Filtr: Superheterodyna
Fale radiowe sa reglamentowanym dobrem rzadkim, ktore musi byc bardzo rozsadnie uzywane. Stacje nadawcze musza pracowac na sasiednich czestotliwosciach a odbiorniki musza byc selektywne. Selektywny, przestrajany odbiornik mozna zbudowac tylko jako superheterodyne.
Selektywnosc w torze IF dostarczaly filtry LC ( czasem z dodanymi rezonatorami kwarcowymi) ale zostaly wyparte przez filtry SAW i filtry ceramiczne
W programowej radiofonii europejskiej na falach dlugich uzywany jest zakres 144 - 288 kHz i stad czestotliwosc 0.15 MHz jako normatywny poczatek zakresu radiowych zaklocen przewodzonych. Fale dlugie propaguja na wielkie odleglosci. Zanotowano odbior radiofoniczny w odleglosci ponad 15 tysiecy kilometrow. Duzo nadajnikow dlugofalowych ma ogromny geograficznie ZSRR gdzie propagacja na wielkie odleglosci jest zaleta. Generalnie silne nadajniki dlugofalowe sa jednak wycofywane z uzytku nawet w ZSRR.
Na zakresach sredniofalowych siatka czestotliwosci ma odstep 10 KHz w USA i 9 KHz w reszcie swiata. Zasieg fali przyziemnej wynosi circa 400 km ale mocno zalezy od przewodnosci gruntu lub slonej wody. W nocy zasieg na fali odbitej jest duzy i stacje sie nawzajem zaklocaja. W Europie i ZSRR moc nadajnikow sredniofalowych ustalonych umowami miedzynarodowymi siega absurdalnej wartosci 2 MW. W USA nadajniki sredniofalowe maja moc 10-50 kW. Siec transkontynentalna nadajnikow konkretnego programu pracuje tam synchronicznie na tej samej czestotliwosci. Rozwiazanie to jest slusznie wdrazane w Europie. Nadawano nawet w USA programy stereofoniczne !
Z powodu tloku na falach srednich od lat piecdziesiatych nadawanie przenosi sie na zakres UKF-FM zapewniajacy bardzo dobra jakosc. W Wielkiej Brytanii funkcjonuje kilkaset malych sredniofalowych nadajnikow lokalnych rozglosni o mocy okolo 1 KW.
W Europie nadawanie na fali dlugiej i sredniej przeszloby juz do historii jako ze nadajniki duzej mocy sa glownie elementem bezpieczenstwa systemu zimnowojennego. Komunikaty maja byc odbierane na calym obszarze panstwa. Nadajniki dlugo i sredniofalowe maja tez sens na pustkowiach ZSRR.
Europejska niskiej jakosci radiofonia na tych zakresach jest obecnie anachronizmem.
Fale krotkie obejmuja zakres 1.6-30 MHz. Szeroko zaczeto je w radiokomunikacji wykorzystywac od lat dwudziestych. Stosowane sa modulacje CW kodu Morse, AM, SSB, VSB, NFM. Na falach krotkich operuja radiostacje propagandowe i dywersyjne, radiostacje dla obszarow panstw rzadko zaludnionych, radiostacje statkowe i lotnicze takze z czescia naziemna systemu oraz radiostacje wojskowe i licencjonowane radiostacje amatorskie na zakresach 80, 40, 20, 15 i 10 metrow. Zakres fal Citizen Band wokol 27 MHz jest ogolnie dostepny.
Zakresy VHF ( z przerwami na UKF – FM i lacznosc sluzb ) i UHF przydzielono telewizji.
Czestotliwosci mikrofalowe uzywane sa we wszelkiej lacznosci satelitarnej, przez radary lotnicze, meteorologiczne, geodezyjne, do pomiaru odleglosci i predkosci, urzadzenia militarne ( radary, lacznosc i naprowadzanie) i w nawigacji.
Mikrofalowy zakres L to 1-2 GHz, S 2-4 GHz, C 4-5.82 GHz, J 5.82-8.2 Ghz, X 8.2-12 GHz, Ku 12-18 GHz, K 18-26 GHz, Ka 26-40 GHz, U 40-60 GHz, E 60-90 GHz, F 90-140 GHz.
Szczegolna popularnosc zyskal zakres X w masowej telewizji satelitarnej.
Tozsamosc geometryczna iloczynu sinusow sin(A) * sin(B) = 0.5 * ( cos(A-B) - cos(A+B) ) jest podstawa mieszania multiplikatywnego. Jeden z cosinusow to sygnal uzyteczny a drugi to kanal lustrzany ( po przemianie a nie przed przemiana ) do odfiltrowania. W multiplikatywnych mieszaczach podwojnie zrownowazonych sa 4 elementy aktywne. W szczegolnosci jest to scalony uklad mnozacy Gilberta lub uklad modulatora pierscieniowego z 4 diodami.
W mieszaczu zrownowazonym na wyjsciu dodatkowo pojawia sie sin (A) lub sin (B). Mieszacz ten stosuje 2 elementy aktywne.
Mieszacz quasi multiplikatywny jest tez z dwubramkowym tranzystorem Mosfet gdzie odbierany sygnal radiowy doprowadzono do bramki G1 a sygnal heterodyny do G2.
Tozsamosc (A+B)^2 = A^2 + 2 AB + B^2 jest idea mieszania addytywnego w pojedynczym elemencie o charakterystyce zblizonej do kwadratowej. Na wyjsciu sa tez niechciane sygnaly A, B, A^2, B^2.
Najlepsza charakterystyke kwadratowa dla mieszacza addytywnego przy srednich pradach ma tranzystor JFet. Tranzystor bipolarny jest bardzo slabym mieszaczem.
Zdecydowanie najwyzsza czestotliwosc pracy maja mieszacze mikrofalowe z dwoma diodami Schotky. Generator heterodyny wykonany na generacyjnych diodach mikrofalowych ma niestety duze szumy fazy. Odbiornik taki ma niestety duze szumy.
Im wieksza jest moc sygnalu radiowego i im jest to trudniejszy sygnal tym wieksza jest wymagana moc heterodyny dla diodowego modulatora piescieniowego, ktory ma wiele zalet.
Ma rysunku pokazano mieszacz stosowany w skomputeryzowanym Analizatorze telekomunikacyjnym HP. Sygnal heterodyny jest dla pozadanej symetrii podzielony przez 2 przerzutnikiem ECL i podany do kaskady dwoch par roznicowych sterujacych mieszacz pradem prostokatnym o amplitudzie 90 mA i bardzo szybkich zboczach co jest istotne dla minimalizacji intermodulacji. Na wyjsciu mieszacza zwraca uwage uklad "Constans Impedance filter" Modulator piescieniowy ma zdecydowanie najlepsze parametry przy identycznych wszystkich rezystancjach falowych. Stad ten uklad komplementarnych filtrow ktory zapewnia stala opornosc mieszczowi ale podaje dalej do przetwarzania tylko niewielki pozadany sygnal pasmowy odcinajac cale spectrum klopotliwych, niepotrzebnych juz dalej sygnalow relatywnie duzej mocy.
Godnym uwagi, wysokiej jakosci mieszaczem jest quasi multiplikatywny uklad z dwubramkowym tranzytorem Mosfet. Jak widac z wykresu dla tranzystora BF961 dedykowanego na zakres VHF, przy zerowym napieciu polaryzacji pierwszej bramki sygnalowej i napieciu polaryzacji 0.7 V drugiej bramki dla heterodyny wokol tego punktu pracy mieszacz jest doskonaly !
Wraz z pojawieniem sie telewizji kablowej CATV z mnostwem programow potwornie wzrosly wymagania od telewizyjnych glowic. Philips wyprodukowal juz udane scalone mieszacze z ukladem Gilberta. Wypracowano tez optymalny model filtracji w stopniu wzmacniacza RF z dwubramkowym Mosfetem.
Polska w 1972 roku kupila od Thomsona licencje na telewizyjne glowice ZTG, ktore juz wtedy byly przestarzale. Glowica do CATV ( oczywiscie z syneteza czestotliwosci PLL ) jest strasznie zaawansowana, trudna i skomplikowana na tle dawnej glowicy ZTG. Technologii zawartej w ZTG nie rozwijalismy i glowica do CATV jest teraz poza marzeniami. Ten karygodny model nierozwijania drogo zakupionej zachodniej technologii powtarza sie zreszta wszedzie. Natomiast we wszystkich krajach ktore dogonily Zachod do tego udoskonalania jego zakupionej technologii zatrudniono najlepsze glowy by w koncu "uczen przerosl mistrza"
Obecna telewizyjna glowica do CATV jest strojona w fabryce serwomechanizmami sterowanymi komputerem pracujacym z przyrzadami radiowymi ( z interfejsami ! ) dlatego ze czlowiek nie jest w stanie tak dokladnie zginac malych cewek i drutu kondensatorkow, ktorych jest do nastrojenia cala masa.
Mieszacz na pojedynczym tranzystorze bipolarnym ma strasznie marne parametry. W nowoczesnej glowicy UKF FM czegos takiego nie mozna uzyc. Polskie tunery UKF FM to archaiczne potworki na tle rozwiazan japonskich.
Patenty na odbior superheterodynowy zlozono w 1917 roku. Patent zlozyl m.in. pracownik AT&T czyli Bella. Ale to Edwin Armstrong zbudowal pierwszy odbiornik superheterodynowy w 1918 roku gdy pracowal we Francji dla armii USA. Z tego powodu uwazny jest za ojca superheterodyny.
Pierwszym komercyjnym odbiornikiem superheterodynowym byla Radiola RCA z zasilaniem bateryjnym z 1923. Miala szesc triod.
Od lat trzydziestych w krajach cywilizowanych produkowano juz tylko odbiorniki superheterodynowe.
Stosowane triody mialy duza pojemnosc siatki do anody i male bylo uzyskiwane wzmocnienie RF. W stopniu IF mozna bylo zastosowac prosta neutralizacje tej pojemnosci i uzyskac znacznie wieksze wzmocnienie niz w stopniu RF. Trioda natomiast dobrze nadaje sie do heterodyny i mieszacza.
Armstrong byl tez pionierem radiofoni UKF - FM o duzej lepszej jakosci niz AM. Tu superheterodyna jest koniecznoscia.
Radiowa superheterodyna ewoluowala razem z podobna Telefonia Nosna.
Wielokrotna przemiana czestotliwosci z filtracja dla eliminacji kanalu lustrzanego pozwolila zbudowac systemy Telefoni Nosnej o ogromnej pojemnosci. Bell poprzestal na 10 800 kanalach. Sygnal TN podobnie jak CATV jest strasznie trudny jako ze ma momentami potworne, absurdalne wartosci szczytowe. Bell od 1982 roku przechodzi na cyfrowe swiatlowody.
Bardzo uzytecznym przyrzadem dla konstruktorow jest Spectrum Analyser. Stosuje sie nim potrojna przemiane czestotliwosci. Dla unikniecie problemow z kanalem lustrzanym w pierwszej przemianie stosowana jest "wysoka" ( powyzej widma sygnalu ) heterodyna o mikrofalowej juz czestotliwosci. Na rysunku pokazano typowe w tych przyrzadach rozwiazanie. Pasmo wejsciowe wynosi 100 KHz do 1.5 GHz i sygnal przechodzi przez prosty, nieprzestrajany filtr dolnoprzpustowy LC. Pierwsza przestrajana ( druga i trzecia heterodyna sa stale ) heterodyna jest w zakresie 2.05 – 3.55 GHz. Pierwsza czestotliwosc posrednia wynosi 2.05 GHz, druga 301.4 MHz i ostatnia trzecia z wlasciwa selektywnoscia 21.4 MHz.
Analizator taki oprocz laboratorium obserwuje sygnal telefoni nosnej ale tez sygnal CATV a na falach krotkich aktywnosc wszelkich stacji bowiem wsrod nich sa stacje szpiegow. Sygnal taki jest rejestrowany i analizowany ! Szpiega mozna tez schwytac na goracym uczynku.
Zwykle w odbiornikach komunikacyjnych na poszczegolnych zakresach fal krotkich sa przestrajane filtry LC w wejsciowym wzmacniaczu RF.
Rozwiazanie zblizone do omowionego w Spectrum Analizatorze zastosowano w profesjonalnym krotkofalowym odbiorniku wysokiej klasy Rohde & Schwarz EK-070 VLF/HF na zakres 10 kHz to 30 MHz. Pierwsza przestrajana heterodyna ma zakres 81.4 - 111.4 MHz a pierwsza IF wynosi 81.4 MHz. Nieprzestrajana druga 80 MHz i trzecia heterodyna wykonane sa na rezonatorach kwarcowych. Druga czestotliwosc posrednia wynosi 1.4 MHz a trzecia 455 KHz. Sygnal lustrzany dla drugiej IF na pierwszej IF jest stlumiony zerem w filtrze eliptycznym z rezonatorem kwarcowym. Na wejsciu odbiornika sa przelaczane niestrojone filtry pasmowe LC na poszczegolne zakresy.
Wspolczesnie w systemie CCIR nosna wizji czestotliwosci posredniej wynosi 38.9 MHz a w socjalistycznym standardzie OIRT 38 MHz. Poniewaz stosowana jest "gorna" heterodyna plan czestotliwosci sygnalu po przemianie jest odwrocony !
Swoje piec groszy ma tez dziwaczna Francja. W USA jest to 45 MHz. W odbiornikach UKF FM jest to wszedzie 10.7 MHz a w odbiornikach AM na fale srednie i dlugie 465 KHz. W telewizji satelitarnej sygnal pierwszej IF z konwertera jest w pasmie 0.9-1.7 GHz.
Nikt tych madrze wybranych kiedys czestotliwosci IF nie kwestionuje. Producenci filtrow SAW i filtrow ceramicznych oraz radiowych cewek rozmiaru 7x7 i 5x5 tez swoje cewki dedykuja do tych czestotliwosci.
Wybor czestotliwosci posredniej w systemie z jedna przemiana czestotliwosci jest zdumiewajaco trudny:
-Im nizsza jest wybrana IF tym wieksza musi byc selektywnosc przestrajanego filtru w stopniu wzmocnienia RF.
-Im wyzsza jest zadana selektywnosc tym trudniejszy, rozbudowany i drozszy jest ten przestrajany filtr. Nieprzekraczalna granice jego selektywnosci stanowi wspolbieznosc strojenia filtru RF i heterodyny, ktore pracuja z roznica czestotliwosci IF.
-Im wyzsza jest zadana selektywnosc tym wieksze sa szumy stopnia RF ( selektywny filtr LC tlumi odbierany sygnal ) ale mniejsze jego intermodulacje
-Im wyzsza jest IF tym slabsze wzmocnienie pojedynczego stopnia IF jako ze wzmocnienie kazdego elementu aktywnego spada z czestotliwoscia.
-IF dla zastosowan szerokopasmowych ( przede wszystkim TV i przekaz danych ) nie moze byc za mala ( wzgledem szerokosci pasma sygnalu) bowiem konstrukcja filtru IF staje sie krytyczna a roznica wzmocnienia tranzystorow na poczatku i koncu pasma zbyt duza co zmusi do trudnej stabilizacji ich wzmocnienia.
-IF nie moze byc za duza z uwagi na dobroc elementow LC i ich dryft czasowy i termiczny.
-Sa tez inne problemy. Plusy i minusy.
Przy zalozeniu tej samej technologi elementu elementu aktywnego i filtru we wzmacniaczu RF i torze IF optymalny iloraz czestotliwosci sygnalu RF ( srodek zakresu ) do IF wynosi okolo 7 razy.
Wybor czestotliwosci posredniej dla UKF - FM doskonale to ilustruje. Zakres OIRT jest troche ponizej a CCIR troche powyzej. Kazde optimum jest plaskie i w obu wypadkach IF=10.7 MHz jest doskonala. Wybor IF dla konwertera zakresu X tez podpada pod to "7" mimo iz system ma podwojna przemiane czestotliwosci.
Z kolei czestotliwosc IF 465 KHz sugeruje ze wybrano ja dla niskich fal krotkich ale w istocie wybrano ja taka aby na zakresie dlugo i sredniofalowym filtr RF mogl miec mala selektywnosc dla usuniecia "lustra". Wystarczy przestrajac cewke na antenie ferrytowej ! Odbior na falach dlugich i srednich kierunkowa antena ferrytowa jest duzo, duzo lepszy ( duzo mniej zaklocony ) niz antena pretowa. Zatem i ten wybor IF byl bardzo przemyslany.
Prosty odbiornik AM na fale dlugie i srednie ma tylko dwa tranzystory. Pierwszy jest samodragajacym mieszaczem a drugi wzmacniaczem IF. Bardziej skomplikowany odbiornik nie ma zadnego sensu bo sama idea radiofonii AM jest anachronizmem do likwidacji.
Czestotliwosc IF 465 KHz dla zakresow fal krotkich powyzej 7 MHz sie kompletnie nie nadaje dlatego ze tlumienie kanalu lustrzanego wymaga rozbudowanego, przestrajanego filtru RF i lepsza / tansza jest podwojna przemiana czestotliwosci. Jest ona stosowana w profesjonalnych odbiornikach KF. Na zakresach KF operuja glownie radiostacje dywersyjne dzialajace zreszta, w swietle prawa miedzynarodowego, nielegalnie. Aby stlumic plotki polskie odbiorniki radiowe maja zakresy KF ale ich parametry sa straszne.
Europejska ( 38.9 / 38 MHz ) czestotliwosc IF dla telewizji wybrano gdy za optymalny uwazano zakres III VHF.
Pierwsze glowice na zakres UHF mialy za slabe tlumienie sygnalu lustrzanego ale stacji bylo niewile. Licencyjna glowica ZTG tez ma slabe tlumienie. Nie stanowilo to problemu gdy stacji na zakresie UHF bylo malo ale gdy CATV zastosowano w kanalach S powyzej VHF III i na UHF odbior byl mocno zaklocony zmuszajac widza do zakupu nowego odbiornika. Ciezkie zadanie do wykonania otrzymali konstruktorzy glowic pracujacych z CATV.
Wobec trudnosci wykonania przestrajanego filtru stopnia RF na UHF Philips rozpaczliwie siegnal po idee stosowana w Spectrum Analyser z podwojna przemiana czestotliwosci. Scalone tranzystory ( uklad scalony byl faktycznie mikrofalowy ) szerokopasmowe musialy pracowac ( sygnal CATV jest strasznie trudny ) z pradami rzedu 100 mA ! W koncu opracowano pomyslowe filtry ale i tak ich strojenie musza przeprowadzic serwomechanizmy sterowane komputerem. Zaleta jest ich szybka praca doskonale nadajaca sie do masowej produkcji glowic i odbiornikow TVC. Konstrukcje filtru opisano osobno.
Obecnie w odbiornikach TVC stosowane sa w torze IF wylacznie filtry z fala powierzchniowa SAW. Filtry te moga pracowac do czestotliwosci circa 2 GHz. Mozna by wiec podniesc telewizyjna czestotliwosc IF ale skoro produkcje glowic juz opanowano to nie ma po co.
Standardy kreuja najczesciej potezne koncerny i po niedlugim czasie narodowi ustawodawcy je akceptuja na przyklad w normie DIN, GOST lub PN lub w normach miedzynarodowych IEC lub stowarzyszeniowych IEEE. W cywilizowanych krajach Norma jest prawem i pod grozba sankcji nie wolno go lamac. W dacie wprowadzenia sa one nowoczesne i trudne do spelnienia. Z czasem staje sie anachroniczne.
W komunikacji dobre normy pozwalaja sie wszystkim dobrze porozumiewac a zle blokuja komunikacje. Sa one niezbedne !
Zimna Wojna wszystkim ( a Polsce szczegolnie ) przynosi tylko szkody. Zamiast korzystnej wspolpracy jest szkodliwe izolowanie sie, takze w sferze komunikacji. Prologiem kazdej wojny jest propaganda oszczerstw, klamstw i odczlowieczania wroga. Masowa radiofonia była III Rzeszy potrzebna tez do uprawiania propagandy prowojennej.
Raster czestotliwosci w socjalistycznym systemie OIRT na wszystkich zakresach telewizyjnych wynosi 8 MHz. W zachodnim systemie CCIR na zakresach VHF wynosi 7 MHz ale na UHF juz dano 8 MHz. Francuskie i brytyjskie standardy na zakresach VHF to prawdziwe dziwologi. Dzwiek ma modulacje AM a nie jak wszyscy normalni FM. Francuski raster na VHF byl 10 MHz. Oba narody poszly po rozum do glowy i na UHF jest "powszechny" raster 8 MHz i modulacja FM dzwieku. Wielka Brytania porzuca zakres VHF dla telewizji aby mozna uzywac tam typowego odbiornika kupionego w Europie. Zakresy VHF sa nieuzywane.
Blok socjalistyczny stosuje francuskie kodowanie koloru Secam, obiektywnie gorsze od "niemieckiego" PAL. Studyjne magnetowidy w Polsce pracuja w systemie PAL i sygnal przed emisja jest transkodowany na Secam. Fatalny efekt tego widac na ekranach TVC.
Mieszkaniec NRD nie moze wiec ogladac w kolorze programu z NRF ale w NRD nosna foni dano jednak na "zachodniej" 5.5 MHz aby moc sluchac przekazu telewizyjnego NRF co zreszta nie podobalo sie ZSRR.
Normatywne formaty danych na dyskietkach do PC i kod ASCII umozliwiaja masowa wymiane informacji. Na kod ASCII mozna programem przelozyc kod EBCDIC stosowany przez IBM. Niezaleznie od tego kto wyprodukuje plyte CD i kto wyprodukuje do niej odtwarzacz mozna sie delektowac muzyka bo dziala norma !
Telekomunikacja jest wazna dla efektywnosci przedsiebiorstw. Jest tez wazna dla aparatu panstwa.
W 1941 roku niemieckie hordy wdarly sie tak gleboko w ZSRR z powodu m.in. jego fatalnej lacznosci podczas gdy III Rzesza miala dobra lacznosc. Fizyczny potencjal militarny Zwiazku Radzieckiego byl wtedy wiekszy niz Niemiec. Sytuacje uratowala dopiero Ameryka dajac ogromna ilosc kabli telefonicznych, radiostacji i lamp elektronowych do ich produkcji. Na koniec wojny radzieccy paralizowali niemiecka lacznosc radiowa !
Mozna odebrac tylko to ci sie nadalo. Rzeczywiscie w Polsce produkcja dobrych radiodbiornikow UKF – FM sens ma niewielki bo jakosc tego nadawania jest straszna.
Fantastyczne. Trudne sprawy całkiem jasne.
OdpowiedzUsuń