1. Ποιος είναι ο ρόλος του δέκτη στις επικοινωνίες.
(Απάντηση στη σελίδα 233)
Ο ρόλος του είναι να ενισχύει επιλεκτικά και να επεξεργάζεται μόνο το ωφέλιμο φέρον, ώστε να αποδίδει στην έξοδο την πληροφορία.
2. Να αναφερθούν τα βασικότερα χαρακτηριστικά ενός ραδιοφωνικού δέκτη.
(Απάντηση στη σελίδα 234,235)
Οι επιδόσεις του δέκτη χαρακτηρίζονται από:
- Τη σταθερότητα (stability)
- Την ευαισθησία ( sensibility)
- Την πιστότητα (fidelity)
- Την επιλεκτικότητα (selectivity)
- Τη γραμμικότητα (linearity)
- Την έλλειψη παρασιτικών εκπομπών
3. Να σχεδιαστεί το γενικό διάγραμμα ενός απλού δέκτη.
(Απάντηση στη σελίδα 233 σχήμα 7.1.1)
4. Να αναφερθούν διάφορα μειονεκτήματα του απλού άμεσης ενίσχυσης δέκτη.
(Απάντηση στη σελίδα 235,236)
- Απαιτείται λοιπόν η δυνατότητα συντονισμού των σταδίων εισόδου (ρύθμιση των φίλτρων L-C και του επιλεκτικού ενισχυτή) σε όλες τις συχνότητες της συγκεκριμένης ζώνης με εύρος ζώνης διέλευσης 10 kHz. Η συμπεριφορά του δέκτη χαρακτηρίζεται από συντελεστή ποιότητας Q μη σταθερής τιμής. Πράγματι:
Qmin = 531 / 10 =53 και
Qmax = 1602 / 10 = 160 .
Ένα τέτοιο φίλτρο με μεταβλητό συντελεστή ποιότητας δεν κατασκευάζεται εύκολα.
- Από την άλλη πλευρά, αν χρησιμοποιηθεί φίλτρο σταθερού συντελεστή ποιότητας, τότε στις υψηλότερες συχνότητες της ζώνης αντικειμενικά η ζώνη διέλευσης του δέκτη είναι μεγαλύτερη. Αυτό σημαίνει ότι η επιλεκτικότητα του δέκτη δεν είναι σταθερή για όλη την ζώνη λειτουργίας του και αυτό δεν είναι ανεκτό.
- Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα του απλού δέκτη του σχήματος 7.1.1 είναι η γραμμικότητά του, που έμμεσα χαρακτηρίζει τη δυναμική εισόδου. Αν το φέρον σήμα στην είσοδο του δέκτη παρουσιάζει διακυμάνσεις (μεταβολές) ένταση είναι προφανές ότι στην έξοδο το σήμα s(t) παρουσιάζει αντίστοιχες μεταβολές, πολύ δυσάρεστες στην ακρόαση.
- Σε κάποιες περιπτώσεις πολύ ισχυρού φέροντος στην είσοδο ενδεχομένως δημιουργηθεί κορεσμός του σήματος σε κάποιο στάδιο ενίσχυσης και τελικά να εμφανιστούν παραμορφώσεις στην έξοδο.
5. Να σχεδιαστεί το γενικό διάγραμμα ενός υπερετερόδυνου δέκτη.
(Απάντηση στη σελίδα 236 σχήμα 7.2.1)
6. Ποιος είναι ο ρόλος της διάταξης AGC στο δέκτη.
(Απάντηση στη σελίδα 242)
η ισχύς του σήματος στην είσοδο παρουσιάζει μεγάλες μεταβολές. Αυτές οι μεταβολές οφείλονται στην απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη ή ακριβέστερα στην απόσταση των κεραιών εκπομπής και λήψης, σε φαινόμενα διαλείψεων, απόσβεσης του φέροντος λόγω εμποδίων κ.α. Μπορεί μάλιστα να ξεπεράσουν τα 100 dB. Είναι λοιπόν προφανές ότι, αν δε ληφθεί μέριμνα να αντισταθμίζονται αυτές οι μεγάλες διακυμάνσεις του σήματος μέσα στο δέκτη, εκτός από το δυσάρεστο συναίσθημα κατά την ακρόαση, σε κάποιες ακραίες περιπτώσεις εμφανίζεται παραμόρφωση του σήματος λόγω κορεσμού και σε κάποιες άλλες το ασθενές σήμα είναι πνιγμένο στο θόρυβο (λόγος S/N, ισχύος σήματος/θόρυβο, κατώτερος κάποιας συγκεκριμένης αποδεκτής τιμής).
Για την αποφυγή αυτών των δυσάρεστων αποτελεσμάτων υιοθετείται η χρήση ενισχυτικών σταδίων RF και IF ελεγχόμενου κέρδους. Η διάταξη που παίζει αυτόν το ρόλο ονομάζεται διάταξη αυτόματου ελέγχου του κέρδους (AGC: Automatic Gain Control)
7. Να αναφερθούν τα πλεονεκτήματα του υπερετερόδυνου δέκτη.
(Απάντηση στη σελίδα 236,237)
Το φίλτρο εισόδου και ο επιλεκτικός ενισχυτής (RF) έχουν ζώνη διέλευσης ολόκληρη τη ραδιοφωνική ζώνη που καλύπτει ο δέκτης (δηλαδή, για τη ραδιοφωνία ΑΜ από 531 – 1602 kHz, για τη ραδιοφωνία FM από 88 – 108 MHz). Έτσι, το φίλτρο εισόδου από φίλτρο επιλογής καναλιού μετατρέπεται σε φίλτρο προεπιλογής ζώνης. Είναι προφανές ότι και πιο εύκολα κατασκευάζεται και δεν απαιτεί ευαίσθητες ρυθμίσεις, όπως στην προηγούμενη περίπτωση.
Συμπερασματικά, η διαδικασία της μετάθεσης της συχνότητας στο δέκτη, γνωστή με τον όρο ‘ετεροδύνωση’, ουσιαστικά αντικατέστησε όλο τα μεταβλητά στοιχεία και τις λεπτές ρυθμίσεις συντονισμού του απλού δέκτη με τη ρύθμιση της συχνότητας του τοπικού ταλαντωτή.
Έλυσε το πρόβλημα της επιλεκτικότητας και του συντονισμού του δέκτη.
8. Με παραδείγματα να εξηγηθεί ο τρόπος επιλογής της ενδιάμεσης συχνότητας του δέκτη.
(Απάντηση στη σελίδα 239,240,241)
Ας υποθέσουμε ένα δέκτη με στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας (fI). Όταν ο τοπικός ταλαντωτής είναι ρυθμισμένος σε συχνότητα (fT), ο δέκτης είναι συντονισμένος να λάβει επιθυμητό φέρον σήμα E(t) συχνότητας (fο), για την οποία ισχύει:
fI = fT – fo ή fo = fT - fI (3)
Με αυτή τη ρύθμιση του τοπικού ταλαντωτή μια δεύτερη συχνότητα (fo΄) αποδεικνύεται ενοχλητική. Πρόκειται για τη συχνότητα ενός άλλου φέροντος που, αν εμφανιστεί στην είσοδο του δέκτη ταυτόχρονα με το επιθυμητό φέρον και συνδυαστεί με τη συχνότητα του τοπικού ταλαντωτή, δίνει
fI = fo΄ – fT ή fo΄ = fI + fT , (4)
οπότε εκλαμβάνεται από το δέκτη επίσης ως δεύτερο ωφέλιμο σήμα.
Η συχνότητα (fo΄) ονομάζεται συχνότητα ‘είδωλο’ ή συχνότητα ‘εικόνα’ και απέχει από την ωφέλιμη συχνότητα λήψης 2fI. Πράγματι, από τις προηγούμενες σχέσεις:
2fI = fo΄ – fo ή fo΄ = fo + 2fI (5)
Η ταυτόχρονη λήψη δύο φερόντων με διαφορετικές συχνότητες αποτελεί βασικό πρόβλημα για τον υπερετερόδυνο δέκτη. Έτσι, η επιλογή της ενδιάμεσης συχνότητας λειτουργίας στη σχεδίαση του δέκτη υπόκειται σε κανόνες που εμφανίζονται αντιφατικοί.
Αν επιλεγεί σχετικά μεγάλη ενδιάμεση συχνότητα, η ωφέλιμη φέρουσα συχνότητα fo και η συχνότητα είδωλο fo΄ απέχουν πολύ και εύκολα η τελευταία περιορίζεται εύκολα και σημαντικά με το φίλτρο εισόδου. Βέβαια στην περίπτωση αυτή το φίλτρο και τα στάδια ενίσχυσης της ενδιάμεσης συχνότητας είναι πιο ευαίσθητα στην κατασκευή και τη ρύθμισή τους, ιδιαίτερα, όταν το φασματικό εύρος κάθε διαύλου είναι μικρό (άρα, απαιτείται υψηλή επιλεκτικότητα) και ο συντελεστής ποιότητας είναι μεγάλος. Έτσι, ο στόχος της μετάθεσης συχνότητας, ώστε στην συνέχεια να γίνει πιο εύκολα η περαιτέρω επεξεργασία του σήματος, δεν επιτυγχάνεται πλήρως. Η τελική επιλογή της τιμής της ενδιάμεσης συχνότητας στο δέκτη γίνεται σε συνδυασμό με το ολικό φασματικό εύρος της ζώνης, στην οποία προορίζεται να λειτουργήσει ο δέκτης.
Στο σχήμα αποδίδεται το συνολικό εύρος ζώνης ενός δέκτη που περιλαμβάνει Ν διαφορετικά κανάλια εκπομπής και εκτείνεται από fοmin έως fοmax. Έτσι, η φασματική ζώνη είδωλο εκτείνεται από :
[f΄omin , f΄omax ] = [ fomin +2fI , fomax + 2fI] (6)
Το φίλτρο εισόδου, δεν απαιτεί συντονισμό και αγκαλιάζει όλο το φασματικό εύρος που πρέπει να λαμβάνει ο δέκτης, δηλαδή (fomin, fomax). Η ζώνη - είδωλο δεν ενοχλεί το δέκτη, όταν η τιμή της ενδιάμεσης συχνότητας έχει επιλεγεί έτσι, ώστε:
f´omin > fomax ή
fomin + 2fI > fomax ή fI > (fomax – fomin) / 2 (7)
9. Για ποιο λόγο χρησιμοποιείται πολλές φορές και δεύτερο στάδιο ετεροδύνωσης στους δέκτες. Να τεκμηριωθεί με παραδείγματα.
(Απάντηση στη σελίδα 244,245)
Η χρησιμοποίηση δύο σταδίων μετάθεσης συχνότητας στο δέκτη δίνει λύση στα διάφορα προβλήματα που δημιουργεί το μοναδικό στάδιο ετεροδύνωσης. Είδαμε ότι όσο μικρότερη είναι η ενδιάμεση συχνότητα που χρησιμοποιείται στον δέκτη τόσο πιό εύκολη είναι η κατασκευή των σταδίων ενδιάμεσης συχνότητας (φίλτρου και ενισχυτών) που έμμεσα, μέσω του συντελεστή ποιότητας Q = fI/(BW), ορίζουν την επιλεκτικότητα του δέκτη. Από την άλλη πλευρά όσο μεγαλύτερη τιμή ενδιάμεσης συχνότητας επιλέγεται τόσο πιό εύκολα απορρίπτεται η ενοχλητική συχνότητα είδωλο.
Η αντίφαση αυτή καταργείται, αν υιοθετηθεί η χρήση δύο σταδίων ενδιάμεσης συχνότητας, fI1 ,fI2 με fI1 > fI2, όπως φαίνεται και στο σχήμα 7.4.1. Το πρώτο στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας fI1 διευκολύνει την απόρριψη της συχνότητας είδωλο, ενώ το δεύτερο κάνει την επιλογή του καναλιού ακρόασης.
10. Τι είναι ο φωρατής αναπτύγματος. Να δοθεί το σχήμα.
(Απάντηση στη σελίδα 246)
Στην κλασική διαμόρφωση πλάτους το βασικό σήμα s(t) είναι το πλάτος (το ανάπτυγμα) του φέροντος σήματος. Στο ρόλο του αποδιαμορφωτή συναντούμε μια απλή δίοδο συνδυασμένη με ένα χαμηλοπερατό φίλτρο R-C (πυκνωτή και αντίσταση).
11. Να δοθούν οι σχέσεις με τις οποίες υπολογίζονται τα στοιχεία του φωρατή D-R-C.
(Απάντηση στη σελίδα 247)
Στην έξοδο διέρχεται μόνο το σήμα χαμηλής συχνότητας (δηλαδή το βασικό σήμα s(t) ), ενώ η ενδιάμεση συχνότητα fI (ή η φέρουσα fo ) απορρίπτεται. Πολλές φορές η προηγούμενη σχέση εκφράζεται μέσω της σταθεράς χρόνου R.C του φίλτρου. Πράγματι:
1/2πF << RC << 1/2πfI . (14)
Στην περίπτωση που το βασικό σήμα δεν είναι μονοχρωματικό σήμα αλλά έχει συχνότητες Fmin , Fmax σε όλες τις προηγούμενες σχέσεις αντί του F χρησιμοποιείται η μέγιστη συχνότητα Fmax.
αποδεικνύεται ότι, αν m είναι το ποσοστό διαμόρφωσης πλάτους που χρησιμοποιήθηκε στον πομπό, ο φωρατής δεν εισάγει παραμόρφωση, όταν ισχύει:
m ≤ 1/ [1 + (2πRC)2 ]1/2 . (16)
Μια τρίτη βασική παρατήρηση για τη λειτουργία του κυκλώματος αφορά την ισοδύναμη αντίσταση εισόδου του φωρατή. Αποδεικνύεται ότι (σχήμα 7.5.2):
Rεισ ≈ R/2 (17)
Αυτή η σχέση είναι εξίσου σημαντική όσο και οι προηγούμενες. Προσδιορίζει έμμεσα την επιλογή της τιμής της αντίστασης R, η οποία πρέπει να είναι του ιδίου μεγέθους με την αντίσταση εξόδου του ενισχυτή (ενδιάμεσης) που προηγείται, για να υπάρχει σωστή προσαρμογή και μέγιστη μεταφορά ισχύος από τον ενισχυτή στο στάδιο αποδιαμόρφωσης.
12. Να σχεδιαστεί και να εξηγηθεί η λειτουργία του σύγχρονου φωρατή.
(Απάντηση στη σελίδα 248,249)
Ο σύχρονος η σύμφωνος αποδιαμορφωτής ή φωρατής φαίνεται στο σχήμα 7.5.3.
Το διαμορφωμένο σήμα πολλαπλασιάζεται με το σήμα ενός τοπικού ταλαντωτή της ίδιας συχνότητας και φάσης με το φέρον σήμα (σύγχρονο ή σύμφωνο σήμα). Αν πρόκειται για απλό δέκτη, χωρίς στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας, ο τοπικός ταλαντωτής συγχρονίζεται με το αρχικό φέρον συχνότητας fo . Αν ο δέκτης διαθέτει στάδιο ενδιάμεσης συχνότητας ο τοπικός ταλαντωτής του φωρατή συγχρονίζεται με τον ταλαντωτή της ενδιάμεσης συχνότητας.
Πράγματι, θεωρώντας το σήμα E(t) διαμορφωμένο κατά πλάτος, έχουμε διαδοχικά:
E(t) = [Eo + s(t)]. cos(ωot)R(t) = 1. cos(ωοt).
Στην έξοδο του πολλαπλασιαστή έχουμε:
V1(t) = [Eo + s(t)] cos2(ωοt) =
Eo cos2(ωοt) + s(t) cos2(ωοt) =
Eo/2 + s(t)/2 + (Eo/2)cos(2ωοt) + [s(t)/2] cos(2ωοt).
Στην έξοδο του φίλτρου χαμηλών συχνοτήτων φτάνει μόνο το ωφέλιμο σήμα s(t), ενώ ο πυκνωτής C αποκόπτει τη συνεχή συνιστώσα της τάσης Εο/2.
Δηλαδή: Vεξ = s(t) (18)
Εύκολα διαπιστώνεται ότι η έλλειψη τέλειου συγχρονισμού συχνότητας και φάσης του τοπικού ταλαντωτή με το φέρον σήμα δημιουργεί προβλήματα στη φώραση του σήματος που πρέπει να διερευνηθούν.
13. Τι είναι και πού χρησιμοποιείται στην FM ο συμμετρικός περιοριστής.
(Απάντηση στη σελίδα 252)
Σχήμα 7.6.1: Συμμετρικός περιοριστής και η λειτουργία του
Το πλάτος του σήματος στη διαμόρφωση FM δεν επηρεάζεται από την πληροφορία και παραμένει σταθερό. Αυτή η παρατήρηση δίνει τη δυνατότητα να προηγηθεί του σταδίου αποδιαμόρφωσης του σήματος ένας συμμετρικός περιοριστής (ψαλιδιστής) (σχήμα 7.6.1), που ψαλιδίζοντας τις κορυφές του φέροντος το απαλλάσει από παρασιτικές κυματώσεις και παρασιτικές αλλοιώσεις, που τυχόν προήλθαν από θόρυβο, βιομηχανικά παράσιτα κλπ. Αυτή η διαδικασία συνεισφέρει στην καλύτερη ποιότητα του δέκτη FM απαλλάσσοντας τον αποδιαμορφωτή από τις παρασιτικές διακυμάνσεις του σήματος και αυξάνει τελικά το λόγο σήματος προς θόρυβο στην έξοδο. Στην έξοδο του ψαλιδιστή το μεσοπερατό φίλτρο L-C αποκαθιστά την ημιτονική φυσιογνωμία του ψαλιδισμένου φέροντος.
14. Να δοθεί και να σχολιαστεί απλή διάταξη αποδιαμόρφωσης FM.
(Απάντηση στη σελίδα 253)
Είναι προφανές ότι με τέτοια διάταξη το φέρον σήμα, του οποίου η συχνότητα παρουσιάζει μεταβολές γύρω από την κεντρική του συχνότητα, μετά την διέλευση από το φίλτρο είναι διαμορφωμένο και κατά πλάτος, όπως χαρακτηριστικά απεικονίζεται στο σχήμα. Στη συνέχεια προσφέρεται ένας απλός φωρατής αναπτύγματος (πλάτους) D – R – C, που μελετήθηκε σε προηγούμενη παράγραφο για να έχουμε αποδιαμόρφωση .
Η σχετικά απλή διάταξη του σχήματος με ένα φίλτρο παρουσιάζει ένα βασικό μειονέκτημα. Η χαρακτηριστική απόκριση του φίλτρου δεν είναι γραμμική, με αποτέλεσμα όταν οι μεταβολές συχνότητας είναι μεγάλες, να εμφανίζονται στην έξοδο παραμορφώσεις του σήματος. Έτσι, η χρήση της διάταξης περιορίζεται σε περιπτώσεις διαμόρφωσης FM με μικρή απόκλιση συχνότητας Δfmax, όπου το τμήμα ΑΒ της χαρακτηριστικής μπορεί να θεωρηθεί γραμμικό (σχήμα 7.6.2β).
15. Να σχολιαστεί η αποδιαμόρφωση συχνότητας με βρόχο PLL.
(Απάντηση στη σελίδα 255)
Ο βρόχος φάσης PLL, χρησιμοποιείται ευρύτατα για αποδιαμόρφωση FM. Το γενικό διάγραμμα του αποδιαμορφωτή φαίνεται στο σχήμα 7.6.6. Η συχνότητα του σήματος εισόδου συγκρίνεται με τη συχνότητα του VCO, που είναι υπολογισμένος με κεντρική συχνότητα ίδια με του φέροντος. Η τάση ελέγχου του VCO, που προσπαθεί να τον συγχρονίσει στη συχνότητα του σήματος εισόδου αντιπροσωπεύει τις μεταβολές της συχνότητας του, δηλαδή το ωφέλιμο σήμα s(t).
16. Τι είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο;
(Απάντηση στη σελίδα 257)
Ορίζουμε:
- (S/N) : το λόγο ισχύος του ωφέλιμου βασικού σήματος προς τον θόρυβο στην έξοδο του δέκτη.
- (S΄/Ν΄) : το λόγο ισχύος σήματος προς θόρυβο στην είσοδο του αποδιαμορφωτή. Το μέγεθος S΄αναφέρεται στο σήμα που προέκυψε από τη διαδικασία ενίσχυσης και ετεροδύνωσης, ενώ ο θόρυβος Ν΄ είναι αθροιστικά ο θόρυβος εισόδου επιβαρυμένος από το θερμοδυναμικό θόρυβο των κυκλωμάτων του δέκτη.
- Si / Ni) το λόγο ισχύος του φέροντος σήματος πρός το θόρυβο στην έξοδο του δέκτη.
17. Να δοθούν οι σχέσεις που συνδέουν την ισχύ του σήματος εισόδου με το λόγο ισχύων σήματος προς θόρυβο στην έξοδο του δέκτη για τις περιπτώσεις AM και FM.
(Απάντηση στη σελίδα 258)
Για την ΑΜ:
Si = (1/m2)kTBGR(S/N) =
2kTFmax . GR. (1/m2) (S/N) (28)
(διότι Β = 2Fmax)
Αν m =1 (100%),
τότε: Si = 2kTFmax.GR. (S/N) (29)
Για την FM:
Si = kTBGR [1/3m2(m+1)](S/N) =
= 2kTFmax. GR.(1/3m2).(S/N) (30)
(διότι Β = 2Fmax(m+1) )
Οι τελευταίες σχέσεις συνδέουν την ισχύ που πρέπει να έχει το φέρον σήμα στην είσοδο του δέκτη με τον επιθυμητό λόγο σήματος πρός θόρυβο στην έξοδο.
18. Ποια διαμόρφωση έχει καλύτερα αποτελέσματα στο θέμα του θορύβου.
(Απάντηση στη σελίδα 259)
Συγκρίνοντας τις σχέσεις (29) και (30), εύκολα διαπιστώνουμε ότι για το ίδιο σήμα Si στην είσοδο του δέκτη ισχύει:
(S/N)FM = 3m2 .(S/N)AM . (31) Αν m>1, τότε: (S/N)FM > (S/N)AM
Η διαμόρφωση FM παρουσιάζει μεγαλύτερη αντοχή στο θόρυβο. Στην περίπτωση της ραδιοφωνίας FM, m ≥ 5, άρα:
(S/N)FM = 3 . 52 . (S/N)AM ή (S/N)FM = 75 . (S/N)AM (32)
ή εκφραζόμενοι σε dB:
(S/N)FM = (S/N)AM + 18,8 dB.
Το πλεονέκτημα της FΜ είναι σημαντικό. Τα συμπεράσματα αυτά, που ισχύουν με την προυπόθεση ότι το σήμα στην είσοδο του αποδιαμορφωτή είναι μεγαλύτερο από το θόρυβο (S΄>> N΄),
