AM/FM predajnik za testiranje starih radio prijemnika – Audio limiter

 in PRIMOPREDAJNICI / SAMOGRADNJA by

AM/FM predajnik za testiranje starih radio prijemnika (sadržaj):

 

Priprema audio signala za AM/FM modulaciju

Prilikom testiranja i traženja rješenja za izvedbu AM i FM modulatora za VFO, mogli smo vidjeti kako na širinu moduliranog RF signala u oba slučaja utječe audio frekvencijski opseg koji prenosimo, a jednako tako i jačina audio signala kojeg dovodimo na modulatore.

Što je audio frekvencijski opseg koji prenosimo širi to će naravno i kvaliteta audio signala biti veća, međutim, jednako tako će to biti širi i modulirani RF signal. U radio primopredajnoj tehnici postoji ograničenje glede maksimalne dozvoljene širine moduliranog RF signala jer ne može jedan odašiljač zauzeti proizvoljno velik dio ukupnog raspoloživog frekvencijskog opsega.

Tako su najširi dozvoljeni kanali kod komercijalnog UKV FM odašiljanja gdje se primarno traži najveća kvaliteta prijenosa zvuka (emitiranje muzike u Hi-Fi kvaliteti), uz stereo emitiranje, emitiranje raznih digitalnih informacija i slično. Tu se stoga prenosi puni audio opseg do 15 kHz, a maksimalna dozvoljena širina koju smije zauzeti jedan kanal je 200 kHz (u praksi je zauzeće 100-180 kHz ovisno o FM sistemu odašiljanja). U komercijalnom AM odašiljanju širina kanala više ne može biti toliko velika jer AM odašiljači rade na niskim frekvencijama (primjerice srednji val zauzima opseg od 540 – 1700 kHz) tako da bi tu uz veliku širinu modulacije na čitav opseg stalo jedva nekoliko kanala (odašiljača). Zato je kod komercijalnog AM odašiljanja širina kanala ograničena na svega 10 kHz (praktično 9 kHz) što znači da mora biti smanjen i audio opseg koji se prenosi na 4,5 kHz. Takav opseg je dovoljan za prijenos govora u dobroj kvaliteti i muzike u nešto slabijoj kvaliteti.

Kod različitih službenih AM i FM radio veza gdje se prenosi samo govorna informacija, kvaliteta prijenosa audio signala više nije od primarne važnosti, od veće je važnosti je da na određeni frekvencijski opseg stane što više kanala. S toga se audio opseg tu ograničava na 3 kHz jer je u tom opsegu govor još uvijek dobro razumljiv. Kod služenih FM radio veza teži se širini kanala od 11 kHz, a maksimalna dozvoljena širina je 12,5 kHz. Kod služenih AM radio veza pak je širina kanala oko 6 kHz jer je ispod toga jednostavno nemoguće prenijeti govornu frekvenciju maksimalne frekvencije do 3 kHz. Međutim, dvostruko niže zauzeće opsega od svega 3 kHz može se postići posebnim tipovima AM modulacije poput USB i LSB. Naime, AM modulacijom se istovremeno prenose dva jednaka frekvencijska pojasa (iznad i ispod noseće frekvencije) koji nose iste informacije. Ukoliko se jedan od tih pojasa filtrira, dobiti ćemo dvostruko manje zauzeće kanala.

Koliko god bilo ograničenje širine kanala za pojedine vrste AM i FM emisija, ono se vrlo lako može premašiti ako se ne ograniči frekvencija i amplituda audio signala koji se vode na modulator. To znači da signal jednog odašiljača neće ostati u granicama svojeg kanala, nego će se protezati i preko nekoliko susjednih kanala. To stvara razne oblike smetnji i onemogućava selektivan prijem radio postaja na nekom frekvencijskom opsegu.

Prevelika amplituda signala kod AM modulacije prekida envelopu noseće frekvencije što generira veliki broj jakih harmonika koji široko zagađuju frekvencijski opseg i izobličavaju demodulirani audio signal. Prevelika amplituda signala kod FM modulacije značajno povećava širinu zauzeća kanala.

To smo vidjeli kod testa FM modulatora sa čipom HS6760. Dok je sa ulaznim signalom amplitude 5 mVpp modulacija ostala unutar 180 kHz, sa ulaznim signalom amplitude 40 mVpp (pod istim ostalim uvjetima) modulacija se proširila na opseg od gotovo 1 MHz, dakle preko 5 kanala UKV FM opsega. To je svakako nije dopustiv način rada čak ni za naš testni predajnik dometa nekoliko metara.

 

 

Za naš predajnik nam dakle treba nekakav sklop koji će ograničiti maksimalnu frekvenciju i amplitudu audio signala prije nego se isti dovede na modulatore. Tome služe frekvencijski i amplitudni limiteri koji su u osnovi frekvencijski filtri i kompresori dinamike.

 

Analogno ili digitalno

Proračun i praktična izvedba preciznih audio filtara i kompresora dinamike nije posve jednostavna, pogotovo ako se želi potpuna kontrola nad strminom (Q-faktor) nisko-propusnih filtara i vremenima odziva ili reakcije kompresora dinamike. Za naš slučaj bi ti filtri trebali biti podesivi (NPF filtri za 3 kHz i 16 kHz) ako želimo imati mogućnost širokopojasnih i uskopojasnih modulacija.

Diskretna ili analogna izvedba takvih sklopova je svakako moguća i sa operacijskim pojačalima čak i ne bi trebala biti pretjerano složena. Međutim, vidjeli smo koliko je testiranja različitih kombinacija bilo potrebno da bi napravili učinkoviti tonski filtar primjerice za projekt modifikacije radio prijemnika Grundig 95 GW. Isto tako smo do sada već i na ovom projektu naučili da digitalno procesuiranje signala na kraju uvijek pobjedi. Zato se nadam da ću si ovdje uštedjeti trud i vrijeme ako odmah krenem na traženje digitalnih rješenja za audio filtre i kompresore.

 

Digitalni procesor signala BP1048B2

Praktički bez konkurencije što se tiče cijene i mogućnosti ističe se integrirani krug BP1048B2 kineskog proizvođača MV Silicon. To je 32-bitni digitalni audio procesor sa podrškom za Bluetooth koji je izašao na tržište 2019. godine. Može se kupiti zalemljen na gotov modul po cijeni 15-20 eura uz koji dolazi i besplatan softver (ACP Workbench) za konfiguriranje željenih parametara.

 

 

Softver omogućuje potpunu kontrolu pojačanja svih segmenata čipa, veliki broj mogućnosti odabira i podešavanja različitih filtara i zvučnih efekata, te konfiguriranje različitih upravljanja sa dva stereo kanala i jednog izlaza za bas (2.1 sistem). Ono što je od svega nama zanimljivo, to su mogućnosti podešavanja pojačanja (AGC, Gain Control), kompresora dinamike (Dynamic Range Compressor) i naravno ekvilajzera koji omogućuje izbor i precizno konfiguriranje praktično bilo kakvog frekvencijskog filtra koji može biti stavljen na ulazu i/ili na izlazu iz DSP-a. Gotovi filtri se mogu podešavati i kombinirati, a moguće je raditi i vlastite filtre. Jednom konfigurirani parametri se spreme u internu Flash memoriju i čip procesuira signal sukladno tome.

Modul također omogućuje spajanje četiri vanjska potenciometra i četiri tipkala. Kinezi su po običaju vrlo škrti u objašnjenjima što se tiče podataka za sam čip BP1048B2 ali i za gotov modul sa tim čipom. Koliko sam uspio prevesti kineske znakove, četiri potenciometra (100 kΩ) bi trebale biti tonske kontrole:

  • kontrola niskih tonova (bass) za bass izlaz
  • kontrola niskih tonova (bass) za mono/stereo izlaz
  • kontrola srednjih tonova (middle) za mono/stereo izlaz
  • kontrola visokih tonova (treble) za mono/stereo izlaz

Četiri tipkala služe za osnovnu kontrolu modula (ON/OFF, jačina zvuka) te za kontrolu opcionalno spojenog audio svirača preko Bluetootha (prebacivanje pjesama, pauza/play):

  • Type – uključenje i isključenje modula (dugi pritisak) i odabir audio ulaza: Bluetooth ili žično (kratki pritisci)
  • – prethodna pjesma (dugi pritisak) i stišavanje zvuka (kratki pritisci)
  • – slijedeća pjesma (dugi pritisak) i pojačanje zvuka (kratki pritisci)
  • Start – Bluetooth povezivanje (dugi pritisak) i pauza/play (kratki pritisci)

Sedam dodatnih konektora je za spajanje:

  • L – izlaz lijevi audio kanal
  • G – zajednička masa audio (GND)
  • R – izlaz desni audio kanal
  • X – izlaz bass (subwoofer)
  • MUTE
  • V- masa napajanje (GND, minus pol)
  • V+ napajanje 5 V plus pol

 

Audio utičnice 3,5 mm služe kao: stereo ulaz (AUX), bass izlaz (subwoofer) i stereo izlaz. Na pločici je još konektor za vanjsku Bluetooth antenu.

 

 

Prvi testovi

Prvi testovi su pokazali da modul prilično dobro radi. Svi efekti su dosta široko podesivi, najviše mi se svidio filtar za uklanjanje glasa pjevača iz pjesme tako da se čuje samo instrumental. Filtri za ovo rade prilično dobro. Ono pak što nas zanima, nisko-propusni frekvencijski filtar i amplitudni kompresor, također radi jako dobro. Frekvencijski filtar je moguće precizno podesiti za primjerice propuštanje opsega 300-3000 Hz. Kompresor također radi izrazito dobro i stišava sve pretjerane amplitude audio signala s odabranim vremenima reakcije.

 

Početni prozor programa ACP Workbench za selekciju audio ulaza i podešavanje analognih i digitalnih pojačanja.

 

Prozor za odabir različitih audio filtara i efekata.

 

Prozor za odabir i kreiranje frekvencijskih filtara.

 

Kompresor dinamike.

 

Međutim, postoje i loše strane. Čini se da je nemoguće potpuno razdvojiti lijevi i desni kanal tako da istovremeno rade potpuno nezavisno i da bi nam time jedan modul poslužio za dva predajnika. Vanjske kontrole su vrlo nespretne. Za tipkala nikad niste sigurni u kojem ste trenutno modu (Bluetooth ili žični ulaz) jer je za indikaciju ugrađena samo jedna LED. Desi se da pritisnete neku tipku, zvuk se ugasi, onda pogađate sa dugim i kratkim pritiscima kako se ponovno vratiti na određenu postavku. Potenciometarske tonske kontrole su dosta blage i jedva primjetno utječu na zvučnu sliku.

Najveći problem je što se preko softvera može memorirati do deset različitih postavki, no te postavke se ne mogu pozvati vanjskim kontrolama nego samo preko softvera. Nisam siguran ni da li se te postavke spremaju na internu Flash memoriju čipa ili su samo zapis unutar softvera.

 

Interna blok shema čipa BP1048B2. Jasno se vidi sa lijevi i desni stereo kanali nisu posve odvojeni i nezavisni.

 

Osnovna shema spajanja čipa BP1048B2.

 

 

Kasnije sam pronašao još jedan model sličnog digitalnog audio filtra koji dolazi sa daljinskim upravljačem i (vjerojatno) ima preko njega mogućnost pristupa različitim prethodno pomoću softvera snimljenim postavkama. Ovaj model košta isto oko 16 eura, no ima ugrađen mp3 plejer, kakav takav displej da se vidi koji je trenutni mod rada i ono što je najvažnije tipku EQ kojom bi se trebalo moći mijenjati do 20 različitih postavki spremljenih preko softvera.

 

 

Cijena oba modula je podjednaka oko 16 eura i na prvi pogled se čini kao neisplativa investicija. Iako filtri i kompresor rade savršeno, veliki broj drugih mogućnosti je ovdje neiskoristiv za naš projekt, a najgore je to što je vanjsko sučelje (mogućnosti upravljanja bez softvera) vrlo ograničeno. S druge strane, kvalitetno limitersko ili ARP (AGC) pojačalo može biti dosta složeno, a neophodno je i fino ugađanje nekih krugova. Jednostavna limiterska pojačala generiraju niz nedostataka, poput neujednačenih amplituda pozitivnih i negativnih poluperioda signala i visokih harmoničkih izobličenja. Isto vrijedi i za filtre.

Naravno da nema smisla imati 10 daljinskih upravljača za 10 modula naših testnih predajnika, no nekoliko kontrola koliko nam je potrebno sa daljinskog upravljača lako se izvedu fiksno na prednjoj ploči uređaja, a optički IC link se jednostavno prespoji žicom. Na kraju, iako ćemo za ovaj modul potrošiti više nego za sve ostale komponente testnog predajnika zajedno, vjerojatno je to ipak najbolje rješenje.

 

 

Usporedni prikaz dva modula sa čipom BP1048B2. Iako veći modul oznake ZK-DAM K1 za razliku od manjeg modula ima LED displej, podršku za daljinski upravljač te audio mp3 plejer sa USB, BT i TF sučeljem, oba modula se baziraju samo na tom jednom čipu BP1048B2.

 

 

BP1048B2 je prilično svestran audio procesor opremljen sa 32-bitnim mikrokontrolerom sa 28 GPIO, te internih 320 KB SRAM i 16 Mb FLASH memorije. Svaki GPIO je moguće višestruko konfigurirati tako da reagira na pull-up, pull down, hi-impedance, pull-down current source i slično. Čip podržava više komunikacijskih sučelja poput USB-OTG, SPI, SDIO, UART, I2C, IR, BT, HDMI. Što se tiče audio procesiranja čip ima četiri 16-bitna ADC-a i tri 24-bitna DAC-a sa 9 brzina sempliranja u rasponu od 8-48 kHz. Ugrađeni su algoritmi za dekodiranje i kodiranje više vrsta audio formata (MP2, MP3, MP4, WMA, WAV, AIF, AIFC, APE, FLAC, AAC). Što se tiče zvučnih efekata čip podržava: Echo, Reverb, 3D, Virtual bass, Auto-tune/pitch shifter/Voice changer, EQ, DRC, AEC, Noise suppression, Frequency-shifting, Screaming detection and suppression).

Međutim, jednako kao što smo imali problem sa TX FM čipom HS6760 tako se i za ovaj kineski čip praktično ne mogu nikakvi podaci koji bi pomogli u nekom njegovom namjenskom programiranju. Preko USB sučelja i programa ACP Workbench (Audio Codec Processor Workbench) možete u realnom vremenu mijenjati, podešavati i zatim trajno spremiti u čip sve promjene koje program pruža i to radi odlično. U takvom načinu rada modul se može koristiti kao zvučna kartica. Međutim, ukoliko želite programirati GPIO MCU-a za rad bez računala i dodati neke svoje vanjske kontrole i indikacije, tu nema nikakve podrške niti uputa koje bi bile dostupne na Internetu. Jedine (osnovne) programske adrese koje možete vidjeti su one ispisane u samom ACP Workbenchu.

 

Uz modul dobivate i zaštitni pokrov od pleksiglasa te držače sa četiri magneta kako bi se modul “prilijepio” uz metalno kućište kakve audio komponente.  

 

Displej ima ukupno 35 LED segmenata, a svega 7 žica kojima se oni pale i gase. To je prilično složen sistem multipleksiranja gdje svaka od žica može imati pozitivni ili negativni potencijal, ovisno da li se u tom trenutku koristi kao zajednička elektroda ili elektroda za paljenje određenog segmenta. Slični način pogona LED displeja vidjeli smo kod digitalnih mjernih instrumenta za restauraciju Variaka Iskra TRN 110 i IEV TRN 120.

 

Modul BP1048B2 koji dolazi sa LED displejom i daljinskim upravljačem je svakako praktičniji za samostalan rad bez spojenog računala. No čak su i za taj komercijalni modul podaci su nepotpuni. Primjerice, u opisu se spominje da je daljinskim upravljačem (tipka EQ) moguće mijenjati do 5 različitih (predefiniranih) postavki ekvilajzera (tonskih filtara). Međutim ne pišu dvije stvari: da li je trenutno odabrani filtar nekako prikazan na displeju (da se zna koji je trenutno odabran) i da li je moguće preko ACP Workbencha mijenjati postavke tih filtara tako da one ostanu trajno izmijenjene.

Nama naime obavezno trebaju pojasni filtri 300 – 3000 Hz, 16 – 6000 Hz i 16 – 16000 Hz, a s obzirom da ima još slobodnih pozicija onda možemo staviti i nisko-propusne filtre za 3 kHz, 6 kHz i 16 kHz, te neke uskopojasne filtre za CW  slično. U konačnici možemo staviti nisko-propusne filtre za audio opseg primjerice na svakih 3 kHz.

Test je pokazao da na LED displeju ima indikacija za svaki od pet filtara (postavki ekvilajzera) koje je moguće odabrati, te još jedna indikacija kada su filtri isključeni. Ove simbole na displeju sasvim sigurno nećemo moći promijeniti preko ACP Workbencha, no pomak će biti već i ako uspijemo na tih pet ili šest mjesta postaviti svoje filtre.

 

Predefinirani filtri učitani sa čipa BP1048B2 u ACP Workbench.

 

Svi pokušaji pre-programiranja pet tvornički memoriranih filtara prošli su neuspješno. Moguće je mijenjati i programirati sve postavke filtara osim ovih predefiniranih koji zauzimaju polje Music Out EQ (0x92). Što god mijenjali u ovom polju, nakon reseta napajanja sve se vraća na tvorničke postavke, dok ostala polja zadržavaju zadnje spremljene promjene.

Pokušao sam programiranje u dvije inačice ACP Workbencha koje su dostupne na Internetu i koje rade sa našim modulom (v2.30.2 i v2.33.0) i to na sve moguće kombinacije koje program pruža, no tvornički predefinirani filtri za izlazni ekvilajzer se nisu niti jednom trajno promijenili. To znači da je i sa ovim modulom na kraju moguće trajno programirati samo jednu svoju namjensku postavku ili se mogu koristiti samo ove koje su tvornički programirane. Čip se svakako može programirati da se „offline“ mijenja barem 10 različitih po želji postavljenih postavki jer neki audio uređaji imaju tvornički programiran čip upravo s tom opcijom. Međutim, to su preskupa pojačala za naš projekt, a nigdje se ne može naći informacija kako to programirati za bilo koji čip.

Slični problem prolazili smo i sa TX FM čipom HS6760 koji se nakon reseta napajanja uporno vraćao na tvorničke postavke za predefinirane frekvencije. Naravno, osim što se ne može naći niti firmware niti software da se ove tvorničke postavke zamijene, za čip BP1048B2 se ne može naći niti bilo kakav osnovni popis registara. Tako ovaj prilično dobar i moćan čip u punom opsegu možemo koristiti jedino kao zvučnu karticu (PC mod) dok se „offline“ može koristiti samo na zadnje spremljenim postavkama.

Inače, čip BP1048B2 kineske tvrtke MVSilicon (Shanghai Mountain View Silicon Co. Ltd.) se ugrađuje u različite gotove BT audio module i pojačala, jeftino se mogu kupiti i pojedinačni čipovi (manje od 2 dolara po komadu u maloprodaji), no podrška za njihovo namjensko programiranje je praktično nikakva. Koliko sam uspio iskopati informacije, čipovi koji se kupe zasebno dolaze prazni (bez firmvera) te je za njihovo pokretanje potrebno učitati firmver kopiran sa nekog drugog čipa. Na službenim stranicama tvrtke MVSilicon se ne mogu naći nikakvi detaljniji tehnički podaci o seriji čipova BP10xx i nikakva softverska podrška. Sa GitHub-a se mogu skinuti neki SDK alati koji bi možda mogli pomoći u programiranju ovog čipa, no ne želim još jednom prevoditi sve te kineske upute koje vrlo vjerojatno na kraju ne vode ničem korisnom, a osim toga za korištenje SDK alata je potrebno imati i dobru informatičku podlogu u takvoj vrsti programiranja.

Uglavnom, istraživanjem Interneta za pronalaženjem najboljeg rješenja za audio kompresor i filtar, ispada da sada živimo u vrlo nepovoljnom razdoblju. Naime, s jedne strane imamo na izbor nove, moćne i jeftine audio DSP čipove, no sa vrlo lošom programskom podrškom prema vanjskim korisnicima, odnosno uglavnom orijentirane za tvorničku ugradnju u gotove uređaje. S druge strane, još uvijek se mogu naći i dovoljno dobri namjenski analogni čipovi (npr. SSM2045) no oni se zbog sveopće digitalizacije sve više prestaju proizvoditi, tako da se još mogu naći samo skupi pojedinačni komadi iz nekih starih privatnih zaliha. Kao takvi su isplativi za kupnju radi popravka nekog boljeg vintage uređaja, no nikako nisu dobri kandidati za nove projekte u samogradnji.

Na kraju čini se ostaju na izbor opet samo dobra stara (i nova) operacijska pojačala, pa ćemo se ovdje opet morati vratiti na diskretnu elektroniku.

 

 

AGC pojačalo sa MAX 9814 i kompresor dinamike sa SSM 2167

Trenutno su aktualna dva jeftina čipa za automatsko ograničenje amplitude audio signala: MAX 9814 koji se opisuje kao AGC pojačalo i SSM 2167 koji se opisuje kao audio kompresor. Oba ova čipa su zapravo svojevrsni audio kompresori koji se baziraju se na pojačalima promjenjivog pojačanja (VGA – variable gain amplifier). Primjenu pojačanja pojačala je najlakše kontrolirati promjenom napona, pa se onda takva pojačala nazivaju i naponski kontrolirana pojačala (VCA – voltage controlled amplifier).

Najveća razlika između AGC pojačala i kompresora dinamike je u samom načinu na koji se vrši detekcija (praćenje) visine amplitude u audio signalu, kako bi se dobio upravljački napon kojim se mijenja pojačanje pojačala.

 

Interne blok sheme čipova MAX 9814 (AGC pojačalo) i SSM 2167 (kompresor dinamike) iz originalne tvorničke dokumentacije.

 

Interne blok sheme čipova MAX 9814 i SSM 2167 u tvorničkoj dokumentaciji su vrlo pojednostavljene. Kod MAX 9814 se ne vidi odakle se uzima uzorak za AGC, no to je posve sigurno sa izlaznog pojačala kojem se pojačanje može odabrati u tri razine: 8 dB, 18 dB i 28 dB. Naime, svi AGC krugovi koje smo susretali kod pojačala rade kao negativna povratna veza. Uzima se uzorak amplitude signala iz izlaznog pojačala (GAIN) i pretvara u proporcionalnu vrijednost napona. Tim naponom se zatim povratno djeluje na pojačanje prethodnog stupnja pojačanja (VGA). Ako signal iz izlaznog pojačala poraste, automatski će se naponom povratne veze smanjiti pojačanje prethodnog stupnja pojačanja (VGA), čime se onda posljedično smanjiti i signal iz izlaznog pojačala (GAIN).

Na internoj blok shemi čipa SSM 2167 pak možemo vidjeti obrnutu situaciju. Ovdje se detekcija amplitude ne vrši na izlaznom pojačalu (VCA), nego na ulaznom pojačalu (BUFFER). Amplituda se dakle ovdje prati na samom ulaznom signalu i na osnovu visine te amplitude korigira se pojačanje izlaznog pojačala.

Zbog ovog obrnutog kruga detekcije i upravljanja, svakako će biti i različiti efekt kompresije amplitude audio signala kod ova dva čipa, a jednako tako i utjecaj na sam audio signal u smislu izobličenja, pojave neželjenih artefakata u zvuku i slično.

Kod AGC pojačala možemo očekivati jako dobru kontrolu maksimalne amplitude izlaznog signala jer se stalno i prati (detektira) upravo amplituda izlaznog signala. Takvo pojačalo je pogodno za primjenu na mjestima gdje primarno potrebno ograničiti, odnodno smanjiti na dopuštenu vrijednost maksimalnu amplitudu audio signala, a da se isti pri tome značajno ne izobličava, kao što bi se to dogodilo jednostavnim naponskim ograničenjem gdje se „režu“ vrhovi sinusoida koje prelaze određeni naponski prag. Ograničenje se mora vršiti kako prejaki signali ne bi izazvali izobličenja, preopterećenja, distorzije i druge neželjene posljedice za sklopove koji slijede nakon pojačala.

Kod kompresora dinamike pak možemo očekivati jako dobro izjednačavanje ukupne dinamike promjene signala, odnosno smanjenje razlike između najmanje i najveće amplitude koju sadrži neki audio signal. To u prvom redu znači uklanjanje niskih razina šuma, a zatim pojačanje slabih i prigušenje jakih amplituda signala. Ovo je posebno pogodno za radijski prijenos govora i druge uskopojasne komunikacije gdje ujednačena naponska razina audio signala (niska dinamika) osigurava ujednačeno zauzeće kanala, ujednačenu snagu predaje (kod AM modulacija) i ujednačenu čujnost demoduliranog signala na prijemniku.

Iz svega vidimo da i kompresor dinamike utišava jake signale jednako kao i AGC pojačalo, no kod AGC pojačala se može precizno odrediti prag maksimalne dozvoljene amplitude signala.

S obzirom da su razvojne pločice sa oba čipa (MAX 9814 i SSM 2167) relativno jeftine (manje od 3 eura svaka) onda nas ništa ne sprečava da u audio liniju ugradimo i AGC pojačalo i kompresor dinamike, te testovima vidimo koliko su ili koliko nisu oba ova pojačala zapravo efektna u praksi.

 

 

AGC pojačalo sa MAX 9814

MAX 9814 je kao što smo rekli AGC pojačalo koje će amplitude audio signala zadržavati ispod određenog naponskog praga. Čim se pojavi audio napon prevelike amplitude, AGC pojačalo automatski smanjuje pojačanje na onu razinu da vrhovi amplituda ne premašuju određeni naponski prag.

Znamo da jednostavno rezanje viškova amplituda nekim naponskim detektorom nije dobro rješenje jer se time jako izobličava audio signal. AGC je svakako puno bolje rješenje, međutim, i AGC mora biti dobro podešen glede vremena reakcije, kako se ne bi stvorile neke neželjene smetnje i izobličenja u audio signalu. Problem je što svakoj vrsti audio signala više odgovara različito vrijeme (vremenska konstanta) AGC reakcije. Kod boljih vojnih i radioamaterskih prijemnika (čak i onih cijevnih) gotovo uvijek nalazimo opciju izbora barem dvije vremenske konstante za AGC reakciju (spora i brza) gdje jedna bolja za slušanje govora (telefonije), a druga za slušanje telegrafije.

Kad govorimo o brzini, odnosno vremenskoj konstanti, ukupno vrijeme aktivnosti AGC kruga možemo podijeliti na tri dijela:

  • Attack time – vrijeme početne reakcije na signal, odnosno vrijeme koje potrebno AGC pojačalu da smanji pojačanje prevelikog signala na podešeni naponski prag. Ovo vrijeme je za čip MAX 9814 podesivo u rasponu 50 µs – 2,4 ms.
  • Hold time – vrijeme u kojem se signal zadržava na dostignutoj razini smanjenog pojačanja. Ovo vrijeme je za čip MAX 9814 fiksno interno postavljeno na 30 ms i ne može se mijenjati.
  • Relase time – vrijeme otpuštanja, odnosno vrijeme koje je potrebno da se smanjeno pojačanje opet vrati na nominalnu vrijednost. Ovo vrijeme nastupa nakon što je izlazni signal pao ispod podešenog naponskog praga (Attack time) i nakon što je prošlo Relase time od 30 ms. Ovo vrijeme je za čip MAX 9814 podesivo u rasponu 25 ms – 9,6 s.

Ukoliko ova vremena nisu dobro odabrana, to može imati neke neželjene posljedice na izlaznu kvalitetu audio signala. Posebno je nepovoljna prebrza vremenska konstanta. Tu će AGC brzo, gotovo trenutno reagirati na povećanu amplitudu ali će isti tako vrlo brzo vratiti pojačanje na normalnu vrijednost. Problem je što AGC prati izlazni signal, i jednom dok ga smanji, više nema informaciju da li je ulazni signal još uvijek prevelik i da time treba još uvijek držati nisko pojačanje. AGC će jednostavno vratiti pojačanje za ono vrijeme koje se podesi vanjskim kontrolama. Ako se nakon vraćanja pojačanja opet pojavi preveliki izlazni signal (jer je i ulazni signal i dalje prevelik), AGC automatski ponavlja ciklus. Sada, ako je audio signal duže vrijeme previsok, a AGC konstanta je vrlo kratka, onda će se stalno ponavljati ciklusi brzog smanjenja i brzog povećanja pojačanja. To se svakako osjeti u izlaznom zvuku koji dobiva određene artefakte uslijed stalnog „pumpanja“ pojačanja. Slično kao da rukom stalno vrtite potenciometar za glasnoću u jednu i drugu stranu tijekom slušanja nekog audio sadržaja.

U principu bi se za audio signale sa brzim promjenama dinamike (poput muzike) moglo odabrati kraće vrijeme reakcije AGC-a (tipično 160 µs Attack time i 80 ms Release time), dok se za govor i slične audio zapise manje dinamike koriste veća vremena reakcije AGC-a. Mi ćemo kod emitiranja imati najviše problema sa različitim izvorima zvučnih snimaka koje će imati različite (prosječne) glasnoće, pa će nam više odgovarati sporiji AGC. Sporija AGC je manje „agresivna“ na dinamičke promjene amplitude audio signala čime se bolje očuva njegova izvornost , no s druge strane sporija AGC je i manje učinkovita u realnom vremenu.

 

 

Na gornjoj slici izvedenoj iz tvorničke dokumentacije za čip MAX 9814 možemo vidjeti kako podešavanje Attack i Relase vremena nije posve neovisno, odnosno promjena jednog vremena utječe i na promjenu drugog vremena. Načelno se Attack vrijeme mijenja promjenom vrijednosti kondenzatora na pinu 1, a promjena Relase vremena se vrši preko pina 9. Pinom 9 se zapravo mijenja odnos između Attack i Relase vremena u tri koraka. Ako se odabere manji odnos dobit će se brža AGC reakcija i obrnuto.

 

Može se naručiti više tipova pločica sa čipom MAX 9814, a mi smo odabrali onu koja ima najviše konektora za spajanje vanjskih kontrola.

 

 

S obzirom na našu primjenu, ovdje bi prvo trebalo ukloniti otpornik R1 za napajanje mikrofona. Za AGC Threshold kontrolu ovdje je stavljen fiksni djelitelj napona sa otpornicima Ra i Rb. Za primjenjivu kontrolu praga AGC-a pak bi trebalo ukloniti ova dva otpornika, te na konektore S, TH i GND spojiti potenciometar od 100 kΩ kojem je klizač na TH. Također, ako želimo ATTACK/RELASE kontrolu u pinom opsegu, onda je umjesto fiksnog kondenzatora C3 potrebno staviti sklopku kojom se može mijenjati opseg ovog kapaciteta od 22 nF do 1 µF. SHUTDOWN kontrola nam neće biti potrebna tako da pin-2 može ostati trajno spojen na VDD (čip je stalno aktivan).

 

 

 

Kompresor dinamike sa SSM 2167

Kompresor dinamike SSM 2167 kao što smo već opisali prati ulazni signal i proporcionalno tome mijenja pojačanje izlaznog pojačala kako bi se ujednačile amplitude, odnosno smanjile razlike između najglasnijeg i najtišeg zvučnog nivoa. U trenutku kada je amplituda ulaznog signala manja, pojačanje izlaznog pojačala se poveća i obrnuto.

 

 

Isto kao i kod AGC pojačala, sam detektor amplitudnog nivoa signala mora imati neku određenu vremensku konstantu kako bi se dobio najbolji odnos između što boljeg efekta kompresije i što manjeg (čujnog) izobličenja audio signala. I ovdje prekratka vremenska konstanta može u nekim slučajevima izazvati artefakte u signalu poput „pumpanja“ ili „disanja“, odnosno svojevrsni niskofrekvencijski šum. Kod čipa SSM 2167 vremensku konstantu amplitudnog detektora (Level Detector) određuje kondenzator C1. Ovo je jedini promjenjivi element kojim se određuje vrijeme reakcije čipa (Attack, Hold, Relase) i preporučena je njegova vrijednost u rasponu od 2,2 µF za najbržu reakciju do 22 µF za najsporiju reakciju. To je načelno vrijeme u kojem će detektor nivoa amplitude uzimati uzorke visine napona (22 – 220 ms), a onda srednjom vrijednosti napona u tom vremenu regulirati pojačanje izlaznog pojačala. Što je uzimanje uzoraka kraće (brže, frekventnije) to će i efekt kompresije biti izraženiji, no kod odabira svakako treba paziti i na izobličenje.

Čip SSM 2167 omogućuje još dvije podesive kontrole: omjer kompresije (Compression Ratio) i prag šuma (Noise Gate Threshold). Omjer kompresije je ustvari jačina kompresije, odnosno omjer koliko će promjena amplitude ulaznog signala izazvati promjenu amplitude izlaznog signala. Ovo je podesivo u omjeru od 1:1 (nema kompresije, ulazni i izlazni signal su jednaki) do 1:10 (maksimalna kompresija). Što se tiče nivoa šuma u audio signalu, nije nikako poželjno da kompresor dinamike pojačava te niske amplitudne razine šuma. Stoga se može podesiti svojevrsni filtar praga šuma (slično squelchu) kako bi se iz procesuiranja audio signala isključio šum. Kod čipa SSM 2167 taj prag šuma se može podesiti u rasponu od -40 dBV (10 mV rms) do -55 dBV (1 mV rms).

 

Isto kao i za MAX 9814 tako se i za čip SSM 2167 može birati više tipova pločica, a mi smo i ovdje odabrali onu koja ima najviše konektora za spajanje vanjskih kontrola.

 

 

SHUTDOWN kontrola nam neće biti potrebna tako da pin-3 može ostati trajno spojen na VDD preko otpornika R4 (čip je stalno aktivan).

Za vremensku konstantu amplitudnog detektora (pin-6) i ovdje imamo ugrađen jedan fiksni kondenzator C2, dok bi za potpuni raspon kontrole vremenske konstante trebali ugraditi sklopku koja mijenja kapacitete u nekoliko koraka u rasponu 2,2 µF do 22 µF.

Za kontrolu omjera kompresije i praga šuma su također ugrađeni fiksni otpornici, no ostavljena je mogućnost paralelnog dodavanja vanjskih otpornika. Za omjer kompresije ugrađen je otpornik od 1 kΩ, a ovdje otpornik mora biti u rasponu 0-175 kΩ. Time paralelno dodavanje otpora ovdje neće imati efekta, trebalo bi ukloniti otpornik R2 od 1 kΩ i umjesto njega staviti potenciometar od 200 kΩ. Isto tako, za prag šuma je stavljen otpornik R1 od 15 kΩ, a ovdje otpornik mora biti u rasponu 0-5 kΩ. Više bi odgovaralo da su otpornici R1 i R2 zamijenjeni. Možda se radi o tvorničkoj greški, no najbolje je ukloniti i otpornik R1 i umjesto njega staviti potenciometar od 4,7 kΩ.

Ovim potenciometrima se zapravo vrši digitalno upravljanje, odnosno na određenom pragu otpora MCU-čipa će prebaciti na novu vrijednost. Mogla bi se stoga staviti 4 i 5 položajna sklopka sa fiksnim otpornicima (vidi tablicu), no sa potenciometrom je ipak puno lakše i jeftinije izvesti te kontrole.

 

 

 

Kod opisa funkcija i mogućnosti čipova MAX 9814 i SSM 2167 stalno ponavljamo da je vremenske konstante potrebno podesiti i prilagoditi samoj dinamici audio zapisa koji se trenutno koristi. Nama za uskopojasni radijski prijenos nije toliko važno sačuvati neku Hi-Fi kvalitetu audio zapisa, koliko je važno isti amplitudno i dinamički što je više moguće ujednačiti. Time ćemo postići najbolju razumljivost audio signala na radio prijemniku i što je još važnije, modulacijom audio signala nećemo izlaziti iz definirane širine raspoloživog RF opsega. No, da bi zadovoljili ova dva uvjeta, potreban nam je još jedan filtar, a to je frekvencijski filtar.

Što se tiče frekvencijskog filtra, za naše potrebe bi najpraktičnija bila kombinacija podesivog visoko-propusnog i podesivog nisko-propusnog filtra. To je onda zapravo pojasni filtar kojem se mogu podešavati obje granične frekvencije. Načelno bi bio dovoljan i samo nisko-propusni filtar. Međutim, ako od punog audio opsega (16 – 16000 Hz) kroz filtar propustimo samo opseg od 16-3000 Hz, onda će ukupna zvučna slika jako naginjati prema dubokim tonovima jer smo uklonili većinu visokih tonova. Stoga je dobro iz tako filtriranog signala ukloniti i dio niskih tonova (primjerice do 300 Hz) kako bi se zvučna slika malo „vratila“ prema višim tonovima i tako svakako postala čišća, oštrija i time bolje razumljiva.

Sa promjenjivim tonskim filtrima smo dosta eksperimentirali u projektu Radio prijemnik Grundig 95 GW pa ćemo naručiti i jedan jeftin modul aktivne tonske kontrole sa NE 5532 koji zatim također moramo prilagoditi prema našim potrebama.

 

nastavit će se…

 

AM/FM predajnik za testiranje starih radio prijemnika (sadržaj):

 

Leave a comment

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Obavezna polja su označena sa * (obavezno)