Radijski prijemnik

Radijski prijemnik

U članku ''Osnove modulacija'' objasnili smo praktički sve osnovne stvari koje su nam potrebne da shvatimo princip funkcioniranja radijskog prijemnika. Sada ostaje samo dodati nekoliko novih definicija i zatim povezati stvari u cijelu sliku. Prvo ćemo opisati jednostavni direktni prijemnik kojim možemo hvatati SSB postaje, a potom napredniji super heterodinski prijemnik, kakav je zapravo danas standard.

Direktni prijemnik za SSB

Signal preko antene dolazi na filter. Cilj ovog filtera jest potisnuti sve neželjene stanice, kako ne bi došlo do preopterećenja ulaznog RF pojačala. U ovom primjeru imamo uređaj kojim želimo slušati 80m radioamaterski opseg na frekvencijama od 3.5 do 3.8 MHz. Zato ćemo na ulaz postaviti što snažniji pojasno propusni filter. Njegova svrha jest propustiti frekvencije u rasponu 3.5 - 3.8 MHz, a blokirati sve ostale.

Nakon izvršenog filtriranja, slijedi pojačanje signala na vrijednost koja nam omogućuje njegovo daljnje procesiranje. Pojačan signal ulazi u miješalo (mixer) gdje se miješa sa signalom lokalnog oscilatora. Iza miješala postavlja se nisko propusni audio filter. Njegov zadatak jest propustiti samo audio frekventne signale do najviše 3 kHz. To je naime optimalna vrijednost za hvatanje željene SSB postaje i blokiranje susjedne koja se nalazi na 6kHz. Sada još samo ostaje pojačati dobiveni audio signal. Prikopčamo slušalice i slušamo željenu postaju.

Shema direktnog prijemnika za SSB

Odlika direktnog prijemnika s teoretske strane jest najveća moguća osjetljivost radijskog prijema. Dakle, s direktnim prijemnikom trebali bismo biti u stanju uhvatiti i one najslabije signale koje sa ostalim vrstama prijemnika ne bismo mogli. Dakako, to je tako samo u teoriji. Naime prvi nedostatak direktnog prijemnika jest problem stanica na zrcalnim frekvencijama, koje najnormalnije ulaze u naš prijemnik i miješaju sa željenim stanicama čime kvaliteta direktnog prijemnika pada na ocjenu: jako loše.

Drugi nedostatak direktnog prijemnika jest jako mali raspon frekvencija koje možemo hvatati, najčešće svega nekoliko MHz. Razlog tome jest ulazni filter koji je fiksni i ne može mu se mijenjati vrijednost. Kada bismo stavili neki širi filter, došlo bi do potpunog preopterećenja ulaznog pojačala, što bi rezultiralo potpunom nemogućnošću prijema bio koje postaje. Jer valja imati na umu da su snage nekih postaja i milijun puta jače od nekih drugih, i kao takve jednostavno će proći kroz filter ukoliko nije dovoljno jak. Stoga smo primorani napraviti izrazito jaki i strmi filter, a takav u pravilu ne može biti širi od nekoliko MHz, npr. 3.5 - 3.8 MHz.

Direktni prijemnici kao takvi nemaju baš neku veliku primjenu u svijetu radijskih uređaja. Omeđeni su izrazito uskim frekvencijskim područjem koje mogu hvatati. Blokiranje neželjenih zrcalnih frekvencija ravno je nuli. Stoga se je još davno javila potreba za izradom uređaja koji će omogućiti normalniji i kvalitetniji prijem. Tako su nastali dvostruki i trostruki heterodinski prijemnici (poznatiji kao super heterodinski). Sada ćemo objasniti jedan takav dvostruki heterodinski prijemnik. No, prije toga, valja se upoznati s nekim pojmovima.

Promjenjiv i fiksni filter

Promjenjivi filteri funkcioniraju tako da je moguće kontrolirati područje koje će filtrirati, a koje će propuštati. Kod fiksnih filtera to nije moguće. Međutim, po pitanju efikasnosti filtriranja, fiksni filter je neusporedivo bolji od promjenjivog, što je i logično. Stoga svaki prijemnik uvijek posjeduje i jedan i drugi filter. Zadatak promjenjivog filtera jest da potiskuje zrcalne frekvencije, a fiksnog da definira međufrekvenciju tj. propušta samo željen raspon frekvencija na izlazu iz miješala. U pravilu, generalna razlika između promjenjivog i fiksnog filtera jest u krivulji gušenja. Kod fiksnog, ta krivulja je jako strma, i filter efikasno počinje gušiti neželjene signale već odmah pored željene frekvencije. Kod promjenjivog filtera, krivulja je blaga, i efikasno gušenje počinje tek na nekim većim udaljenostima od željene frekvencije. Zato se prijemnici dizajniraju tako da imaju visoke međufrekvencije, primjerice 50 MHz, kako bi promjenjivi filter bio dovoljno udaljen on neželjene postaje. Jer, što je filter udaljeniji od područja propuštanja, to je filtriranje veće.

Frekvencijski odziv fiksnog filtera

Frekvencijski odziv promjenjivog filtera

Na slikama iznad imamo primjer filtera za područje 3.5 - 3. 8 MHz. Vertikalna linija prikazuje oslabljenje signala od 0 do -20 dB, što je ravno oslabljenju od 100 puta. Fiksni filter propušta naše željeno područje i odmah zatim efikasno guši sve ostale neželjene frekvencije na kojima ima drugih postaja koje bi mogle prodrijeti u naš uređaj. S druge strane, kada bismo upotrijebili promjenjivi filter za ovu aplikaciju, rezultat ne bi zadovoljavao. Jake postaje na primjerice 4 MHz bi se bez problema probile. Ako se uzme u obzir činjenica da je njihova snaga primjerice barem 1000 veća od snage amaterske postaje koju mi slušamo na 3.7 MHz logično je da bi se ona probila i onemogućila prijem onoga što mi želimo slušati. Jer ako pogledamo graf, promjenjivi filter oslabljuje neželjenu stanicu koja se nalazi na 4MHz za samo 6 dB, odnosno 4 puta, što je nedovoljno. Trebalo bi ju oslabiti barem 1000 puta da imamo koliko toliko ''fair play'' jer bi joj tada snaga bila jednaka amaterskoj postaji koju mi slušamo na 3.7 MHz. Tada se ne bi mogla samo tako demodulirati, jer ipak nismo radio podesili na njenu frekvenciju.

Tvrtka Ten-Tec odavno je odbacila klasične IF filtere i prešla iskljućivo na
DSP filtere koji se odlikuju gotovo savršenim performansama.

Vrste filtriranja

Prema vrsti filtriranja razlikujemo četiri vrste filtera. Prvi jest nisko propusni filter, na engleskom jeziku poznatiji kao low pass filter, ili skraćeno LPF. Kao što ime kaže, zadatak mu je da propušta samo niske frekvencije, a blokira visoke. Druga vrsta jest visoko propusni filter. On radi potpuno suprotno od ovog prvog. Propušta samo visoke frekvencije, a blokira niske. U engleskom jeziku naziva se high pass filter - HPF.

Treća vrsta filtera jest ona koja se najčešće upotrebljava u radio uređajima, a to je pojasno propusni filter, na engleskom jeziku zvan band pass filter - BPF. Zadatak mu je propustiti samo frekvencije koje se nalaze unutar omeđenog pojasa, a blokirati sve ostale. Možemo ga zamisliti i kao kombinaciju prva dva filtera. Četvrta vrsta filtera jest pojasno zaporni filter, u engleskom jeziku znan kao notch filter tj. NF. On funkcionira tako da blokira samo frekvencije omeđene pojasom, a sve ostale propušta. U radio uređaju ima primjenu samo u audio dijelu gdje otklanja neželjene uskopojasne smetnje od primjerice carriera susjedne postaje. Primjenu ovog filtera možemo vidjeti u tekstu ''Elektromagnetske smetnje'' u poglavlju o DSP audio filteru. Slika ispod pokazuje nam frekvencijski odziv svakog od navedenih filtera.

LPF

HPF

BPF

NF

Zrcalna frekvencija

Pretpostavimo da želimo uhvatiti neku SSB stanicu koja se nalazi na 32 MHz (32000 kHz). Lokalni oscilator postavlja se na 32003 kHz i kao što smo naučili u članku 'Osnove modulacija' na izlazu miješala se dobivaju zbroj i razlika ulaznih frekvencija. Dakle dobivamo 32003 - 32000 kHz = 3 kHz i 32003 + 32000 = 64003 kHz. Za sada je sve u redu. 3kHz uredno slušamo u našim slušalicama, a 64 MHz se automatski filtrira filterom koji se nalazi odmah iza miješala.

No tu postoji jedan problem koji nismo spomenuli u poglavlju o miješalima. Postoji još jedna kombinacija koja će na izlazu također dati 3kHz! A to je frekvencija 32006kHz. Naime 32006 - 32003 je također 3 kHz. Ukoliko se na 32006 kHz nalazi neka postaja koja emitira, kada ju dovedemo na miješalo, ono će ju uredno spustiti na 3kHz. To znači da ćemo uz našu postaju na 32003 kHz slušati i drugu na 32006 kHz. Rezultat je takav da ne razumijemo niti jednu niti drugu postaju.

Problem zrcalne frekvencije rješava se upotrebom međufrekvencije u radijskom prijemniku. Umjesto da željenu postaju odmah spustimo u audio područje, mi ju prvo transponiramo na primjerice 50 MHz. Sada je puno lakše izvršiti filtriranje zrcalne frekvencije, jer je razmak između željene i zrcalne stanice puno veći. Primjerice, želimo slušati onu istu stanicu na 32 MHz. Signal transponiramo na 50 MHz. To ćemo izvršiti tako da 32 MHz pomiješamo sa 82 MHz što na izlazu daje 50 MHz i 114 MHz. Ovu drugu na izlazu iz miješala otklanja pojasno propusni filter, tako da ostaje samo 50 MHz. No, u miješalo također može ući i zrcalna stanica (nitko joj to ne brani!) koja se nalazi na 132 MHz, kao što prikazuje slika ispod.

Naime, stanica na 132 MHz pomiješana s lokalnim oscilatorom na 82 MHz će također dati 50 MHz na izlazu iz mješala. Tu sada nastupa promjenjivi filter (VF) koji se nalazi ispred RF pojačala. Obzirom da je podešen na 32 MHz, on će tu frekvenciju uredno propustiti, a onu na 132 MHz blokirati, kao što pokazuje slika iznad. Razlog jest taj što je 132 MHz dovoljno udaljeno od 32 MHz i filter će ju moći efikasno ukloniti i time spriječti ulaz te zrcalne frekvencije. Sjetimo se poglavlja o promjenjivom filteru i krivulji gušenja. Postoji inače i jedno pravilo koje kaže: ''što je međufrekvencija niža, to je teže ukloniti zrcalnu frekvenciju''. Gotovo je nemoguće napraviti promjenjivi filter koji će propuštati 32.000 MHz, a u isto vrijeme blokirati 32.006 MHz. S druge strane, poprilično je jednostavno izraditi promjenjivi filter koji će propuštati 32.000 MHz, a blokirati 132.000 MHz.

Većina modernih prijemnika odlikuje se visokom
sposobnošću otklanjanja zrcalnih frekvencija.

Međufrekvencija (IF)

Za postignuti određenu međufrekvenciju nije dovoljno samo miješalo, već kombinacija miješala i filtera. Naime, miješalo propušta apsolutno sve i ono ne zna što mi želimo, a što ne. Taj dio određujemo filterom. Gledajući s programerske strane, možemo filter zamisliti kao pomoćni uređaj za programiranje miješala. Uzmimo klasičan primjer spuštanja frekvencije kod većine super heterodinih prijemnika, a to je spuštanje sa prve na drugu međufrekvenciju, tj. sa 50 MHz na 10.7 MHz. Situacija je slijedeća. Na miješalo ulazi signal frekvencije 50 MHz. A lokalni oscilator spojen na miješalo smo podesili na 39.3 MHz. Na izlazu dobivamo 50 + 39.3 = 89.3 MHz i 50 - 39.3 = 10.7 MHz. Ako pogledate shemu bilo kojeg radio prijemnika, vidjeti ćete da je na izlazu frekvencija 10.7 MHz. U redu, ali gdje je nestala ona na 89.3? Jednostavno, uklonjena jest pojasno propusnim filterom koji filtrira sve što se nalazi iznad i ispod frekvencije 10.7 MHz. Obzirom da se za prijem ostalih stanica uvijek mijenja vrijednost lokalnog oscilatora, to znači da ćemo na izlazu uvijek imati fiksnu međufrekvenciju od 10.7 MHz. Stoga se nakon svakog miješala nalazi pojasno propusni filter. Upravo taj filter određuje koja će biti međufrekvencija, a ne oscilator ili mixer.

Dvostruki (super heterodinski) prijemnik za AM i SSB

Definirajmo prvo termin. Prijemnik se zove dvostruki zato što posjeduje dvije međufrekvencije. Prva je na 10.7 MHz, a druga na 455 kHz. Opišimo sada njegov rad. Signal dolazi preko antene na ulaz našeg radijskog uređaja. Tu se nalazi ulazni filter i svrha mu je otkloniti neželjene frekvencije. Primjerice, ako imamo uređaj koji hvata od 2MHz - 20MHz, na ulazu će se prvo nalaziti visoko propusni filter (ulazni filter) koji će blokirati signale koji se nalaze ispod 2 MHz, jer oni nam nepotrebno opterećuju ulazne krugove pojačala i prijete demodulacijom. Tu prije svega mislimo na lokalne radijske LW i MW postaje kojih je podosta ispod 2 MHz. Spomenimo odmah da širokopojasni prijemnici i scanneri koji posjeduju širok raspon prijema od npr. 100 kHz do 1.3 GHz najčešće na ulazu imaju nekoliko takvih filtera koji su predviđeni za razne frekvencijske opsege i automatski se aktiviraju kada dođemo na određene frekvencije. Naime na uređaj koji ima širok raspon prijema od npr. 100 kHz - 1.3 GHz ne možemo staviti samo jedan filter jer ga gledano sa frekvencijske strane zapravo nemamo gdje staviti. Stoga se cijela stvar podijeli na nekoliko dijelova. Npr. prvi filter propušta signale od 100 kHz do 1.5 MHz. Drugi filter propušta od 1.5 MHz do 20 MHz. Treći od 20 MHz do 50 MHz i sl. Kada se nađemo na nekoj frekvenciji, filter se automatski uključuje. Naravno, bilo bi idealno kada bismo imali beskonačno takvih filtera, jer tada bi prijemnik imao vrhunsku selektivnost. Nažalost, većina prijemnika ima najviše dva do tri takva filtera.

Shema dvostrukog prijemnika za AM i SSB

Nakon ulaznog filtera, nalazi se jedan specijalni promjenjivi filter označen kao VF. On ima strogo određenu namjenu, a ta je da uklanja signale sa zrcalnih frekvencija. Promjena njegove frekvencije (koju propušta) vrši se automatski. Mada je na slici nacrtan odvojeno, ovaj filter je zapravo sastavni dio RF pojačala. Osim za filtriranje, pojačalo nam služi da pojača slabe signale na zadovoljavajuću vrijednost kako bi ih se moglo dalje procesirati. Potom slijedi sklop koji čine mixer, lokalni oscilator i filter. Funkcija ovog sklopa jest transponirati signal na međufrekvenciju, u ovom slučaju na 10.7 MHz. Frekvencijska širina signala ovisi o širini filtera. U našem slučaju, obzirom da je prijemnik namijenjen slušanju AM postaja, koristiti ćemo filter širine 9 kHz. Razlog upotrebe ovog filtera jest taj što je maksimalna moguća širina AM postaje 9 kHz. Mogli smo odabrati širi filter, ali onda bismo imali manje pojačanje i veći šum.

Signal se sada nalazi na 10.7 MHz i potom ga se još jednom filtrira od zrcalnih frekvencija, pojačava i spušta na 455 kHz. Zatim slijedi sklopka za odabir rada AM ili SSB. Ukoliko odaberemo AM, signal ulazi u AM demodulator gdje se demodulira. Potom slijedi audio filter širine 4.5 kHz koji nam omogućuje ugodno slušanje AM postaja bez previše šumova, a ujedno vrši i filtriranje susjedne postaje u slučaju da takva postoji. Širi filter nam nije potreban, jer AM postaja ne može odašiljati frekvencije više od 4.5 kHz. Tj. može, ali onda bi gazila susjedne postaje.

Ukoliko odaberemo SSB, tada nam ostaje signal sa 455 kHz transpozicijom spustiti u audio područje. Tu se još nalazi i sklop SSB selektor s kojim odabiremo dali želimo slušati USB ili LSB. Potom slijedi audio filter, čija preporučena širina bi bila 3 kHz. To znači da u uređaju moramo imati dva audio filtera. Jedan za AM, a drugi za SSB širine do 3 kHz, obzirom da je tolika i širina SSB signala. Širi filter uzrokovao bi loš prijem jer bi nam smetala susjedna stanica. I na samom kraju nalazi se audio pojačalo koje nam služi da pojača signal koji ćemo na kraju čuti u našim slušalicama.

Mada nije nacrtano, postoji još jedno rješenje SSB prijema, a ono je uz pomoć BFO-a, tj. beat frequency oscilatora. Naime AM demodulator će demodulirati i SSB signal ako mu dodamo carrier koji je nije prisutan u SSB signalu, jer je uklonjen tokom stvaranja SSB signala (vidi tekst ''Osnove modulacija''). Na taj način SSB signal smo pretvorili u AM signal i demodulator će ga najnormalnije demodulirati. U ovom slučaju imali bismo oscilator (BFO) podešen na frekvenciju 455 kHz koji bi se pridodao SSB signalu na 455 kHz i zajedno bi ušli u demodulator.

AM demodulacija (AM detektor)

Ako pogledamo shemu našeg dvostrukog prijemnika za AM i SSB, primijetiti ćemo jednu neobičnost. Naime AM demodulator spojen je na signal čija frekvencija je 455 kHz. Kako je to moguće? Zar ne bi trebalo taj signal prvo spustiti u audio područje, pa ga tek onda demodulirati onakvim postupkom kojim smo ga modulirali? Zapravo i ne. Nema potrebe za time, jer postoji neusporedivo jednostavnije rješenje.

Amplituda signala na 455 kHz mijenja se točno onako kako ju je oblikovao modulacijski signal npr. ljudski govor. Drugim riječima, taj glas je ''urezan'' u amplitudu signala na 455 kHz. Taj urez još se naziva ovojnica ili envelopa. To nam lijepo prikazuje slika 1. Sve što mi trebamo je ''pokupiti'' tu ovojnicu, a ostalo filtrirati (ukloniti).

Slika 1


Slika 2


Slika 3

Kao što znamo dioda propušta signal samo u jednom smjeru - tj. ispravlja ga. Na slici ispod dioda D spojena je na transformator AM detektora preko kojeg dolazi signal. Kada taj signal prođe diodu, on će biti ispravljen što nam pokazuje slika 2. Sada još samo ostaje ukloniti visokofrekventni signal frekvencije 455 kHz. To se radi uz pomoć kondenzatora C i otpora R koji tvore niskopropusni filter. Na izlazu sada imamo napon U kakav nam prikazuje slika broj 3. A taj napon jest upravo modulacijski signal, tj. ljudski govor u ovom slučaju.

Obzirom da AM signal sadrži i val nosioc kojemu se amplituda nikad ne mijenja, na izlazu ćemo dobiti i određenu količinu istosmjerne komponente. Taj problem rješava se upotrebom još jednog kondenzatora koji nije nacrtan, a spaja se u seriju pa kao takav predstavlja beskonačni otpor za frekvenciju 0 Hz tj. istosmjernu (DC) komponentu napona.