Zadaniem demodulatora FM jest wytworzenie sygnału wyjściowego, który będzie proporcjonalny do chwilowej wartości częstotliwości sygnału zmodulowanego częstotliwościowo. Na rysunku 12.13b przedstawiono charakterystykę napięcia wyjściowego w funkcji częstotliwości chwilowej przebiegu wejściowego demodulatora FM z rys. 12.13a. Przykładowy przebieg napięcia wejściowego podano na rys. 12.13c, a kształt przebiegu napięcia wyjściowego - na rys. 12.13d. a) o u ł l Demodulator FM łwy b) uwy e) Uwe o~------------------------~ Flt) f\ f\ (\ {\ (\ d) Uwy o V \) ~ V t t Rys. 12.13. Demodulator FM: a) symbol; b) charakterystyka; c) przykładowy sygnał wejściowy; d) odpowiadający mu sygnał wyjściowy 12.7. Zasada odbioru radiowego W tym podrozdziale zajmiemy się nie tylko samym odbiorem, ale ogólnym przesyłaniem sygnału za pomocą fal radiowych. Proces transmisji sygnału akustycznego możemy podzielić na nadawanie i odbiór. 160
Na rysunku 12.14a przedstawiono schemat funkcjonalny zespołu nadajnika i odbiornika radiowego, w którym jest realizowana prosta metoda przekazywania dźwięku. Linią przerywaną oddzielono część nadawczą (Nadajnik) od części odbiorczej (Odbiornik). Sygnał akustyczny, w postaci drgających cząsteczek powietrza, przed przesłaniem musi być zamieniony na sygnał elektryczny. Do tego służy mikrofon. Na rysunku 12.14b przedstawiono przykładowe widmo sygnału akustycznego, a na rys. 12.14c - odpowiadające mu widmo sygnału elektrycznego uzyskane na wyjściu mikrofonu. Można zauważyć, że widma te mają taki sam kształt; poszczególne harmoniczne występują w takich samych proporcjach. Ponieważ sygnał akustyczny i odpowiadający mu sygnał elektryczny z mikrofonu zawierają składowe harmoniczne w (pasmie) zakresie częstotliwości od kilkunastu Hz do kilkunastu khz, a tego zakresu częstotliwości nie transmituje się za pomocą fal radiowych, widmo tego sygnału należy zatem przesunąć w zakres wyższych częstotliwości. Do tego służy modulator. W zależności od zakresu częstotliwości, w którym jest przesyłane widmo tego sygnału, wykorzystuje się modulację amplitudową (AM) lub częstotliwościową (FM). Sygnał z mikrofonu jest przekazywany do modulatora. W zależności od tego, jaki modulator (AM czy FM) zastosujemy w nadajniku, takie widmo uzyskamy na jego wyjściu. Załóżmy, że jest to modulator AM. Wówczas widmo jego sygnału wyjściowego będzie takie jak na rys. 12.14d. Sygnał z modulatora podajemy następnie na wzmacniacz, który nie zmienia kształtu jego widma. Nadawanie kończy się wyemitowaniem fali radiowej (elektromagnetycznej) przez antenę nadajnika. Faza odbioru rozpoczyna się w antenie odbiornika radiowego. Wewnątrz niej indukują się sygnały odpowiadające wszystkim docierającym do niej falom elektromagnetycznym. Na rysunku 12.14e przedstawiono przykładowe widmo sygnału, jaki uzyskalibyśmy na wyjściu anteny odbiorczej (przy zastosowaniu modulatora AM). Różnice widma z rys. 12.14d wynikają z tego, że do anteny odbiorczej docierają także fale pochodzące z innych źródeł (np. od innych nadajników, zakłócenia). Sygnał z anteny przesyłamy do strojonego filtru pasmowoprzepustowego, w celu wydzielenia ze złożonego widma wszystkich sygnałów zaindukowanych w antenie, widma sygnału z naszego nadajnika (rys.12.14f). Zwróćmy uwagę, że jest ono identyczne z widmem sygnału wyjściowego z modulatora. Wydzielony sygnał, po wzmocnieniu, jest podawany do demodulatora, który odtwarza sygnał m.cz. w jego oryginalnym pasmie (rys. 12.14c). Wzmocniony we wzmacniaczu m.cz. sygnał steruje głośnik, który przetwarza przebieg elektryczny na sygnał akustyczny. W ten sposób uzyskaliśmy transmisję sygnału akustycznego za pomocą fal radiowych. Gdy do transmisji sygnału użyjemy modulatora (i demodulatora) FM, wówczas kształt widma sygnału na wyjściu modulatora będzie wyglądał tak jak na rys. 12.14g. dentyczny będzie kształt sygnału na wejściu anteny nadawczej i sygnału emitowanego przez tę antenę. Zwróćmy uwagę, że przy modulacji FM widmo sygnału z modulatora zajmuje dużo szersze pasmo i jest położone 161
~ czesi! nadawcza-nadajnik cręsc odbiorcza-odbiornik 162
f Rys. 12.14. Przesyłanie sygnału akustycznego drogą radiową: a) schemat funkcjonalny układu transmisji; b) widmo wejściowego sygnału akustycznego lub widmo sygnału akustycznego na wyjściu głośnika; c) widmo sygnału na wyjściu mikrofonu lub na wyjściu demodulatora; d) widmo sygnału na wyjściu modulatora AM; e) widmo sygnału zaindukowanego w antenie odbiorczej dla sygnału AM;f) widmo sygnału na wyjściu filtru pasmowoprzepustowego (na wejściu demodulatora AM); g) widmo sygnału na wyjściu modulatora FM; h) widmo sygnału zaindukowanego w antenie odbiorczej dla sygnału FM; i) widmo sygnału na wyjściu filtru pasmowoprzepustowego (na wejściu demodulatora FM) (zazwyczaj) w zakresie większych częstotliwości. Tylko dla porównania obu tych modulacji zakładamy taką samą częstotliwość nośną. Na rysunku 12.14h przedstawiono widmo sygnału zaindukowanego w antenie odbiorczej. Do wydzielenia sygnału jest potrzebny filtr pasmowoprzepustowy o szerszym pasmie, ale spełniający tę samą funkcję. Widmo sygnału wejściowego demodulatora FM przedstawiono na rys. 12.14i. Na wyjściu demodulatora FM oraz w dalszej części odbiornika uzyskamy takie samo widmo sygnału jak przy transmisji AM (rys. 12.14c). Na pierwszy rzut oka możemy ocenić, że modulacja FM nie ma żadnych zalet, a wadą jest zajmowanie dużo szerszego pasma częstotliwości. Okazuje się jednak, że ten rodzaj modulacji zapewnia lepszą odporność na zakłócenia i szumy. Modulację AM stosuje się w takim zakresie częstotliwości, w którym najistotniejsze jest jak najwęższe pasmo zajmowane przez przesyłany sygnał (fale: długie, średnie i krótkie), natomiast modulację FM stosujemy w takim zakresie częstotliwości, w którym możemy sobie pozwolić na znaczne poszerzenie pasma przesyłanego sygnału w celu poprawienia jakości transmisji. Przedstawiony odbiornik radiowy nazywamy odbiornikiem z bezpośrednim odbiorem. Podstawową wadą tego typu odbiornika jest to, że wraz ze zmianą 163
częstotliwości odbieranego sygnału do demodulatora dociera sygnał o innej częstotliwości, co staje się przyczyną wielu zakłóceń. W związku z tym podjęto prace, zakończone sukcesem, mające na celu pozbawienie odbiornika radiowego tej wady. Opracowano tzw. odbiornik superheterodynowy, którego schemat funkcjonalny znajduje się na rys. 12.15. Antena i wejściowy filtr pasmowoprzepustowy w odbiorniku superheterodynowym odgrywają taką samą rolę jak w odbiorniku z bezpośrednim odbiorem. Różnica jakościowa wynika z zastosowania układu przemiany częstotliwości (mieszacz z generatorem lokalnym - heterodyną), który przesuwa widmo sygnału z otoczenia częstotliwości j, do częstotliwościfp (rys. 12.15b). Przestrojenie odbiornika - w celu odebrania innego sygnału (o częstotliwości fd - polega, tak jak poprzednio, na przestrojeniu obwodów wejściowych, a) L..J' b) e) U pff1 o Rys. 12.15. Superheterodynowy odbiornik radiowy: a) schemat funkcjonalny; b) widmo sygnału na wyjściu mieszacza (wejście demodulatora) dla sygnału AM; c) widmo sygnału na wyjściu mieszacza (wejścia demodulatora) dla sygnału FM 164
a poza tym na takiej zmianie częstotliwości heterodyny h2, aby był spełniony warunek h2 - s2 = p- Wynika stąd wniosek, że obwody wejściowe powinny być przestrajane współbieżnie z heterodyną (o taką samą wartość), przy czym s2 należy interpretować jako częstotliwość środkową filtru pasmowoprzepustowego (obwodu wejściowego). Zachowanie tego warunku pozwala na przesuwanie widma dowolnie wybranego sygnału do częstotliwości pośredniej p bez zmiany kształtu jego widma. W ten sposób, pomimo zmiany częstotliwości odbieranego sygnału, uzyskujemy stałą wartość częstotliwości sygnału docierającego do demodulatora. Na rysunku 12.15c przedstawiono widmo sygnału na wyjściu mieszacza przy transmisji FM, przy założeniu, że na jego wejściu jest sygnał o widmie jak na rys. 12.14g. Przebiegi napięć w innych miejscach układu i odpowiadające im widma są takie same jak dla odbiornika z bezpośrednim odbiorem. Wyraźnie należy zaznaczyć, że częstotliwość pośrednia przy transmisji AM (465 khz) jest inna niż przy transmisji FM (10,7 MHz). Odbiornik syperheterodynowy jest stosowany praktycznie we wszystkich obecnie produkowanych odbiornikach radiowych. 12.8. Zasada transmisji telewizyjnej Transmisja obrazu wraz z towarzyszącym mu dźwiękiem jest realizowana przez zespół urządzeń stanowiących tor nadawczy i odbiorczy, przedstawiony w sposób schematyczny na rys. 12.16. Część nadawcza składa się zasadniczo z dwóch oddzielnych układów: nadajnika fonii (dźwięku) i nadajnika wizji (obrazu). Część' nadawcza fonii robl'(ody WBjSClOwe) ~ Układ syntezy fani i obrazu : hetmjd< L J Część nadawcza wizji V Część odbiorcza Rys. 12.16. Układ transmisji obrazu i dźwięku 165