Podstawy budowy i konstrukcji nadajników radiowych FM.


Poniższy schemat blokowy prezentuje podstawową konstrukcję nadajnika FM. Schemat ten prezentuje podstawowy model konstrukcyjny nadajnika :



źródło sygnału audio wzmacniacz audio generator nośnej modulator FM separator driver HF wzmacniacz mocy (PA) filtry pasmowe antena



Podstawy budowy to może lekka przesada. Mam nadzieje że czytając te strony masz już jakieś pojęcie o teorii fal radiowych. Są to elementarne podstawy wiedzy które musisz posiadać chcąc zabrać się do konstrukcji własnego nadajnika . Praktycznie powinny wystarczyć lekcje fizyki z podstawówki oraz średniej . Dlatego właśnie w tym miejscu pominę nudną - fizyczną - część radioelektroniki i przejdę od razu do omówienia budowy nadajnika . Opierać będę się na schemacie blokowym zamieszczonym powyżej. Schemat ten prezentuje elementarną , lecz najczęściej stosowaną konstrukcję nadajnika . Strona ta zawiera jedynie ogólne omówienie budowy nadajników FM. Aby poznać szczegóły nie wahaj się klikać na odnośniki które zaprowadzą Cię do opisów szczegółowych gdzie poznasz dogłębnie interesujący cię temat .

Źródło sygnału audio.

Pierwszym blokiem jest źródło sygnału audio . Ten element to źródło dźwięku który emitowany będzie w eter. Najczęściej jest to mixer audio który sumuje dźwięki z kilku urządzeń wejściowych (np. mikrofon, CD, magnetofony czy karta dźwiękowa PC) lecz równie dobrze podpiąć można pojedyncze urządzenie. W bardziej rozbudowanych nadajnikach elementem tym jest koder stereo który umożliwia nadawanie stereofoniczne . Źródło sygnału audio powinno dawać dźwięk o odpowiednim poziomie głośności i dobrej jakości .

Źródłem sygnału audio jest dowolne urządzenie przetwarzające dźwięk . Może być to magnetofon , CD czy karta dźwiękowa komputera . Nieodzowny jest tu mixer audio który wszystkie te źródła połączy w jedno oraz odpowiednio wzmocni . Oczywiście nie można zapomnieć również o mikrofonie . W zależności od źródła sygnału wymagane jest zróżnicowany poziom wzmocnienia każdego z nich . Mikrofon dynamiczny musi mieć bardzo duże wzmocnienie a odtwarzacz CD niewielkie . Wyrównanie poziomów sygnałów jest konieczne z dwóch powodów : różne źródła dźwięku muszą mieć tą samą głośność , nie można dopuścić do przesterowania modulatora . Rozbudowane mixery posiadają również korekcję widma sygnału audio popularnie zwaną korektorem lub equalizerem . Jest to bardzo dobre rozwiązanie ponieważ pozwala przystosować dźwięk do najlepszej jakości . Proponuję również zastosowanie oddzielnego korektora , choćby bardzo prostego ( regulacja basów i sopranów ) na kanał mikrofonowy , ponieważ w amatorskich rozwiązaniach odsłuch mamy razem z mikrofonem , co powoduje sprzężenia objawiające się piskami i innymi zakłóceniami dźwięku . Korektor taki pozwala wtedy na ograniczenie częstotliwości przenoszenia mikrofonu . Dobrze jest również aby mixer posiadał wizualny wskaźnik poziomu sygnału wychodzącego , który umożliwia ciągłą kontrolę nad poziomem wysterowania nadajnika . Myślę że ta część nadajnika nie wymaga szczegółowych opisów . Nie zamieszczam tu schematu żadnego mixera ponieważ fachowa prasa ("Praktyczny elektronik","Radioelektronik") oraz inne witryny nt. elektroniki są nimi przepełnione . Konstrukcja mixera jest tak banalnie prosta iż nie powinna sprawić kłopotów nikomu . Z resztą , od biedy można nabyć w dowolnym sklepie elektronicznym gotowy zestaw do samodzielnego montażu .


Wzmacniacz audio.

Następnym elementem jest wzmacniacz audio. Element ten ma za zadanie dopasować poziom sygnału ze źródła do wejścia modulatora. Chciałbym zaznaczyć w tym miejscu iż wzmacniacz ten paradoksalnie powinien zmniejszać poziom sygnału . Dzieje się tak dlatego iż jeżeli źródłem dźwięku jest urządzenie o wysokim poziomie sygnału (np. CD) lub jest nim mixer to posiadają one dostateczne, a nawet zbyt wielkie wzmocnienie i istnieje obawa o przesterowanie wejścia modulatora. Dlatego optymalnie zaleca się w tym miejscu zastosowanie kompresora dynamiki.

Przejdę teraz do omówienia wzmacniaczy wejściowych . Temat ten właściwie jest tylko teorią ponieważ w niewielu przypadkach istnieje potrzeba zastosowania wzmocnienia w tym bloku . Po przejściu przez mixer sygnał zapewne ma już wystarczającą wartość , taką aby mógł on wysterować multiplekser . Więc tak właściwie to omówię tutaj parametry sygnału jaki powinien dotrzeć do wejść kodera stereo . Po pierwsze powinien mieć on jednak wystarczający poziom . Jeśli zachodzi obawa o zbyt małą jego wartość powinniśmy wzmocnić go dostatecznie . Zbyt niska wartość powoduje zwężenie szerokości modulacji . U nas objawia się to jedynie cichym dźwiękiem jaki odbieramy w odbiorniku odsłuchowym , lecz ze wzrostem odległości od nadajnika sygnał HF jest bardziej podatniejszy na zakłócenia . Następnie powinniśmy zadbać o to aby jego wartość nie była zbyt wysoka . Jeśli tak się dzieje odbierany dźwięk obarczony jest zniekształceniami (charakterystyczne trzeszczenie) . W przypadku przesterowania dźwięk , szczególnie w wysokich częstotliwościach (soprany) jest podatny na zniekształcenia . Powodem tego jest szersza modulacja FM w tym paśmie . Aby zapowiedz powstawaniu tego zjawiska powinniśmy stale (choćby za pomocą wskaźników) monitorować dźwięk wychodzący z mixera . Pomocnym tutaj , i często stosowanym układem jest kompresor dynamiki . Reguluje on samoczynnie wartość sygnału audio w zależności od ustalonego progu . Jeśli poziom jest za mały kompresor go wzmacnia , jeśli zbyt wielki zmniejsza . Jest to ten sam układ który stosowany jest w magnetofonach z automatyczną regulacją poziomu sygnału . Próg kompresora , czy w ogóle wzmocnienia powinniśmy ustalić na 90 % dewiacji modulatora . Bez pomocy oscyloskopu jest to nieco utrudnione . W takim przypadku , aby to uczynić powinniśmy wychwycić graniczny próg przesterowywania się nadajnika na najwyższym możliwym poziomie sygnału z mixera , a następnie nieco go obniżyć . Ten stopień również często zawiera specjalne korektory charakterystyki widma sygnału audio zwane preemfazami. Są to zestrojone na stałe filtry mające za zadanie podbić poziom sygnału w zakresie wyższych częststotliwości akustycznych , a co za tym idzie poszerzyć modulację nadajnika , co wpływa bardzo korzystnie na polepszenie stosunku sygnału do zakłóceń .
 

Multiplekser stereofoniczny

Następnym blokiem według naszego schematu blokowego (patrz podstawy budowy) powinien być modulator . I rzeczywiście , w nadajnikach radiowych monofonicznych tak jest . Lecz jeśli uzyskać chcemy (jak myślę) nadajnik stereo w tym miejscu powinien pojawić się multiplekser analogowy zwany popularnie koderem stereo . Jeśli zdecydujecie iż Wasz nadajnik wykonacie w wersji mono , z powodzeniem możecie ominąć ten blok , i sygnał audio wprowadzić do modulatora . Lecz zapewniam Was iż koder stereo znacznie polepszy jakość nadawanej przez Was audycji . Poniższy schemat blokowy prezentuje multiplekser stereo oparty na zasadzie przełączania . Ten typ kodera jest prosty w budowie i z reguły najczęściej stosowany :

Opis skrótów :

L-kanał lewy , P-kanał prawy , L+P-sygnał mono , 38kHz L(P)-zkluczowany sygnał kanału lewego(prawego) , Pl-pilot , MPX - kompleksowy sygnał stereo

Kodowanie stereo jest dość złożonym procesem który postaram się omówić . Opierać się będę na schemacie blokowym . Sygnał stereo , jak powszechnie wiadomo zawiera informacje o dźwięku przenoszoną w dwóch kanałach . Dzięki temu ma on bardziej fizjologiczne i lepsze brzmienie . Dowolny modulator (również FM) ma tylko jedno wejście i dlatego możemy wprowadzić do niego bezpośrednio tylko jeden kanał dźwiękowy . Dlatego właśnie kilku sprytnych panów wydumało jak by tu upchnąć dwa źródła dźwięku w jednym kanale . Na początku wymyślono aby każdy kanał nadawać na osobnej częstotliwości . Lecz od razu w tym miejscu pojawił się odwieczny problem kompatybilności odbiorników mono i stereo (mono odbierał by tylko jeden kanał) oraz kosztów (podwójne nadajniki oraz odbiorniki). Więc wymyślono coś innego . Teoria była prosta : należało przełączać z częstotliwością 38 kHz raz to kanał lewy , raz prawy . Ludzkie ucho nie zdąży wyłapać takiej różnicy . Znaczy to iż teoretycznie słyszymy na raz tylko jeden kanał . Jeśli odbiornik był monofoniczny nie stanowiło to żadnego problemu . Tak więc wracając do tematu omówię przedstawiony powyżej schemat . Dwa pierwsze bloki są wam już znane . Spełniają one identyczne funkcje jak te które omówiłem na początku . Są to źródło dźwięku stereo i wzmacniacze . Mają one takie same własności jak omówione wcześniej . W ich skład winny wejść preemfazy na każdym z kanałów a ponadto niezbędne jest dodanie dolnoprzepustowego filtru 15kHz . Jest to potrzebne gdyż sygnały audio o częstotliwościach wyższych niż 15kHz zniekształcają widmo MPX , a dla ludzkiego ucha , którego próg słyszalności wynosi właśnie tyle, nie czyni to różnicy . Centralnym blokiem jest generator sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 19 kHz , zwanego pilotem . Za zadanie ma on poinformować odbiornik iż nadawana audycja ma wersję stereofoniczną . Jest to ten sygnał który zapala lampkę stereo w odbiorniku i przełącza go w tryb stereo . Stanowi on ponadto bazę dla sygnału przełączającego i tym samym podstawę do demodulacji . W bloku zwanym podwajaczem częstotliwość sygnału pilota wychodząc jednym z dwóch wyjść jest podwajana do wartości 38kHz . Jest to właśnie częstotliwość przełączania obu kanałów stereo . Lecz zanim trafi on do bloków kluczy jego kształt zamieniony być musi z sinusoidy na przebieg prostokątny . Jest to konieczne ponieważ klucze elektroniczne działać muszą naprzemiennie . Klucz jest zwykłym przełącznikiem elektronicznym najczęściej układem scalonym lub tranzystorem . Zbocze dodatnie sygnału zamyka klucz kanału prawego a lewy pozostawia otwarty . Na zboczu ujemnym zachodzi odwrotna sytuacja . Tak więc w jednym momencie nadawany jest tylko jeden z kanałów . Dalej oba zkluczowane częstotliwością 38kHz kanały , w bloku sumatora łączone są razem i dodawany jest do nich sygnał pilota . Ponadto do sumatora dociera także połączony dźwięk kanałów L+P w wersji dla odbiorników monofonicznej . Na schemacie zachodzi pewna nieścisłość gdyż wszystkie te sygnały sumowane są w co najmniej dwóch blokach (((38kHz L + 38kHz P)+ sygnał mono L+P)+pilot 19kHz) . Po zsumowaniu otrzymujemy zespolony sygnał stereofoniczny zwany w skrócie MPX . Dalej sygnał ten wędruje do filtru dolnoprzepustowego 56kHz , mającego na celu wyzbycie się niepotrzebnych zakłóceń z MPX i zawężenia jego pasma do pożądanej częstotliwości .

Przykładowy, praktyczny i nieco odmienny opis multipleksera, wraz z przebiegami z oscyloskopu który na pewno warto obejrzeć znajdziesz na schemacie kodera stereo

Generator.

Następny blok to generator sygnału sinusoidalnego. Generator ten daje sygnał wysokiej częstotliwości. Jest to sygnał sinusoidalny tzw. nośna na którą w modulatorze zostanie nałożony dźwięk. Częstotliwość nośnej musi być równa częstotliwości na jakiej chcemy nadawać.
W tym miejscu mam drobną uwagę na temat doboru częstotliwości nośnej. Zapewne, jeżeli interesujecie się tematem, znacie rozkład częstotliwości w waszym rejonie. Piszę tu o tym dlatego iz należy uważać aby nie zakłócić nadających legalnie radiostacji (i sprowadzić do miasta PAR) ! Z własnego doświadczenia wiem iż na z reguły krańce zakresu pozostają wolne. Dlatego tam radzę lokować swoje częstotliwości.
Wracając do tematu ważne jest ażeby generator dawał czystą i stabilną częstotliwość.


Generator nośnej.

Ostatnim omówionym tutaj blokiem jest generator nośnej . Jest to niejako serce naszego nadajnika . Ma on za zadanie wytworzyć częstotliwość dzięki której sygnał nadajnika będzie mógł być odbierany poprzez radioodbiornik . Generator to układ przetwarzający napięcie stałe w przemienne . Układ taki to nic innego jak wzmacniacz selektywny pracujący z układem dodatniego sprzężenia zwrotnego . Istnieje wiele modeli generatorów oraz ich odmian (układ Meissnera , Colpittsa , Hartleya ) . Wszystkie pracują w oparciu o sprzężenie zwrotne poprzez układ LC dlatego w przybliżeniu częstotliwość takich generatorów wynosi :

f=1 / (2*pi*pierwiastek z(LC))

Dodatkowo istnieje także układ generatora opartego na rezonatorze kwarcowym który dokładnie ustala częstotliwość takiego układu . Generator kwarcowy jest jednym z najlepszych modeli generatorów niestety wymaga trudnodostępnego rezonatora na pasmo FM . Oczywiście można sobie poradzić przystosowując układ z innym rezonatorem lecz jest to nieco skomplikowane (konieczność stosowania zwielokrotniaczy i dzielników ). Nie będę tutaj dokładnie omawiał poszczególnych układów wzbudnic ponieważ nie ma chyba potrzeby . Teoretycznie starczyć powinny schematy ideowe które zamieszczam . Wspomnieć jeszce warto iż generator spełniać powinien pewne normy . Głównym wymaganiem jest jego częstotliwość . Współczesna radiofonia FM w naszym kraju korzysta z jednego pasma częstotliwości . Pasmo to, zwane zachodnim zawiera się w granicach od 87.5 do 108.0 MHz . Jego nazwa pochodzi od tego iż przyjęte zostało w latach 60 jako standard w Europie zachodniej i Ameryce . Do niedawna istniało jeszcze pasmo zwanym wschodnim operujące na częstotliwościach od 65.0 do 74.0 MHz. W obecnej chwili nie jest już używane i prawnie zabroniono na nim jakiejkolwiek publicznej emisji radiowej. Zakres częstotliwości tego pasma przekazany został zgodnie z normami Unii Europejskiej dla łączności wojskowej i komunikacyjnej . Częstotliwości generatorów własnej roboty proponuje lokować w takich miejscach pasma FM gdzie nie ma legalnych rozgłośni radiowych . Są to z reguły oba krańce zakresu UKF no i dziury pomiędzy nadającymi radiostacjami.
Następnym ważnym parametrem generatora jest stabilność częstotliwości tzn. jej niezmienność w funkcji czasu . Parametr ten zależy od typu układu generatora oraz od sposobu jego praktycznego wykonania . Największą stabilność zapewniają generatory kwarcowe . Ważnym parametrem jest też kształt sinusoidy . Im jest on dokładniejszy tym sygnał z generatora ma lepszą jakość . Na koniec warto jeszcze wspomnieć o zmorze radioelektroników budujących generator czyli harmonicznych . Generator oprócz nośnej która jest jego głównym produktem wytwarza jeszcze częstotliwości harmoniczne które są wielokrotnościami nośnej . Mają one mniejszą wartość poziomu sygnału lecz przechodząc poprzez bloki wzmacniaczy osiągają znaczną moc . Harmoniczne te negatywnie wpływają na bloki wzmacniaczy generując tam sprzężenia , osłabiając wzmocnienie i przyczyniając się do generacji zakłóceń . Dla przykładu wzbudnica pracując przy częstotliwości 73 MHz generuje drugą harmoniczną przypadającą na krótkofalarskie pasmo 144 MHz co oczywiście lokalnie je zagłusza . Dlatego ważne jest aby następny po generatorze blok separatora posiadał zestaw filtrów górno zaporowych .

Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej, poznać rodzaje, zasady działania, kryteria doboru i parametry generatorów to zapraszam do działu Balcera, a w szczególności jego opracowania dotyczącego generatorów.

Modulator FM.

Przejdę teraz do omówienia modulatora . Modulacja jest procesem nałożenia dźwięku na nośną. W nadajnikach radiowych FM stosujemy modulację częstotliwości (Ferenquency Modulation) w skrócie właśnie FM. Polega ona na zmianie częstotliwości nośnej (dewiacji) w takt częstotliwości modulującej (np.audio lub MPX) Modulator ma dwa wejścia : wejście audio (ew. MPX ), wejście nośnej oraz wyjście zmodulowanego częstotliwościowo sygnału radiowego HF.

W następnej kolejności MPX lub sygnał monofoniczny kierowany jest do wejścia modulatora FM . Blok ten nakłada sygnał audio na częstotliwość nośnej wytworzonej w generatorze . W radiofonii na paśmie UKF stosujemy modulację częstotliwości . Zapewnia ona o wiele lepszą jakość dzwięku , oraz jest odporniejsza na zakłócenia . Modulacja taka polega na zmianie częstotliwości podstawowej w takt częstotliwości wejściowej . Zmiana ta zwana jest dewiacją . Dla radiofonii UKF dewiacja wynosi ok. +(-) 75 kHz . Z tego właśnie powodu modulację FM stosować można jedynie na wysokim paśmie częstotliwości (od ok.10 MHz) . Stosowanie modulacji FM na niższych pasmach jest niewykonalne gdyż dewiacja wykraczała by daleko poza tolerancję ustalonej wartości częstotliwości danego pasma . Modulowanie FM dokonuje się z reguły poprzez zmianę parametrów ( pojemności ) w obwodzie rezonansowym generatora . Służy do tego warikap (dioda pojemnościowa ) włączona równolegle z kondensatorem rezonansowym . Zmiana napięcia wstecznego takiej diody , powoduje zmianę jej pojemności o ułamki pikofaradów (w zależności od typu ) , co powoduje zmianę wypadkowej pojemności rezonansu , dając w efekcie zmianę (zmniejszanie się ) częstotliwości . Na oscyloskopie widać to jako charakterystyczne rozszerzanie się sinusoidy nośnej . Modulacja na warikapie jest podstawowym układem tego typu bloków nadajnika . Jednakże może się ona odbywać również na innych zasadach . Przykładem może być generator przeciwsobny który składa się z dwóch , sprzężonych równolegle generatorów o identycznej częstotliwości . Modulacja w tego typu układzie polega na zmianie częstotliwości jednego z generatorów co w efekcie daje modulację FM . Przy omawianiu modulacji warto jeszcze wspomnieć o parametrach i poziomach sygnału mono i stereo . Sygnał monofoniczny zamyka się w przedziale częstotliwości do 16 kHz . Po podaniu na modulator powoduje on niewielką dewiację . Natomiast pasmo MPX sięga granicy 56 kHz co daje stosunkowo większy poziom dewiacji , a więc szersze pasmo odbioru . MPX jest również sygnałem wiele bardziej złożonym , przez co podatniejszym na zakłócenia niż mono . W efekcie audycje stereofoniczne wymagają wyższych poziomów sygnału przy odbiorze .

Separator.

Z wyjścia modulatora otrzymujemy sygnał wysokiej częstotliwości (HF). Pozornie sygnał ten możemy już odebrać pospolitym radioodbiornikiem. Lecz niestety jego moc zapewnia mu zasięg zaledwie kilku metrów. Dlatego należy go wzmocnić. Aby to zrobić sygnał pokierowany zostać musi do wzmacniaczy HF. Lecz niestety przebieg z modulatora jest bardzo wrażliwy. Chodzi tu o to iż podłączenie obciążenia (wzmacniacza lub anteny) powoduje natychmiastową zmianę ustalonej częstotliwości. Dlatego właśnie musimy go wcześniej odseparować w bloku nadajnika zwanym separatorem . Izoluje on modulator od następnych bloków i poprawia stabilność częstotliwości . Jest to zwykle jednostopniowy wzmacniacz o dużej impedancji wejściowej (na tranzystorze unipolarnym) , wzmocnieniu równemu 1 i zaopatrzony w zestaw filtrów środkowo przepustowych .

Driver.

Następnym ważnym lecz często pomijanym blokiem jest driver . Blok ten jest pierwszym elementem wzmacniającym . Jego zadanie polega na wstępnym wzmocnieniu sygnału aby mógł on wysterować (drive) dalsze stopnie nadajnika . Jego budowa jest podobna do konstrukcji separatora , jednakże zbudowany jest zwykle za zwykłym tranzystorze HF małej mocy (typu BFxxx) . Dawać on powinien na swoim wyjściu moc rzędu 0.2-0.7 W w zależności od potrzeb końcówki mocy (im większa moc wyjściowa tym większy poziom mocy z drivera) .

Power amplifier.

Przedostatnim , łatwym w budowie lecz niezmiernie trudnym w konstrukcji blokiem nadajnika jest wzmacniacz mocy zwany PA (Power Amplifier). Wzmacniacz ten ma za zadanie zwiększyć moc sygnału HF tak aby miał on odpowiedni zasięg i mógł dotrzeć do jak największego grona odbiorców. Tutaj podobnie jak przy doborze częstotliwości należy kierować się rozwagą. Moc wzmacniacza dobieramy tak aby pokrywała nasz obrany zasięg bez pozostawienia zapasu. Ma to znaczenie praktyczne bo im większa moc tym większe zakłócenia. PA jest bardzo trudnym i kapryśnym w konstrukcji układem .

Filtry wyjściowe.

Ostatnim również często pomijanym przy omawianiu konstrukcji nadajników blokiem jest filtr wyjściowy . Filtr ten jest prostym układem filtru środkowo przepustowego który za zadanie ma zmniejszyć pasożytnicze częstotliwości generowane przez PA. Sygnały te mają zwykle częstotliwość mniejszą lub większą o kilka MHz od częstotliwości nośnej , i tym samym zakłócają inne nadajniki. Często dzieje się to bez naszej wiedzy .

Antena.

Na końcu jest oczywiście antena która rozprzestrzenia fale radiowe w eter. Jedyne co na razie musicie wiedzieć o antenie to to, iż najlepiej aby była ona umieszczona jak najwyżej. Pierwotny zasięg nadajnika FM jest taki jaki dojrzycie z miejsca umocowania anteny. Dalej Wasze fale radiowe rozchodzą się tylko dzięki odbiciom .

Schemat ten jest prezentacją najprostszej formy nadajnika . W bardziej rozbudowanych modelach stosuje się na wejściu koder stereo który umożliwia emisję stereofoniczną. Innym ciekawym rozwiązaniem jest wytwarzanie przez generator sygnału o częstotliwości 0.5 częstotliwości wyjściowej. Na nim odbywa się modulacja, separacja a następnie przed driverem jego częstotliwość jest podwajana i wzmacniana. Taki zabieg polepsza stabilność częstotliwości , jakość modulacji oraz zmniejsza zakłócenia pasożytnicze z modulatora. Dodatkowe, przydatne funkcje to możliwość regulacji częstotliwości i mocy wyjściowej . Zalecana jest też możliwość monitoringu parametrów sygnału wychodzącego (częstotliwości , mocy , dewiacji). Wszelkie dodatkowe układy poprawiają parametry nadajnika i ich konstrukcja zależy od możliwości i chęci.