5.1 Γενικά περί συστημάτων εκπομπής
Στο τρίτο κεφάλαιο εξετάσαμε λεπτομερώς τις βασικές διαδικασίες που υπεισέρχονται στην αλυσίδα μετάδοσης ενός σήματος, τόσο από την πλευρά του πομπού, όσο και από την πλευρά του δέκτη. Γνωρίσαμε τη διαδικασία της διαμόρφωσης και εξάγαμε συμπεράσματα για τη συμπεριφορά των σημάτων.
Στο κεφάλαιο αυτό θα μας απασχολήσει η πλήρης σύνθεση του συστήματος εκπομπής. Θα εξετάσουμε τις παραμέτρους εκείνες που επιβάλλουν τη χρησιμοποίηση της μιας ή της άλλης διάταξης, ανάλογα με τη συγκεκριμένη εφαρμογή.
Με βάση το γενικό δομικό διάγραμμα ενός πομπού, όπως προέκυψε στο τρίτο κεφάλαιο (σχήμα 5.1.1), η διαδικασία της διαμόρφωσης οριοθετεί δύο λειτουργικά τμήματα.
Σχήμα 5.1.1: Γενικό διάγραμμα πομπού
Το ένα τμήμα αφορά την επεξεργασία του βασικού σήματος, που χαρακτηρίζεται από το φασματικό του περιεχόμενο και περιλαμβάνει:
- Τον αισθητήρα μετατροπής της πληροφορίας σε ηλεκτρικό σήμα.
- Την ενίσχυση του σήματος, που πραγματοποιείται σ’ ένα ή περισσότερα ενισχυτικά στάδια, ώστε το σήμα με κατάλληλο πλάτος και ισχύ να διαμορφώσει το φέρον.
- Τη χρήση κατάλληλων φίλτρων, τα οποία οριοθετούν την απαραίτητη φασματική ζώνη του σήματος, ανάλογα με την εφαρμογή. Για παράδειγμα, στην ΑΜ ραδιοφωνία το σήμα περιορίζεται από μερικά Hz έως 5 kHz. Στη ραδιοτηλεφωνία περιορίζεται από 300 Hz έως 3400 Hz.
Οι χρησιμοποιούμενες διατάξεις διαμορφωτών διαφοροποιούνται με βάση το είδος της διαμόρφωσης που έχουμε επιλέξει.
Το δεύτερο τμήμα περιλαμβάνει τη γεννήτρια (ταλαντωτή) του φέροντος σήματος υψηλής συχνότητας , τη διαμόρφωσή του και την ενίσχυση του διαμορφωμένου φέροντος, ώστε με μεγάλη ισχύ να οδεύσει προς το μέσο μετάδοσης.
Η δημιουργία του φέροντος σήματος M(t) επιτυγχάνεται με πολλούς τρόπους. Χρησιμοποιούμε απλό αρμονικό ταλαντωτή, όταν ο πομπός προορίζεται να λειτουργήσει σε μία και μοναδική συχνότητα φέροντος, ή κύκλωμα σύνθεσης συχνότητας, (synthesizer) όταν επιθυμούμε να έχουμε δυνατότητα προγραμματισμού της κεντρικής συχνότητας (fo) του φέροντος. Τα κυκλώματα σύνθεσης συχνότητας είναι γνωστά και με το όνομα <κυκλώματα κλειδώματος φάσης> ή με τον αγγλικό όρο PLL (Phase Loop Locked).
Το διαμορφωμένο φέρον στη συνέχεια πρέπει να ενισχυθεί σημαντικά. Αυτό γίνεται στο στάδιο (ή στα στάδια) Β του σχήματος (5.1.1) που είναι επιλεκτικός ενισχυτής υψηλών συχνοτήτων. Πράγματι, μετά τη διαμόρφωση το φάσμα του σήματος καταλαμβάνει τη ζώνη γύρω από την κεντρική συχνότητα εκπομπής fo και το εύρος της φασματικής ζώνης που προκύπτει διαφέρει από αυτό του βασικού σήματος. Ο ενισχυτής εξόδου πρέπει να ενισχύσει ομοιόμορφα όλες τις φασματικές ακτίνες του φέροντος. Στην περίπτωση της ΑΜ πολλές φορές το τελικό στάδιο ενίσχυσης το συναντούμε με διπλό ρόλο του διαμορφωτή, και του ενισχυτή ισχύος.
Πολλές φορές η τελική συχνότητα εκπομπής στην κεραία δεν είναι η συχνότητα του ταλαντωτή που χρησιμοποιήθηκε στο στάδιο της διαμόρφωσης. Αυτή η αλλαγή της συχνότητας, που από πρώτη άποψη δεν είναι απαραίτητη, έχει να κάνει με τις συνολικές ποιοτικές επιδόσεις του συστήματος εκπομπής. Γύρω από την κεραία εκπομπής έχουμε συνήθως πολύ μεγάλη ισχύ ηλεκτρομαγνητικού σήματος, που επηρεάζει όλο τον εξοπλισμό, δημιουργώντας αναδράσεις στα χαμηλής ισχύος ευαίσθητα τμήματα του εξοπλισμού, όπως είναι ο ταλαντωτής και ο διαμορφωτής. Έτσι, πριν τον τελικό ενισχυτή ισχύος, αλλάζουμε (με συγκεκριμένη διαδικασία) την τελική συχνότητα εκπομπής. Αυτή η αλλαγή (μετάθεση) συχνότητας δεν πρέπει να αλλοιώσει τη φασματική φυσιογνωμία του σήματος (σημειώνεται στο σχήμα (5.1.1) με διακεκομμένη γραμμή).
Η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία των διατάξεων του πομπού χορηγείται από την πηγή τροφοδοσίας σταθεροποιημένης τάσης.
Το γενικό δομικό διάγραμμα εξειδικεύεται και διαφοροποιείται με την εκάστοτε εφαρμογή, όπως ανάλογα με το αν πρόκειται για πομπό AM ή FM ή για εφαρμογή ραδιοφωνίας ή τηλεόρασης. Η περίπτωση της τηλεόρασης, ιδιαίτερα της έγχρωμης, παρουσιάζει ιδιαιτερότητες και γι’ αυτό θα γίνει ιδιαίτερη αναφορά.
5.2 Γένεση του φέροντος σήματος – Ταλαντωτές
Το φέρον σήμα υψηλής συχνότητας (fo) δημιουργείται τοπικά στον πομπό από κύκλωμα αρμονικού (ημιτονικού) ταλαντωτή. Οι αρμονικοί ταλαντωτές στις ραδιοεπικοινωνίες είναι δομημένοι με συντονιζόμενα κυκλώματα L – C και τους συναντούμε με πολλές παραλλαγές. Η πλήρης μελέτη των ταλαντωτών έγινε στο μάθημα της ηλεκτρονικής και δε θα μας απασχολήσει εδώ. Θα περιοριστούμε σε μια σύντομη παρουσίαση των κυκλωμάτων και θα ορίσουμε τα βασικά μακροσκοπικά χαρακτηριστικά τους που ενδιαφέρουν το σχεδιαστή ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος.
Η αρχή λειτουργίας των ταλαντωτών L-C στηρίζεται στην αυτοταλάντωση, την οποία υφίσταται ένα συντονιζόμενο κύκλωμα L-C, όταν διεγερθεί από ρεύμα (σχήμα 5.2.1). Η αυτοταλάντωση εμφανίζεται σε συχνότητα:
fo = 1/(2π√LC) (1)
και υφίσταται απόσβεση, λόγω των ωμικών απωλειών του κυκλώματος (ωμική αντίσταση της επαγωγής).
Σχήμα 5.2.1: Η αυτοταλάντωση ενός κυκλώματος L-C
Η απόσβεση χαρακτηρίζει έμμεσα την ποιότητα του κυκλώματος, που εκφράζεται από το συντελεστή ποιότητας
Q = (2πfoL)/r , (2)
όπου r η ωμική αντίσταση της επαγωγής.
Αν με κάποιο τρόπο το κύκλωμα επανατροφοδοτείται συνεχώς με ενέργεια, αντισταθμίζονται οι απώλειες και δημιουργούνται ταλαντώσεις που συντηρούνται (δεν υφίστανται απόσβεση). Το αποτέλεσμα αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενισχυτή με τρανζίστορ. Το τρανζίστορ ενισχύει μέρος της ενεργειας του κυκλώματος L-C και το ανατροφοδοτεί (θετική ανάδραση) σε κάθε κύκλο λειτουργίας του.
Έχουν προταθεί πολλά κυκλώματα ταλαντωτών, που διαφοροποιούνται στον τρόπο με τον οποίο γίνεται η ανάδραση και η επανατροφοδότητση του κυκλώματος L-C. Όλα υπακούουν στη δομή του σχήματος 5.2.2 και είναι γνωστά με το όνομα αυτού που τα μελέτησε. Τα συναντούμε σε παραλλαγές κοινού εκπομπού, κοινής βάσης ή κοινού συλλέκτη. Ενδεικτικά και χωρίς σχόλια στο σχήμα δίνονται οι δομές των ταλαντωτών Hartley και Colpitts από όπου, για διευκόλυνση της αναγνώρισης των στοιχείων που προκαλούν την ταλάντωση, έχουν αφαιρεθεί από τα κυκλώματα οι αντιστάσεις πόλωσης των τρανζίστορς.
Σχήμα 5.2.2: α)Βασική δομή ενός ταλαντωτή. β) Ταλαντωτής Hartley, γ) Ταλαντωτής Colpitts
Παραλλαγή των κυκλωμάτων L-C είναι τα κυκλώματα με κρύσταλλο (quartz: SiO2). Στους ταλαντωτές αυτούς μέρος του συντονιζόμενου κυκλώματος έχει αντικατασταθεί από τον κρύσταλλο. Ο κρύσταλλος ισοδυναμεί με αυτοταλαντούμενο κύκλωμα υψηλής ποιότητας (μεγάλο Q) και επιβάλλει στον ταλαντωτή τη συχνότητα αυτοταλάντωσής του (η οποία εξαρτάται από τις γεωμετρικές διαστάσεις του), προσδίδοντας έτσι μεγάλη σταθερότητα στη συχνότητα λειτουργίας. Τα κυκλώματα με κρύσταλλο παρουσιάζουν επίσης μεγάλη ποικιλία και μπορούμε να εκμεταλλευτούμε τον κρύσταλλο είτε σε παράλληλο συντονισμό είτε σε συντονισμό σειράς είτε σε συντονισμό σε συχνότητα κάποιας αρμονικής του (overtone). Στο σχήμα 5.2.3 δίνονται απλοποιημένα κυκλώματα ταλαντωτών με κρύσταλλο.
Σχήμα 5.2.3: Ταλαντωτές με κρύσταλλο
Ανεξάρτητα από τον τρόπο σχεδίασης του, ο αρμονικός ταλαντωτής χαρακτηρίζεται από τέσσερα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά:
- Τη συχνότητα λειτουργίας του (fo).
Είναι η συχνότητα του ημιτονικού σήματος στην έξοδο του ταλαντωτή.
- Την ακρίβεια της συχνότητάς του, δηλαδή από το αν η συχνότητα λειτουργίας του επηρεάζεται από εξωτερικούς μη ελεγχόμενους παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, η τάση τροφοδοσίας κλπ. Ιδανικός ταλαντωτής είναι αυτός που η συχνότητα του (fo), η οποία προσδιορίστηκε από τα στοιχεία L-C ή τον κρύσταλλο, μένει σταθερή. Στην πράξη οι εξωτερικοί παράγοντες επηρεάζουν τη συχνότητα κατά Δf. Ο λόγος Δf/fo ονομάζεται σχετική ακρίβεια ή σχετική σταθερότητα, της συχνότητας και εκφράζει την ποιότητα του ταλαντωτή. Δεν έχει διαστάσεις ή μετριέται σε ποσοστό επι τοις εκατό. Πέρα από τη μεγάλη σταθερότητα που απαιτούμε στους ταλαντωτές, έχει μεγάλη σημασία να μην υποβαθμίζεται η ποιότητά τους λόγω γήρανσης των κυκλωμάτων, όσο ο χρόνος λειτουργίας τους αυξάνεται.
- Τη φασματική καθαρότητα του σήματος που δίνουν. Ο ιδανικός αρμονικός ταλαντωτής με απόλυτα ημιτονική έξοδο χαρακτηρίζεται από φάσμα σαν αυτό του σχήματος 5.2.4α. Στην πράξη το φάσμα ενός ταλαντωτή μοιάζει περισσότερο με αυτό του σχήματος 5.2.4β. Δηλαδή, ο ταλαντωτής λόγω θορύβου δε δίνει τέλειο ημιτονικό σήμα, αλλά ένα συνθετότερο, με φασματικές συνιστώσες μέσα σε μια μικρή περιοχή γύρω από την ονομαστική του συχνότητα fo. Ενδεχομένως, λόγω παραμορφώσεων του σήματος στην έξοδο του ταλαντωτή να εμφανίζονται και κάποιες αρμονικές συχνότητες.
Σχήμα 5.2.4: α) Φάσμα ιδανικού αρμονικού ταλαντωτή. β) Πραγματικό φάσμα
- Τη σταθερότητα του πλάτους του σήματος. Το πλάτος του σήματος του ταλαντωτή πρέπει να διατηρείται σταθερό και να μην εξαρτάται από εξωτερικές παραμέτρους, όπως αλλοιώσεις της τάσης τροφοδοσίας, βιομηχανικούς θορύβους, θερμοκρασία, γήρανση των εξαρτημάτων κλπ. Αυτό επιβάλλει προσεκτική μελέτη του κυκλώματος του ταλαντωτή και μια σειρά προφυλάξεις στην κατασκευή του, όπως αυστηρή επιλογή των εξαρτημάτων, σταθερή κατασκευή, ώστε να αποφεύγονται μηχανικές δονήσεις του κυκλώματος που αλλοιώνουν τις τιμές των στοιχείων L και C , αυστηρή σταθεροποίηση της τάσης τροφοδοσίας, θερμική απομόνωση του κυκλώματος (σε ακριβείς επαγγελματικές κατασκευές ο ταλαντωτής τοποθετείται σε περιβάλλον σταθερής θερμοκρασίας), θωράκιση για προστασία από βιομηχανικά και ηλεκτρομαγνητικά παράσιτα (τοποθετείται σε μεταλλικό κουτί). Σημαντικό είναι επίσης η τάση εξόδου του ταλαντωτή να μην επηρεάζεται από το ρεύμα που θα πρέπει να δώσει στο στάδιο (φόρτος) που ακολουθεί. Γι’ αυτό το λόγο η σωστή αξιοποίηση του ταλαντωτή επιβάλλει τη χρησιμοποίηση στην έξοδο του κυκλώματος ακολούθου τάσης (ενισχυτή με κέρδος τάσης 1), που έχει άπειρη αντίσταση εισόδου και ζητάει μηδαμινό ρεύμα από τον ταλαντωτή (σχήμα 5.2.5).
Σχήμα 5.2.5: Ταλαντωτής με κύκλωμα εξόδου ακόλουθο τάσης
Η επιλογή του κυκλώματος του ταλαντωτή που θα χρησιμοποιηθεί είναι από τις βασικότερες φροντίδες στη σχεδίαση ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος και εξαρτάται από την εκάστοτε εφαρμογή. Η ποιότητα και οι επιδόσεις όλου του συστήματος εξαρτώνται ουσιαστικά από την ποιότητα και τις επιδόσεις του ταλαντωτή του φέροντος σήματος.
Για παράδειγμα, αν η συχνότητα λειτουργίας είναι μία και μοναδική, υιοθετείται κύκλωμα ταλαντωτή με κρύσταλλο , που προσφέρει ευκολία και σταθερότητα. Αν ο ταλαντωτής πρέπει να είναι ρυθμιζόμενης συχνότητας με σχετικά μικρά όρια ρύθμισης, πρέπει να χρησιμοποιηθεί κύκλωμα L-C με ρυθμιζόμενη τιμή των στοιχείων (για παράδειγμα, μεταβλητός πυκνωτής C ή μεταβλητό πηνίο με φερρίτη). Η ύπαρξη μεταβλητών στοιχείων στο κύκλωμα L-C μεταφράζεται σε έλλειψη σταθερότητας του κυκλώματος και ευπάθεια σε δονήσεις, διαστολές και συστολές λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών κ.α. Οι ρυθμιζόμενοι μηχανικά ταλαντωτές σήμερα τείνουν να αντικατασταθούν από τους ταλαντωτές, που η συχνότητα λειτουργίας τους ελέγχεται από ηλεκτρική τάση και φέρουν το όνομα VCO (Voltage Controlled Oscillators), (σχήμα 5.2.6).
Σχήμα 5.2.6: α) Ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση (VCO). β) Η χαρακτηριστική λειτουργίας του.
Ο ταλαντωτής VCO χαρακτηρίζεται από τη ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας του, τη γραμμικότητα και την κλίση k (Hz/V) της χαρακτηριστικής του f = f(s(t)) (όπου η τάση s(t) αντιπροσωπεύει το ωφέλιμο σήμα, σχήμα 5.2.6β).
Ταλαντωτές VCO μπορούμε να σχεδιάσουμε με πολλούς τρόπους. Τους χρησιμοποιούμε ως διαμορφωτές συχνότητας (παράγραφος 5.3.3), ελέγχοντας τη λειτουργία τους με το βασικό σήμα s(t).
Η εμφάνιση των ταλαντωτών VCO έφερε πραγματική επανάσταση με τις διατάξεις σύνθεσης συχνότητας. Μια τέτοια διάταξη δίνεται στο σχήμα 5.2.7. Πρόκειται ουσιαστικά για διάταξη αυτόματου ελέγχου (σύγκρισης) της φάσης του VCO η οποία είναι διαιρεμένη με τον αριθμό Ν με τη φάση ενός σήματος αναφοράς που προέρχεται από τοπικό ταλαντωτή αναφοράς με κρύσταλλο (Q) μεγάλης ακρίβειας.
Σχήμα 5.2.7: Δομικό διάγραμμα συνθέτη συχνοτήτων (PLL)
Χωρίς να μας απασχολεί ιδιαίτερα η μαθηματική ανάλυση του κυκλώματος κλειστού βρόχου (PLL: Phase Locked Loop), αποδεικνύεται ότι, από τη σύγκριση των φάσεων των σημάτων Α (αναφοράς) και Β (έξοδος του VCO), προκύπτει τάση σφάλματος ε(t) στην είσοδο του VCO, που τείνει να εξισώσει τις συχνότητες fαν και fvco/N, ώστε
fαν = fvco/N ,
απ’ όπου:
fvco = N. fαν (3)
Με άλλα λόγια, στην έξοδο του ταλαντωτή VCO το σήμα έχει συχνότητα fvco = fo, η οποία είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της συχνότητας του ταλαντωτή αναφοράς. Διαθέτουμε, δηλαδή, ένα σύστημα προγραμματισμού της συχνότητας του φέροντος με κατάλληλη επιλογή του αριθμού Ν και βήμα (step) προγραμματισμού fαν. Οι διαιρέτες αυτού του είδους είναι κατάλληλα ψηφιακά κυκλώματα. Σήμερα εξάλλου βρίσκουμε στο εμπόριο κυκλώματα PLL και ως ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Εφαρμογή 1: Σ’ ένα κύκλωμα ταλαντωτή με στοιχεία L ,C δίνονται: L= 2 μΗ και C = 40 pF. Να προσδιοριστεί η συχνότητα ταλάντωσης.
Λύση: fo = 1/(2π√LC) =
fo =1/(2*3,14*(√(2 μΗ*40 pF))) =
fo =1/(6,283(√(2*10-6 Η * 40*10-12 F))) =
fo =1/(6,283(√(80*10-18 Η * F))) =
fo =1/(6,283(8,944*10-9 Η * F)) =
fo =1/(5,619*10-8 Η * F) =
fo =17.796.760,99 Ηz =
fo =17.796.761 Ηz =
fo =17.797 KΗz =
fo =17,8 MHz.
Εφαρμογή 2: Ένας ταλαντωτής VCO με γραμμική συμπεριφορά έχει κλίση 100 kHz/V. Όταν στην είσοδο του η τάση είναι 2 V, η συχνότητα του σήματος εξόδου είναι f = 2 MHz. Να προσδιοριστεί η συχνότητα του σήματος στην έξοδο, όταν η τάση στην είσοδο είναι διαδοχικά 1,7 V και 2,5 V.
Λύση: Αφού ο VCO είναι γραμμικός, τότε η μεταβολή της συχνότητας του σήματος στην έξοδο είναι ευθέως ανάλογη προς τις μεταβολές της τάσης στην είσοδο. Έτσι:
Για τάση 1,7 V έχουμε:
f΄ = 2 MHz – 0,3 V . 0,1 MHz/V = 1,97 MHz.
Αντίστοιχα, για τάση είσόδου 2,5 V έχουμε:
f΄΄ = 2 + 0,5 . 0,1 = 2,05 MHz.
Εφαρμογή 3: Σ’ ένα συνθέτη συχνοτήτων, όπως αυτόν του σχήματος 5.2.7, το βήμα σύνθεσης είναι 100 kHz και ο διαιρέτης Ν παίρνει τιμές από Ν1= 10 έως Ν2=20. Να προσδιοριστούν οι συχνότητες του σήματος στην έξοδο του VCO. Επίσης, αν o VCO είναι γραμμικός και η κλισή του είναι 250kHz/V να προσδιοριστούν τα όρια μεταβολής της τάσης ελέγχου στην είσοδό του.
Λύση: f1 = N1 . fαν = 1 MHz
f2 = N2 . fαν = 2 MHz
Η μεταβολή της τάσης εισόδου του VCO που αντιστοιχεί σε αυτή τη ζώνη συχνοτήτων είναι : V2 – V1 = (f2 – f1) / k =
= (1 MHz) / (0,25 MHz/V) = 4 V
