Δέκτες επικοινωνιών

Ένας απλός δέκτης ΑΜ

Ο απλούστερος ραδιοφωνικός δέκτης ΑΜ φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Αποτελείται από την κεραία, ένα συντονισμένο κύκλωμα πηνίου-πυκνωτή, τον αποδιαμορφωτή ΑΜ και τα ακουστικά.

 

Ένα βασικό χαρακτηριστικό του δέκτη είναι η επιλεκτικότητα του, που αναφέρεται ως την ικανότητα του δέκτη να επιλέγει το σήμα της επιθυμητής συχνότητας, απορρίπτοντας τα υπόλοιπα γειτονικά σήματα. Η επιλεκτικότητα λαμβάνεται από συντονισμένα κυκλώματα πυκνωτή-πηνίου, σαν αυτό του απλού δέκτη μας.

Τα διάφορα σήματα που συλλαμβάνονται από την κεραία επάγονται στο συντονισμένο κύκλωμα του απλού δέκτη μας, που έχει το χαρακτηριστικό να εμφανίζει υψηλή σύνθετη αντίσταση στο σήμα που αντιστοιχεί στη συχνότητα συντονισμού και να γειώνει τα υπόλοιπα. Έτσι το σήμα με συχνότητα ίση με τη συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος περνά στο επόμενο στάδιο του αποδιαμορφωτή ΑΜ, όπου διαχωρίζεται το διαμορφώνον σήμα και αναπαράγεται από τα ακουστικά.

Ένα χαρακτηριστικό μέγεθος ενός συντονισμένου κυκλώματος είναι η ποσότητα Q που ορίζεται από το λόγο της επαγωγικής αντίδρασης του πηνίου προς την ωμική αντίσταση του, δηλαδή Q=X_L/R, όπου η επαγωγική αντίδραση δίνεται από τη σχέση Χ_L=2πfL . Το εύρος ζώνης ενός συντονισμένου κυκλώματος είναι ένα μέτρο της επιλεκτικότητας του. Το εύρος ζώνης είναι η διαφορά των f₂(άνω) και f₁(κάτω) συχνοτήτων αποκοπής που βρίσκονται στα -3dB ή 0,707 σημεία στη καμπύλη επιλεκτικότητας. Το εύρος ζώνης ενός συντονισμένου κυκλώματος καθορίζεται από τη συχνότητα συντονισμού f και το συντελεστή Q από τη σχέση:  BW=f/Q . Βλέπουμε ότι όσο πιο μεγάλο είναι το Q τόσο πιο στενό γίνεται το εύρος ζώνης και επομένως καλύτερη επιλεκτικότητα. Το Q ενός συντονισμένου κυκλώματος αυξάνει καθώς μειώνουμε την ωμική αντίσταση του πηνίου, όπως φαίνεται από τη σχέση: Q=X_L/R.

Παράδειγμα. Ένα πηνίο αυτεπαγωγής 5μΗ με ωμική αντίσταση 15Ω συνδέεται παράλληλα με ένα 50,7pF μεταβλητό πυκνωτή. Το κύκλωμα συντονίζει στην

 

Η καμπύλη απόκρισης φαίνεται στο σχήμα. Το μέγιστο συμβαίνει στα 10ΜΗz. Το Q του πηνίου του κυκλώματος είναι: Q=X_L/R

Η επαγωγική αντίδραση υπολογίζεται ως

Χ_L=2πfL=6,28(10X10⁶)(5X10^-6)=314Ω

Επομένως το Q είναι  Q=X_L/R=314/15=20,9

Το εύρος ζώνης υπολογίζεται ως εξής:

BW=f/Q  ή  BW=10X10⁶/20,9=478.5kHz

Αυτό το εύρος ζώνης είναι κεντραρισμένο στα 10ΜΗz. Οι άνω και κάτω συχνότητες αποκοπής είναι 10ΜΗz σύν ή πλην το μισό εύρος ζώνης.

478,5/2=239κΗz ή 0,239ΜΗz.

Η άνω συχνότητα αποκοπής είναι: f₂=10+0,239=10,239MHz

Η κάτω συχνότητα αποκοπής είναι: f₁=10-0,239=9,761MHz.

Το εύρος ζώνης επαληθεύεται ως εξής: BW=10,239MHz-9,761MHz=478,5kHz

Αυξάνοντας το Q ενός συντονισμένου κυκλώματος μειώνοντας την ωμική αντίσταση του πηνίου, μπορούμε να κάνουμε την καμπύλη επιλεκτικότητας όσο θέλουμε πιο στενή. Όμως η καμπύλη επιλεκτικότητας πρέπει να έχει το κατάλληλο εύρος ώστε να διέρχονται ο φορέας και οι συχνότητες πλευρικών ζωνών που περιέχουν την εκπεμπόμενη πληροφορία και ταυτόχρονα να έχουμε άριστη επιλεκτικότητα.

Η ευαισθησία ενός δέκτη είναι η ικανότητα του να «πιάνει» ασθενή σήματα. Η ευαισθησία εκφράζεται συνήθως σαν το ελάχιστο ποσό τάσης του σήματος εισόδου που θα δώσει ένα σήμα εξόδου 10dB υψηλότερο από το θόρυβο που υπάρχει στο δέκτη. Για παράδειγμα οι καλοί δέκτες έχουν τυπικά μια ευαισθησία 0,2 έως 1μV

Ο απλός κρυσταλλικός δέκτης που παρουσιάσαμε στη αρχή δεν παρέχει το είδος της επιλεκτικότητας και της ευαισθησίας που είναι απαραίτητα στις σύγχρονες επικοινωνίες. Μόνο τα ισχυρότερα σήματα θα παράγουν μια έξοδο και η επιλεκτικότητα είναι συχνά ανεπαρκής για διαχωρισμό των εισερχόμενων σημάτων. Αυτός ο δέκτης βελτιώνεται με την προσθήκη RF βαθμίδων ενίσχυσης μαζί με τα επιπρόσθετα συντονισμένα κυκλώματα και την προσθήκη βαθμίδων ακουστικής ενίσχυσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Το αποτέλεσμα είναι η αύξηση του κέρδους του λαμβανόμενου σήματος προτού εφαρμοστεί στον ανιχνευτή και έτσι έχουμε πολύ καλύτερη ευαισθησία. Τα κυκλώματα συντονισμού είναι συντονισμένα στην ίδια συχνότητα και συνδεδεμένα υπό μορφή «καταρράκτη» οπότε βελτιώνεται η συνολική επιλεκτικότητα.

Ο βελτιωμένος αυτός τύπος δέκτη παρουσιάζει προβλήματα που οφείλονται στα συντονισμένα κυκλώματα. Έτσι κάθε φορά που λαμβάνεται και διαφορετικός σταθμός πρέπει το καθένα κύκλωμα συντονισμού να συντονίζεται στη σωστή συχνότητα. Μια λύση είναι να κατασκευαστούν οι πυκνωτές συντονισμού υπό κοινό άξονα περιστροφής, έτσι ώστε τα κυκλώματα να συντονίζονται ταυτόχρονα, αλλά και πάλι υπάρχουν κατασκευαστικά προβλήματα. Ένα άλλο πρόβλημα αυτού του δέκτη, είναι η μεταβολή της επιλεκτικότητας με τη συχνότητα, η οποία είναι καλή στις χαμηλές συχνότητες αλλά μικρότερη στις υψηλότερες συχνότητες. Έτσι για την αποφυγή αυτών των προβλημάτων σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ο υπερετερόδυνος δέκτης.

Ο υπερετερόδυνος δέκτης

Το σχήμα δείχνει ένα γενικό διάγραμμα ενός υπερετερόδυνου δέκτη. Το βασικό τμήμα είναι ο μίκτης που μετατρέπει το εισερχόμενο σήμα σε μια χαμηλότερη συχνότητα γνωστή σαν ενδιάμεση συχνότητα IF διατηρώντας τη πληροφορία του διαδιδόμενου σήματος  αναλλοίωτη. Οι ενισχυτές IF ενδιάμεσης συχνότητας παρέχουν μεγαλύτερο κέρδος και επιλεκτικότητα στο διαμορφωμένο σήμα.

Το σήμα λαμβάνεται από την κεραία και οδηγείται στον RF ενισχυτή. Ο σκοπός του RF ενισχυτή είναι να παρέχει κάποια αρχική επιλεκτικότητα και κέρδος. Ο ενισχυτής RF έχει περιορισμένο αριθμό συντονισμένων κυκλωμάτων που συντονίζονται στο λαμβανόμενο σήμα μέσα στην περιοχή συχνοτήτων λήψης του δέκτη. Σε μερικούς δέκτες τα συντονισμένα κυκλώματα του ενισχυτή RF είναι ευρείας ζώνης και επιτρέπουν να διέρχονται τα σήματα της περιοχής συχνοτήτων του δέκτη χωρίς συντονισμό των κυκλωμάτων.

Η έξοδος του RF ενισχυτή εφαρμόζεται στην μια από τις δυο εισόδους του μίκτη. Η άλλη είσοδος του μίκτη είναι από ένα τοπικό ταλαντωτή LO. Η έξοδος του μίκτη παρέχει εκτός από το σήμα εισόδου και το σήμα LO το άθροισμα και τη διαφορά των συχνοτήτων τους. Συνήθως ένα συντονισμένο κύκλωμα στην έξοδο του μίκτη επιλέγει τη διαφορά συχνοτήτων.

Ο τοπικός ταλαντωτής συντονίζεται σε συχνότητα μέσα σε μια σχετικά ευρεία περιοχή. Ρυθμίζοντας τη LO συχνότητα, ο μίκτης θα μετατρέπει μια ευρεία περιοχή εισόδου στην ενδιάμεση (σταθερή) συχνότητα IF. Το σήμα της εξόδου του μίκτη το οποίο περιέχει την ίδια διαμόρφωση με το RF σήμα εισόδου, ενισχύεται από μια ή περισσότερες βαθμίδες IF, παρέχοντας μεγάλο κέρδος στο σήμα. Συντονισμένα κυκλώματα της βαθμίδας IF τα οποία αποτελούνται από κρυσταλλικά ή κεραμικά ή μηχανικά φίλτρα παρέχουν μεγάλη και σταθερή επιλεκτικότητα.

Η  συχνότητα f_LO του τοπικού ταλαντωτή ρυθμίζεται ώστε να είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα του λαμβανόμενου σήματος f_IN κατά ποσό ίσο με τη ενδιάμεση συχνότητα, δηλαδή f_LO=f_IN+f_IF επομένως f_IF=f_LO-f_IN Παρατηρούμε ότι για τη συχνότητα λαμβανόμενου σήματος μικρότερη από τη συχνότητα του τοπικού ταλαντωτή LO κατά τη ενδιάμεση συχνότητα f_IF  αυτή «θα περάσει» από τη βαθμίδα IF. Αυτή η συχνότητα του λαμβανόμενου σήματος λέγεται είδωλο. Γενικά οι συχνότητες ειδώλων καταστέλλονται από τα συντονισμένα κυκλώματα στον ενισχυτή RF.

Έπειτα το υψηλά ενισχυμένο σήμα IF εφαρμόζεται στον αποδιαμορφωτή στο οποίο ανακτάται η αρχική διαμορφώνουσα πληροφορία.

Ένα άλλο βασικό κύκλωμα στον υπερετερόδυνο δέκτη είναι το κύκλωμα AGC. Το σήμα από την έξοδο του αποδιαμορφωτή ανορθώνεται και φιλτράρεται παρέχοντας μια DC τάση από το AGC κύκλωμα. Η τάση αυτή είναι ανάλογη του πλάτους του λαμβανόμενου σήματος η οποία ανατροφοδοτεί τους ενισχυτές IF και μερικές φορές τον RF ενισχυτή για τον έλεγχο του κέρδους του δέκτη. Έτσι το συνολικό κέρδος του δέκτη μπορεί αυτόματα να προσαρμόζεται με τη στάθμη του σήματος εισόδου. Ένα μεγάλο σήμα εισόδου παράγει μια AGC τάση τέτοια που μειώνει την ενίσχυση στους ενισχυτές IF. Έτσι με  ελαττωμένο κέρδος η παραμόρφωση που παράγεται από το μεγάλο σήμα εισόδου εξαλείφεται. Ένα ασθενές εισερχόμενο σήμα παράγει μια AGC τάση που οδηγεί σε αύξηση του κέρδους στους ενισχυτές IF ενισχύοντας περισσότερο το σήμα.

Ένας τρόπος λήψης της επιθυμητής επιλεκτικότητας με ταυτόχρονη εξάλειψη του προβλήματος των ειδώλων είναι η χρήση του υπερετερόδυνου δέκτη διπλής μετατροπής. Ένα διάγραμμα ενός τέτοιου δέκτη φαίνεται στο σχήμα.

Σε αυτόν τον δέκτη χρησιμοποιούνται δυο μίκτες και δυο  LO με αποτέλεσμα ο δέκτης να έχει δυο IF. Ο πρώτος μίκτης μετατρέπει το εισερχόμενο σήμα σε μια σχετικά μεγάλη IF με σκοπό την εξάλειψη των ειδώλων. Κατόπιν ένας δεύτερος μίκτης μετατρέπει αυτή τη IF σε μια πολύ χαμηλότερη συχνότητα όπου είναι ευκολότερη η λήψη καλής επιλεκτικότητας.