“.

Obr.3.5 Zapojenie korekčných obvodov s vysokým výstupným odporom.

Obr.3.6 Obrázok plošných spojov FM prijímača pre pásmo 2m.

Obr.3.7 Rozmiestnenie súčiastok na doske FM prijímača pre pásmo 2m.

Obr.3.8 Stabilizovaný zdroj napätia.

Obr.3.9 Vf cievky.

Obr.3.10 Mf obvody.

Obr.4.1 Snímač vzoriek kvadratúr.

Obr.4.2 SDR-1000: Prijímač.

Obr.4.3 SDR-1000: Vysielač.

0br.4.4 Celková štruktúra SDR-1000 a PC.

5

Zoznam skratiek a symbolov

mf: medzifrekvencia.

FM: frekvenčná modulácia.

AM: amplitúdová modulácia.

IO: integrovaný obvod.

FO: fázovací obvod.

SDR: softvérom definované rádio.

QSD: snímač vzoriek kvadratúr.

DSP: digitálne spracovanie signálov.

fpr: frekvencia prijímača.

6

Slovník termínov Superhet: Prijímač s premenou frekvencie.

Citlivosť prijímača: Čím citlivejší je prijímač, tým má väčšiu schopnosť spracovať slabé

signály.

Dynamický rozsah: Pomer medzi úrovňou najslabšieho signálu k najsilnejšiemu signálu,

ktorý ešte nespôsobuje skreslenie.

Selektivita: Schopnosť prijímača oddeliť od seba dva susedné signály.

Rezonančný obvod: Obvod zložený so súčiastok L a C (indukčnosť a kapacita).

7

1.Úvod

Princíp superhetového prijímača spočíva v tom, že prijímaný signál nie je

spracovávaný priamo, ale je pomocou zmiešavača a pomocnej oscilátorovej frekvencie

prevedený na novú frekvenciu. Na tejto frekvencii je signál zosilnený a demodulovaný.

Nová frekvencia sa nazýva medzifrekvenčná a je spoločná pre všetky prijímané

frekvencie. Skupinová schéma bežného superhetu je na obr.1.1. Signál z antény

prichádza na vstupný ladený obvod LC-1 a je zosilnený vo vf zosilňovači. Cez ďalší

obvod LC-2 prichádza signál do zmiešavača. Do zmiešavača je privedená pomocná

frekvencia z oscilátora. Na výstupe zmiešavača sa objaví vstupná frekvencia, frekvencia

oscilátora a ich súčet a rozdiel. Ladený obvod na výstupe zmiešavača (pásmová priepusť

PP1) je naladený na rozdielovú frekvenciu a ostatné frekvencie sú potláčané. Takto

vzniknutá frekvencia je v ďalších stupňoch zosilnená až na úroveň potrebnú

k spracovaniu v detektore. Pásmové priepuste PP2 a PP3 medzi stupňami mf zosilňovača

pomáhajú k zvýšeniu selektivity a určujú konečnú šírku pásma prijímača. Podľa druhu

prijímaného signálu sa zaradí vhodný detektor. Demodulovaný signál je ďalej zosilnený

v nf zosilňovači.

8

obr.1.1 Bloková schéma jednoduchého superhetu.

Výhodou superhetu je jednoduché nastavenie mf zosilňovača a dosiahnutie potrebného

zosilnenia. Je potrebné, aby zvolená mf frekvencia bola dosť vysoká a obmedzil sa vznik

zrkadlových frekvencií. Ak sú v mf zosilňovači použité pásmové priepuste z obvodov

LC, nie je možné pri vysokých frekvenciách dosiahnúť požadovanú selektivitu

(prenášanú šírku pásma). Potrebnú šírku pásma pre prenos SSB signálov možno

dosiahnuť s pomocou LC obvodov len na frekvenciách 100 kHz a nižších. Voľba tak

nízkej mf frekvencie bude mať za následok rušenie zrkadlovými frekvenciami ak nebude

zaistená dostatočná selektivita vstupných obvodov. To vedie k zaraďovaniu väčšieho

počtu ladených obvodov na vstup prijímača.

9

1.1 Požiadavky na krátkovlnný prijímač

Prijímač je veľmi dôležitým článkom rádiokomunikačného reťazca. Na rozdiel od

vysielača, kde zväčšenie komunikačnej účinnosti môžeme ľahko dosiahnúť zvýšením

výkonu alebo voľbou spôsobu prenosu, má prijímač niekoľko obmedzujúcich faktorov,

ktoré nie je možné z fyzikálnych dôvodov prekročiť.

10

2. Základné pojmy.

2.1 Citlivosť prijímača

Citlivosť býva často hlavným merítkom pri posudzovaní kvality prijímača, aj keď nie

vždy oprávnene. Čím citlivejší je prijímač, tým ma väčšiu schopnosť spracovať slabé

signály. V minulosti, predovšetkým v období amplitúdovej modulácie, sa citlivosť

udávala veľkosťou vstupného napätia, ktoré zaistilo normalizovaný výkon na výstupe

prijímača. V súčasnej dobe je možné použitím moderných aktívnych prvkov dosiahnuť

také zosilnenie, že obmedzujúcim činiteľom je vlastný šum prijímača. V akustickej

podobe ho poznáme ako jemný, syčivý zvuk.

Tento šum, ktorý nazývame aj šumom tepelným, vzniká náhodnými a nepravidelnými

pohybmi elektrónov v činnom odpore, ktorým je akýkoľvek vodič. Na odpore vznikne

napätie a tečie ním prúd, ktorého veľkosť a polarita sa mení náhodne s časom a obsahuje

impulzy vo veľmi širokom frekvenčnom spektre od nuly až do rozsahu GHz. Amplitúda

šumu je veľmi malá a je merateľná až po veľkom zosilnení. Veľkosť šumového výkonu

závisí na šírke prenášaného pásma (zo širokého spektra frekvencií sa zosilňuje len časť

daná šírkou pásma prijímača) a na absolútnej teplote. Pri komplexných odporoch, ako je

rezonančný obvod, vstupná impedancia antény a pod., sa na vzniku šumového výkonu

podieľa iba reálna zložka, tj. činný odpor. Veľa pasívnych súčiastok a všetky aktívne

prvky prijímača sú zdrojom vlastných šumov. Najmenší je šum posledných stupňov

prijímača, pretože je najmenej zosilnený. Najviac sa preto uplatnia šumy vstupných

obvodov, ktoré sú všetkými nasledujúcimi stupňami zosilnené. V praxi to vyzerá tak, že

prvý stupeň sa podieľa na celkovom šume prijímača asi z 95%, druhý zo 4% a zbytok je

zostupne rozdelený na ďalšie stupne. Najväčšiu pozornosť je preto nutné venovať návrhu

vstupných obvodov prijímača.

11

2.2 Dynamický rozsah

Udáva sa v dB ako pomer medzi úrovňou najslabšieho signálu, ktorý je prijímač

schopný spracovať, k najsilnejšiemu signálu, ktorý ešte nespôsobuje skreslenie. Spodná

hranica dynamického rozsahu závisí na šumovom čísle prijímača a je daná úrovňou

šumového prahu. Horná hranica je daná schopnosťou aktívnych prvkov lineárne

spracovať veľké vstupné napätia. Schopnosť prijímača spracovať lineárne veľké vstupné

napätia závisí predovšetkým na prvých stupňoch, resp. na všetkých stupňoch, ktoré sú

pred obvodmi hlavnej selektivity. Platí zásada, že pred obvodmi hlavnej selektivity

prijímača má byť zaradený len najnutnejší počet aktívnych stupňov.

2.3 Selektivita

Pojem selektivita býva často spájaný so schopnosťou prijímača oddeliť od seba dva

susedné signály. To však platí iba vtedy, ak budeme uvažovať o šírke prenášaného pásma

s ohľadom na spracovanie prenášanej modulácie.

V širšom zmysle sú selektívne obvody využívané na potláčanie všetkých nežiadúcich

signálov v mnohých častiach prijímača, vo vstupných obvodoch, v medzifrekvenčnom

zosilňovači, nízkofrekvenčnom zosilňovači a aj v obvodoch oscilátora. Požiadavky na

šírku pásma sa môžu v jednotlivých častiach značne líšiť. Prostriedky používané

k zabezpečeniu selektivity bývajú tiež rôzne. Môžu to byť kombinácie indukčností

a kapacít, odporov a kapacít, mechanické rezonátory, keramické filtre alebo vysoko

kvalitné kryštálové filtre. Z hľadiska zapojenia sa stretávame s jednoduchými LC

obvodmi, s pásmovými priepusťami s dvomi alebo viacerými ladenými LC obvodmi,

dolnými a hornými priepusťami a špeciálnymi zapojeniami pri mechanických,

keramických a kryštálových filtroch.

Stupeň selektivity sa udáva šírkou pásma ladeného obvodu, medzi bodmi, kde

prenášaný výkon klesne na polovicu. V hodnotách napätia to predstavuje pokles o 3 dB

na obe strany od špičkovej hodnoty. Šírka pásma závisí od činiteľa akosti Q obvodu (na

kvalite použitej indukčnosti za predpokladu, že kondenzátor ja kvalitný keramický,

12

sľudový alebo styroflexový). Vzťah medzi šírkou pásma frekvenciou a činiteľom akosti je

daný rovnicou: [1]

[ ]kHzkHzQfB ,,= (2.1)

kde B = šírka pásma pre pokles 3dB[kHz alebo MHz],

f = rezonančná frekvencia obvodu[kHz alebo MHz],

Q = činiteľ akosti obvodu.

2.4 Modulácie

V elektrotechnike sa pod pojmom nosná vlna rozumie sínusový priebeh určený ku

modulácii, s amplitúdou NU , počiatočnou fázou 0ϕ a uhlovou frekvenciou podľa vzťahu,

v ktorom nezávisle premennou je čas t.

( ) ( )0sin ϕω += tUtu NN (2.2)

Veličina ϕ vyjadruje polohu sínusového priebehu vzhľadom k počiatočnému sledovaniu

a udáva sa v radiánoch alebo v stupňoch v merítku periódy. Ak je 00 =ϕ , je funkčná

hodnota (2.2) na začiatku, tj. pri t = 0, nulová a derivácia ( )tuN podľa času je kladná.

Symbol ω vyjadruje uhlovú frekvenciu, ktorý vychádza z predstavy časovo rozvinutého

priebehu koncového bodu rotujúceho fázou charakterizovaného dĺžkou Nu a uhlom

natočenia ϕ a udáva uhol pootočený fázou za jednotku času.

[ ]sradsraddtd

,;/ϕω = (2.3)

a je prevrátenou hodnotou periódy T

[ ]HzsfT ;/1= (2.4)

13

Jednotkou uhlovej frekvencie je radián za sekundu [ ]srad / , jednotkou frekvencie je hertz

[ ]Hz , (jeden kmit za sekundu).

V rádiotechnike je zvykom udávať dĺžku vlny λ , ktorú môžeme určiť zo vzťahu:

[ ]HzsmssmmfccT ,/;,/;/==λ (2.5)

2.5 Druhy modulácií

Moduláciou nosnej vlny sa rozumie ovládanie niektorej z veličín nosnej vlny

modulačným priebehom. Ak sa pri tom mení amplitúda, fázový uhol ϕ alebo uhlová

frekvencia, ide o amplitúdovú, fázovú alebo frekvenčnú moduláciu. Existujú ďalšie druhy

modulácií, ktoré je vhodné sledovať v časovej a nie vo frekvenčnej oblasti. Prenášaná

informácia neovplyvňuje nosnú vlnu, ale impulzové veličiny. [2]

2.6 Frekvenčná modulácia

Na prenos informácií používa sústava s frekvenčnou moduláciou harmonickú nosnú

vlnu sínusového tvaru, ktorá predstavuje zvyčajne spojitú funkciu času. Táto podmienka

je splnená pri klasických sústavách s frekvenčnou moduláciou.

Prenášaná informácia, označme ju g(t), reprezentuje funkciu času. Potom pre

frekvenčne modulovaný signál, označme si ho f(t), na výstupe vysielača našej sústavy

možno písať:

)(cos)( 0 tAtf ϕ= (2.6)

∫ +=t

dttt0

0)()( ϕωϕ (2.7)

0A je konštantná amplitúda kmitov (v špeciálnom prípade to môže byť napätie, prúd.)

ϕ (t) – veličina, ktorá vyjadruje okamžitú hodnotu časovo premenlivej fázy kmitov. Aby

14

signál uvedený v rovnici (2.6) a (2.7) spĺňal podmienku harmonického pohybu, funkcia

f(t) je bližšie určená vzťahom:

[ ]

++=

++= ∫∫tt

dttgtAdttgAtf0

00000

000 )(cos)(1cos)( ϕωωϕω (2.8)

Rovnica (2.8), ktorá opisuje frekvenčne modulovaný signál, nám vyjadruje vzájomný

vzťah medzi nosnou vlnou a frekvenciou 0ω a medzi prenášanou informáciou g(t). 0ϕ je

fázový uhol v okamihu začiatku pozorovania deja.

Okamžitú frekvenciu k0ω , frekvenčne modulovanej vlny, určíme deriváciou fázy

podľa času, teda píšeme:

[ ] [ ])(1)(1 00

000 tgdttgdtd

dtd t

k +=

++== ∫ ωϕωϕ

ω (2.9)

Z uvedených definičných rovníc pre frekvenčnú moduláciu vidíme, že v takejto

prenosovej sústave sa mení okamžitá frekvencia nosnej vlny k0ω v rytme zmien vstupnej

informácie g(t).

Okamžitá frekvencia k0ω , ako aj frekvenčná odchýlka ( )000 ωϖω −=∆ kk , lineárne

závisia od modulačného signálu g(t).

Pretože amplitúda signálu sa v modulačnom stupni vysielača zmení na frekvenčnú

odchýlku, budeme brať do úvahy v našich výrazoch modulačný signál )(1 tg vyjadrený

výrazom:

ttg mωω

ω cos)(0

1∆

= (2.10)

15

kde ω∆ je odchýlka frekvencie pri maxime amplitúdy, 0ω - frekvencia nemodulovanej

vlny, mω - uhlová frekvencia vstupného nízkofrekvenčného signálu. Potom v zmysle

predchádzajúcich definícií pre časovo premenlivý uhol ( )t1ϕ dostaneme

( ) ( ) ( )∫ +∆

+=+∆+=t

mm

m ttdtttt0

00001 sincos ϕωω

ωωϕωωωϕ (2.11)

Z poslednej rovnice vidíme, že fázová odchýlka, označme si ju ϕ∆ , je určená

pomerom mωω∆ prípadne

mff∆ . Veličina

mωω

∆∆ sa nazýva index frekvenčnej modulácie

a v literatúre sa zvyčajne označuje symbolom frm . Index modulácie je nepriamo úmerný

frekvenčnej odchýlke, prípadne amplitúde modulačného signálu.

Keď dosadíme výraz (2.11) do vzťahu (2.6), dostávame konečný výraz signálu ( )tf1 ,

ktorý reprezentuje frekvenčne modulovanú vlnu sínusovým signálom

( )

+

∆+= 0001 sincos ϕω

ωω

ω ttAtf mm

(2.12)

V predchádzajúcich úvahách sme si vysvetlili a definovali frekvenčnú moduláciu

v najčastejšie používanej forme. V súčasnosti sa používajú v rozličných aplikáciách aj

zložitejšie spôsoby frekvenčnej modulácie, ako i jej kombinácie s inými druhmi

modulácie. Sú to napríklad sústavy FM – FM , FAM atď.

Sústava FM- FM je sústava s dvojnásobnou frekvenčnou moduláciou. Používa sa

napr. pri prenosoch telemetrických údajov, pri prenosoch televíznych signálov na veľké

vzdialenosti atď. V sústave s dvojnásobnou frekvenčnou moduláciou sa základnou

informáciou frekvenčne moduluje subnosná (pomocná nosná) vlna a touto sa potom

moduluje výsledná nosná vlna.

16

Sústava FM , kombináciou amplitúdovej a frekvenčnej modulácie tej istej nosnej vlny,

umožňuje pomocou jednej nosnej vlny prenášať dve nezávislé informácie súčasne, bez

ich vzájomného rušenia.

2.7 Demodulátory FM

Na rozdiel od prijímačov AM, kde sa uplatňujú v podstate len dva princípy

demodulácie (synchrónna a asynchrónna), je počet variant demodulátorov FM podstatne

väčší. Prvú triedu predstavujú amplitúdové diskriminátory, u ktorých sa signál FM

prevedie najprv na signál (FM + AM), a to pomocou prevádzacieho článku, kde jeho

výsledná amplitúda je úmerná frekvencii. Týmto článkom môže byť jednoduchý ladený

obvod LC, pracujúci pri frekvenciách na bodu jeho rezonančnej krivky. Amplitúdová

modulácia sa potom vyhodnotí bežným demodulátorom AM. Druhú triedu

demodulárotov tvoria fázové diskriminátory, u ktorých sa pomocou dvojokruhového

pásmového filtra LC prevedie signál FM na signál (FM + PM) a potom na signál AM

a amplitúdová modulácia sa opäť vyhodnotí demodulátorom AM. Obidve kategórie

vyžadujú k realizácií obvody LC, a preto nie sú vhodné pre monolitickú technológiu.

Moderným typom demodulátorov FM je koincidenčný detektor. Jeho hlavnou časťou je

fázový komparátor, kde na jeho jeden vstup sa privádza vstupný signál FM a na druhý

vstup ten istý signál, avšak prejdený fázovacím článkom, s fázovým posuvom úmerným

derivácií. Na výstupe komparátora vzniká signál (FM + PDM), z ktorého sa potom

pomocou dolnej priepuste získa demodulovaná informácia. Demoduláciu FM je možné

realizovať taktiež pomocou fázového závesu (PLL), kde jeho chybové napätie určené pre

riadenie oscilátora VCO sleduje modulačnú obálku vstupného signálu FM.

17

Je vidno, že demodulácia FM sa u väčšiny z uvedených demodulátorov nerobí priamo

ale tak, že sa signál FM najprv doplní ešte ďalším typom modulácie a až potom sa

sekundárna modulácia vyhodnotí v demodulátore príslušného typu (okrem PLL, ktorý

funguje na inom princípe).

2.8 Fázová modulácia

Moduluje sa fázový uhol nosnej vlny, ale amplitúda sa nemení. V najjednoduchšom

prípade, kedy modulačný priebeh je jednovlnný, kolísa fázor nosnej vlny ( )π2/v krát za

sekundu okolo svojej strednej polohy, pričom veľkosť rozkmitov alebo fázový zdvih ϕ∆

(niekedy nazývaný modulačný index pm ) závisí so súčiniteľom k výhradne na amplitúde

sU .

skU=∆ϕ (2.13)

Okamžitá hodnota fázového uhla vyjadruje ako amplitúdu, tak i frekvenciu

modulačného signálu

( )0=ψ

tvtsinϕψ ∆= (2.14)

Po dosadení (2.14) do (2.2) bude

( ) ( )vttUtu Nf sinsin ϕω ∆+= (2.15)

18

Výraz v zátvorkách vzťahu (2.15) je možné previesť s použitím vzťahu

( ) βαβαβα sincoscossinsin +=+

na vzorec

( ) ( ) ( )[ ]vttvttUtu Nf sinsincossincossin ϕωϕω ∆+∆= (2.16)

Ten je možné pre malé fázové zdvihy: 1⟨⟨∆ϕ , keď

( ) 1sincos ≅∆ vtϕ a ( ) vtvt sinsinsin ϕϕ ∆≅∆

pre naše účely zjednodušiť na

( ) [ ]vtttUtu Nf sincossin ωϕω ∆+= (2.17)

2.9 Demodulátory PM

Fázové demodulátory sa delia na dve základné triedy – multiplikatívne a sekvenčné

demodulátory. U multiplikatívnych demodulátorov PM sa získava požadovaný

demodulovaný výstupný signál vyhodnotením časových intervalov medzi prechodom

signálu PM a prechodom referenčnej nosnej nulou. Sekvenčné demodulátory PM majú

horšie šumové vlastnosti ako multiplikatívne demodulátory oproti tomu však poskytujú

možnosť dosiahnúť určitých špecifických charakteristík, ktoré možno získať

u multiplikatívnych demodulátorov len so značnými problémami alebo sa nedajú získať

vôbec.

19

3. Celkový návrh a realizácia prijímača

3.1 Popis zapojenia

Zapojenie prijímača pre príjem komunikácie v amatérskom pásme 144-146 MHz

obsahuje tri germániové tranzistory vo vstupnej časti, integrovaný obvod TDA 1596 pre

demoduláciu úzkopásmovej FM a nízkofrekvenčný zosilňovač s integrovaným obvodom

MBA 810.

Obr.3.1 FM prijímač pre amatérske pásmo 2m

Nízkofrekvenčný signál je odoberaný z vývodu 4 IO1 cez súčiastky C31 a R13,

kondenzátor C32 filtruje zbytky prenikajúceho mf signálu. Nízkofrekvenčný signál je

vedený cez regulátor hlasitosti P2 a nízkofrekvenčný zosilňovač s integrovaným

obvodom MBA 810 (IO2). Zapojenie nízkofrekvenčného zosilňovača je štandartné

doporučené z katalógu.

20

Integrovaný nízkofrekvenčný zosilňovač MBA 810 je monolitický integrovaný obvod,

určený pre realizáciu nízkofrekvenčných zosilňovačov s výkonom do 5W v rozhlasových

a televíznych prijímačoch.

Významné funkčné vlastnosti tohto typu môžu byť charakterizované takto:

- Vysoká účinnosť: pri maximálnom výkone v doporučenom zapojení je účinnosť

vyššia než 60%.

- Vysoký vstupný odpor.

- Nízka úroveň vlastného šumu.

- Malé skreslenie: je veľmi málo závislé na výstupnom výkone a úrovni

vstupných signálov.

- Nízke napájacie napätie, doporučuje sa v rozsahu 6 – 20 V, čo je vhodné pre

rôzne riešenia nízkofrekvenčných zosilňovačov.

Základné zapojenia a príklady použitia:

- zapojenie so záťažou v napájanej vetve

- zapojenie so záťažou „proti zemi“ a väzbou „bootstrap“

- zapojenie so záťažou „proti zemi“ bez väzby „bootstrap“

Zapojenie so záťažou v napájanej vetve

Týmto zapojením možno získať maximálny výstupný výkon, P = 5 W (pri k = 10%, Rz

= 4Ω, UB = 14,4 V). Hodnota odporu Rf = 56 Ω zaisťuje vstupnú citlivosť zhruba 60 mV

pri maximálnom výkone. Kondenzátory C3 a C5 sú určené pre stabilizáciu frekvencie,

predovšetkým hodnota C3 = 680 pF určuje hornú medznú frekvenciu prenášaného pásma

okolo 20 kHz. Kondenzátor C4 a odpor R1 tvorí Boucherotov člen, ktorý má za úlohu

zabraňovať osciláciám, ktoré sa môžu vyskytnúť na frekvenciách vyšších než 10 kHz, pri

ktorých vstupná impedancia koncového stupňa môže mať aj induktívny charakter.

21

Obr.3.2 Záťaž je zapojená v obvode napájania

Zapojenie so záťažou „proti zemi“ a väzbou „bootstrap“

Toto zapojenie je použité pri konštrukcii konkrétneho komunikačného prijímača pre

pásmo 144-146 MHz. Podobne ako v predchádzajúcom prípade sa dosiahne maximálny

výstupný výkon P = 5 W za rovnakých podmienok. Toto zapojenie sa doporučuje

používať v tých prípadoch, keď je požadované optimálne odrušenie napájacieho napätia.

Za tým účelom je k vývodu 7 pripojený filtračný kondenzátor C5. Odpor Rx je potrebný

len pri nízkych hodnotách napájacieho napätia, pretože umožňuje zaistiť saturáciu

tranzistorov.

Obr.3.3 Záťaž je zapojená „proti zemi“ s väzbou „bootstrap“

22

Zapojenie so záťažou „proti zemi“ bez väzby „bootstrap“

Toto zapojenie je vhodné v prípadoch, ak je stanovená nízka obstarávacia cena

nízkofrekvenčného zosilňovača a ak nie je požadovaný maximálny výkon. Riešiteľ môže

sám prispôsobiť činnosť integrovaného obvodu rôznym aplikačným požiadavkám tím, že

má možnosť ovplyvňovať:

- UB a Rz pre určený výstupný výkon

- Rf pre požadovanú vstupnú citlivosť a zisk

- C2 a C3 a tým šírku prenášaného pásma

Obr.3.4 Záťaž je zapojená „proti zemi“ bez väzby „bootstrap“

23

Korekčné obvody

Ak sa požaduje, aby nízkofrekvenčný zosilňovač bol použitý v magnetofónoch a pod.,

musí byť zastúpená možnosť regulácie zisku v oblasti prenášaného pásma pomocou

korekčných obvodov. Na obr.5. je jeden z mnohých možných prípadov zapojenia

pasívneho korekčného obvodu (filtra), ktorý môže byť pripojený k obvodom

s vysokoohmovým výstupom.

Obr.3.5 Zapojenie korekčných obvodov s vysokým výstupným odporom. [5]

24

Súčiastky R17 a C42 zabraňujú rozkmitaniu zosilňovača. K výstupu IO2 je cez

väzobný kondenzátor C36 pripojený reproduktor s impedanciou 4 – 8 Ω.

Integrovaný obvod TDA 1596 má výrobcom stanovené, že fázovací obvod FO1 na

vývodoch 9 a 10 koincidenčného diskriminátora má mať pre širokopásmovú FM so

zdvihom 50 resp. 75 kHz činiteľ akosti iba Q = 19. To zodpovedá veľmi zatlmenému

obvodu FO1. Na činiteli akosti fázovacieho obvodu priamo závisí amplitúda

nízkofrekvenčného napätia pri danom zdvihu modulácie. Ak obvod FO1 odtlmíme asi 10-

krát voči doporučeniu v katalógu, teda na ešte prakticky realizovateľnú akosť Q = 190,

potom pri 10-krát menšom zdvihu FM získame rovnako veľké nízkofrekvenčné napätie.

Získame teda napätie rádu stoviek mV aj pri zdvihu FM len asi 5 kHz.

Cievku s akosťou Q = 190 nie je možné realizovať miniatúrnu. Bolo preto použité

teliesko z modulu ZMF TV prijímača Dukla s väčším tieniacim krytom. Kondenzátor

C30 musí byť kvalitný s veľkým činiteľom akosti – sľudový alebo styroflexový

(nevyhovel žiadny keramický typ).

Na tomto mieste je ešte nutné podotknúť, že s inými podobnými integrovanými

obvodmi (A 223, MAA 661, A 220) boli výsledky podstatne horšie. Tieto obvody majú

oveľa menšiu strmosť krivky „S“ diskriminátora a ku správnej funkcii pre demoduláciu

so štandartným zdvihom 75 kHz vyžadujú činiteľ akosti fázovacieho obvodu Q = 50.

Jeho desaťnásobné zväčšenie by znamenalo realizovať fázovací obvod s Q = 500, čo

v praxi nie je možné.

V realizovanom prijímači je použitý filter Tesla MLF 10,7-15. Tento filter určuje

celkovú selektivitu mf zosilňovača. Vstupný a výstupný odpor filtra je podľa údajov

výrobcu 3,9 kΩ.

Na vstupe filtra je použitý obvod 003 a na výstupe je to obvod 004 so súčiastkami C22

a L11. Konečná zaťažovacia impedancia je upravená rezistorom R10 s hodnotou 10 kΩ.

Nesprávne impedančné zakončenie filtra má za následok vznik väčšieho skreslenia

demodulovaného signálu aj pri malom zdvihu modulácie.

25

Obvody 003 a 004 sú pôvodné originálne obvody z rozobratej rádiostanice PR 21.

Obvod 003 má pôvodné označenie QK 86998 a obvod 004 má označenie QK 87276.

Z obvodu 004 je mf signál naviazaný väzobnou cievkou L12 na monolitický mf

zosilňovač typu TDA 1596 (IO1).

K rezonančnému obvodu 001 na výstupe zmiešavača je väzobnou cievkou L8

naviazaný ďalší rezonančný obvod 002 s cievkou L9 a kondenzátorom C13. Priepusť 001

a 002 predstavuje iba prvú hrubú mf selektivitu prijímača a zabraňuje prenikaniu signálu

oscilátora do mf zosilňovača s tranzistorom T3.

Tranzistor T3 tvorí mf predzosilňovač frekvencie 10,7 MHz. Na jeho kolektore je

zapojený rezonančný obvod 003 so súčiastkami L10, C21 a R9. Obvodom 003 je

k tranzistoru T3 prispôsobený kryštálový filter MLF 10,7-15.

Vstupný signál prichádza z antény na jednoduchý rezonančný obvod L1, C1, ktorý je

naviazaný na tranzistor T1 cez kondenzátor T1 cez kondenzátor C2.

Vstupný zosilňovač je osadený tranzistorom AF 109, ktorý je zapojený na spoločnú

bázu. V kolektore je dvojdobová pásmová priepusť so súčiastkami L2, C4 a L3, C5.

Obidva rezonančné obvody priepusti sú navzájom viazané prúdovou indukčnou väzbou

cez cievku

L4(rovný kus vodiča, ktorý tvorí spolu s plošným spojom nepatrnú indukčnosť).

Vstupný zosilňovač nie je preladiteľný (bolo by to zbytočné), pretože relatívna šírka

prijímaného pásma (približne od 143,5 MHz do 146,5 MHz) je iba 2% prijímanej

frekvencie, čo spoľahlivo pokryje pevne naladené obvody na vstupe i na výstupe

vstupného zosilňovača.

Vstupný obvod je naladený na stred prijímaného pásma 145 MHz, jeho prevádzková

šírka pásma je asi 4 MHz. Vzhľadom k akosti cievok pásmovej priepusti nie je možné

dosiahnúť menšiu šírku pásma než asi 3 MHz. Priepusť je však dôležitá pre potlačenie

zrkadlových frekvencií, pretože v amatérskom pásme sa predpokladá príjem slabých

signálov.

Zosilnený signál je naviazaný na kmitajúci zmenšovač s tranzistorom T2 typu AF

106 kondenzátorom C6. Vzduchová cievka L5 s kondenzátorom C16 tvorí sériový

rezonančný obvod naladený na frekvenciu medzifrekvencie 10,7 MHz.

26

Na kolektor T2 je pripojený medzifrekvenčný ladený obvod 001 s cievkami L7 a L8.

Rezonančnú kapacitu tvorí kondenzátor C12, cez ktorý je na kolektor T2 naviazaný

ladený obvod oscilátora ( L6, C11, C10 a D1). Kladná spätná väzba potrebná pre

rozkmitanie oscilátora je zavedená zo živého konca L6 na emitor tranzistora cez

kondenzátor C7.

Oscilátor kmitá o 10.7 MHz nižšie alebo vyššie než je prijímaná frekvencia. V tomto

prípade na znamienku rozdielu zmenšovania príliš nezáleží.

Pre správnu činnosť kmitajúceho zmenšovača je dôležité, aby vstupný obvod L3, C5

mal čo najväčší frekvenčný odstup od oscilátora, aby oscilátor nemohol byť strhávaný

rezonanciou tohto obvodu. Smerom k nižším frekvenciám je strmosť bokov rezonančnej

krivky vstupnej priepuste strmší, takže vplyv na oscilátor je menší. Preto je výhodnejšie

voliť frekvenciu oscilátora o medzifrekvenciu nižšiu než je frekvencia prijímaného

signálu.

Prijímaná frekvencia sa prelaďuje len zmenou frekvencie oscilátora kapacitnou diódou

D1 typu KB 105G. Rozsah preladenia oscilátora je obmedzený na asi 3 MHz

kondenzátormi C10 a C11 a obmedzením rozsahu ladiaceho napätia pre varikap

rezistorom R18. Vzhľadom k šírke pásma prijímaného kanála pri úzkopásmovej FM

prevádzke, ktorá je len asi 15 kHz, je naladenie prijímanej frekvencie veľmi ostré a ak nie

je frekvencia oscilátora stabilizovaná kryštálom alebo frekvenčnou syntézou, musí byť

strmosť ladenia varikapom čo najmenšia a ladenie musí byť čo najjemnejšie.

Ladiaci potenciometer je použitý 100 kΩ s prevodom 1:8. Ladiace napätie musí byť

stabilizované Zenerovou diódou D4 a filtrované článkom RC s rezistorom R19

a elektrolytickým kondenzátorom C40, aby sa z nej odstránil brum a parazitné nf

modulácia z napájacej vetvy +9 V, spôsobená nízkofrekvenčným zosilňovačom.

27

3.2 Konštrukcia prijímača

Celý prijímač je zostavený na doske s jednostrannými plošnými spojmi. Na doske nie

sú umiestnené súčiastky pre ladenie prijímača (P1, R18, R19, D4 a C40), regulátor

hlasitosti P2 a reproduktor.

Obr.3.6 Obrázok plošných spojov FM prijímača pre pásmo 2m

Obr.3.7 Rozmiestnenie súčiastok na doske FM prijímača pre pásmo 2m. [4]

28

3.3 Zdroj napätia

Prijímač je napájaný zo zdroja napätia 230 V, 50 Hz cez transformátor so

stabilizovaným obvodom 7805.

Obr.3.8Stabilizovaný zdroj napätia

Cievky L1 až L12 sú navinuté na bakelitovom cievkovom teliesku s priemerom 6 mm.

Cievky i mf obvody 001 až 004 majú nasadený tieniaci kryt. Cievky L4 a L5 sú

vzduchové samonosné. V cievkach L1, L2 a L3 je použité feritové jadro M4x8 z hmoty

N01P (fialové), v mf obvodoch 001 až 004 a vo fázovacom obvode môže byť jadro N05

(modré) prípadne N02 (zelené). V cievke oscilátora L6 je možné použiť aj mosadzné

jadro. Je diamagnetické, jeho zaskrutkovaním do cievky sa frekvencia zvýši.

Cievka L1 má 5 závitov medeného lakovaného drôtu s priemerom 0.8 mm navinutých

na bakelitovom cievkovom teliesku s priemerom 6mm, medzi závitmi sú medzery asi 0,5

mm. Studený koniec vinutia je pri pätke telieska. Odbočka je na druhom závite od

studeného konca. V cievke je feritové jadro M 4x8 z hmoty N01P (fialové).

Cievky L2 a L3 majú 5 závitov medeného lakovaného drôtu s priemerom 0.8 mm

navinutých na bakelitovom cievkovom teliesku s priemerom 6 mm, medzi závitmi sú

medzery asi 0,5 mm. Studený koniec vinutia je pri pätke telieska. V cievkach sú feritové

jadrá M4x8 z hmoty N01P (fialové).

Cievka L4 je priama prípojka na strane súčiastok a je zhotovená z medeného

pocínovaného drôtu s priemerom 0,8 mm.

29

Cievka L5 je vzduchová samonosná a má 17 závitov medeného lakovaného drôtu

s priemerom 0,3 mm navinutého na priemere 4 mm.

Cievka L6 má 3 závity medeného lakovaného drôtu s priemerom 0,5 mm navinuté na

bakelitovom cievkovom teliesku s priemerom 6 mm, medzi závitmi nie sú medzery.

Studený koniec vinutia je pri pätke telieska . Odbočka je v strede vinutia. V cievke je

feritové jadro M4x8 z hmoty N01P (fialové).

Cievka L7 obvodu 001 má 16 závitov medeného lakovaného a hodvábom omotaného

drôtu s priemerom 0,15 mm navinutých na bakelitovom cievkovom teliesku s priemerom

6 mm, medzi závitmi nie sú medzery. Studený koniec vinutia je pri pätke telieska.

V cievke je feritové jadro M4x8 z hmoty N02 (zelené) alebo N05 (modré).

Cievka L8 mf obvodu 001 má 2 závity medeného lakovaného a hodvábom omotaného

drôtu s priemerom 0,15 mm a je navinutá na cievke L7 pri jej studenom konci.

Cievka L9 mf obvodu 002 má 27 závitov medeného lakovaného a hodvábom

omotaného drôtu s priemerom 0,15 mm navinutých na bakelitovom cievkovom teliesku

s priemerom 6 mm, medzi závitmi nie sú medzery. Studený koniec vinutia je pri pätke

telieska. V cievke je feritové jadro M4x8 z hmoty N02 (zelené), alebo N05 (modré).

Cievka L10 mf obvodu 003 má 18 závitov medeného lakovaného a hodvábom

omotaného drôtu s priemerom 0,15 mm navinutých na bakelitovom cievkovom teliesku

s priemerom 6 mm, medzi závitmi nie sú medzery. Studený koniec je pri pätke telieska (

a je pripojený k rezistoru R9). Odbočka je na 14. závite od studeného konca. V cievke je

feritové jadro M4x8 z hmoty N02 (zelené). Ako mf obvod 003 je možné použiť

originálny obvod Tesla s označením QK 86998.

Cievka L11 mf obvodu 004 má 34 závitov medeného lakovaného a hodvábom

omotaného drôtu s priemerom 0,15 mm navinutých na bakelitovom cievkovom teliesku

s priemerom 6 mm, medzi závitmi nie sú medzery. Studený koniec vinutia je pri pätke

telieska. V cievke je feritové jadro M4x8 z hmoty N02 (zelené).

30

Cievka L12 mf obvodu 004 má 9 závitov medeného lakovaného a hodvábom

omotaného drôtu s priemerom 0,15 mm a je navinutá na cievke L11 asi v jednej tretine

od jej studeného konca. Ako mf obvod 004 možno použiť originálny obvod Tesla

s označením QK 87276.

Cievka L13 fázovacieho obvodu FO1 musí byť stabilná a čo s najvyšším činiteľom

akosti Q. Je navinutá na plastovom cievkovom teliesku s priemerom 5 mm. Teliesko má

pertinaxovú pätku a hliníkový tieniaci kryt so štvorcovým pôdorysom. Tieto telieska

boli používané v rôznych TV prijímačoch Tesla Orava.

Vinutie cievky L13 musí byť prevedené zvlášť opatrne, začiatok aj koniec vinutia

musí byť priviazaný nitkou k cievkovému teliesku. K upevneniu vinutia sa nesmie použiť

žiadne lepidlo ani lak.

Cievka L13 má 13 závitov medeného lakovaného drôtu s priemerom 0,55mm, medzi

závitmi nie sú medzery. V cievke je feritové jadro M4x8 z hmoty N05 (modré). Jadro je

vhodné na konci zaskrutkovanom do cievky zbrúsiť pod uhlom asi 45 stupňov, aby bolo

možné jemne nastaviť indukčnosť cievky (presné naladenie je v okolí rezonancie veľmi

ostré). Jadro zaistíme v cievke gumičkou.

Obr.3.9 Vf cievky – pohľad zhora. Bodkou sú označené živé konce vinutí, studené

konce vinutí (= začiatky vinutí pri pätke telieska) sú bez bodky

31

Obr.3.10 Mf obvody – pohľad zhora. Bodkou sú označené živé konce vinutí, studené

konce vinutí (= začiatky vinutí pri pätke telieska) sú bez bodky

32

3.4 Naladenie a uvedenie prijímača do prevádzky

K základnému naladeniu prijímača postačí signálny generátor, čítač a osciloskop.

K prijímaču pripojíme reproduktor a napájacie napätie 9V a skontrolujeme voltmetrom

napätie na tranzistoroch T1, T2 a T3. Najprv nastavíme mf zosilňovač. Skratujeme L6,

aby oscilátor nekmital a L7 zatlmíme rezistorom s odporom 75 alebo 56Ω (podľa

výstupnej impedancie signálneho generátora). Generátor s presnou frekvenciou 10,7 MHz

pripojíme cez kondenzátor s kapacitou 10nF na kolektor T2. Otáčaním jadra v cievke

fázovacieho článku FO1 nastavíme optimálnu demoduláciu, pritom demodulovaný nf

signál sledujeme osciloskopom pripojeným na C32. Ladenie fázovacieho článku FO1

v okolí rezonancie je veľmi ostré, ku konečnému presnému naladeniu musíme použiť

skrutkovač z plastickej hmoty, ktorý nespôsobí rozladenie obvodu pri jeho zasunutí do

cievky. Napätie generátora znižujeme a doladíme obvody 003 a 004 na najväčšie

zosilnenie mf zosilňovača a najmenšie skreslenie. Pri nesprávnom naladení týchto

obvodov je výstupný nf priebeh silno skreslený párnymi harmonickými. Potom generátor

pripojíme cez kondenzátor s kapacitou 10nF v sérii s rezistorom s odporom asi 1kΩ na

emitor tranzistora T2. Odpojíme tlmiaci rezistor z L7. Naladíme do rezonancie obvody

001 a 002 na maximálnu citlivosť pre skúšobný signál z generátora.

Ďalším krokom je nastavenie vf zosilňovača. Rozmietač na frekvenciu 145 MHz

pripojíme na anténny vstup prijímača. Na emitor tranzistora T2 pripojíme cez

kondenzátor s kapacitou 2,2 pF detekčnú sondu. Nastavíme cievky L2 a L3 do

rezonancie, aby stred krivky bol na 145 MHz a väzbu upravíme tvarovaním cievky L4

tak, aby šírka pásma priepuste s cievkami L2 a L3 bola 3 MHz (max. 5 MHz). Cievku L1

nastavíme na maximálny zisk vf zosilňovača. Cievky L2 a L3 nie je možné naladiť pri

príjme vstupného signálu, lebo naladenie L3 ovplyvňuje frekvenciu oscilátora, takže pri

určitom rozladení sa tiež odladí oscilátor a to pri malej šírke mf pásma spôsobí odladenie

prijímanej frekvencie.

Ak nemáme rozmietač, tak je možné nastaviť vstup prijímača signálnym generátorom

na najväčšie napätie na sonde v okolí frekvencie 145 MHz. Väzbu je možné orientačne

zistiť rozladením generátora na obe strany od strednej frekvencie a meraním celkovej

frekvenčnej charakteristiky priepusti.

33

Ďalšia možnosť je vybaviť prijímač modulom frekvenčnej syntézy. Syntézu nastavíme

na frekvenciu oscilátora a vstupné obvody doladíme na najväčšiu citlivosť. Oscilátor sa

nebude pri zmenách nastavení cievok L2 a L3 rozlaďovať, pretože frekvenčná syntéza

bude aj malé zmeny frekvencie presne dolaďovať. Rozmietač odpojíme a odstránime

skrat na L6. Potenciometer P1 natočíme na horný doraz a tým nastavíme ladiace napätie 6

až 6,2 V. Snímaciu smyčku na kábly od čítača (1 závit drôtu na priemere 1 cm) priblížime

k cievke L6. Jadrom nastavíme frekvenciu oscilátora asi 135,8 MHz. Potom zmenšujeme

ladiace napätie a súčasne meriame frekvenciu. Pri frekvencii 132,8 MHz by ladiace

napätie malo byť asi 3 až 3,5 V. Ak nie je, treba buď vymeniť varikap D1 alebo zmeniť

kapacitu C10 a postup zopakovať.

Posledným krokom je určenie odporu rezistora R18. Odpor tohto rezistora závisí na

odpore ladiaceho potenciometra a na ladiacom napätí oscilátora pre dolný začiatok

frekvenčného rozsahu prijímača. Veľkosť odporu R 18 zvolíme tak, aby na dolnom

doraze ladiaceho potenciometra bola frekvencia oscilátora asi 132,8 MHz.

K prijímaču pripojíme anténny dipól pre frekvenciu 145 MHz a overíme funkciu

prijímača počúvaním prevádzky na amatérskom pásme.

34

4. Softvérom definované rádio SDR 1000, technika a prevádzka

4.1 Úvod

Vývoj rádiotechniky nabral so zavedením digitálnej techniky razantnú rýchlosť. Na

začiatku to bola najprv digitálna indikácia frekvencie so zaintegrovaným počítadlom

a potom to bolo aj digitálne spracovanie signálov. Počítače zo sveta rádioamatérov si už

nemožno odmyslieť, riadia prístroje a preberajú generovanie a demoduláciu komplexných

signálov rôznych režimov.

Vývoj priniesol už prijímače bez akýchkoľvek obvyklých obslužných prvkov, napr.

Kaschima 505 a KENWOOD TS-B 2000 alebo prijímače Win Radio, ktoré sú tiež na trhu

ako zasúvacie karty pre počítače. Tieto prístroje sú obsluhované iba pomocou softvéru

a príslušným grafickým užívateľským rozhraním počítača. Sú to ale ešte stále obvyklé

rádia, ešte žiadne softvérom definované rádia ale softvérom riadené rádia.

4.2 Čo je to softvérom definované rádio?

K tomu je snáď jednoduchšie najskôr popísať, čo softvérom definované rádio nie je.

Všetky moderné rádia sú vybavené jedným rozhraním k počítaču a môžu byť pomocou

tohto riadené. Sú to softvérom kontrolované rádia, pri ktorých sa nastavujú jednotlivé

parametre, ako napr. filtre, režimy, frekvencie, ale aj funkcie zaintegrovaného DSP

(digitálne spracovanie signálov). Aj keď tieto aktualizácie môžu byť nahraté, základná

funkčnosť ostáva zachovaná.

Toto je pri softvérom definovanom rádiu v zásade iné. Celá funkčnosť sa definuje

pomocou softvéru.

Prijímač, ktorého jadro je QSD (snímač vzoriek kvadratúr) dodáva dva audio signály

posunuté voči sebe vo fáze o 90 stupňov. Sú to I a Q signály. Na ich báze treba realizovať

demoduláciu pre všetky druhy modulácií podľa A/D prevodu v počítači. Známy je tento

princíp ako fázová metóda s počiatočnej doby SSB techniky ako kremíkový filter (bolo to

ale drahé).

35

Obr.4.1 Snímač vzoriek kvadratúr.

Doplňuje sa pomocou filtra, zosilňovača a DDS oscilátora na riadenie QSD

s potrebnými fázovo posunutými signálmi.

Obr.4.2 SDR-1000: Prijímač.

Ako DDS oscilátor sa používa AD9854 od firmy Analog Devices (analógové

prístroje). Rozhranie k digitálnemu spracovaniu signálov je Line In stereo vstup zvukovej

karty v počítači. Vlastnosti tejto zvukovej karty ako napr. vlastná dynamika (16 / 24 Bit A

/ D prevodník) a kanálové ukončenie, podstatne ovplyvňujú dáta prijímača.

36

Náležito k prijímaču je prevedený aj vysielač.

Obr.4.3 SDR-1000: Vysielač.

V počítači sa generujú I-Q signály a potom po D/A prevode na Line Out stereo zdierke

sú k dispozícii ako analógové signály pre QSE. Výstupný výkon tohto PA-ICs je skoro

1W pre všetky krátkovlnné pásma.

4.3 Všeobecne o softvérovom prijímači

V rokoch 2002 a 2003 boli v americkom časopise QEX predstavené softvérom

definované rádia pre širokú verejnosť rádioamatérov.

Princípom tejto koncepcie je počítač, ktorý majú dnes k dispozícii takmer všetci

rádioamatéri. Predpokladom je dobrá zvuková karta. Odhliadnuc od analógového výstupu

je prijímač realizovaný podľa softvéru. Zdroje tohto softvéru sú voľne k dispozícii

všetkým užívateľom, teda pri zodpovedajúcich vedomostiach môže každý svoj prijímač

voľne vyvýjať bez pájkovania. Pod názvom SDR 1000 firma Flex-Rádio systém ponúka

potrebný softvér a hardvér.

37

4.4 Ďalší vývoj

- Elektrónky a polovodičová technika: s pokrokom digitálnej techniky sa táto

používa na stále viacerých miestach v prijímačoch a vysielačoch.

- Indikácia frekvencie pomocou počítadla.

- Digitálne PLL spoje pri oscilátoroch.

- Digitálne generovanie frekvencií oscilátora.

- DSP na strane nízkej frekvencie.

- Zo stále rýchlejšími DSP sa tieto používajú pre filtráciu, demoduláciu

a spracovanie audiosystémov.

Toto ale ešte nie je žiadna softvérová technológia, lebo programy ku generovaniu

a spracovaniu signálov sa nachádzajú nezmenené ako pevné súčiastky v prístrojoch.

Môžu sa síce zmeniť parametre spracovania pomocou zadávania cez tlačidlá, ale nie

samotné programy.

Digitálne spracovanie signálov:

- A/D prevodník.

- Signály v časovom pásme.

- Signály vo frekvenčnom pásme.

- Transformácia z časového na frekvenčné pásmo a naopak.

- Filter.

38

4.5 Celková štruktúra SDR 1000 a PC

Obr.4.4 Celková štruktúra SDR-1000 a PC.

Základná verzia SDR-1000 pozostáva z troch dosiek plošných spojov zostavených nad

sebou. Spodná doska obsahuje obvody pre pripojenie k počítaču, stredná doska procesory

a ďalšie obvody pre celý vlastný prijímač. Horná doska obsahuje pásmovú priepusť pre

vysielaciu časť. Rozmery týchto troch dosiek sú asi 7 x 10 cm.

Štvornásobný vzorkovací detektor zaručuje veľký dynamický rozsah s minimom

ďalších komponentov, ktoré by tento parameter zhoršovali. Nový analógový obvod

AD9854 je použitý pre štvornásobné spracovanie DDS a veľmi presný hodinový oscilátor

200 MHz zaručuje pokrytie celého rozsahu frekvenčného pásma s minimálnym fázovým

šumom. Rozsah prijímača vrátane všetkých amatérskych pásiem je od 11 kHz do 65

MHz. Vysielač poskytuje výkon 1 W na 50 Ω na všetkých amatérskych pásmach až do 6

metrov.

39

K prevádzke je nutný už spomínaný počítač, ktorým sa vlastne celý tento set ovláda.

Pripojený je cez paralelný port počítača. Počítač musí spĺňať aspoň tieto podmienky:

- procesor minimálne 600 MHz

- operačnú pamäť minimálne 256 MB

- operačný systém Windows 2000 alebo XP

Najväčšie nároky sú na zvukovú kartu, ktorá musí byť čo najlepšia, pretože vlastne

sama zaisťuje, aby bol čo najlepší dynamický rozsah s čo najmenším skreslením.

Dnes už nie je v ponuke len sada troch dosiek, ale už len kompletný systém s krytom

v rôznych vyhotoveniach:

- Základná verzia 1W prijímača.

- So 100W koncovým stupňom.

- 100W prijímač.

- S 2m pásmom.

- Iba prijímač.

40

Obr.4.5 Reálne fotografie SDR-1000. [6]

41

Záver

Cieľom práce bolo oboznámiť čitateľa o technológiach komunikačných prijímačov.

V úvodnej časti sú uvedené a vysvetlené základné pojmy a teoretické poznatky z tejto

oblasti.

Druhá časť práce je venovaná konkrétnemu FM príjímaču pre pásmo 2m. Je v nej

zahrnutá schéma prijímača, rozmiestnenie súčiastok na plošnom spoji, napájací zdroj a

podrobný postup práce pri zostavovaní tejto schémy. Táto časť je aj predmetom

praktickej úlohy. Pozostáva zo zostavenia, naladenia a uvedenia prijímača do prevádzky.

Celý prijímač je zostavený na doske s jednostrannými plošnými spojmi. Na doske nie sú

umiestnené súčiastky pre ladenie prijímača, regulátor hlasitosti a reproduktor.

K základnému naladeniu prijímača bol potrebný signálny generátor, čítač a osciloskop.

Záverečná časť práce zahŕňa pohľad do súčasnosti. Vývoj rádiotechniky nabral so

zavedením digitálnej techniky razantnú rýchlosť. Počítače sú zo sveta rádioamáterov už

neodmysliteľnou súčasťou, riadia prístroje a preberajú generovanie a demoduláciu

signálov rôznych režimov. Vývoj priniesol prijímače bez akýchkoľvek obslužných

prvkov, alebo prijímače, ktoré sú tiež na trhu ako zasúvacie karty pre počítače. Tieto

prístroje sú obsluhované iba pomocou softvéru, ktorý je k dispozícií všetkým užívateľom,

teda pri zodpovedajúcich vedomostiach si môže každý svoj prijímač voľne vyvíjať bez

pájkovania.

42

Zoznam použitej literatúry:

[1] DANEŠ, J.: Amatérska rádiotechnika a elektronika. Praha: Naše vojsko, 1988,

454s. ISBN 28-098-88.

[2] Vachala V. : Technika amplitudové modulace s jedným postranním pásmem, SNTL

Praha 1983.

[3] Hajoš Z.: Frekvenčná modulácia, ALFA Bratislava 1978.

[4] Amatérske rádio: Konstrukční elektronika – 3/2004.

[5] Machalík L., Slížek R.: Technické zprávy, Integrované obvody Tesla. TESLA

Rožnov, n. p.,DPS, Rožnov pod Radhoštem, ČSSR, 1975.

[6] http://dj9cs.raisdorf.net/SDR-1000.html

43

ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúceho bakalárskej práce Doc. Ing. Rudolfa Hronca PhD. a

používal som len literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce.

V Žiline dňa: .................... Podpis študenta:

44

Ďakujem vedúcemu mojej záverečnej práce, Doc. Ing. Rudolfovi

Hroncovi, PhD. za venovaný čas, cenné rady a usmernenie, ktoré mi

pomohli k vypracovaniu bakalárskej práce.