AM/FM predajnik za testiranje starih radio prijemnika – AM modulator

 in SVE OSTALO by

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

 

Amplitudna modulacija          

Sada kada imamo VFO, potrebno je izvesti njegovu amplitudnu modulaciju audio signalom.

 

Shema modula oscilatora sa čipom Si5351A.

 

Za početak smo nacrtali elektroničku shemu našeg modula sa čipom Si5351A kako bi mogli raditi eventualne modifikacije. Osim samog čipa Si5351A, vidimo da modul sadrži regulator napona (LDO) za snižavanje napona napajanja čipa na potrebnih 3,3 V i dva MOSFET-a koji služe za konverziju između dva različita naponska standarda za logičke razine (5 V i 3,3 V). Time modul Si5351A iako originalno radi na naponima 3,3 V zapravo je pripremljen za rad na 5 V sistemima. Na našem primjeru projekta pak smo potvrdili da modul ispravno radi i samo sa naponima 3,3 V.

 

Konverzija logičkih naponskih razina 5 V / 3,3 V

I2C digitalni podatkovni protokol osmišljen je i uveden od tvrtke Philips još 1980. godine.  Tada su logičke razine za digitalne čipove uglavnom iznosile 5 V. Kako se s godinama tehnologija proizvodnje procesora i drugih digitalnih čipova razvijala i čipovi su postajali sve manji (mikro-tehnologija) napon od 5 V je postao prevelik za tu gusto integriranu unutrašnju strukturu čipova. Stoga je maksimalni napon logičkih nivoa smanjen na standard od 3,3 V. Isto tako u novije vrijeme je tehnologija proizvodnje digitalnih čipova još više smanjena na razinu nano-tehnologija  te je uveden i standard od 2 V. Tehnološki gledano, proizvodnja čipova za manje nominalne napone je jeftinija i teži se napuštanju standarda od 5 V, odnosno ide se prema sve nižim naponima napajanja i logičkih razina.

Danas još uvijek imamo situaciju da se proizvode digitalni čipovi koji mogu biti dizajnirani za različite naponske razine (standarde), uobičajeno od 5 V, 3,3 V, 2 V pa i manje volti, ovisno o tehnologiji njihove izrade. Međusobne tolerancije pak ovise o samom čipu i moraju se iščitati iz tvorničkih podataka za konkretni čip. Primjerice, neki čipovi za 3,3 V mogu podnijeti i naponske razine od 5 V. Isto tako, neki čipovi za 5 V mogu ispravno prepoznati i logičke razine od 3,3 V. Međutim, u dosta slučaja ovo neće funkcionirati. Stoga, ako konstruiramo sklop koji sadrži digitalne čipove ili module različitih naponskih standarda, moramo koristiti posebne regulatore koji pretvaraju logičke naponske razine na nominalne vrijednosti za pojedini čip. Tu su prema engleskom izrazu „level shifteri“.

 

Level shifter

U našem slučaju ESP32-DevKit ploča radi sa logičkim razinama 3,3 V i ne podnosi napone od 5 V (može doći do pregaranja čipa). Modul Si5351A i TFT displej također rade na 3,3 V. Pri tome, napajanje ESP32-DevKit ploče i modula Si5351A može biti 5 V jer su na pločicama ugrađeni regulatori napona napajanja za 3,3 V. Također, kod modula Si5351A i signalne linije mogu imati razine od 5 V jer je ugrađen dvosmjerni level shifter u obliku dva MOSFET-a na I2C podatkovnim linijama (SCL, SDA).

Vidimo na shemi da modul Si5351A ima ugrađen regulator napona XC6219B koji ulazni napon od 5 V snižava na potrebnih 3,3 V za napajanje čipa. Regulator je LDO tipa, no svejedno može stvarati pad napona do 200 mV (kod opterećenja 100 mA). Stoga ako modul napajamo naponom 3,3 V onda će napon na izlazu biti nešto manji, oko 3,1 V. Ovo neće puno utjecati na rad čipa, no bilo bi dobro modul napajati sa 5 V.

Level shifteri pak mogu biti izvedeni kao jednosmjerni i dvosmjerni. U našem slučaju imamo dvosmjerni (Bi-directional) level shifter što znači da u jednom smjeru razine od 5 V pretvara u razine od 3,3 V dok u drugom smjeru razine od 3,3 V pretvara u razine 5 V.

 

Princip rada dvosmjernog level shiftera je jednostavan. MOSFET radi kao elektronička sklopka, a R1 do R4 su pull-up otpornici. Kada su na podatkovnim linijama prisutne logičke jedinice (na bilo kojoj strani) MOSFET ne vodi jer nema razlike napona između Gate i Source, odnosno oba priključka su na jednakom potencijalu. U tom slučaju je na liniji „Level 5 V“ stalno prisutna naponska razina od 5 V preko otpornika R1, a na liniji „Level 3,3 V“ je prisutna stalna naponska razina od 3,3 V preko otpornika R1. Dakle na obje linije je logička jedinica na svojoj nominalnoj naponskoj razini.

Kada pak se na jednoj od podatkovnih linija pojavi logička nula (nula volti, uzemljenje) tada MOSFET provede jer se sada između Gate i Source stvara određena razlika potencijala. Ako je nula na priključku „Level 3,3 V“ onda će razlika potencijala biti 3,3 V što je dovoljno za vođenje većine MOSFET-a. Međutim, kada se nula pojavi na priključku „Level 5 V“ tada napon može prolaziti jedino preko interne zaštitne diode na Drain Source priključcima MOSFET-a, odnodno na priključku Source će biti napon oko 0,6 V (pad napona na diodi). To znači da će razlika potencijala između Gate i Source biti svega 2,7 V. Ovo već može biti kritično za vođenje MOSFET-a tako da se ovdje mogu koristiti samo posebni MOSFET-i sa niskim pragom okidanja na Gateu (tipično 1,5 V) i koji mogu raditi sa niskim naponima i strujama kroz dva preostala priključka kako bi se slabi digitalni signali prenosili sa što manje gušenja.

Vođenjem MOSFET-a dakle na obje strane linije imamo logičku nulu i nula na bilo koj strani linije će aktivirati MOSFET. Pull-up otpornici od 10 kΩ u tom slučaju služe da ne nastane kratki spoj između podatkovne linije na razini nule i linije napona napajanja.

Ovakvi dvosmjerni level shifteri sa MOSFET-ima su danas vrlo jeftini za nabavu i obično dolaze kao paket za 8 linija. Međutim, treba imati na umu da prekidački MOSFET-i u level shifterima imaju svoju latenciju i ograničavaju brzinu prijenosa (konverzije) digitalnih signala. Stoga ako je brzina prijenosa podataka od značaja, onda je potrebno koristiti brze level shiftere ili najbolje izbjegavati njihovu upotrebu (koristiti naponski kompatibilne digitalne čipove). Kako god bilo, važno je da kod nabave digitalnih čipova i modula vodite računa o tim naponskim standardima jer se zbog nekompatibilnosti između njih može dogoditi da sklopovi ne rade ili su u radu nestabilni, a može doći i do hardverskih oštećenja čipova previsokim naponima.

 

Izbor sklopa za amplitudnu modulaciju

Vratimo se sada na amplitudnu modulaciju našeg oscilatora sa Si5351A. Amplitudnu modulaciju signala iz oscilatora možemo izvesti na puno različitih načina. Jednostavnija rješenja uglavnom rezultiraju lošijom rezultatima, izobličenjima signala, nemogućnosti postizanja dovoljne dubine modulacije i slično. Bolja rješenja su naravno skuplja i složenija za realizaciju. Mi ovdje ipak tražimo što je god moguće jednostavnije i što jeftinije rješenje koje će dati zadovoljavajuće rezultate. Stoga predstoji nekoliko eksperimenata, gdje ćemo ići od jednostavnijih rješenja prema složenijima dok ne postignemo zadovoljavajuće rezultate.

Svakako želim izbjeći sklopove koji koriste princip miješanja NF audio i oscilatorskog VF signala jer su tu potrebne komponente koje mogu raditi sa frekvencijama do barem 160 MHz, često su potrebi i ugođeni titrajni krugovi, a miješanje samo po sebi generira i neželjene produkte koje na ovako širokom rasponu rada VFO-a teško možemo filtrirati. Postoje doduše gotova integrirana rješenja od kojih svakako treba spomenuti integrirani krug MC1496 pa ako ne uspije ništa drugo, onda idemo na taj čip.

Najjednostavniji način je amplitudna modulacija istosmjernog napona napajanja izlaznih (buffer) pojačala oscilatora je tu radimo samo sa NF audio signalom.  Stoga prvo tražimo neko rješenje za high-level modulaciju gdje modulator u ritmu audio signala mijenja napon napajanja i time snagu izlaznog pojačala oscilatora.

 

 

Ako pogledamo blok shemu čipa Si5351A vidimo kako postoji poseban pin VDDO (pin-7) preko kojeg se napajaju izlazna pojačala oscilatora unutar čipa. Na modulu je taj pin-7 spojen na napon napajanja (VDD 3,3 V) tako da pojačala uvijek dobivaju maksimalan napon čime je i amplituda izlaznog signala maksimalna. Ideja je da odvojimo taj pin-7 od napajanja kako bi onda preko njega pokušali izvesti AM modulaciju izlazne frekvencije.

 

Širina modulacije

Prije nego krenemo u realizaciju kruga za AM, ovdje se osim dubine modulacije postavlja i pitanje izlazne širine moduliranog signala. Širina moduliranog signala ovisi o audio-frekvencijskom opsegu kojeg želimo prenijeti. Što je taj opseg širi, to ćemo na izlazu dobiti spektralno širi amplitudno modulirani signal.

Ako želimo prenijeti audio signal u visokoj kvaliteti (do frekvencija 15 kHz) zauzeti ćemo širinu pojasa od 30 kHz. U praksi najšire AM emisije zauzimaju opseg do 15 kHz, a uskopojasne emisije idu ispod 6 kHz. Sve ovisi o vrsti emisije i frekvenciji na kojoj se odašilje. Tako prijemnici mogu biti konstruirani za prijem raznih (pod)vrsta AM modulacija (AM, USB, LSB, CW) te sukladno tome imaju podešene i filtre za prijem određene frekvencijske širine.

Mi se ovdje načelno ne bi trebali puno zamarati ni širinom modulacije ni vrstom AM emisije. Ukoliko odašiljemo širokopojasni signal punom AM modulacijom (noseća frekvencija i oba bočna pojasa) onda bi takav signal u određenoj kvaliteti mogao hvatati bilo koji AM prijemnik. Na USB i LSB prijemnicima imali bi tek mali pomak frekvencije kod prijema (što je za našu primjenu nebitno), a kod uskopojasnih prijemnika bi kvaliteta demoduliranog audio signala bila lošija. No ta kvaliteta je kod uskopojasnih prijemnika ionako namjerno ograničena jer isti služe samo za dovoljno razumljiv prijem govora (300-3000 Hz) ili prijem jednotonske modulirane telegrafije.

Stoga mi za naš predajnik ne trebamo ugrađivati nikakve audio-frekvencijske filtre za ograničenje audio opsega jer nam širina pojasa koju će zauzeti AM modulirani signal nije od značaja. Umjesto toga, kako bi pokrili sve vrste AM prijemnika, neki kanali na našem setu predajnika će odašiljati širokopojasni AM za prijem na komercijalnim radio prijemnicima, a neki kanali će emitirati samo govorne audio zapise koji će se posve dobro i razumljivo čuti na uskopojasnim prijemnicima. Uskopojasni prijemnici ionako ne mogu reproducirati audio zapise u visokoj kvaliteti kako god ih modulirali u predajniku.

 

Prvi test AM modulacije

Prema tvorničkim podacima potrošnja struje izlaznih (buffer) pojačala unutar čipa Si5351A je maksimalno 5,6 mA po izlazu, dakle maksimalno nekih 20 mA, a maksimalni napon je 3,3 V. Tako ovdje za kontrolu napona možemo upotrijebiti praktično bilo koji signalni tranzistor opće namjene ili kakav mali audio transformator. Ipak, prije gradnje vanjskih sklopova želim testirati hoće li takav način modulacije uopće funkcionirati.

Petljanje po originalno zalemljenom čipu Si5351A u njegovom 10-MSOP kućištu spadaju u područje mikrokirurgije, no nekako moramo izolirati pin-7 i spojiti ga na modulirani izvor napona. Najpraktičnije je bilo odlemiti i podignuti od pločice nožicu 7, te zatim istu spojiti na najbliži konektor, a to je CLK1. Naravno, originalna dolazna veza za konektor CLK1 se prije toga prekine. Sada imamo mehanički čvrstu vezu za eksperimentiranje sa pinom 7.

 

Modifikacija modula Si5351A tako da je CLK1 ulaz za NF modulacijski signal, a CLK2 ostaje izlaz za modulirani VF signal. 

 

Napravili smo nekoliko testova modulacije napajanja sa frekvencijom 1 kHz, podešavajući različite nivoe napona (Vpp) i različite istosmjerne pomake (DC offset) te prateći pri tome modulirani signal na osciloskopu i analizatoru spektra. Uz pravilno podešeni napon dobivamo neku (ne baš najčistiju) amplitudnu modulaciju VF signala, međutim, primijetili smo jedan drugi veći problem.

Ukoliko pin-7 u radu ostane potpuno bez napona ili je napon u jednom trenutku prenisko, što je normalan slučaj kod AM, tada čip zablokira i oslicator se više neće pokrenuti. Potreban je hardverski reset da čip opet proradi.

S obzirom da pin-7 ni u jednom trenutku ne smije ostati bez minimalnog napona, pokušali smo modulaciju preko malog audio transformatora. Preko primara transformatora pin-7 stalno dobiva svoje napajanje, a preko sekundara transformatora se modulira audio signal. Na žalost, ni ovo nije funkcioniralo i tijekom modulacije se lako dogodi da čip jednostavno zablokira i ponovno ga može pokrenuti samo hardverski reset (isključenje i ponovno isključenje napajanja). Doduše, koristili smo transformator DC otpora 130 Ω kakvog smo imali i koji je svojim otporom dodatno snizio napon napajanja internih pojačala i suzio mogućnost modulacije. Bolje bi bilo upotrijebiti neki transformator što manjeg DC otpora, npr. 8 Ω, no svakako bi trebalo provesti više pokusa sa više transformatora da se pronađe zadovoljavajući rezultat.

Prema tvorničkim podacima, napon na pinu-7 može biti minimalno 1,71 V, a maksimalno 3,6 V, ovisno o željenoj izlaznoj snazi. Također, napon napajanja čipa (VDD) i napon napajanja izlaznih pojačala (VDDO) mogu biti iz dva nezavisna izvora, što je logično ako želimo naponom izlaznog stupnja kontrolirati izlaznu snagu. Međutim, spominje se i jedno ograničenje, a to je da kod pokretanja čipa VDDO napon mora biti prisutan istovremeno ili nešto ranije od VDD napona. To ukazuje da čip neće raditi ako nema VDDO napon, odnosno blokirati će se ako u radu izgubi taj napon bez obzira što je VDD stalno prisutan.

Sve ukazuje da je glede VDDO napona čip osjetljiv na minimalne i maksimalne vrijednosti te njegove intenzivne promjene koje su neminovne kod amplitudne modulacije lako dovedu do blokade rada izlaznog stupnja. Morali bi imati vrlo dobro kontroliran modulacijski napon na pinu-7 da bi ovo (možda) stabilno funkcioniralo. To bi se dalo izvesti sa tranzistorom koji bi uvijek bio otvoren za minimalni napon cca 1,2 V no opet je pitanje koliku dubinu modulacije bi mogli postići s preostalim naponom do 3,3 V. Tijekom eksperimentiranja je znalo doći do blokade izlaza i kad bi držali VDDO napon u zadanim granicama, tako da ovaj ulaz očito ne reagira dobro na brze promjene napona. On je i onako predviđen za tri fiksne razine napajanja (1,8 V, 2,5 V i 3,3 V) ovisno o željenoj izlaznoj amplitudi signala, a sve ostalo očito ne garantira stabilnost rada čipa. Moguće da su izlazna pojačala kontrolirana i softverski tako da manipulacija naponom izaziva blokadu programa. Kako god bilo, izravna AM modulacija čipa očito nije dobra ideja, te istu bolje izvesti na izlaznom signalu preko zasebnog modulatora.

 

Prilično „prljava“ amplitudna modulacija VF signala frekvencije 11 MHz (zeleno i crveno), NF audio signalom frekvencije 1 kHz (žuto). Ovdje bi svakako trebali koristiti VF prigušnicu za NF modulacijski signal jer se jasno vidi da osim što se NF signal modulira u VF, također se i VF signal modulira u NF signal (žuto).

 

 

Drugi test AM modulacije

Slijedeći najjednostavniji AM modulator možemo napraviti sa jednim tranzistorom. Na Internetu možete naći neke sheme jednostavnih tranzistorskih AM modulatora (sa jednim tranzistorom), no većina tih shema je eksperimentalna i „provjerena“ samo u elektroničkim simulatorima sklopova, dok u praksi stvari nikad nisu tako savršene. Evo naše eksperimentalne sheme.

 

Vrijednost elemenata i upotrijebljeni tranzistor ne utječu puno na kvalitetu rada oscilatora. Ovi elementi se mogu po potrebi korigirati s obzirom na frekvenciju VF signala. Ovdje je najvažnije osigurati adekvatne razine ulaznih VF i NF signala kako bi se postigao željeni raspon dubine modulacije (0-100%).  

 

 

Na ova dva snimka, prvi u vremenskoj i drugi u frekvencijskoj domeni, vidimo gotovo savršenu modulaciju noseće frekvencije od 1 MHz, tonskim signalom od 1 kHz, dobivenu preko našeg modulatora. Modulacijom uz osnovnu noseću frekvenciju 1 MHz, dobivamo dvije bočne frekvencije od 1 kHz. Nikakvi drugi neželjeni produkti modulacije nisu generirani, poput harmonika i drugih stranih frekvencija (uočavaju se tek male amplitude drugih harmonika ispod razine -90 dBm.

Ovakvu čistu amplitudnu modulaciju bi rado bi imali na punom frekvencijskom opsegu nosećih frekvencija (100 KHz – 160 MHz) i u punom audio opsegu modulirajućih frekvencija (100 Hz – 15 kHz). Također, dobro bi bilo da modulacija ostane jednako čista u čitavom amplitudnom odnosu noseće i modulirajuće frekvencije (dubina ili indeks modulacije).

Međutim, naš snimak se čini idealnim samo zato jer je malo namješten da tako izgleda.  Prvo, ovdje smo koristili generatore čistih sinusnih signala i podesili idealni odnos njihovih amplituda kako bi dobili relativno čistu amplitudnu modulaciju. Drugo, spektralni prikaz signala je na logaritamskoj skali te se bočne frekvencije čine tek za trećinu manje od noseće frekvencije. U linearnom (stvarnom) odnosu pak amplituda bočnih frekvencija iznosi tek 0,32% amplitude noseće frekvencije. To znači da će naš modulirani ton u praksi biti jedva čujan i to samo na boljim AM prijemnicima. I na osciloskopskom prikazu (u vremenskoj domeni) lijepo vidimo kako je envelopa noseće frekvencije tek blago modulirana tonom od 1 kHz. Trik savršenog prikaza AM modulacije dakle najviše leži u tome što su harmoničke frekvencije toliko niske da su ispod razine šuma mjernog uređaja.

Ako povećamo modulaciju na nekih 80% spektralna slika se bitno mijenja.

 

 

Vidimo kako sada uz osnovne bočne frekvencije pomaknute za 1 kHz, imamo generirane i dodatne harmonike pomaknute za 2, 3 i 4 kHz. Ovo su također audio tonovi koji će se čiti u demoduliranom signalu i koji će izobličiti čisti ton na 1 kHz. Međutim, ovdje sada možemo primijetiti kako je amplituda bočnih frekvencija 1 kHz daleko veća nego u prethodnom primjeru. Osnovni signal je na -19 dBm, a bočne frekvencije na -26 dBm što znači da je bočna frekvencija tek za nešto više od 50% manja od noseće frekvencije. Inače, kod 100% modulacije bočna frekvencija doseže točno 50% amplitude noseće frekvencije. To je u praksi ton koji će se najglasnije čuti nakon demodulacije u prijemniku.

Ako se još malo zaigramo sa stupnjem modulacije i modulaciju povećamo preko 100 % dobiti ćemo spektralnu sliku koja će originalni ton od 1 kHz izobličiti do neprepoznatljivosti.

 

 

U praksi se val nosioc nikad ne smije modulirati preko 100 % jer tada envelopa nosećeg signala gubi kontinuitet (postaje impulsna) što generira ogroman broj jakih harmonika. Time se višestruko povećava širina zauzetog frekvencijskog opsega, a osnovna modulacijska frekvencija će kod prijema biti izobličena do neprepoznatljivosti.

Zašto onda dolazi do pojave tih većih ili manjih neželjenih harmonika kao produkta modulacije i kako ih se riješiti? U slučaju našeg modulatora, pojačanje tranzistora mijenja se promjenom struje emitera te je amplituda nosećeg VF signala modulirana samom nelinearnošću tranzistora. Slično kao i kod jednostavnih diodnih mješača, zbog nelinearnosti samih elementa koji čine modulator, ovaj način modulacije će generirati neželjene harmonike sa svim negativnim posljedicama toga. Stoga, ako želimo čistu modulaciju, nužna je upotreba podešenih filtarskih titrajnih krugova na izlaznom signalu, što pak za naš VFO vrlo širokog raspona frekvencija pokušavamo izbjeći.

U praksi je vrlo teško napraviti posve savršeni AM modulator, no svakako se teži da neželjena harmonička izobličenja (THD) budu minimalna. Općenito gledano, u teoriji se amplitudna modulacija na prvu čini vrlo jednostavnom, no dobiti posve linearnu naponsku kontrolu VF pojačala i time posve čistu amplitudnu modulaciju VF signala u punom opsegu je u praksi vrlo teško ostvariti i takvi modulatori mogu biti vrlo složeni.

Na Internetu možete vidjeti puno slika i videa gdje se demonstrira amplitudna modulacija preko jednostavnih postupaka modulacije. Sve je to lijepo izgleda pod odabranim idealnim postavkama, no nigdje nećete naći stvarnu analizu prijenosa kompletnog audio-frekvencijskog opsega, posebno ne na širokom opsegu nosećih frekvencija. Mi bi za naš modulator morali utrošiti puno sati testiranja kako bi našli najpovoljnije vrijednosti komponenti i najpovoljniji odnos ulaznih amplituda signala, da na izlazu dobijemo što čišću modulaciju sa što manje neželjenih produkata. Naravno, ugrubo se sve može podesiti i „na sluh“, no mjerenja osciloskopom i spektralnim analizatorom su neusporedivo lakša, preciznija i točnija, te što je najvažnije sa isključenim subjektivnim faktorom pogreške.

 

Treći test AM modulacije

Ono što je u našem slučaju velika prednost to je što gradimo predajnike vrlo male snage. To znači da će viši harmonici imati relativno male amplitude koje će se praktično nalaziti ispod ili vrlo blizu razine šuma. Ovo vrijedi jednako za harmonike noseće frekvencije kao i za harmonike kao produkt AM i FM modulacije. Zato ovdje čitav projekt moramo promatrati u tom svjetlu i mjerenja prilagoditi stvarnim uvjetima u kojima će raditi naši testni predajnici.

U trećem testu proveli smo nekoliko sati pokušavajući konstruirati „idealni“ modulator sa jednim tranzistorom koji bi signal sa Si5351A amplitudno modulirao na najčišći mogući način. Isprobali smo različite tranzistore koje smo stavljati pod različite uvjete rada glede prednapona baze, te kolektorskih i emiterskih otpornika.

Općenito, ovaj modulator ne možemo promatrati kao linearno VF pojačalo zbog djelitelja napona u emiterskom krugu. Ako želimo da modulacijski napon bude što niži i da modulacija bude što učinkovitija, onda i pojačanje VF signala mora biti što manje, idealno čak i manje od 1. Najbolji rezultati se postižu kada se iz ulaznog signala iz Si5351A razine 1,3 Vpp (50 Ω) dobije modulirani signal koji ne prelazi 200 mVpp što je gušenje od gotovo 7 puta ionako slabog VF signala za postizanje dometa od nekoliko metara. Međutim, sve iznad toga generira bočne harmonike koji prelaze 10% osnovnog signala.

 

Modulirani signal iz tranzistorskog modulatora relativno je čist do razine nosećeg signala 60 mV. Na slici je u linearnoj skali prikazan 100% moduliran signal frekvencije 1 MHz, audio tonom frekvencije 1 kHz (bočne amplitude na 50% noseće frekvencije). Ovo je najbolje podešavanje koje smo izvukli iz jednostavnog tranzistorskog modulatora. Vidi se kako prvi bočni harmonici već iznose oko 7% noseće frekvencije. Povećanjem amplitude nosećeg signala naglo se pogoršava odnos amplituda osnovnih signala i neželjenih harmonika.  

 

Koliko god se trudili, dobro potiskivanje harmonika sa ovim modulatorom nećemo postići, a svakako možemo očekivati i dodatno izobličenje već ionako izobličenog ulaznog signala iz oscilatora Si5351A. Ovo istina i nije toliko važno za dobivanje dobre envelope audio signala sve dok su vršne amplitude signala stabilne. Zato modulaciju radije pratimo na analizatoru spektra nego na osciloskopu jer prikaz amplitudne modulacije u vremenskoj domeni sa nesinusnim valom nosiocem može biti prilično varljiv.

Osim na emiteru, modulaciju pojačala smo testno izvršiti i na kolektoru tranzistora. U načelu se dobivaju vrlo slični rezultati i ako ćemo se držati niskih amplituda noseće frekvencije onda će AM modulacija biti zadovoljavajuće dobra.

Testirali smo modulator na čitav audio frekvencijski opseg i tu nema problema sa modulacijom, na svim frekvencijama se postižu jednake amplitude moduliranog i harmoničkih signala. Što se tiče audio opsega, mi se kod našeg predajnika ne bi trebali puno brinuti ni o širini audio pojasa koju ćemo prenositi, odnosno o širini kanala koji zauzimamo. Svaki AM prijemnik ima podešene MF filtre propusnosti za određeni frekvencijski  opseg i ta širina u pravilu ne prelazi 9 kHz kod širokopojasnih prijemnika. To znači da komercijalni odašiljači prenose audio opseg do frekvencija cca 4500 Hz što je dovoljno za posve razumljiv govor i muziku u nižoj kvaliteti. Tako, bez obzira koju mi frekvencijsku širinu moduliramo, prijemnik će filtrirati i propuštati na demodulator samo uski frekvencijski opseg. Time će se unatoč smanjenom korisnom audio opsegu također filtrirati i eventualni harmonici koji mogu sezati daleko izvan propusne širine prijemnika. Zahvaljujući tome zvuk će iz prijemnika biti čišći nego bi inače bio zbog loše modulacije.

Međutim s druge strane, ako moduliramo puni nefiltrirani audio opseg, širina modulacije uz prve najsnažnije harmonike može lako zauzimati i do 50 kHz. To znači da bi najmanji frekvencijski razmak između dva predajnika trebao biti barem 100 kHz što je ogromni razmak čak i za kratkovalna AM područja, a da ne govorimo o još nižim frekvencijskim područjima. U praksi se može dogoditi da na nekim opsezima prijemnika nećemo moći podesiti više od jednog ili dva predajnika, a da se pri tome njihovi signali međusobno ne preklapaju. Kako sve više razvijamo ovaj projekt, čini se da nećemo moći izbjeći filtre za ograničenje audio opsega, što je jedini način da se smanji frekvencijsko zauzeće nekog prijemnog opsega.

 

MC 1496

Iako bi amplitudni modulatori sa jednim tranzistorom unatoč svojim nesavršenostima mogli poslužiti svrsi, ovdje se svakako isplati isprobati namjenski čip MC 1496. MC1496 je balansni mješač sa diferencijalnim pojačalima koji se može konfigurirati kao frekvencijski modulator, demodulator ili umnoživač frekvencije. Za našu primjenu ovim čipom možemo generirati puni AM signal (noseća frekvencija i oba bočna pojasa) ili samo bočne pojaseve sa potisnutim nosiocem (DSB).

Temelj čipa su dva posebno konstruirana balansirana diferencijalna pojačala koja se ponegdje nazivaju Gilbertove ćelije, prema englesko-američkom inženjeru elektronike Barrie Gilbertu, jednom od neovisnih izumitelja ovog sklopa.

 

 

Specifično svojstvo Gilbertove ćelije je da je diferencijalna izlazna struja precizan algebarski produkt njezina dva diferencijalna analogna strujna ulaza (translinearni množitelj). S obzirom da je izlazna struja točan umnožak (diferencijalne) bazne struje obaju ulaza, kada se ovaj sklop koristi kao mješač dvije frekvencije, njegov balansiran rad poništava mnoge neželjene produkte miješanja te je izlazni signal harmonički vrlo čist. Svi bolji amplitudni modulatori se temelje na ovakvim Gilbertovim ćelijama, bilo da se izvedeni u diskretnoj ili integriranoj tehnici.

Čip MC 1496 je vrlo jeftin za nabavu, sadrži osam tranzistora i svakako se ne isplati raditi tranzistorski sklop za njegovu zamjenu. Čip se može nabaviti u standardnom DIP-14 i SMD SOIC-14 kućištu. Renomirane trgovine elektroničkim dijelovima ovaj čip nude uglavnom samo u SOIC kućištu, no kinezi naravno imaju sve i još k tome sve puno jeftinije. Pitanje je naravno kvalitete, no još gore što je jako puno elektroničkih komponenti koje možete jeftino naručiti iz Kine zapravo lažno i nema veze sa onim što se naručili i što na njima piše. Nekoliko puta sam naručio čipove iz Kine koji se više ne proizvode i ne mogu se nigdje drugdje nabaviti. U dosta slučajeva ti čipovi iako po izgledu i natpisima liče na originale, zapravo nemaju nikakve veze sa čipom koji ste naručili. Kinezi jednostavno prebrišu oznake sa nekih jeftinih čipova u istom kućištu i na njih naštampaju oznake čipova koji god vam trebaju.

Kako god bilo, naručio sam od kineza 5 komada MC 1496 u DIP-14 kućištu jer ih jedino oni nude, a ako stignu lažni čipovi onda ću morati ponoviti narudžbu za dostupnu SOIC-14 inačicu kod nekog renomiranog trgovca.

Očekujem da će modulator sa MC 1496 raditi puno bolje od jednostavnih tranzistorskih, a cijena mu je doista zanemariva (5 komada za 2,3 eura kod kineza, a ni iz Evrope nisu puno skuplji).

 

 

 

Prototip AM modulatora na eksperimentalnoj ploči je odmah proradio. Čistoća moduliranog signala je daleko bolja nego što se može postići jednostavnim tranzistorskim ili diodnim modulatorima. Podešavanje amplitude, odnosno potiskivanje noseće frekvencije također radi sukladno specifikacijama. Glede toga, vidimo da je na originalnoj shemi potenciometar za podešavanje amplitude noseće frekvencije „smješten“ između dva fiksna otpornika. To je napravljeno kako bi se dobila što finija regulacija u ciljanom otpornom području. Fina regulacija je posebno poželjna kod podešavanja maksimalnog potiskivanja noseće frekvencije jer već i najmanja promjena odnosa otpora jako utječe na amplitudu vala nosioca. Ovdje bi najbolje bilo ugraditi višeokretne precizne trimer-potenciometre od 50 kΩ (AM) i 100 kΩ (DSB) kakvi su danas vrlo jeftini.

 

 

 

Elektroničku shemu smo prilagodili na način da se čip MC 1496 napaja jednostrukim umjesto simetričnim naponom. Čip inače može raditi na širokom rasponu napona (3-24 V). U rasponu cca 3-10 V povećanje napona značajno utječe na povećanje izlazne razine signala, a iznad 12 V daljnji porast pojačanja je vrlo malen. Stoga je čip idealno napajati naponom u rasponu 9-12 V. Ovo su eksperimentalni podaci za kineske čipove koje sam ja nabavio, no originalni Motorola čipovi možda imaju drugačije karakteristike.

S obzirom da je izlaz iz čipa MC 1496 na visokoj impedanciji (40 kΩ na 10 MHz) isti je osjetljiv na opterećenje, tako da sam dodao pojačalo za odvajanje (bufer pojačalo ili emitersko slijedilo) sa tranzistorom 2N5179. Ovi tranzistori su mi ostali od nekog ranijeg projekta, no svakako da se ovdje za bufer pojačalo može upotrijebiti bilo koji VF tranzistor sa tranzijentnom frekvencijom od barem 200 MHz. Takvo pojačalo visoku impedanciju na izlazu iz MC 1496 transformira na nisku impedanciju te možemo izravno dodavati gotova VF pojačala za tipične impedancije 50 Ω.

Čistoća i kvaliteta amplitudne modulacije puno ovisi o razinama i odnosu razina VF i NF signala koji se uvode u modulator sa MC 1496. Stoga nam za oba ulazna signala treba regulacija amplitude, odnosno jačine signala. Za NF audio signal to ćemo napraviti potenciometrom za glasnoću na samom audio uređaju. Za VF noseći signal iz oscilatora Si5351A također moramo izvesti neku regulaciju. To bi u pravilu morao biti neki promjenjivi frekvencijski kompenziran atenuator koji bi u čitavom opsegu regulacije zadržavao istu vrijednost ulazne i izlazne impedancije (50 Ω). Nama ovdje stroga konstanta impedancije (opterećenja) nije toliko bitna, važno je da izlaz iz Si5351A opteretimo dovoljno niskom impedancijom da se zadrži otprilike ista amplituda signala u čitavom frekvencijskom opsegu. Stoga smo upotrijebili običan potenciometar od 150 Ω kao djelitelj napona za izlazni VF signal iz Si5351A.

 

 

 

Na eksperimentalnoj ploči ne možemo testirati rad sklopova na visokim frekvencijama (iznad 10 MHz) jer tu već dolazi do velikih gušenja i međusobnih intermodulacija signala uslijed slabih spojeva, dugačkih poveznih vodova te parazitskih kapaciteta i induktiviteta koji zbog toga nastaju. Stoga smo testni sklop zalemili na univerzalnu tiskanu pločicu.

Test je pokazao da modulator radi odlično u cijelom frekvencijskom rasponu 100 KHz – 160 MHz. Kad se audio signal odašilje u punom frekvencijskom rasponu (10 Hz-20 000 Hz) kvaliteta audio signala je usporediva sa WFM radijom što se može zahvaliti niskom harmoničkom izobličenju AM modulatora sa MC 1496. Izlazna jačina signala iz modulatora je dovoljna za prijem na udaljenosti od nekoliko desetaka metara. Tu sve naravno ovisi o anteni. Mi smo testove vršili sa običnom žicom duljine 30 cm te se na VHF području ostvaruje domet i preko 30 metara na običnom ručnom radio-skeneru. Za kratkovalna područja i posebno još dulje valne dužine takva antena naravno nije dovoljna te se domet drastično smanjuje. Imam više ideja kako napraviti jednostavnu antenu za niske frekvencije, no sada, nakon uspješne AM modulacije, želim prvo testirati mogućnosti glede FM modulacije.

 

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)