Λύσεις ερωτήσεων και ασκήσεων κεφ. 5 (σελ. 199-202) – ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΛΗΨΗΣ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις ερωτήσεων και ασκήσεων κεφ. 5
Πλήρεις λύσεις των είκοσι εννέα ερωτήσεων και των δέκα ασκήσεων του κεφαλαίου 5 — γενικό διάγραμμα πομπού, ταλαντωτές, VCO και συνθέτης συχνοτήτων με PLL, διαμορφωτές AM, SSBsc και FM, δίοδος Varicap, προέμφαση και αποέμφαση, στερεοφωνική διαμόρφωση, διαμόρφωση VSB, ενισχυτές ισχύος υψηλών συχνοτήτων, τηλεοπτικοί πομποί, συστήματα NTSC, PAL και SECAM, δίαυλοι CCIR και δορυφορικές εκπομπές.
Ερώτηση 1 — Το γενικό διάγραμμα πομπού AM
Ερώτηση: ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΥΤΟΕΞΕΤΑΣΗΣ: 1. Να σχεδιαστεί και να σχολιαστεί το γενικό ενός πομπού AM.
Απάντηση:
-
Το διάγραμμα (Σχ. 5.1.1, σελ. 157)
αισθητήρας ενισχυτής φίλτρο ─────────► ─────────► ──────► s(t) ─┐ ▼ [ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ] ──► [Β] ──► κεραία ▲ ενισχυτής ΦΕΡΟΝ M(t) ισχύος (RF) (ταλαντωτής / synthesizer) ▲ τροφοδοσία σταθεροποιημένης τάσηςΗ βασική διαπίστωση (σελ. 157): η διαδικασία της διαμόρφωσης οριοθετεί δύο λειτουργικά τμήματα.
Το πρώτο τμήμα — επεξεργασία του βασικού σήματος (σελ. 158) | # | Στοιχείο | Ρόλος | |---|---|---| | 1 | αισθητήρας | μετατροπής της πληροφορίας σε ηλεκτρικό σήμα | | 2 | ενίσχυση | σ' ένα ή περισσότερα ενισχυτικά στάδια, ώστε το σήμα με κατάλληλο πλάτος και ισχύ να διαμορφώσει το φέρον | | 3 | φίλτρα | οριοθετούν την απαραίτητη φασματική ζώνη του σήματος, ανάλογα με την εφαρμογή | Παραδείγματα ζωνών (σελ. 158): στην AM ραδιοφωνία το σήμα περιορίζεται από μερικά Hz έως 5 kHz. Στη ραδιοτηλεφωνία περιορίζεται από 300 Hz έως 3400 Ηz.
Το δεύτερο τμήμα — φέρον και ενίσχυση (σελ. 158): περιλαμβάνει τη γεννήτρια (ταλαντωτή) του φέροντος σήματος υψηλής συχνότητας, τη διαμόρφωσή του και την ενίσχυση του διαμορφωμένου φέροντος, ώστε με μεγάλη ισχύ να οδεύσει προς το μέσο μετάδοσης. Οι δύο επιλογές για το φέρον (σελ. 158): χρησιμοποιούμε απλό αρμονικό ταλαντωτή, όταν ο πομπός προορίζεται να λειτουργήσει σε μία και μοναδική συχνότητα φέροντος, ή κύκλωμα σύνθεσης συχνότητας (synthesizer) όταν επιθυμούμε να έχουμε δυνατότητα προγραμματισμού της κεντρικής συχνότητας (fο) του φέροντος.
Ο ενισχυτής εξόδου (σελ. 158): είναι επιλεκτικός ενισχυτής υψηλών συχνοτήτων… Ο ενισχυτής εξόδου πρέπει να ενισχύσει ομοιόμορφα όλες τις φασματικές ακτίνες του φέροντος. Ο διπλός ρόλος στην AM (σελ. 158): στην περίπτωση της AM πολλές φορές το τελικό στάδιο ενίσχυσης το συναντούμε με διπλό ρόλο: του διαμορφωτή και του ενισχυτή ισχύος.
Η μετάθεση συχνότητας (σελ. 158): γύρω από την κεραία εκπομπής έχουμε συνήθως πολύ μεγάλη ισχύ ηλεκτρομαγνητικού σήματος, που επηρεάζει όλο τον εξοπλισμό, δημιουργώντας αναδράσεις στα χαμηλής ισχύος ευαίσθητα τμήματα του εξοπλισμού, όπως είναι ο ταλαντωτής και ο διαμορφωτής. Έτσι, πριν τον τελικό ενισχυτή ισχύος, αλλάζουμε (με συγκεκριμένη διαδικασία) την τελική συχνότητα εκπομπής, και αυτή η αλλαγή (μετάθεση) συχνότητας δεν πρέπει να αλλοιώσει τη φασματική φυσιογνωμία του σήματος.
Η τροφοδοσία (σελ. 158): η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία των διατάξεων του πομπού χορηγείται από την πηγή τροφοδοσίας σταθεροποιημένης τάσης.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το γενικό διάγραμμα ενός πομπού AM περιλαμβάνει δύο λειτουργικά τμήματα, τα οποία οριοθετεί η διαδικασία της διαμόρφωσης. Το πρώτο τμήμα αφορά την επεξεργασία του βασικού σήματος και περιλαμβάνει τον αισθητήρα μετατροπής της πληροφορίας σε ηλεκτρικό σήμα, την ενίσχυση του σήματος σε ένα ή περισσότερα στάδια ώστε να αποκτήσει κατάλληλο πλάτος και ισχύ, και τη χρήση φίλτρων που οριοθετούν την απαραίτητη φασματική ζώνη· στην ραδιοφωνία AM, για παράδειγμα, το σήμα περιορίζεται από μερικά χερτς έως πέντε κιλοχερτς. Το δεύτερο τμήμα περιλαμβάνει τη γεννήτρια του φέροντος, δηλαδή απλό αρμονικό ταλαντωτή αν η συχνότητα είναι μία και μοναδική ή κύκλωμα σύνθεσης συχνότητας αν θέλουμε δυνατότητα προγραμματισμού, τη διαμόρφωση και την ενίσχυση του διαμορφωμένου φέροντος από επιλεκτικό ενισχυτή υψηλών συχνοτήτων, ο οποίος πρέπει να ενισχύει ομοιόμορφα όλες τις φασματικές ακτίνες. Στην AM το τελικό στάδιο συχνά έχει διπλό ρόλο, διαμορφωτή και ενισχυτή ισχύος. Πριν από αυτό συνήθως μετατίθεται η συχνότητα, ώστε το ισχυρό πεδίο της κεραίας να μην δημιουργεί αναδράσεις στον ταλαντωτή και στον διαμορφωτή.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 2 — Ο αρμονικός ταλαντωτής
Ερώτηση: 2. Τι είναι ο αρμονικός ταλαντωτής; Να αναφερθούν βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά του.
Απάντηση:
-
Ο ορισμός (σελ. 159): το φέρον σήμα υψηλής συχνότητας (fο) δημιουργείται τοπικά στον πομπό από κύκλωμα αρμονικού (ημιτονικού) ταλαντωτή. Οι αρμονικοί ταλαντωτές στις ραδιοεπικοινωνίες είναι δομημένοι με συντονιζόμενα κυκλώματα L-C.
Η αρχή λειτουργίας (σελ. 159): στηρίζεται στην αυτοταλάντωση, την οποία υφίσταται ένα συντονιζόμενο κύκλωμα L-C, όταν διεγερθεί από ρεύμα.
fo = 1/(2π√(LC)) (1) Q = (2πfoL)/r (2) r: ωμική αντίσταση της επαγωγήςΗ συντήρηση (σελ. 159): αν με κάποιο τρόπο το κύκλωμα επανατροφοδοτείται συνεχώς με ενέργεια, αντισταθμίζονται οι απώλειες και δημιουργούνται ταλαντώσεις που συντηρούνται… Το τρανζίστορ ενισχύει μέρος της ενέργειας του κυκλώματος L-C και το ανατροφοδοτεί (θετική ανάδραση) σε κάθε κύκλο λειτουργίας του.
Τα τέσσερα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά (σελ. 161-162): ανεξάρτητα από τον τρόπο σχεδίασής του, ο αρμονικός ταλαντωτής χαρακτηρίζεται από τέσσερα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά | # | Χαρακτηριστικό | Διατύπωση του βιβλίου | |---|---|---| | 1 | η συχνότητα λειτουργίας του (fo) | είναι η συχνότητα του ημιτονικού σήματος στην έξοδο του ταλαντωτή | | 2 | η ακρίβεια της συχνότητάς του | από το αν η συχνότητα λειτουργίας του επηρεάζεται από εξωτερικούς μη ελεγχόμενους παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, η τάση τροφοδοσίας κλπ.· ο λόγος Δf/fο ονομάζεται σχετική ακρίβεια ή σχετική σταθερότητα, της συχνότητας και εκφράζει την ποιότητα του ταλαντωτή | | 3 | η φασματική καθαρότητα του σήματος | ο ταλαντωτής λόγω θορύβου δε δίνει τέλειο ημιτονικό σήμα, αλλά ένα συνθετότερο, με φασματικές συνιστώσες μέσα σε μια μικρή περιοχή γύρω από την ονομαστική του συχνότητα fo | | 4 | η σταθερότητα του πλάτους του σήματος | το πλάτος… πρέπει να διατηρείται σταθερό και να μην εξαρτάται από εξωτερικές παραμέτρους, όπως αλλοιώσεις της τάσης τροφοδοσίας, βιομηχανικούς θορύβους, θερμοκρασία, γήρανση των εξαρτημάτων |
Τα κυκλώματα (σελ. 160): ενδεικτικά… οι δομές των ταλαντωτών Hartley και Colpitts· παραλλαγή των κυκλωμάτων L-C είναι τα κυκλώματα με κρύσταλλο (quartz: SiO2), όπου ο κρύσταλλος ισοδυναμεί με αυτοταλαντούμενο κύκλωμα υψηλής ποιότητας (μεγάλο Q)… προσδίδοντας έτσι μεγάλη σταθερότητα στη συχνότητα λειτουργίας.
Η κρισιμότητα της επιλογής (σελ. 162): η ποιότητα και οι επιδόσεις όλου του συστήματος εξαρτώνται ουσιαστικά από την ποιότητα και τις επιδόσεις του ταλαντωτή του φέροντος σήματος.
Ο ακόλουθος τάσης (σελ. 162): η σωστή αξιοποίηση του ταλαντωτή επιβάλλει τη χρησιμοποίηση στην έξοδο του κυκλώματος ακολούθου τάσης (ενισχυτή με κέρδος τάσης 1), που έχει άπειρη αντίσταση εισόδου και ζητάει μηδαμινό ρεύμα από τον ταλαντωτή.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Αρμονικός ή ημιτονικός ταλαντωτής είναι το κύκλωμα που δημιουργεί τοπικά στον πομπό το φέρον σήμα υψηλής συχνότητας. Στις ραδιοεπικοινωνίες οι ταλαντωτές είναι δομημένοι με συντονιζόμενα κυκλώματα L-C και η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στην αυτοταλάντωση, η οποία εμφανίζεται σε συχνότητα ένα διά δύο π ρίζα του γινομένου L επί C και θα υφίστατο απόσβεση λόγω των ωμικών απωλειών· η απόσβεση αντισταθμίζεται με θετική ανάδραση μέσω τρανζίστορ που ανατροφοδοτεί ενέργεια σε κάθε κύκλο. Τα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά είναι τέσσερα. Πρώτον, η συχνότητα λειτουργίας, δηλαδή η συχνότητα του ημιτονικού σήματος στην έξοδο. Δεύτερον, η ακρίβεια της συχνότητας, που εκφράζεται από τον λόγο της μεταβολής προς την ονομαστική συχνότητα και ονομάζεται σχετική σταθερότητα. Τρίτον, η φασματική καθαρότητα, αφού λόγω θορύβου το σήμα δεν είναι τέλειο ημίτονο αλλά έχει συνιστώσες γύρω από την ονομαστική συχνότητα. Και τέταρτον, η σταθερότητα του πλάτους, που δεν πρέπει να εξαρτάται από την τάση τροφοδοσίας, τη θερμοκρασία ή τη γήρανση των εξαρτημάτων.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 3 — Ο ταλαντωτής VCO
Ερώτηση: 3. Ποιος ταλαντωτής ονομάζεται VCO; Από τι χαρακτηρίζεται ένας ταλαντωτής VCO;
Απάντηση:
-
Ο ορισμός (σελ. 162): οι ρυθμιζόμενοι μηχανικά ταλαντωτές σήμερα τείνουν να αντικατασταθούν από τους ταλαντωτές, που η συχνότητα λειτουργίας τους ελέγχεται από ηλεκτρική τάση και φέρουν το όνομα VCO (Voltage Controlled Oscillators).
Τι χαρακτηρίζει έναν VCO (σελ. 163): ο ταλαντωτής VCO χαρακτηρίζεται από τη ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας του, τη γραμμικότητα και την κλίση k (Hz/V) της χαρακτηριστικής του f = f(s(t)) (όπου η τάση s(t) αντιπροσωπεύει το ωφέλιμο σήμα). | # | Χαρακτηριστικό | |---|---| | 1 | η ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας του | | 2 | η γραμμικότητα της χαρακτηριστικής f = f(s(t)) | | 3 | η κλίση k (Hz/V) |
Η χαρακτηριστική (Σχ. 5.2.6, σελ. 163)
f │ ╱ │ ╱ fo┤─ ─ ─ ─ ●╱ k = Δf/Δs (Hz/V) │ ╱│ │ ╱ │ └────────────────► s(t) Vo f(t) = fo + k·s(t)Το πρόβλημα που λύνει (σελ. 162): αν ο ταλαντωτής πρέπει να είναι ρυθμιζόμενης συχνότητας με σχετικά μικρά όρια ρύθμισης, πρέπει να χρησιμοποιηθεί κύκλωμα L-C με ρυθμιζόμενη τιμή των στοιχείων… Η ύπαρξη μεταβλητών στοιχείων στο κύκλωμα L-C μεταφράζεται σε έλλειψη σταθερότητας του κυκλώματος και ευπάθεια σε δονήσεις, διαστολές και συστολές λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών.
Οι δύο χρήσεις τους | Χρήση | Αναφορά | |---|---| | διαμορφωτές συχνότητας | τους χρησιμοποιούμε ως διαμορφωτές συχνότητας (παράγραφος 5.3.3), ελέγχοντας τη λειτουργία τους με το βασικό σήμα s(t) (σελ. 163) | | σύνθεση συχνότητας | η εμφάνιση των ταλαντωτών VCO έφερε πραγματική επανάσταση με τις διατάξεις σύνθεσης συχνότητας (σελ. 163) |
Το μειονέκτημα (σελ. 173): ένα σοβαρό μειονέκτημα των ταλαντωτών VCO, όπου δε χρησιμοποιείται κρύσταλλος, είναι η σχετικά μικρή σταθερότητα στη συχνότητα. Είναι διατάξεις ευπαθείς στις αλλαγές θερμοκρασίας, στις διαφοροποιήσεις της τάσης πόλωσης, στον θόρυβο κλπ. Γι' αυτό τις περισσότερες φορές θα τους εκμεταλλευτούμε με βρόχο φάσης (PLL).
Οι υλοποιήσεις (σελ. 173): με δίοδο Varicap για συχνότητες από 50 MHz και πάνω· σε συχνότητες χαμηλότερες, έως και μερικά MHz, συναντούμε σήμερα και άλλους τύπους VCO… Στο εμπόριο κυκλοφορεί μια σειρά τέτοιων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων VCO (για παράδειγμα, CD4046, ΝΕ 566 κ.α.).
Σύνοψη: (ενδεικτική) VCO, από το Voltage Controlled Oscillator, ονομάζεται ο ταλαντωτής του οποίου η συχνότητα λειτουργίας ελέγχεται από ηλεκτρική τάση. Οι ταλαντωτές αυτοί τείνουν να αντικαταστήσουν τους μηχανικά ρυθμιζόμενους ταλαντωτές L-C, οι οποίοι, λόγω των μεταβλητών στοιχείων τους, παρουσιάζουν έλλειψη σταθερότητας και ευπάθεια σε δονήσεις και σε θερμοκρασιακές μεταβολές. Ένας ταλαντωτής VCO χαρακτηρίζεται από τρία μεγέθη: τη ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας του, τη γραμμικότητα της χαρακτηριστικής του και την κλίση της, μετρημένη σε χερτς ανά βολτ. Η συχνότητα εξόδου δίνεται από τη σχέση f ίσον fo συν k επί το σήμα, όπου fo η κεντρική συχνότητα και k η κλίση. Οι VCO χρησιμοποιούνται αφενός ως διαμορφωτές συχνότητας, ελεγχόμενοι από το βασικό σήμα, και αφετέρου στις διατάξεις σύνθεσης συχνότητας. Σοβαρό μειονέκτημά τους, όταν δεν χρησιμοποιείται κρύσταλλος, είναι η σχετικά μικρή σταθερότητα στη συχνότητα, γι' αυτό τις περισσότερες φορές αξιοποιούνται μέσα σε βρόχο κλειδώματος φάσης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 4 — Ο βρόχος φάσης (PLL)
Ερώτηση: 4. Να σχεδιαστεί ένας βρόχος φάσης. Να σχολιαστούν τα διάφορα στάδια που υπάρχουν.
Απάντηση:
-
Το διάγραμμα (Σχ. 5.2.7, σελ. 163)
┌──────────┐ (fαν,Φαν) ┌───────────┐ ε(t) ┌──────────┐ │ Ταλαντωτής│──────A────►│ Συγκριτής │───────►│ VCO │──► Έξοδος │ αναφοράς Q│ │ φάσεων │ │ k: Hz/V │ E(t) └──────────┘ ┌──►└───────────┘ └────┬─────┘ │ B (fΒ,φΒ) │ ┌────┴─────┐ │ │ Διαιρέτης│◄──────────────────────┘ │ :N │ (fVCO, ΦVCO) └──────────┘ fVCO = N·fανΤα στάδια | Στάδιο | Ρόλος | |---|---| | ταλαντωτής αναφοράς (Q) | τοπικό ταλαντωτή αναφοράς με κρύσταλλο (Q) μεγάλης ακρίβειας — δίνει τη σταθερή συχνότητα fαν | | προγραμματιζόμενος διαιρέτης :N | οι διαιρέτες αυτού του είδους είναι κατάλληλα ψηφιακά κυκλώματα — διαιρεί την fvco διά N | | συγκριτής φάσεων | διάταξη αυτόματου ελέγχου (σύγκρισης) της φάσης του VCO η οποία είναι διαιρεμένη με τον αριθμό Ν με τη φάση ενός σήματος αναφοράς | | VCO | παράγει το τελικό σήμα, με συχνότητα ελεγχόμενη από την τάση σφάλματος ε(t) |
Η λειτουργία (σελ. 163): χωρίς να μας απασχολεί ιδιαίτερα η μαθηματική ανάλυση του κυκλώματος κλειστού βρόχου (PLL: Phase Locked Loop), αποδεικνύεται ότι, από τη σύγκριση των φάσεων των σημάτων Α (αναφοράς) και Β (έξοδος του VCO), προκύπτει τάση σφάλματος ε(t) στην είσοδο του VCO, που τείνει να εξισώσει τις συχνότητες fαν και fvco/N, ώστε fαν = fvco/N, απ' όπου
fvco = N·fαν (3)Το αποτέλεσμα (σελ. 164): στην έξοδο του ταλαντωτή VCO το σήμα έχει συχνότητα fvco = fο, η οποία είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της συχνότητας του ταλαντωτή αναφοράς. Διαθέτουμε, δηλαδή, ένα σύστημα προγραμματισμού της συχνότητας του φέροντος με κατάλληλη επιλογή του αριθμού Ν και βήμα (step) προγραμματισμού fαv.
Το κρίσιμο πλεονέκτημα: ο VCO αποκτά τη σταθερότητα του κρυστάλλου, γιατί η συχνότητά του κλειδώνει πάνω στην fαν — έτσι λύνεται το μειονέκτημα που αναφέρει το βιβλίο (σελ. 173): ένα σοβαρό μειονέκτημα των ταλαντωτών VCO… είναι η σχετικά μικρή σταθερότητα στη συχνότητα… Γι' αυτό τις περισσότερες φορές θα τους εκμεταλλευτούμε με βρόχο φάσης (PLL).
Η διαθεσιμότητα (σελ. 164): σήμερα εξάλλου βρίσκουμε στο εμπόριο κυκλώματα PLL και ως ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Η επέκταση σε διαμορφωτή (σελ. 174, Σχ. 5.3.14): με ενσωματωμένο ένα στάδιο προσθέτη, ο ίδιος βρόχος γίνεται διαμορφωτής FM
f(t) = fo + k·s(t) = N·fα + k·s(t) (16)
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο βρόχος φάσης, ή PLL από το Phase Locked Loop, αποτελείται από τέσσερα στάδια. Πρώτον, τον τοπικό ταλαντωτή αναφοράς με κρύσταλλο, μεγάλης ακρίβειας, που δίνει τη σταθερή συχνότητα αναφοράς. Δεύτερον, τον ταλαντωτή VCO, του οποίου η έξοδος είναι το τελικό σήμα. Τρίτον, τον προγραμματιζόμενο ψηφιακό διαιρέτη διά N, στον οποίο οδηγείται η έξοδος του VCO. Και τέταρτον, τον συγκριτή φάσεων, ο οποίος συγκρίνει τη φάση του διαιρεμένου σήματος με τη φάση του σήματος αναφοράς και παράγει τάση σφάλματος που οδηγείται στην είσοδο του VCO. Η τάση αυτή τείνει να εξισώσει τη συχνότητα αναφοράς με τη συχνότητα του VCO διαιρεμένη διά N, οπότε τελικά η συχνότητα του VCO γίνεται ακέραιο πολλαπλάσιο της συχνότητας αναφοράς. Διαθέτουμε έτσι σύστημα προγραμματισμού της συχνότητας του φέροντος, με επιλογή του αριθμού N και βήμα προγραμματισμού τη συχνότητα αναφοράς, ενώ ταυτόχρονα ο VCO αποκτά τη σταθερότητα του κρυστάλλου.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 5 — Ο προγραμματιζόμενος συνθέτης συχνοτήτων
Ερώτηση: 5. Τι είναι ο προγραμματιζόμενος συνθέτης (synthesizer) συχνοτήτων;
Απάντηση:
-
Η ανάγκη (σελ. 158): χρησιμοποιούμε απλό αρμονικό ταλαντωτή, όταν ο πομπός προορίζεται να λειτουργήσει σε μία και μοναδική συχνότητα φέροντος, ή κύκλωμα σύνθεσης συχνότητας (synthesizer) όταν επιθυμούμε να έχουμε δυνατότητα προγραμματισμού της κεντρικής συχνότητας (fο) του φέροντος. Τα κυκλώματα σύνθεσης συχνότητας είναι γνωστά και με το όνομα «κυκλώματα κλειδώματος φάσης» ή με τον αγγλικό όρο PLL (Phase Loop Locked).
Ο ορισμός (σελ. 164): στην έξοδο του ταλαντωτή VCO το σήμα έχει συχνότητα fvco = fο, η οποία είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της συχνότητας του ταλαντωτή αναφοράς. Διαθέτουμε, δηλαδή, ένα σύστημα προγραμματισμού της συχνότητας του φέροντος με κατάλληλη επιλογή του αριθμού Ν και βήμα (step) προγραμματισμού fαv.
fvco = N·fαν (3)Οι δύο παράμετροι | Παράμετρος | Σημασία | |---|---| | fαν | το βήμα (step) — η ελάχιστη μεταβολή συχνότητας που μπορεί να προγραμματιστεί | | N | ο προγραμματιζόμενος ακέραιος — επιλέγει ποια από τις διαθέσιμες συχνότητες θα παραχθεί |
Παράδειγμα (Εφαρμογή 4, σελ. 176): με βήμα 100 kHz και Ν από 880 έως 1080
f1 = 880 × 100 kHz = 88 MHz f2 = 1080 × 100 kHz = 108 MHz— δηλαδή ακριβώς η ζώνη της ραδιοφωνίας FM, με 200 διακριτές συχνότητες σε βήματα των 100 kHz.
Τα τρία πλεονεκτήματα | # | Πλεονέκτημα | |---|---| | 1 | σταθερότητα κρυστάλλου σε κάθε συχνότητα, χωρίς να χρειάζεται ένας κρύσταλλος ανά κανάλι | | 2 | ψηφιακός προγραμματισμός — οι διαιρέτες αυτού του είδους είναι κατάλληλα ψηφιακά κυκλώματα (σελ. 164) | | 3 | κατάργηση των μηχανικά ρυθμιζόμενων στοιχείων και της αστάθειάς τους (σελ. 162) |
Η διαθεσιμότητα (σελ. 164): σήμερα εξάλλου βρίσκουμε στο εμπόριο κυκλώματα PLL και ως ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Η καθημερινή εφαρμογή: κάθε σύγχρονος δέκτης ή πομποδέκτης με ψηφιακή επιλογή σταθμού χρησιμοποιεί συνθέτη συχνοτήτων — γι' αυτό η συχνότητα εμφανίζεται ψηφιακά και δεν μετατοπίζεται με τον χρόνο, σε αντίθεση με τα παλιά ραδιόφωνα με βελόνα.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Προγραμματιζόμενος συνθέτης συχνοτήτων είναι το κύκλωμα σύνθεσης συχνότητας που χρησιμοποιούμε όταν θέλουμε δυνατότητα προγραμματισμού της κεντρικής συχνότητας του φέροντος, σε αντίθεση με τον απλό αρμονικό ταλαντωτή που χρησιμοποιείται όταν η συχνότητα είναι μία και μοναδική. Τα κυκλώματα αυτά είναι γνωστά και ως κυκλώματα κλειδώματος φάσης ή με τον αγγλικό όρο PLL. Η αρχή τους είναι ότι η συχνότητα εξόδου του VCO γίνεται ακέραιο πολλαπλάσιο της συχνότητας ενός ταλαντωτή αναφοράς με κρύσταλλο, δηλαδή N επί τη συχνότητα αναφοράς. Έτσι διαθέτουμε ένα σύστημα προγραμματισμού της συχνότητας με κατάλληλη επιλογή του ακέραιου N και με βήμα προγραμματισμού τη συχνότητα αναφοράς. Για παράδειγμα, με βήμα εκατό κιλοχερτς και N από οκτακόσια ογδόντα έως χίλια ογδόντα καλύπτεται ακριβώς η ζώνη της ραδιοφωνίας FM, από ογδόντα οκτώ έως εκατόν οκτώ μεγαχερτς. Το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι κάθε συχνότητα αποκτά τη σταθερότητα του κρυστάλλου χωρίς να απαιτείται ξεχωριστός κρύσταλλος ανά κανάλι.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 6 — Ο διαμορφωτής
Ερώτηση: 6. Ποιο στάδιο ονομάζουμε διαμορφωτή;
Απάντηση:
-
Ο ορισμός (σελ. 164): διαμορφωτής (modulator) είναι η διάταξη (το κύκλωμα) με την οποία υλοποιείται η διαδικασία μιας συγκεκριμένης διαμόρφωσης.
Η θέση του στον πομπό (σελ. 157): η διαδικασία της διαμόρφωσης οριοθετεί δύο λειτουργικά τμήματα — ο διαμορφωτής βρίσκεται ακριβώς στο σύνορο ανάμεσα στην επεξεργασία του βασικού σήματος και στο τμήμα του φέροντος.
s(t) ──►┌──────────────┐ │ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ │──► E(t) ──► ενισχυτής ισχύος ──► κεραία M(t) ──►└──────────────┘ (φέρον)Οι δύο είσοδοι και η μία έξοδος | Σήμα | Ρόλος | |---|---| | s(t) | το βασικό σήμα — η πληροφορία | | M(t) | το φέρον από τον ταλαντωτή | | E(t) | το διαμορφωμένο φέρον |
Η εξάρτηση από το είδος της διαμόρφωσης (σελ. 158): οι χρησιμοποιούμενες διατάξεις διαμορφωτών διαφοροποιούνται με βάση το είδος της διαμόρφωσης που έχουμε επιλέξει. | Διαμόρφωση | Διαμορφωτής | |---|---| | AM | γραμμικά (πολλαπλασιαστής, ενισχυτής ελεγχόμενου κέρδους) και μη γραμμικά (δίοδος, ενισχυτής τάξης C) κυκλώματα (σελ. 165-167) | | SSBsc | με φίλτρο ζώνης, με διαδοχικές αλλαγές συχνότητας, με ολισθητές φάσης π/2 (σελ. 168-171) | | FM | ο διαμορφωτής ταυτίζεται με τον ταλαντωτή που παράγει τη φέρουσα συχνότητα — VCO με Varicap (σελ. 171) |
Η ιδιαιτερότητα της FM (σελ. 172): έχουμε, δηλαδή, διαμόρφωση συχνότητας και ο διαμορφωτής FM είναι ουσιαστικά ένας ταλαντωτής VCO — στην FM ο διαμορφωτής δεν είναι ξεχωριστό στάδιο.
Ο διπλός ρόλος στην AM (σελ. 158): στην περίπτωση της AM πολλές φορές το τελικό στάδιο ενίσχυσης το συναντούμε με διπλό ρόλο: του διαμορφωτή και του ενισχυτή ισχύος — αυτό είναι το κύκλωμα του ενισχυτή τάξης C με το σήμα διαμόρφωσης σε σειρά με την τάση τροφοδοσίας (σελ. 168).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Διαμορφωτής, στα αγγλικά modulator, ονομάζεται η διάταξη ή το κύκλωμα με το οποίο υλοποιείται η διαδικασία μιας συγκεκριμένης διαμόρφωσης. Στο δομικό διάγραμμα του πομπού ο διαμορφωτής βρίσκεται ακριβώς στο σύνορο ανάμεσα στο τμήμα επεξεργασίας του βασικού σήματος και στο τμήμα του φέροντος: δέχεται ως εισόδους το βασικό σήμα, δηλαδή την πληροφορία, και το φέρον από τον ταλαντωτή, και δίνει στην έξοδο το διαμορφωμένο φέρον, το οποίο στη συνέχεια ενισχύεται και οδηγείται στην κεραία. Οι χρησιμοποιούμενες διατάξεις διαμορφωτών διαφοροποιούνται με βάση το είδος της διαμόρφωσης: στην AM υπάρχουν γραμμικά και μη γραμμικά κυκλώματα, στην SSBsc διατάξεις με φίλτρο ζώνης, με διαδοχικές αλλαγές συχνότητας ή με ολισθητές φάσης, ενώ στην FM ο διαμορφωτής ταυτίζεται με τον ίδιο τον ταλαντωτή, δηλαδή είναι ουσιαστικά ένας ταλαντωτής VCO. Στην AM, μάλιστα, το τελικό στάδιο ενίσχυσης συναντάται συχνά με διπλό ρόλο, διαμορφωτή και ενισχυτή ισχύος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 7 — Κυκλώματα διαμορφωτών πλάτους
Ερώτηση: 7. Να αναφερθούν κυκλώματα που χρησιμοποιούνται ως διαμορφωτές πλάτους.
Απάντηση:
-
Η κατάταξη (σελ. 165): τα χρησιμοποιούμενα στην πράξη κυκλώματα διαμόρφωσης AM είναι πολλά. Μπορούμε να τα κατατάξουμε σε δύο κατηγορίες | Κατηγορία | Ορισμός του βιβλίου | |---|---| | γραμμικά | που ουσιαστικά υλοποιούν τη διαδικασία της διαμόρφωσης ακριβώς όπως τη γνωρίσαμε στο τρίτο κεφάλαιο | | μη γραμμικά | η διαμόρφωση επιτυγχάνεται από την παραμόρφωση που εισάγει μια δίοδος ή ένα τρανζίστορ που εργάζεται σε τάξη C (διακοπτόμενο κύκλωμα), όταν διαρρέεται από ρεύμα |
Α) Τα γραμμικά κυκλώματα | # | Κύκλωμα | Σχέση | |---|---|---| | 1 | πολλαπλασιαστής (Σχ. 5.3.1) | E(t) = [Μο + s(t)]·sin(ωot) (4)· Vεξ = p·Vx·Vy, με p σε V⁻¹ | | 2 | παραλλαγή με προσθέτη (Σχ. 5.3.2) | E(t) = M(t) + k·s(t)·M(t) | | 3 | ενισχυτής με ελεγχόμενο κέρδος (Σχ. 5.3.3) | G = 1 + s(t) (5) — το κέρδος του ενισχυτή είναι μεταβλητό και ελέγχεται από το σήμα διαμόρφωσης | Τα ολοκληρωμένα (σελ. 165): σήμερα υπάρχουν ολοκληρωμένα κυκλώματα που λειτουργούν έως μερικά MHz και υλοποιούν απ' ευθείας τη διαδικασία… (παράδειγμα το MC 1495, MC 1496 της Motorola).
Β) Τα μη γραμμικά κυκλώματα | # | Κύκλωμα | Λειτουργία | |---|---|---| | 4 | διαμορφωτής με δίοδο (Σχ. 5.3.4) | στη δίοδο εφαρμόζεται V(t) = s(t) + M(t)· το περιοδικό διακοπτόμενο ρεύμα… έχει πλούσιο φασματικό περιεχόμενο, όπου υπάρχουν οι συμμετρικές φασματικές ακτίνες που συναντούμε στη διαμόρφωση AM (δηλαδή fο, fo+F και fο−F), και με κατάλληλο φίλτρο επιλέγεται το ζητούμενο τμήμα | | 5 | ενισχυτής τάξης C (Σχ. 5.3.5) | στην περίπτωση που σε σειρά με την τάση τροφοδοσίας ενός τέτοιου ενισχυτή προστεθεί μέσω μετασχηματιστή το σήμα διαμόρφωσης s(t), η απόκριση του κυκλώματος ελέγχεται από το s(t)· το φίλτρο εξόδου L-C αποκαθιστά πλήρως την ημιτονική κυματομορφή | | 6 | ισοσταθμισμένος διαμορφωτής δακτυλίου | μια ειδική περίπτωση πολλαπλασιαστή (σελ. 165) |
Το πλεονέκτημα των μη γραμμικών (σελ. 167): το κύκλωμα αυτό χαρακτηρίζεται από την απλότητά του και την ευκολία κατασκευής. Η τεχνολογία σήμερα κατασκευάζει διόδους που εργάζονται σε πολύ υψηλές συχνότητες (δίοδοι Sottkey) και τις χρησιμοποιούμε, για να φτιάξουμε διαμορφωτές πλάτους σε ζώνες συχνοτήτων όπου τα γραμμικά κυκλώματα που μελετήθηκαν δεν μπορούν να εργαστούν. Και του ενισχυτή τάξης C (σελ. 167-168): η μεγάλη απόδοση ισχύος… που φτάνει έως και 80%· η αξιοποίηση αυτού του κυκλώματος συνδυάζει τη διαμόρφωση με το τελικό στάδιο ενίσχυσης και χρησιμοποιείται συχνά.
Η αυστηρή προειδοποίηση (σελ. 168): πρέπει να σημειώσουμε με έμφαση ότι, αν μετά τη διαμόρφωση του φέροντος κατά πλάτος ακολουθήσει στάδιο ενίσχυσης του διαμορφωμένου σήματος, πρέπει να είναι γραμμικός ενισχυτής τάξης Α, που δεν εισάγει παραμορφώσεις πλάτους.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα κυκλώματα διαμόρφωσης AM κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες. Στα γραμμικά, τα οποία υλοποιούν τη διαδικασία της διαμόρφωσης ακριβώς όπως ορίστηκε θεωρητικά, ανήκουν το κύκλωμα με πολλαπλασιαστή, ο οποίος δίνει στην έξοδο το γινόμενο των δύο τάσεων εισόδου και σήμερα υπάρχει και ως ολοκληρωμένο κύκλωμα, όπως τα MC χίλια τετρακόσια ενενήντα πέντε και ενενήντα έξι της Motorola, η παραλλαγή του με προσθέτη, και ο ενισχυτής με ελεγχόμενο κέρδος, όπου το κέρδος δίνεται από τη σχέση ένα συν το σήμα διαμόρφωσης. Στα μη γραμμικά, όπου η διαμόρφωση επιτυγχάνεται από την παραμόρφωση που εισάγει μια δίοδος ή ένα τρανζίστορ σε τάξη C, ανήκουν ο διαμορφωτής με δίοδο, στην οποία εφαρμόζεται το άθροισμα σήματος και φέροντος και όπου το διακοπτόμενο ρεύμα δίνει και τις ακτίνες της AM που επιλέγονται με φίλτρο, και ο ενισχυτής τάξης C με το σήμα διαμόρφωσης σε σειρά με την τάση τροφοδοσίας. Τονίζεται ότι, αν μετά τη διαμόρφωση ακολουθήσει στάδιο ενίσχυσης, αυτό πρέπει να είναι γραμμικός ενισχυτής τάξης Α.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 8 — Κυκλώματα διαμορφωτών SSBsc
Ερώτηση: 8. Να αναφερθούν κυκλώματα που χρησιμοποιούνται ως διαμορφωτές SSBsc.
Απάντηση:
-
(1) Με φίλτρο ζώνης (σελ. 168): η απλούστερη διάταξη για την υλοποίηση διαμόρφωσης SSB… Στηρίζεται στη δημιουργία, μέσω του πολλαπλασιαστή σήματος DSBsc και στη συνέχεια στην επιλογή της πάνω ή της κάτω φασματικής ζώνης με κατάλληλο φίλτρο. Η δυσκολία (σελ. 168): παρουσιάζει σημαντική δυσκολία στην επιλογή και την κατασκευή του φίλτρου εξόδου… απαιτείται η χρησιμοποίηση φίλτρου που χαρακτηρίζεται από πολύ μεγάλο συντελεστή ποιότητας Q
Q = fc/(fα1 − fα2) = fc/Bφ (6) Q ≅ fo/Fmax (7)Το παράδειγμα (σελ. 169): αν η συχνότητα φέροντος είναι 5 ΜΗz και η φασματική ζώνη του διαμορφώνοντος σήματος από Fmin = 20 Hz έως Fmax = 5 kHz, τότε απαιτείται Q = 1000, δηλαδή φίλτρο που κατασκευάζεται δύσκολα.
(2) Με διαδοχικές αλλαγές συχνότητας (σελ. 169): τη δυσκολία αυτή την αποφεύγουμε, αν επιχειρήσουμε τη SSB διαμόρφωση σε δύο ή περισσότερα διαδοχικά στάδια… Χρησιμοποιώντας δύο ταλαντωτές με συχνότητες fο1 = 0,4 ΜΗz και fo2 = 4,6 ΜΗz, έτσι ώστε fo1 + fo2 = fo = 5 MHz… Όμως τα φίλτρα ζώνης που απαιτούνται έχουν συντελεστή ποιότητας αντίστοιχα Q1 ≈ 100 και Q2 ≈ 10, άρα είναι λιγότερο επιλεκτικά και κατασκευάζονται ευκολότερα.
(3) Με ολισθητές φάσης κατά π/2 (σελ. 170): χρησιμοποιούνται δύο κυκλώματα ολίσθησης φάσης κατά (π/2) τόσο του βασικού σήματος όσο και του σήματος του ταλαντωτή της φέρουσας συχνότητας
E1(t) = Eοcos[(ωο − Ω)t] (LSB) (9) E2(t) = Eocos[(ωo + Ω)t] (USB) (10)Τα βοηθητικά κυκλώματα | Κύκλωμα | Ρόλος | |---|---| | ισοσταθμισμένος διαμορφωτής (δακτυλίου) | στο ρόλο του πολλαπλασιαστή συχνά συναντούμε τον ισοσταθμισμένο διαμορφωτή· η διάταξη των τεσσάρων διόδων θυμίζει δακτύλιο· E(t) = s(t)·M(t) (8) (σελ. 169-170) | | κρυσταλλικά φίλτρα | στη θέση των φίλτρων… χρησιμοποιούνται κρυσταλλικά φίλτρα μεγάλου βαθμού, που εξασφαλίζουν υψηλή επιλεκτικότητα και σταθερότητα συχνότητας (σελ. 170) |
Η ιδιότητα του δακτυλίου (σελ. 170): όταν ένα από τα δύο σήματα s(t) ή M(t) δεν εφαρμοστεί στην αντίστοιχη είσοδο, το αποτέλεσμα στην έξοδο είναι μηδενικό — γι' αυτό ακριβώς δεν εμφανίζεται φέρον στην έξοδο (sc = suppressed carrier).
Η δυσκολία της μεθόδου (3) (σελ. 171): ο ολισθητής (2) πρέπει να δώσει σταθερή ολίσθηση φάσης π/2 για όλες τις συχνότητες του βασικού σήματος… Οποιαδήποτε απόκλιση στην ολίσθηση φάσης από την τιμή (π/2) οδηγεί σε μερική απόρριψη της ανεπιθύμητης πλευρικής ζώνης.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το βιβλίο αναφέρει τρεις τρόπους υλοποίησης διαμόρφωσης SSBsc. Πρώτον, τον διαμορφωτή με φίλτρο ζώνης, που στηρίζεται στη δημιουργία σήματος DSBsc μέσω πολλαπλασιαστή και στη συνέχεια στην επιλογή της πάνω ή της κάτω πλευρικής ζώνης με φίλτρο· η δυσκολία εδώ είναι ότι απαιτείται φίλτρο πολύ μεγάλου συντελεστή ποιότητας, για παράδειγμα χίλια για φέρον πέντε μεγαχερτς και ανώτερη συχνότητα σήματος πέντε κιλοχερτς. Δεύτερον, τον διαμορφωτή με διαδοχικές αλλαγές συχνότητας, όπου η διαμόρφωση γίνεται σε δύο ή περισσότερα στάδια με ταλαντωτές των οποίων οι συχνότητες αθροίζονται στην τελική· έτσι οι απαιτούμενοι συντελεστές ποιότητας πέφτουν, για παράδειγμα σε εκατό και δέκα, και τα φίλτρα κατασκευάζονται ευκολότερα. Και τρίτον, τον διαμορφωτή με δύο ολισθητές φάσης κατά π δεύτερα, έναν για το βασικό σήμα και έναν για το φέρον. Ως πολλαπλασιαστής χρησιμοποιείται συχνά ο ισοσταθμισμένος διαμορφωτής δακτυλίου με τέσσερις διόδους, ενώ στη θέση των φίλτρων χρησιμοποιούνται κρυσταλλικά φίλτρα μεγάλου βαθμού.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 9 — Διαμορφωτής SSBsc με ολισθητές φάσης π/2
Ερώτηση: 9. Να σχεδιαστεί ένας διαμορφωτής SSBsc όπου αξιοποιούνται ολισθητές φάσης κατά π/2.
Απάντηση:
-
Το διάγραμμα (Σχ. 5.3.10, σελ. 170)
s(t) ──────────────►┌───┐ │ Χ │──┬──►(+)──► E1(t) (μία πλευρική) M(t) ──────────────►└───┘ │ (+) │ │ ▲ │ ┌────────┐ │ │ ├─►│ π/2 (1)│──► M΄(t) ─►┌───┐│ │ └────────┘ │ Χ │┴──►(+)──► E2(t) (η άλλη πλευρική) s(t)─►┌────────┐ └───┘ (−) │ π/2 (2)│──► s΄(t) ──► └────────┘Οι σχέσεις (σελ. 171): θεωρώντας ότι s(t) = Sοsin(Ωt) και M(t) = Mosin(ωot), τότε
s΄(t) = −Socos(Ωt) και M΄(t) = −Mocos(ωot)Άρα, στις αντίστοιχες εξόδους του αθροιστή και του αφαιρέτη έχουμε
E1(t) = Eοcos[(ωο − Ω)t] (LSB) (9) E2(t) = Eocos[(ωo + Ω)t] (USB) (10)Ο μαθηματικός μηχανισμός
s(t)·M(t) = SoMo·sin(Ωt)·sin(ωot) = (SoMo/2)·[cos(ωo−Ω)t − cos(ωo+Ω)t] s΄(t)·M΄(t) = SoMo·cos(Ωt)·cos(ωot) = (SoMo/2)·[cos(ωo−Ω)t + cos(ωo+Ω)t]Έξοδος Πράξη Αποτέλεσμα E1 άθροισμα οι όροι (ωo+Ω) αλληλοαναιρούνται → μένει η κάτω πλευρική (LSB) E2 διαφορά οι όροι (ωo−Ω) αλληλοαναιρούνται → μένει η άνω πλευρική (USB) Το πλεονέκτημα: η ανεπιθύμητη πλευρική δεν φιλτράρεται — αναιρείται μαθηματικά. Άρα δεν απαιτείται φίλτρο μεγάλου Q, που ήταν ακριβώς η δυσκολία της πρώτης μεθόδου (Q = 1000, σελ. 169).
Η δυσκολία (σελ. 171): στη διάταξη αυτή η δυσκολία στην κατασκευή βρίσκεται στον ολισθητή φάσης του βασικού σήματος s(t). Είναι γνωστό… ότι είναι πολύ εύκολη η κατασκευή κυκλώματος ολίσθησης της φάσης για συγκεκριμένη συχνότητα f. Έτσι, ο ολισθητής (1) του σχήματος δεν παρουσιάζει ιδιαίτερη δυσκολία ούτε στον υπολογισμό ούτε στην κατασκευή του κυκλώματος. Αντίθετα, ο ολισθητής (2) πρέπει να δώσει σταθερή ολίσθηση φάσης π/2 για όλες τις συχνότητες του βασικού σήματος. Το κύκλωμα είναι σαφώς πιο πολύπλοκο στη σχεδίαση και στην κατασκευή του.
Η συνέπεια ενός σφάλματος (σελ. 171): οποιαδήποτε απόκλιση στην ολίσθηση φάσης από την τιμή (π/2) οδηγεί σε μερική απόρριψη της ανεπιθύμητης πλευρικής ζώνης — δηλαδή η ανεπιθύμητη ζώνη δεν εξαφανίζεται πλήρως.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο διαμορφωτής SSBsc με ολισθητές φάσης περιλαμβάνει δύο πολλαπλασιαστές, δύο κυκλώματα ολίσθησης φάσης κατά π δεύτερα και ένα στάδιο αθροιστή-αφαιρέτη. Το βασικό σήμα οδηγείται απευθείας στον πρώτο πολλαπλασιαστή και, μέσω ολισθητή φάσης, στον δεύτερο· ομοίως το φέρον οδηγείται απευθείας στον πρώτο και, μέσω δεύτερου ολισθητή, στον δεύτερο. Αν το σήμα και το φέρον είναι ημιτονικά, μετά την ολίσθηση γίνονται συνημιτονικά με αρνητικό πρόσημο. Στην έξοδο του αθροιστή προκύπτει η κάτω πλευρική ζώνη και στην έξοδο του αφαιρέτη η άνω, γιατί κατά την πρόσθεση ή την αφαίρεση των δύο γινομένων ο ένας από τους δύο όρους αλληλοαναιρείται. Το πλεονέκτημα είναι ότι η ανεπιθύμητη πλευρική δεν φιλτράρεται αλλά αναιρείται μαθηματικά, οπότε δεν απαιτείται φίλτρο μεγάλου συντελεστή ποιότητας. Η δυσκολία βρίσκεται στον ολισθητή του βασικού σήματος, ο οποίος πρέπει να δίνει σταθερή ολίσθηση π δεύτερα για όλες τις συχνότητές του, ενώ κάθε απόκλιση οδηγεί σε μερική μόνο απόρριψη της ανεπιθύμητης ζώνης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 10 — Η διάταξη που αξιοποιείται ως διαμορφωτής FM
Ερώτηση: 10. Ποια διάταξη αξιοποιείται ως διαμορφωτής FM;
Απάντηση:
-
Η ταύτιση διαμορφωτή και ταλαντωτή (σελ. 171): στη διαμόρφωση FM ο διαμορφωτής ταυτίζεται με τον ταλαντωτή που παράγει τη φέρουσα συχνότητα. Συνήθως σε ένα ταλαντωτή L-C ο πυκνωτής C, που η τιμή του προσδιορίζει την συχνότητα ταλάντωσης, αντικαθίσταται μερικώς από ένα νέο στοιχείο, γνωστό ως δίοδος μεταβλητής χωρητικότητας ή δίοδος Varicap.
Ο μηχανισμός (σελ. 172): αν αλλάξουμε την ανάστροφη τάση πόλωσης της διόδου εφαρμόζοντάς της αθροιστικά το βασικό σήμα s(t), η χωρητικότητά της μεταβάλλεται στο ρυθμό του σήματος. Αποτέλεσμα αυτού είναι ότι η συχνότητα του ταλαντωτή μεταβάλλεται στον ίδιο ρυθμό. Έχουμε, δηλαδή, διαμόρφωση συχνότητας και ο διαμορφωτής FM είναι ουσιαστικά ένας ταλαντωτής VCO.
Οι σχέσεις (σελ. 172)
fo = 1/(2π√(L·Co)) (11) Co = Cπ + Cvo Δf = fo·ΔC/(2Co) (12) ΔC = α·ΔV = α·s(t) (13) α: κλίση της Varicap σε pF/Volt Δfmax = (fo·α/2Co)·So (14)Η αναγνώριση της κλίσης (σελ. 172): ο όρος μέσα στην παρένθεση έχει μονάδες Hz/V και αντιπροσωπεύει την κλίση του διαμορφωτή (ταλαντωτή VCO), της οποίας ο ορισμός δόθηκε, όταν μελετήσαμε τη διαμόρφωση FM στο τρίτο κεφάλαιο.
Η πλήρης διάταξη (Σχ. 5.3.13, σελ. 173)
┌──────────────┐ │ Τρανζίστορ │──► Έξοδος (ταλαντωτής) └──────┬───────┘ │ ┌──────┴───────┐ │ L Cπ │ │ Cvo+ΔC │ └──────┬───────┘ │ C΄ (C΄>>Cv) ┌──────┴───────┐ │ RFC R R΄ │◄── s(t) └──────────────┘Τα βοηθητικά στοιχεία (σελ. 173): το στοιχείο που σημειώνεται στο σχήμα με τον όρο RFC είναι αποπνικτικό πηνίο και προφυλάσσει τα κυκλώματα χαμηλής συχνότητας από την επίδραση της υψηλής συχνότητας του ταλαντωτή. Ο πυκνωτής C΄ με τιμή C΄>>Cv δεν υπεισέρχεται στον υπολογισμό της συχνότητας ταλάντωσης. Αν δεν υπήρχε ο πυκνωτής C΄, η τάση πόλωσης του Varicap θα γειωνόταν μέσω του πηνίου L.
Το πεδίο εφαρμογής (σελ. 173): αυτού του είδους τον ταλαντωτή με Varicap τον συναντούμε στους περισσότερους πομπούς FM για συχνότητες από 50 MHz και πάνω. Σε συχνότητες χαμηλότερες, έως και μερικά MHz, συναντούμε σήμερα και άλλους τύπους VCO με διαφορετική δομή που παράγουν ημιτονική ή τετραγωνική κυματομορφή — π.χ. CD4046, ΝΕ 566.
Η σταθεροποίηση με PLL (σελ. 173-174): επειδή ένα σοβαρό μειονέκτημα των ταλαντωτών VCO… είναι η σχετικά μικρή σταθερότητα στη συχνότητα, χρησιμοποιείται βρόχος PLL με ενσωματωμένο ένα στάδιο προσθέτη, που επιτρέπει τη διαμόρφωση συχνότητας του VCO
f(t) = fo + k·s(t) = N·fα + k·s(t) (16)
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στη διαμόρφωση FM ο διαμορφωτής ταυτίζεται με τον ταλαντωτή που παράγει τη φέρουσα συχνότητα. Συνήθως, σε έναν ταλαντωτή L-C ο πυκνωτής που καθορίζει τη συχνότητα ταλάντωσης αντικαθίσταται μερικώς από δίοδο μεταβλητής χωρητικότητας, γνωστή ως δίοδος Varicap. Αν αλλάξουμε την ανάστροφη τάση πόλωσης της διόδου εφαρμόζοντάς της αθροιστικά το βασικό σήμα, η χωρητικότητά της μεταβάλλεται στον ρυθμό του σήματος και συνεπώς μεταβάλλεται στον ίδιο ρυθμό και η συχνότητα του ταλαντωτή· έχουμε δηλαδή διαμόρφωση συχνότητας, και ο διαμορφωτής FM είναι ουσιαστικά ένας ταλαντωτής VCO. Η μεταβολή της συχνότητας δίνεται από τη σχέση fo επί τη μεταβολή της χωρητικότητας διά δύο φορές τη συνολική χωρητικότητα, ενώ η μεταβολή της χωρητικότητας ισούται με την κλίση της Varicap επί το σήμα. Ο ταλαντωτής αυτός συναντάται στους περισσότερους πομπούς FM για συχνότητες από πενήντα μεγαχερτς και πάνω, και συνήθως σταθεροποιείται μέσα σε βρόχο κλειδώματος φάσης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 11 — Η δίοδος μεταβλητής χωρητικότητας (Varicap)
Ερώτηση: 11. Τι είναι δίοδος μεταβλητής χωρητικότητας και πού χρησιμοποιείται;
Απάντηση:
-
Ο ορισμός (σελ. 171-172): δίοδος μεταβλητής χωρητικότητας ή δίοδος Varicap… Πρόκειται για δίοδο ειδικής τεχνολογίας που, όταν είναι ανάστροφα πολωμένη, συμπεριφέρεται ως χωρητικότητα (πυκνωτής) και η τιμή της εξαρτάται από την τιμή της τάσης πόλωσης.
Η χαρακτηριστική (Σχ. 5.3.12, σελ. 172)
Cv │╲ │ ╲ Cvo┤─ ─●╲ │ │ ╲___ └──────────────► Vv Vo ↕ ΔV = s(t) ΔC = α·ΔV α: κλίση σε pF/VoltΠού χρησιμοποιείται (σελ. 171-172): στη διαμόρφωση FM ο διαμορφωτής ταυτίζεται με τον ταλαντωτή… ο πυκνωτής C, που η τιμή του προσδιορίζει την συχνότητα ταλάντωσης, αντικαθίσταται μερικώς από ένα νέο στοιχείο, γνωστό ως δίοδος μεταβλητής χωρητικότητας. | Χρήση | Αποτέλεσμα | |---|---| | διαμορφωτής FM | το σήμα s(t) μεταβάλλει την Cv, άρα και τη συχνότητα — έχουμε, δηλαδή, διαμόρφωση συχνότητας | | ταλαντωτής VCO | ο διαμορφωτής FM είναι ουσιαστικά ένας ταλαντωτής VCO | | ηλεκτρονικός συντονισμός | αντικαθιστά τον μηχανικά μεταβλητό πυκνωτή, με ό,τι αυτό συνεπάγεται για τη σταθερότητα (σελ. 162) |
Οι σχέσεις που τη διέπουν (σελ. 172)
Co = Cπ + Cvo η ολική χωρητικότητα fo = 1/(2π√(L·Co)) (11) Δf = fo·ΔC/(2Co) (12) ΔC = α·ΔV = α·s(t) (13) Δfmax = (fo·α/2Co)·So (14) (fo·α/2Co) = η κλίση k σε Hz/VΗ θέση της στο κύκλωμα (σελ. 173): συνδέεται παράλληλα με το Cπ και το L, με αποπνικτικό πηνίο RFC που προφυλάσσει τα κυκλώματα χαμηλής συχνότητας από την επίδραση της υψηλής συχνότητας του ταλαντωτή, και με πυκνωτή C΄>>Cv ώστε η τάση πόλωσης του Varicap να μην γειώνεται μέσω του πηνίου L.
Το πεδίο εφαρμογής (σελ. 173): στους περισσότερους πομπούς FM για συχνότητες από 50 MHz και πάνω.
Η καθημερινή εφαρμογή: το ηλεκτρονικό συντονισμό των δεκτών — αντί για μεταβλητό πυκνωτή, μια τάση επιλέγει τον σταθμό, κάτι που επιτρέπει και τα προεπιλεγμένα πλήκτρα μνήμης.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Δίοδος μεταβλητής χωρητικότητας ή δίοδος Varicap είναι δίοδος ειδικής τεχνολογίας η οποία, όταν είναι ανάστροφα πολωμένη, συμπεριφέρεται ως χωρητικότητα, δηλαδή ως πυκνωτής, του οποίου η τιμή εξαρτάται από την τιμή της τάσης πόλωσης. Η μεταβολή της χωρητικότητας είναι ανάλογη της μεταβολής της τάσης, με συντελεστή αναλογίας την κλίση της χαρακτηριστικής της, που μετριέται σε πικοφαράντ ανά βολτ. Χρησιμοποιείται κυρίως ως διαμορφωτής συχνότητας: σε έναν ταλαντωτή L-C ο πυκνωτής αντικαθίσταται μερικώς από τη Varicap και, εφαρμόζοντας αθροιστικά στην τάση πόλωσής της το βασικό σήμα, η χωρητικότητα και άρα η συχνότητα του ταλαντωτή μεταβάλλονται στον ρυθμό του σήματος. Η μεταβολή της συχνότητας δίνεται από τη σχέση fo επί τη μεταβολή της χωρητικότητας διά δύο φορές την ολική χωρητικότητα. Τη διάταξη αυτή τη συναντούμε στους περισσότερους πομπούς FM για συχνότητες από πενήντα μεγαχερτς και πάνω, ενώ η ίδια αρχή χρησιμοποιείται και για τον ηλεκτρονικό συντονισμό των δεκτών.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 12 — Η προέμφαση
Ερώτηση: 12. Ποια διεργασία ονομάζεται προέμφαση και γιατί χρησιμοποιείται;
Απάντηση:
-
Ο ορισμός (σελ. 174): στη ραδιοφωνία FM το σήμα διαμόρφωσης, πριν εφαρμοστεί στο διαμορφωτή/ταλαντωτή διέρχεται από κατάλληλο δικτύωμα (υψηλοπερατό φίλτρο) και υφίσταται ενίσχυση των υψηλότερων συχνοτήτων του φάσματος. Αυτή η διεργασία… είναι γνωστή με τον όρο προέμφαση (pro-emphasis).
Ο λόγος — τρία βήματα (σελ. 174) | # | Διαπίστωση του βιβλίου | |---|---| | 1 | οι πειραματικές μετρήσεις έχουν δείξει ότι στο ακουστικό φάσμα οι υψηλές συχνότητες εμφανίζονται συνήθως με μικρό πλάτος. Ένα μουσικό όργανο, για παράδειγμα, όταν ηχεί, παράγει το βασικό ήχο και ήχους σε υψηλότερες αρμονικές με μικρότερο πλάτος. Η μοναδικότητα εξάλλου του ήχου του οργάνου είναι ακριβώς η σύνθεση αυτών των αρμονικών | | 2 | τα σήματα μικρού πλάτους και μεγαλύτερης συχνότητας δίνουν μικρό δείκτη διαμόρφωσης (σχέση 25, κεφ. 3) — αφού mf = k·So/F, μικρό So και μεγάλο F δίνουν μικρό mf | | 3 | κατά τη μετάδοση ενδεχομένως επισκιάζονται από το θόρυβο, που είναι ενοχλητικότερος στις υψηλές συχνότητες του ακουστικού φάσματος |
Τα διεθνή όρια (σελ. 174): διεθνώς τα όρια αυτής της διεργασίας έχουν οριοθετηθεί στις συχνότητες F1 = 2,1 kHz και 30 kHz (το πάνω όριο των 30 kHz είναι εκτός ακουστικού φάσματος) και η κλίση ενίσχυσης είναι 6 dB/οκτάβα (Οκτάβα = διπλασιασμός της συχνότητας. Τα 6 dB αντιστοιχούν σε διπλασιασμό της τάσης του σήματος).
V2/V1 │ ╱▔▔▔▔▔▔▔ │ ╱ 6 dB/oct 1┤▔▔▔▔▔▔▔▔╱ └──────────────────────► f F1 F2 2,1 kHz 30 kHz F1 = 1/(2πR1·C) και F2 = 1/(2πR2·C) (17)Ο ισοδύναμος ορισμός με σταθερά χρόνου (σελ. 175): συχνά στην τεχνική βιβλιογραφία, αντί για τον ορισμό της προέμφασης μέσω των συχνοτήτων, δίνεται ο ορισμός μέσω της σταθεράς χρόνου του κυκλώματος R-C, που αντιστοιχεί στην κάτω συχνότητα F1 = 2,1 kHz
τ = 1/(2πF1) = 1/(2 × 3,14 × 2,1 × 10³) = 75 μsΔηλαδή, στη ραδιοφωνία FM η προέμφαση είναι 75 μs.
Το τελικό όφελος (σελ. 175): η διαδικασία προέμφασης/αποέμφασης συνεισφέρει σημαντικά στην καλυτέρευση του λόγου σήματος/θόρυβο στην FM.
Η αντίστοιχη τιμή στην τηλεόραση (σελ. 188): για τον ήχο της τηλεόρασης χρησιμοποιείται προέμφαση με σταθερά χρόνου 50 μs.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Προέμφαση ονομάζεται η διεργασία κατά την οποία, στη ραδιοφωνία FM, το σήμα διαμόρφωσης, πριν εφαρμοστεί στον διαμορφωτή-ταλαντωτή, διέρχεται από κατάλληλο υψηλοπερατό δικτύωμα και υφίσταται ενίσχυση των υψηλότερων συχνοτήτων του φάσματος. Χρησιμοποιείται για τρεις αλληλένδετους λόγους. Πρώτον, γιατί στο ακουστικό φάσμα οι υψηλές συχνότητες εμφανίζονται συνήθως με μικρό πλάτος, όπως οι ανώτερες αρμονικές ενός μουσικού οργάνου, στις οποίες οφείλεται η μοναδικότητα του ήχου του. Δεύτερον, γιατί τα σήματα μικρού πλάτους και μεγαλύτερης συχνότητας δίνουν μικρό δείκτη διαμόρφωσης. Και τρίτον, γιατί κατά τη μετάδοση επισκιάζονται από τον θόρυβο, ο οποίος είναι ενοχλητικότερος στις υψηλές συχνότητες. Διεθνώς τα όρια της διεργασίας έχουν οριοθετηθεί στις συχνότητες δύο κόμμα ένα κιλοχερτς και τριάντα κιλοχερτς, με κλίση ενίσχυσης έξι ντεσιμπέλ ανά οκτάβα· ισοδύναμα, η προέμφαση ορίζεται μέσω της σταθεράς χρόνου του κυκλώματος και στη ραδιοφωνία FM είναι εβδομήντα πέντε μικροδευτερόλεπτα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 13 — Η αποέμφαση
Ερώτηση: 13. Ποια διεργασία ονομάζεται αποέμφαση;
Απάντηση:
-
Ο ορισμός (σελ. 175): στην πλευρά του δέκτη ένα χαμηλοπερατό φίλτρο (φίλτρο αποέμφασης) αποκαθιστά την αρχική φυσιογνωμία του σήματος.
Η συμπληρωματικότητα με την προέμφαση | | Προέμφαση | Αποέμφαση | |---|---|---| | πού | στον πομπό, πριν τον διαμορφωτή | στον δέκτη, μετά την αποδιαμόρφωση | | φίλτρο | υψηλοπερατό | χαμηλοπερατό | | αποτέλεσμα | ενίσχυση των υψηλών συχνοτήτων | εξασθένηση των υψηλών συχνοτήτων | | σκοπός | προστασία από τον θόρυβο | αποκατάσταση της αρχικής φυσιογνωμίας |
ΠΟΜΠΟΣ ΔΕΚΤΗΣ s(t)─►[προέμφαση]─►[FM] ~~~► [αποδ. FM]─►[αποέμφαση]─►s(t) ╱▔▔ ▔▔╲ +6 dB/oct −6 dB/octΓιατί βελτιώνεται ο λόγος σήματος/θορύβου | # | Βήμα | |---|---| | 1 | στον πομπό οι υψηλές συχνότητες του σήματος ενισχύονται | | 2 | στη διαδρομή προστίθεται θόρυβος, ομοιόμορφα σε όλες τις συχνότητες | | 3 | στον δέκτη η αποέμφαση εξασθενεί τις υψηλές συχνότητες — μαζί με το σήμα εξασθενεί και ο θόρυβος | | 4 | το σήμα επανέρχεται στην αρχική του στάθμη, ενώ ο θόρυβος έχει μειωθεί |
Το αποτέλεσμα (σελ. 175): η διαδικασία προέμφασης/αποέμφασης συνεισφέρει σημαντικά στην καλυτέρευση του λόγου σήματος/θόρυβο στην FM.
Η αντιστοιχία των παραμέτρων: το φίλτρο αποέμφασης πρέπει να είναι ακριβώς συμπληρωματικό — δηλαδή για τη ραδιοφωνία FM με σταθερά χρόνου 75 μs και κλίση −6 dB/οκτάβα από τα 2,1 kHz και πάνω. Αν οι δύο σταθερές δεν συμπίπτουν, το σήμα εξόδου παρουσιάζει παραμόρφωση της τονικής ισορροπίας (πολύ οξύ ή πολύ μπάσο).
Και στην τηλεόραση (σελ. 188): για τον ήχο των τηλεοπτικών εκπομπών η αντίστοιχη σταθερά είναι 50 μs.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Αποέμφαση ονομάζεται η διεργασία που γίνεται στην πλευρά του δέκτη, όπου ένα χαμηλοπερατό φίλτρο, το φίλτρο αποέμφασης, αποκαθιστά την αρχική φυσιογνωμία του σήματος. Είναι δηλαδή η ακριβώς συμπληρωματική διεργασία της προέμφασης: ενώ στον πομπό ένα υψηλοπερατό δικτύωμα ενισχύει τις υψηλές συχνότητες πριν από τη διαμόρφωση, στον δέκτη ένα χαμηλοπερατό τις εξασθενεί μετά την αποδιαμόρφωση, με την ίδια κλίση και την ίδια σταθερά χρόνου. Το όφελος προκύπτει ως εξής: στη διαδρομή προστίθεται θόρυβος ομοιόμορφα σε όλες τις συχνότητες, οπότε, όταν στον δέκτη εξασθενήσουν οι υψηλές συχνότητες, το ωφέλιμο σήμα επανέρχεται στην αρχική του στάθμη ενώ ο θόρυβος μειώνεται. Έτσι, όπως αναφέρει το βιβλίο, η διαδικασία προέμφασης και αποέμφασης συνεισφέρει σημαντικά στην καλυτέρευση του λόγου σήματος προς θόρυβο στην FM. Στη ραδιοφωνία FM η αντίστοιχη σταθερά χρόνου είναι εβδομήντα πέντε μικροδευτερόλεπτα, ενώ για τον ήχο της τηλεόρασης πενήντα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 14 — Το φίλτρο προέμφασης της ραδιοφωνίας FM
Ερώτηση: 14. Να σχεδιαστεί το φίλτρο προέμφασης που χρησιμοποιείται στη ραδιοφωνία FM.
Απάντηση:
-
Το κύκλωμα (Σχ. 5.3.15α, σελ. 174)
┌───── R1 ─────┐ │ │ V1 ───┼───┤├ C ──────┼─── R2 ───┬─── V2 └──────────────┘ │ ────────────────────────────────────── (γείωση)(το R1 συνδέεται παράλληλα με τον πυκνωτή C, και το σύνολο σε σειρά με το R2 που αποτελεί τον διαιρέτη προς την έξοδο)
Η απόκριση (Σχ. 5.3.15β, σελ. 174)
V2/V1 │ ╱▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔ │ ╱ │ ╱ κλίση: 6 dB/οκτάβα 1┤▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔╱ └────────────────────────────────► f F1 F2 1/(2πR1C) 1/(2πR2C) 2,1 kHz 30 kHzΟι σχέσεις (σελ. 174, Εξ. 17)
F1 = 1/(2πR1·C) και F2 = 1/(2πR2·C)Οι τυποποιημένες τιμές (σελ. 174-175) | Παράμετρος | Τιμή | |---|---| | κάτω συχνότητα F1 | 2,1 kHz | | πάνω συχνότητα F2 | 30 kHz — το πάνω όριο των 30 kHz είναι εκτός ακουστικού φάσματος | | κλίση | 6 dB/οκτάβα | | σταθερά χρόνου τ | 75 μs |
Η σημασία της οκτάβας (σελ. 174): Οκτάβα = διπλασιασμός της συχνότητας. Τα 6 dB αντιστοιχούν σε διπλασιασμό της τάσης του σήματος.
Ο υπολογισμός της σταθεράς χρόνου (σελ. 175)
τ = R1·C = 1/(2πF1) = 1/(2 × 3,14 × 2,1 × 10³) = 75 × 10⁻⁶ s = 75 μsΠαράδειγμα τιμών εξαρτημάτων: με C = 10 nF
R1 = τ/C = 75 × 10⁻⁶/10⁻⁸ = 7,5 kΩ R2 = 1/(2πF2·C) = 1/(2π × 3 × 10⁴ × 10⁻⁸) = 530 ΩΗ ερμηνεία της λειτουργίας | Περιοχή | Συμπεριφορά του πυκνωτή | Απόκριση | |---|---|---| | f < F1 | ανοικτό κύκλωμα — υπερισχύει η R1 | επίπεδη | | F1 < f < F2 | αρχίζει να βραχυκυκλώνει την R1 | άνοδος 6 dB/οκτάβα | | f > F2 | βραχυκύκλωμα — μένει μόνο η R2 | επίπεδη ξανά |
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το φίλτρο προέμφασης της ραδιοφωνίας FM είναι ένα απλό δικτύωμα R-C: μια αντίσταση R1 συνδέεται παράλληλα με πυκνωτή C, και το σύνολο σε σειρά με δεύτερη αντίσταση R2 προς την έξοδο. Η απόκρισή του είναι επίπεδη ως τη συχνότητα F1, ανέρχεται με κλίση έξι ντεσιμπέλ ανά οκτάβα μεταξύ F1 και F2, και γίνεται πάλι επίπεδη πάνω από την F2. Οι δύο συχνότητες δίνονται από τις σχέσεις ένα διά δύο π R1 C και ένα διά δύο π R2 C αντίστοιχα, ενώ διεθνώς έχουν οριοθετηθεί στα δύο κόμμα ένα κιλοχερτς και στα τριάντα κιλοχερτς, με το πάνω όριο να βρίσκεται εκτός ακουστικού φάσματος. Η οκτάβα σημαίνει διπλασιασμό της συχνότητας και τα έξι ντεσιμπέλ αντιστοιχούν σε διπλασιασμό της τάσης του σήματος. Ισοδύναμα, η προέμφαση ορίζεται μέσω της σταθεράς χρόνου του κυκλώματος, η οποία για τη ραδιοφωνία FM είναι εβδομήντα πέντε μικροδευτερόλεπτα. Λειτουργικά, σε χαμηλές συχνότητες ο πυκνωτής συμπεριφέρεται ως ανοικτό κύκλωμα, ενώ σε υψηλές βραχυκυκλώνει την πρώτη αντίσταση, ανεβάζοντας το κέρδος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 15 — Στάδιο ισχύος μετά από διαμόρφωση AM
Ερώτηση: 15. Τι στάδιο ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί μετά από διαμόρφωση AM; Να σχολιαστεί η απάντηση.
Απάντηση:
-
Ο κανόνας (σελ. 180): στην περίπτωση των διαμορφώσεων πλάτους, απαιτείται γραμμικός ενισχυτής (linear amplifier). Στο γραμμικό ενισχυτή το σήμα εξόδου είναι ενισχυμένο, αλλά πιστό αντίγραφο του σήματος εισόδου. Έτσι, δεν αλλοιώνεται η περιβάλλουσα του σήματος που μεταφέρει την πληροφορία.
Η ρητή διατύπωση (σελ. 168): πρέπει να σημειώσουμε με έμφαση ότι, αν μετά τη διαμόρφωση του φέροντος κατά πλάτος ακολουθήσει στάδιο ενίσχυσης του διαμορφωμένου σήματος, πρέπει να είναι γραμμικός ενισχυτής τάξης Α, που δεν εισάγει παραμορφώσεις πλάτους (διότι θα επηρέαζαν την πληροφορία) και σέβεται πλήρως το φάσμα του διαμορφωμένου φέροντος.
Οι δύο επιλογές (σελ. 180): οι γραμμικοί ενισχυτές σχεδιάζονται είτε με ένα τρανζίστορ σε τάξη λειτουργίας Α είτε με δομή push-pull με δύο τρανζίστορς σε τάξη λειτουργίας Β ή ΑΒ. | Επιλογή | Απόδοση | Παρατήρηση | |---|---|---| | τάξη Α | μικρότερη του 30% (σελ. 181) | χρησιμοποιούνται περισσότερο ως προενισχυτές (Buffer amplifiers) ή ως ενισχυτές χαμηλής σχετικά ισχύος | | push-pull Β/ΑΒ | θεωρητικά 78%· στην πράξη περίπου 60% (σελ. 183) | χρησιμοποιείται για την κατασκευή γραμμικών ενισχυτών στη ζώνη 1-30 MHz για σήματα AM και SSB |
Ο λόγος του περιορισμού: στην AM η πληροφορία βρίσκεται στην περιβάλλουσα — δηλαδή στο πλάτος. Ένας μη γραμμικός ενισχυτής (τάξης C) θα αποκόψει τις κορυφές και θα παραμορφώσει την περιβάλλουσα, καταστρέφοντας την πληροφορία.
ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ (Α): ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ (C): ╱▔╲ ╱▔╲ ▔▔▔ ▔▔▔ ← κορυφές αποκομμένες ╱ ╲╱ ╲ ╱ ╲╱ ╲ περιβάλλουσα ✓ περιβάλλουσα ✗Η εναλλακτική διάταξη (σελ. 168): αν δεν θέλουμε ξεχωριστό γραμμικό στάδιο, μπορούμε να συνδυάσουμε τη διαμόρφωση με την ενίσχυση σε έναν ενισχυτή τάξης C, εφαρμόζοντας το σήμα σε σειρά με την τάση τροφοδοσίας: η αξιοποίηση αυτού του κυκλώματος συνδυάζει τη διαμόρφωση με το τελικό στάδιο ενίσχυσης και χρησιμοποιείται συχνά. Τότε όμως δεν υπάρχει στάδιο μετά τη διαμόρφωση.
Η προσαρμογή (σελ. 180): για τη μέγιστη μεταφορά ισχύος στην αντίσταση φόρτου (κεραία), απαιτείται προσαρμογή (matching) με την αντίσταση εξόδου του ενισχυτή.
Η ανακεφαλαίωση (σελ. 197): το στάδιο ισχύος, μετά τη διαμόρφωση AM και SSBsc, πρέπει οπωσδήποτε να είναι γραμμικός ενισχυτής τάξης Α η δομής push-pull.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Μετά από διαμόρφωση AM απαιτείται οπωσδήποτε γραμμικός ενισχυτής, δηλαδή είτε ένα τρανζίστορ σε τάξη λειτουργίας Α είτε δομή push-pull με δύο τρανζίστορ σε τάξη Β ή ΑΒ. Ο λόγος είναι ότι στον γραμμικό ενισχυτή το σήμα εξόδου είναι ενισχυμένο αλλά πιστό αντίγραφο του σήματος εισόδου, οπότε δεν αλλοιώνεται η περιβάλλουσα του σήματος, στην οποία ακριβώς βρίσκεται η πληροφορία στη διαμόρφωση πλάτους. Ένας μη γραμμικός ενισχυτής, όπως ο τάξης C, θα αποκόψει τις κορυφές και θα παραμορφώσει την περιβάλλουσα, καταστρέφοντας την πληροφορία. Ως προς την απόδοση, ο ενισχυτής τάξης Α έχει απόδοση μικρότερη του τριάντα τοις εκατό και χρησιμοποιείται περισσότερο ως προενισχυτής ή για χαμηλή ισχύ, ενώ η διάταξη push-pull φτάνει θεωρητικά το εβδομήντα οκτώ και πρακτικά περίπου το εξήντα τοις εκατό και χρησιμοποιείται για γραμμικούς ενισχυτές στη ζώνη ενός έως τριάντα μεγαχερτς. Εναλλακτικά, η διαμόρφωση μπορεί να γίνει μέσα στον ίδιο τον ενισχυτή τάξης C, οπότε δεν υπάρχει στάδιο μετά τη διαμόρφωση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 16 — Στάδιο ισχύος μετά από διαμόρφωση SSB
Ερώτηση: 16. Τι στάδιο ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί μετά από διαμόρφωση SSB; Να σχολιαστεί η απάντηση.
Απάντηση:
-
Η απάντηση (σελ. 197, ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ): το στάδιο ισχύος, μετά τη διαμόρφωση AM και SSBsc, πρέπει οπωσδήποτε να είναι γραμμικός ενισχυτής τάξης Α η δομής push-pull.
Ο λόγος (σελ. 180): στην περίπτωση των διαμορφώσεων πλάτους, απαιτείται γραμμικός ενισχυτής (linear amplifier) — και η SSB είναι διαμόρφωση πλάτους: κατά το κεφ. 3, στην SSBsc εκπέμπεται η μια πλευρική ζώνη της AM, δηλαδή η πληροφορία εξακολουθεί να βρίσκεται στο πλάτος.
Η ρητή αναφορά για τη ζώνη 1-30 MHz (σελ. 183): η διάταξη push-pull χρησιμοποιείται για την κατασκευή γραμμικών ενισχυτών στη ζώνη 1-30 MHz για σήματα AM και SSB.
Γιατί ειδικά η push-pull για SSB | # | Πλεονέκτημα | |---|---| | 1 | η απόδοση των ενισχυτών push-pull θεωρητικά ανέρχεται στο 78%. Στην πράξη είναι περίπου 60% (σελ. 183) — πολύ καλύτερη από το <30% της τάξης Α | | 2 | στην είσοδο και την έξοδο… χρησιμοποιούνται τοροειδείς μετασχηματιστές υψηλών συχνοτήτων… οι οποίοι εξασφαλίζουν και την προσαρμογή με τις αντιστάσεις εισόδου και φόρτου (σελ. 182-183) | | 3 | το γεγονός ότι δεν υπάρχουν συντονιζόμενα κυκλώματα είναι σημαντικό, διότι ο ενισχυτής εργάζεται σε ευρεία ζώνη συχνοτήτων (σελ. 183) — κρίσιμο για πομποδέκτες SSB που αλλάζουν συχνότητα |
Η προσοχή στην πόλωση (σελ. 182): μερικές φορές στα ασθενή ρεύματα, όταν η χαρακτηριστική των τρανζίστορς δεν είναι γραμμική, αντί πόλωσης Β χρησιμοποιείται πόλωση ΑΒ (δηλαδή τα τρανζίστορς πολώνονται, ώστε να έχουν μικρό ρεύμα ηρεμίας και αγωγή για γωνία μεγαλύτερη των 180°). Αποφεύγεται έτσι η παραμόρφωση διασταύρωσης, που εμφανίζεται στις εναλλαγές των ημιπεριόδων. Η σημασία για την SSB: στη SSB δεν υπάρχει φέρον, άρα σε παύσεις της ομιλίας το σήμα είναι μηδενικό και το πλάτος περνά συνεχώς από πολύ μικρές τιμές — ακριβώς εκεί που εμφανίζεται η παραμόρφωση διασταύρωσης. Γι' αυτό η πόλωση ΑΒ είναι η προτιμότερη.
Οι σύγχρονες υλοποιήσεις (σελ. 183): αντί διπολικών τρανζίστορς, χρησιμοποιούνται σήμερα ευρύτατα και τρανζίστορς πεδίου (MOSFETs) μεγάλης ισχύος.
Το κόστος της μη γραμμικότητας: αν χρησιμοποιούσαμε τάξη C, οι μη γραμμικότητες θα δημιουργούσαν προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης που θα διέρρεαν στα γειτονικά κανάλια — απαράδεκτο στην πυκνή κατανομή διαύλων που περιγράφει το βιβλίο (σελ. 140).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Και μετά από διαμόρφωση SSB απαιτείται οπωσδήποτε γραμμικός ενισχυτής, τάξης Α ή δομής push-pull με πόλωση Β ή ΑΒ, όπως ρητά αναφέρει η ανακεφαλαίωση του κεφαλαίου. Ο λόγος είναι ότι η SSB είναι διαμόρφωση πλάτους: εκπέμπεται η μία πλευρική ζώνη της AM, οπότε η πληροφορία εξακολουθεί να βρίσκεται στο πλάτος και κάθε παραμόρφωση πλάτους θα την αλλοίωνε. Το βιβλίο αναφέρει μάλιστα ρητά ότι η διάταξη push-pull χρησιμοποιείται για την κατασκευή γραμμικών ενισχυτών στη ζώνη ενός έως τριάντα μεγαχερτς για σήματα AM και SSB. Η επιλογή της push-pull έχει τρία πλεονεκτήματα: απόδοση θεωρητικά εβδομήντα οκτώ και πρακτικά περίπου εξήντα τοις εκατό, προσαρμογή μέσω τοροειδών μετασχηματιστών υψηλών συχνοτήτων, και λειτουργία σε ευρεία ζώνη συχνοτήτων αφού δεν υπάρχουν συντονιζόμενα κυκλώματα. Στα ασθενή ρεύματα προτιμάται πόλωση ΑΒ αντί Β, ώστε να αποφευχθεί η παραμόρφωση διασταύρωσης, κάτι ιδιαίτερα σημαντικό στη SSB όπου, ελλείψει φέροντος, το σήμα περνά συνεχώς από πολύ μικρές τιμές.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 17 — Στάδιο ισχύος σε διαμόρφωση FM
Ερώτηση: 17. Τι στάδιο ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ενίσχυση του φέροντος στην περίπτωση διαμόρφωσης FM; Να σχολιαστεί η απάντηση.
Απάντηση:
-
Ο κανόνας (σελ. 180): στη διαμόρφωση συχνότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί μη γραμμικός ενισχυτής σε τάξη λειτουργίας C που έχει μεγαλύτερη απόδοση ισχύος.
Ο λόγος: στην FM η πληροφορία βρίσκεται στη συχνότητα, όχι στο πλάτος. Άρα μια παραμόρφωση πλάτους — που ένας ενισχυτής τάξης C αναπόφευκτα εισάγει — δεν αλλοιώνει την πληροφορία.
FM: ∿∿ ∿ ∿ ∿ ∿∿∿∿ ← η πληροφορία στην πυκνότητα των κύκλων σταθερό πλάτος → η αποκοπή κορυφών δεν πειράζειΟ ενισχυτής τάξης C (σελ. 183): στον ενισχυτή τάξης λειτουργίας C η γωνία αγωγής του τρανζίστορ είναι μικρότερη από 180°. Το τρανζίστορ σε ημιτονική διέγερση άγει μόνο στις κορυφές των θετικών ημιπεριόδων. Η αποκατάσταση της κυματομορφής (σελ. 184): στην έξοδο του ενισχυτή υπάρχει πάντοτε συντονιζόμενο κύκλωμα L-C στη συχνότητα λειτουργίας fο (φίλτρο προσαρμογής), που αποκαθιστά τη φυσιογνωμία του ημιτονικού φέροντος με πλάτος περίπου ίσο με την τάση τροφοδοσίας, απορρίπτοντας τις υψηλές αρμονικές που εμφανίζονται λόγω της μη συνεχούς λειτουργίας του τρανζίστορ.
Το κρίσιμο πλεονέκτημα (σελ. 184): οι ενισχυτές τάξης C έχουν υψηλή απόδοση, που φτάνει έως και 80%. | Τάξη | Απόδοση | |---|---| | Α | < 30% | | push-pull Β/ΑΒ | ~60% (θεωρητικά 78%) | | C | έως 80% |
Η πόλωση (σελ. 183): η αρνητική πόλωση του τρανζίστορ επιτυγχάνεται είτε με τη χρήση εξωτερικής πηγής είτε με κύκλωμα αυτοπόλωσης R-C, που τοποθετείται στον εκπομπό του τρανζίστορ. Όταν το τρανζίστορ άγει, ο πυκνωτής φορτίζεται. Όταν το τρανζίστορ δεν άγει ο πυκνωτής εκφορτίζεται μέσω της αντίστασης R.
Η γενική συνθήκη που πρέπει πάντοτε να ισχύει (σελ. 184): σε κάθε περίπτωση το φίλτρο εξόδου τόσο στους γραμμικούς ενισχυτές όσο και στους ενισχυτές τάξης C πρέπει να διαθέτει το απαραίτητο εύρος ζώνης που απαιτείται, ώστε όλο το φάσμα του διαμορφωμένου φέροντος να διέρχεται χωρίς υποβιβασμό. Δηλαδή, πάντοτε πρέπει να ισχύει: «Εύρος ζώνης ενισχυτή (RF)» > «Εύρος φασματικής ζώνης του διαμορφωμένου φέροντος».
Η ανακεφαλαίωση (σελ. 197): στη διαμόρφωση FM συνήθως το τελικό στάδιο είναι ενισχυτής ισχύος σε τάξη λειτουργίας C. Ο ενισχυτής τάξης C χαρακτηρίζεται από μεγάλη απόδοση ισχύος.
Η πρακτική σημασία της απόδοσης: για 1 kW εκπεμπόμενης ισχύος, ένας ενισχυτής τάξης Α (30%) θα κατανάλωνε 3,3 kW και θα απέβαλλε 2,3 kW ως θερμότητα· ένας τάξης C (80%) καταναλώνει 1,25 kW και αποβάλλει μόλις 0,25 kW.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στην περίπτωση της διαμόρφωσης FM μπορεί να χρησιμοποιηθεί μη γραμμικός ενισχυτής σε τάξη λειτουργίας C, ο οποίος έχει μεγαλύτερη απόδοση ισχύος. Ο λόγος είναι ότι στην FM η πληροφορία βρίσκεται στη συχνότητα και όχι στο πλάτος, οπότε οι παραμορφώσεις πλάτους που εισάγει ένας ενισχυτής τάξης C δεν αλλοιώνουν την πληροφορία. Στον ενισχυτή τάξης C η γωνία αγωγής είναι μικρότερη των εκατόν ογδόντα μοιρών και το τρανζίστορ άγει μόνο στις κορυφές των θετικών ημιπεριόδων· στην έξοδο υπάρχει πάντοτε συντονιζόμενο κύκλωμα L-C στη συχνότητα λειτουργίας, το οποίο αποκαθιστά την ημιτονική φυσιογνωμία του φέροντος απορρίπτοντας τις αρμονικές. Το κρίσιμο πλεονέκτημα είναι η υψηλή απόδοση, που φτάνει έως και ογδόντα τοις εκατό, έναντι λιγότερο από τριάντα τοις εκατό της τάξης Α. Σε κάθε περίπτωση πάντως πρέπει να ισχύει ότι το εύρος ζώνης του ενισχυτή είναι μεγαλύτερο από το εύρος της φασματικής ζώνης του διαμορφωμένου φέροντος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 18 — Ο ενισχυτής τάξης C ως πολλαπλασιαστής συχνότητας
Ερώτηση: 18. Να σχολιαστεί πώς ένας ενισχυτής σε τάξη λειτουργίας C μπορεί να αξιοποιηθεί ως στάδιο πολλαπλασιασμού συχνότητας.
Απάντηση:
-
Η αρχή (σελ. 184): άλλη αξιοσημείωτη εφαρμογή των ενισχυτών τάξης C είναι η χρησιμοποίησή τους ως διατάξεων πολλαπλασιασμού της συχνότητας. Πράγματι, αν το επιλεκτικό κύκλωμα στην έξοδο του ενισχυτή έχει συχνότητα συντονισμού πολλαπλάσια της συχνότητας (fο) του σήματος εισόδου, ενισχύει την αντίστοιχη αρμονική του απορρίπτοντας τις υπόλοιπες. Έτσι, στην έξοδο του αντίστοιχου σταδίου έχουμε φέρον συχνότητας 2fo, 3fo, 4fο κ.λ.π.
Ο μηχανισμός βήμα-βήμα | # | Βήμα | |---|---| | 1 | στην τάξη C η γωνία αγωγής του τρανζίστορ είναι μικρότερη από 180° (σελ. 183) — το ρεύμα συλλέκτη είναι σειρά στενών παλμών | | 2 | ένα παλμικό περιοδικό σήμα περιόδου T = 1/fo έχει πλούσιο αρμονικό περιεχόμενο: fo, 2fo, 3fo, 4fo, … | | 3 | το συντονιζόμενο κύκλωμα εξόδου επιλέγει μία από αυτές — ενισχύει την αντίστοιχη αρμονική… απορρίπτοντας τις υπόλοιπες | | 4 | η έξοδος είναι καθαρό ημίτονο στη νέα συχνότητα |
είσοδος fo: ∿∿∿∿∿∿∿∿ ρεύμα IC: ▮ ▮ ▮ ▮ ← στενοί παλμοί (τάξη C) φάσμα IC: │ │ │ │ │ ← fo, 2fo, 3fo, 4fo… φίλτρο L-C συντονισμένο στα 3fo έξοδος: ∿∿∿∿∿∿∿∿∿∿∿∿ ← καθαρό ημίτονο 3foΗ κλιμάκωση σε στάδια (Σχ. 5.5.7, σελ. 185)
E1(t) ──►[B1]──►[B2 φίλτρο n1·fo]──►[B3 φίλτρο n1·n2·fo]──► E(t) (fo) L1,C1 L2,C2Με δύο στάδια πολλαπλασιασμού n1 και n2 προκύπτει συνολικά n1·n2·fo — έτσι μια χαμηλή, σταθερή συχνότητα κρυστάλλου γίνεται υψηλή συχνότητα εκπομπής.
Γιατί είναι χρήσιμο (σελ. 158): γύρω από την κεραία εκπομπής έχουμε συνήθως πολύ μεγάλη ισχύ ηλεκτρομαγνητικού σήματος, που επηρεάζει όλο τον εξοπλισμό, δημιουργώντας αναδράσεις στα χαμηλής ισχύος ευαίσθητα τμήματα του εξοπλισμού — ο πολλαπλασιασμός επιτρέπει ο ταλαντωτής να δουλεύει σε διαφορετική (χαμηλότερη) συχνότητα από την εκπεμπόμενη. Το δεύτερο όφελος: οι κρύσταλλοι κατασκευάζονται με μεγάλη ακρίβεια σε σχετικά χαμηλές συχνότητες — ο πολλαπλασιασμός ανεβάζει τη συχνότητα διατηρώντας τη σταθερότητα του κρυστάλλου.
Η ιδιαιτερότητα στην FM: ο πολλαπλασιασμός συχνότητας πολλαπλασιάζει και την απόκλιση Δf — αν το φέρον γίνει n φορές μεγαλύτερο, το ίδιο γίνεται και το Δfmax, άρα αυξάνεται και ο δείκτης διαμόρφωσης mf. Αυτό αξιοποιείται για να επιτευχθεί μεγάλη απόκλιση από μικρή αρχική απόκλιση.
Ο περιορισμός (σελ. 184): σε κάθε περίπτωση, το φίλτρο εξόδου… πρέπει να διαθέτει το απαραίτητο εύρος ζώνης… ώστε όλο το φάσμα του διαμορφωμένου φέροντος να διέρχεται χωρίς υποβιβασμό.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένας ενισχυτής τάξης C μπορεί να αξιοποιηθεί ως στάδιο πολλαπλασιασμού συχνότητας αν το επιλεκτικό κύκλωμα στην έξοδό του συντονιστεί σε συχνότητα πολλαπλάσια της συχνότητας του σήματος εισόδου: τότε ενισχύει την αντίστοιχη αρμονική απορρίπτοντας τις υπόλοιπες, οπότε στην έξοδο έχουμε φέρον διπλάσιας, τριπλάσιας, τετραπλάσιας και ούτω καθεξής συχνότητας. Ο μηχανισμός στηρίζεται στο ότι, επειδή στην τάξη C η γωνία αγωγής είναι μικρότερη των εκατόν ογδόντα μοιρών, το ρεύμα του συλλέκτη είναι σειρά στενών παλμών, η οποία έχει πλούσιο αρμονικό περιεχόμενο· το συντονιζόμενο κύκλωμα εξόδου επιλέγει μία αρμονική και δίνει καθαρό ημίτονο σε αυτήν. Με διαδοχικά στάδια, ο συνολικός συντελεστής είναι το γινόμενο των επιμέρους. Η χρησιμότητα είναι διπλή: αφενός επιτρέπει στον ταλαντωτή να λειτουργεί σε διαφορετική συχνότητα από την εκπεμπόμενη, ώστε το ισχυρό πεδίο της κεραίας να μην δημιουργεί αναδράσεις, και αφετέρου επιτρέπει να ανέβει η συχνότητα διατηρώντας τη σταθερότητα ενός κρυστάλλου χαμηλότερης συχνότητας.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 19 — Ο στερεοφωνικός κωδικοποιητής
Ερώτηση: 19. Να σχεδιαστεί το δομικό διάγραμμα του στερεοφωνικού κωδικοποιητή. Να σχολιαστεί η λειτουργία του.
Απάντηση:
-
Το διάγραμμα (Σχ. 5.4.1, σελ. 177)
α(t) ─┬──►(+)(+)──► s1(t) = α(t)+δ(t) ─────────────┐ │ ▼ │ (+)(+)──► s(t) ──►[Διαμορφωτής │ ▲ FM / VCO] δ(t) ─┼──►(+)(−)──► s2(t) = α(t)−δ(t) ──►[Χ]──► s2΄(t) │ ▲ ▲ └────────────────────────────────────┘ │ 38 kHz ──► 19 kHz (πιλότος)Το πρόβλημα (σελ. 176): τα δύο ακουστικά σήματα καταλαμβάνουν την ίδια φασματική ζώνη από μερικά Hz έως 15 kHz. Πρέπει λοιπόν να προετοιμαστούν κατάλληλα και να μεταδοθούν με τρόπο, που ο στερεοφωνικός δέκτης FM να καταφέρει να τα διαχωρίσει εκ νέου, ενώ ταυτόχρονα πρέπει να εξασφαλιστεί η συμβατότητα μιας στερεοφωνικής εκπομπής με τον απλό μονοφωνικό δέκτη.
Τα βήματα της λειτουργίας | # | Βήμα | Διατύπωση του βιβλίου | |---|---|---| | 1 | μίξη | αρχικά γίνεται μίξη των δύο σημάτων α(t) και δ(t) και δημιουργούνται δύο νέα σήματα: s1(t) = α(t) + δ(t) και s2(t) = α(t) − δ(t) (18) | | 2 | DSBsc | με διαμόρφωση DSBsc ενός υποφέροντος σήματος 38 kHz μετατοπίζεται η φασματική ζώνη του s2(t) και προκύπτει σήμα s2΄(t) | | 3 | άθροιση | το αποτέλεσμα s(t) = s1(t) + s2΄(t) στην έξοδο του προσθετή είναι το σήμα διαμόρφωσης, το οποίο θα διαμορφώσει κατά συχνότητα το τελικό φέρον | | 4 | πιλότος | στο φάσμα του σήματος s(t) ενσωματώνεται και φασματική ακτίνα 19 kHz (από την οποία δημιουργήθηκε υψώνοντας στο τετράγωνο το υποφέρον των 38 kHz) |
Το τελικό φάσμα (Σχ. 5.4.2, σελ. 177)
│▂▂▂▂▂▂▂▂▂ │ ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ │ s1 │ │ s2΄ │ └──────────────┴────────┴──────────────────┴──► f 0 15 kHz 19 kHz 23 kHz 38 53 kHz (πιλότος) (kHz)Ο ρόλος του πιλότου (σελ. 177): στο δέκτη η συχνότητα 19 kHz θα χρησιμοποιηθεί ως αναφορά για την αναγέννηση του υποφέροντος των 38 kHz, που είναι απαραίτητο για την αποδιαμόρφωση DSB.
Η συμβατότητα (σελ. 179): ένας απλός μονοφωνικός δέκτης ο οποίος δε διαθέτει στερεοφωνικό αποκωδικοποιητή αποδίδει στην έξοδο μόνο το σήμα s1(t) = a(t) + δ(t), δηλαδή το προσθετικό αποτέλεσμα της μίξης της αριστερής και δεξιάς πηγής — δηλαδή ακούει κανονικά και τις δύο πηγές, μονοφωνικά.
Το εύρος ζώνης (σελ. 179): η φασματική ζώνη του σήματος που προέκυψε στην έξοδο του στερεοφωνικού κωδικοποιητή… είναι: (20 Hz - 53 kHz). Άρα από τον τύπο του Carson προκύπτει ότι το φασματικό εύρος μιας στερεοφωνικής εκπομπής FM είναι: Β = 2·(53 + 75) = 256 kHz.
Η υλοποίηση (σελ. 179): σήμερα τις διατάξεις του στερεοφωνικού κωδικοποιητή και αποκωδικοποιητή τις συναντούμε και υπό μορφή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο στερεοφωνικός κωδικοποιητής δέχεται το αριστερό και το δεξί ακουστικό σήμα και λειτουργεί σε τέσσερα βήματα. Πρώτον, γίνεται μίξη των δύο σημάτων και δημιουργούνται δύο νέα, το άθροισμα και η διαφορά τους, με τις ίδιες φασματικές ζώνες, δηλαδή ως δεκαπέντε κιλοχερτς. Δεύτερον, το σήμα της διαφοράς διαμορφώνει κατά DSBsc ένα υποφέρον τριάντα οκτώ κιλοχερτς, οπότε η ζώνη του μετατοπίζεται στα είκοσι τρία ως πενήντα τρία κιλοχερτς. Τρίτον, τα δύο σήματα προστίθενται και δίνουν το τελικό σήμα διαμόρφωσης, το οποίο θα διαμορφώσει κατά συχνότητα το φέρον. Και τέταρτον, στο φάσμα ενσωματώνεται πιλοτική ακτίνα δεκαεννέα κιλοχερτς, από την οποία δημιουργήθηκε το υποφέρον, και η οποία στον δέκτη θα χρησιμεύσει ως αναφορά για την αναγέννηση του υποφέροντος. Η συμβατότητα εξασφαλίζεται επειδή ένας απλός μονοφωνικός δέκτης αποδίδει μόνο το σήμα του αθροίσματος, δηλαδή τη μίξη και των δύο πηγών. Η συνολική ζώνη είναι είκοσι χερτς ως πενήντα τρία κιλοχερτς και το εύρος εκπομπής, κατά Carson, διακόσια πενήντα έξι κιλοχερτς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 20 — Ο στερεοφωνικός αποκωδικοποιητής
Ερώτηση: 20. Να σχεδιαστεί το δομικό διάγραμμα του στερεοφωνικού αποκωδικοποιητή. Να σχολιαστεί η λειτουργία του.
Απάντηση:
-
Το διάγραμμα (Σχ. 5.4.3, σελ. 178)
┌───────── ΣΤΕΡΕΟΦΩΝΙΚΟΣ ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ ─────────┐ │ │ [Β]──►[Αποδιαμορφωτής FM]──► s(t) ─┬──►[ΧΠ <15 kHz]──► s1(t) ─┬─►(+)(+)──► α(t) │ │ │ │ ├──►[ΖΠ 23-53 kHz]──► s2΄(t)│ │ │ │ │ │ │ [αποδιαμορφωτής DSB]──► s2(t) ─►(+)(−)──► δ(t) │ │ ▲ │ │ └──►[19 kHz]──►(×2)──► 38 kHz └───────────────────────────────────────────────────┘Η λειτουργία (σελ. 177-178): στη λήψη μετά την αποδιαμόρφωση FM του φέροντος με κατάλληλα φίλτρα ζώνης θα διαχωριστούν τα σήματα s1(t) και s2΄(t). To s2΄(t) θα υποστεί αποδιαμόρφωση DSB από όπου θα προκύψει το σήμα s2(t). Στη συνέχεια προσθέτοντας και αφαιρώντας τα σήματα s1(t) και s2(t), θα προκύψουν τα αρχικά σήματα α(t) και δ(t).
Τα βήματα | # | Βήμα | |---|---| | 1 | αποδιαμόρφωση FM του φέροντος → ανακτάται το σύνθετο s(t) | | 2 | φίλτρα ζώνης διαχωρίζουν το s1(t) (<15 kHz) από το s2΄(t) (23<f<53 kHz) | | 3 | ανάκτηση του πιλότου 19 kHz και διπλασιασμός του → υποφέρον 38 kHz | | 4 | αποδιαμόρφωση DSB του s2΄(t) με το αναγεννημένο υποφέρον → s2(t) | | 5 | άθροιση και αφαίρεση: s1 + s2 = 2α(t) και s1 − s2 = 2δ(t) |
Η μαθηματική επαλήθευση του βήματος 5
s1 = α + δ s2 = α − δ s1 + s2 = 2α → α(t) s1 − s2 = 2δ → δ(t)Γιατί χρειάζεται ο πιλότος (σελ. 177): στο δέκτη η συχνότητα 19 kHz θα χρησιμοποιηθεί ως αναφορά για την αναγέννηση του υποφέροντος των 38 kHz, που είναι απαραίτητο για την αποδιαμόρφωση DSB — αφού στη DSBsc το υποφέρον δεν εκπέμπεται. Γιατί στα 19 και όχι στα 38 kHz: το 19 kHz βρίσκεται σε κενή περιοχή του φάσματος (ανάμεσα στα 15 και στα 23 kHz), ενώ τα 38 kHz πέφτουν μέσα στη ζώνη του s2΄ — θα παρεμβαλλόταν στην πληροφορία.
Η οριοθέτηση (σελ. 178): το τμήμα του δέκτη μέσα στη διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα 5.4.3 ονομάζεται αποκωδικοποιητής stereo.
Η συμβατότητα (σελ. 179): από το σχήμα διαπιστώνεται αμέσως ότι ένας απλός μονοφωνικός δέκτης ο οποίος δε διαθέτει στερεοφωνικό αποκωδικοποιητή αποδίδει στην έξοδο μόνο το σήμα s1(t) = a(t) + δ(t) — αρκεί δηλαδή ο χαμηλοπερατός κλάδος.
Η υλοποίηση (σελ. 179): σήμερα τις διατάξεις του στερεοφωνικού κωδικοποιητή και αποκωδικοποιητή τις συναντούμε και υπό μορφή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο στερεοφωνικός αποκωδικοποιητής βρίσκεται στον δέκτη, μετά τον αποδιαμορφωτή FM, και λειτουργεί σε πέντε βήματα. Πρώτον, μετά την αποδιαμόρφωση FM ανακτάται το σύνθετο σήμα. Δεύτερον, με κατάλληλα φίλτρα ζώνης διαχωρίζονται το σήμα του αθροίσματος, που βρίσκεται κάτω από τα δεκαπέντε κιλοχερτς, και το διαμορφωμένο σήμα της διαφοράς, που βρίσκεται από τα είκοσι τρία ως τα πενήντα τρία κιλοχερτς. Τρίτον, ανακτάται ο πιλότος των δεκαεννέα κιλοχερτς και, με διπλασιασμό της συχνότητάς του, αναγεννάται το υποφέρον των τριάντα οκτώ κιλοχερτς, το οποίο είναι απαραίτητο για την αποδιαμόρφωση αφού στη DSBsc δεν εκπέμπεται. Τέταρτον, γίνεται αποδιαμόρφωση DSB και προκύπτει το σήμα της διαφοράς. Και πέμπτον, προσθέτοντας και αφαιρώντας τα σήματα αθροίσματος και διαφοράς προκύπτουν τα αρχικά αριστερό και δεξί σήμα. Ο πιλότος τοποθετείται στα δεκαεννέα και όχι στα τριάντα οκτώ κιλοχερτς γιατί εκεί το φάσμα είναι κενό.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 21 — Η διαμόρφωση VSB
Ερώτηση: 21. Τι ονομάζουμε διαμόρφωση VSB; Να σχολιαστεί γιατί και πού χρησιμοποιείται;
Απάντηση:
-
Ο ορισμός (σελ. 178): η διαμόρφωση υποβαθμισμένης πλευρικής ζώνης, γνωστότερη με τον αγγλικό όρο VSB (Vestigial Side Band modulation), θεωρείται παράγωγη της κλασικής διαμόρφωσης AM με φέρον.
Το φασματικό αποτέλεσμα (σελ. 179): το φασματικό αποτέλεσμα είναι η επιλογή της πάνω πλευρικής ζώνης και υποβαθμισμένου τμήματος της κάτω πλευρικής. Το φάσμα αυτό εξασφαλίζεται με ειδικό φίλτρο… γνωστού με το όνομα φίλτρο Νίκουιστ (Niquist).
πλάτος │ ╱▔▔│▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔╲ │ ╱ │ ╲ │ ╱ │ ╲ └──────────────────────────────► f fo−fN fo fo+fN |←────── 6 MHz ──────────→|Η ανάλυση της μορφής (σελ. 179): παρατηρώντας το σχήμα διαπιστώνουμε ότι για τις συχνότητες f > fo + Fn έχουμε ουσιαστικά διαμόρφωση SSB. Για τις συχνότητες fo − FN < f < fo + FN η διαμόρφωση είναι διπλής ζώνης με άνισες πλευρικές, των οποίων το άθροισμα είναι σταθερό.
Γιατί χρησιμοποιείται (σελ. 178): εφαρμόζεται στην περίπτωση που το σήμα διαμόρφωσης s(t) έχει ευρύ φάσμα που εκτείνεται από 0 Hz έως και μερικά ΜΗz. Είναι η περίπτωση του φάσματος Video ή τηλεοπτικού φάσματος από 0 Ηz έως 5 ΜΗz με βάση τις θεσμοθετημένες διεθνώς προδιαγραφές. | Εναλλακτική | Γιατί απορρίπτεται | |---|---| | AM | θα απαιτούσε μεγάλο εύρος ζώνης (διπλάσιο, δηλαδή 10 ΜΗz) | | SSBsc | είναι ουσιαστικά αδύνατη η αξιοποίηση διαμόρφωσης SSBsc, γιατί καθώς η συχνότητα του φέροντος είναι πολύ μεγάλη και οι πλευρικές ζώνες εφάπτονται μεταξύ τους, ο διαχωρισμός τους με φίλτρα είναι πρακτικά αδύνατος | | VSB | συμβιβασμός — περίπου 6 ΜΗz αντί για 10 |
Πού χρησιμοποιείται (σελ. 179): υιοθετήθηκε λοιπόν για τα τηλεοπτικά σήματα η διαμόρφωση VSB… Με τη διαμόρφωση VSB εξασφαλίζεται ότι το διαμορφωμένο φέρον στην εφαρμογή της τηλεόρασης περιορίζεται σε φασματική ζώνη εύρους περίπου 6 ΜΗz. Η επιβεβαίωση (σελ. 187): η διαμόρφωση που χρησιμοποιείται… είναι η VSB· και (σελ. 191): στα τρία μεγάλα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης NTSC, PAL και SECAM η πληροφορία (Υ) της φωτεινότητας διαμορφώνει το φέρον με διαμόρφωση VSB, όπως και στην περίπτωση της ασπρόμαυρης τηλεόρασης.
Η υλοποίηση (σελ. 179): και στην περίπτωση της VSB, όπως και στην SSB, η διαμόρφωση πραγματοποιείται αρχικά με χαμηλή φέρουσα συχνότητα και ακολουθούν διαδοχικά ένα ή δύο στάδια μετάθεσης συχνότητας, έως να προκύψει η τελική φέρουσα.
Η ανακεφαλαίωση (σελ. 197): η διαμόρφωση VSB είναι διαμόρφωση πλάτους με μερικώς κατασταλμένη την κάτω πλευρική ζώνη. Χρησιμοποιείται στην τηλεόραση για τη διαμόρφωση του φέροντος από το σήμα της εικόνας.
Σύνοψη: (ενδεικτική) VSB, από το Vestigial Side Band, ονομάζεται η διαμόρφωση υποβαθμισμένης πλευρικής ζώνης, η οποία θεωρείται παράγωγη της κλασικής διαμόρφωσης AM με φέρον. Το φασματικό της αποτέλεσμα είναι η επιλογή ολόκληρης της πάνω πλευρικής ζώνης και ενός υποβαθμισμένου μόνο τμήματος της κάτω, και εξασφαλίζεται με ειδικό φίλτρο, γνωστό ως φίλτρο Νίκουιστ. Για τις υψηλές συχνότητες η διαμόρφωση είναι ουσιαστικά SSB, ενώ κοντά στο φέρον είναι διπλής ζώνης με άνισες πλευρικές των οποίων το άθροισμα παραμένει σταθερό. Χρησιμοποιείται όταν το σήμα διαμόρφωσης έχει ευρύ φάσμα, από μηδέν χερτς έως μερικά μεγαχερτς, δηλαδή στην περίπτωση του τηλεοπτικού σήματος. Η κλασική AM θα απαιτούσε διπλάσιο εύρος ζώνης, δηλαδή δέκα μεγαχερτς, ενώ η SSBsc είναι πρακτικά αδύνατη, γιατί οι πλευρικές ζώνες εφάπτονται και ο διαχωρισμός τους με φίλτρα δεν γίνεται. Με τη VSB το διαμορφωμένο φέρον της τηλεόρασης περιορίζεται σε ζώνη περίπου έξι μεγαχερτς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 22 — Η βασική πληροφορία στη μονόχρωμη τηλεόραση
Ερώτηση: 22. Στη μονόχρωμη ασπρόμαυρη τηλεόραση ποια είναι η βασική πληροφορία που πρέπει να μεταδοθεί;
Απάντηση:
-
Ο ορισμός (σελ. 186): ως μονόχρωμο τηλεοπτικό πομπό ορίζουμε το σύστημα εκπομπής εικόνων (σήματος Video) που περιορίζονται σε αποχρώσεις του γκρίζου, με όρια από το απόλυτο λευκό έως το μαύρο. Δηλαδή, η βασική πληροφορία είναι η φωτεινότητα (luminance) και όχι το χρώμα μιας εικόνας.
Απάντηση: η φωτεινότητα (luminance) κάθε σημείου της εικόνας.
Τι συνοδεύει την πληροφορία — το σύνθετο σήμα Video περιλαμβάνει επίσης τους παλμούς συγχρονισμού και αμαύρωσης (σελ. 187, Σχ. 5.6.1)
Παλμοί συγχρονισμού ─►│▐ ▐ ▐ Στάθμη μαύρου ──────►┤▔▔▔▔╲ ╱▔▔▔ │ ╲__╱ Στάθμη λευκού ──────►┤ └────────────────► tΤο φασματικό όριο (σελ. 186)
625 γραμμές × 25 εικόνες/s = 15625 γραμμές/sec κ = 625 × 4/3 = 833 σημεία/γραμμή Νσ = 15625 × 833 ≅ 13.000.000 σημεία/sec Fmax = 6.500.000 Hz = 6,5 MHzΟ πρακτικός περιορισμός (σελ. 186): το πείραμα έχει δείξει ότι οι υψηλότερες συχνότητες του φάσματος αντιστοιχούν σε λεπτομέρειες της εικόνας που, αν λείψουν, δεν αλλοιώνουν ουσιαστικά τα χαρακτηριστικά της εικόνας. Έτσι, οι προδιαγραφές που έχουν τεθεί στην Ευρώπη επιβάλλουν τον περιορισμό του φάσματος Video με τη χρήση φίλτρων μέχρι τη συχνότητα Fmax = 5 MHz.
Το κάτω όριο (σελ. 186): είναι προφανές ότι η συχνότητα των 0 Hz αντιστοιχεί στην περίπτωση που όλη η εικόνα είναι ομοιόμορφα μονόχρωμη (ίδιο χρώμα σε όλα τα σημεία), οπότε το βασικό ηλεκτρικό σήμα s(t) που προκύπτει από τη σάρωση έχει σταθερή τιμή, δηλαδή είναι συνεχές.
Η αρνητική διαμόρφωση (σελ. 187): έχει υιοθετηθεί η λεγόμενη αρνητική διαμόρφωση του φέροντος, στην οποία δηλαδή τα υψηλά ποσοστά διαμόρφωσης αντιστοιχούν σε μικρή φωτεινότητα (μαύρο), ενώ τα χαμηλά ποσοστά αντιστοιχούν σε υψηλή φωτεινότητα. Οι παλμοί συγχρονισμού αντιστοιχούν σε διαμόρφωση 100%. Τα δύο πλεονεκτήματά της (σελ. 187): ενδεχομένως έντονα παράσιτα, που εκδηλώνονται συνήθως υπό μορφή παλμών, προκαλούν μαύρες ατέλειες (στίγματα) στην εικόνα, οι οποίες είναι λιγότερο ενοχλητικές από ό,τι αντίστοιχες έντονα φωτεινές ανωμαλίες· και ενδεχομένως μη γραμμικές παραμορφώσεις (κορεσμός) δεν επηρεάζουν το πραγματικό σήμα της πληροφορίας που έχει χαμηλή στάθμη.
Η ανακεφαλαίωση (σελ. 197): στη μονόχρωμη τηλεόραση η πληροφορία Video αναφέρεται μόνο στη φωτεινότητα της εικόνας (άσπρο-μαύρο). Το εύρος της φασματικής ζώνης είναι καθορισμένο στα 5 ΜΗz.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στη μονόχρωμη ασπρόμαυρη τηλεόραση, όπου οι εικόνες περιορίζονται σε αποχρώσεις του γκρίζου με όρια από το απόλυτο λευκό έως το μαύρο, η βασική πληροφορία που πρέπει να μεταδοθεί είναι η φωτεινότητα, στα αγγλικά luminance, και όχι το χρώμα της εικόνας. Μαζί με αυτήν μεταδίδονται και οι παλμοί συγχρονισμού και αμαύρωσης, που συγκροτούν το σύνθετο σήμα Video. Ως προς το φάσμα, από τα ευρωπαϊκά πρότυπα των εξακοσίων είκοσι πέντε γραμμών και είκοσι πέντε εικόνων ανά δευτερόλεπτο προκύπτουν περίπου δεκατρία εκατομμύρια σημεία ανά δευτερόλεπτο και μέγιστη συχνότητα έξι κόμμα πέντε μεγαχερτς· επειδή όμως οι υψηλότερες συχνότητες αντιστοιχούν σε λεπτομέρειες που δεν αλλοιώνουν ουσιαστικά την εικόνα, οι ευρωπαϊκές προδιαγραφές περιορίζουν το φάσμα με φίλτρα στα πέντε μεγαχερτς. Τα μηδέν χερτς αντιστοιχούν σε ομοιόμορφα μονόχρωμη εικόνα. Χρησιμοποιείται αρνητική διαμόρφωση, όπου τα υψηλά ποσοστά αντιστοιχούν στο μαύρο και οι παλμοί συγχρονισμού σε διαμόρφωση εκατό τοις εκατό.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 23 — Το πλήρες φάσμα μονόχρωμης τηλεοπτικής εκπομπής
Ερώτηση: 23. Να σχεδιαστεί το πλήρες φάσμα μιας μονόχρωμης τηλεοπτικής εκπομπής.
Απάντηση:
-
Το φάσμα (Σχ. 5.6.2, σελ. 188)
πλάτος │ (VSB — εικόνα) (FM — ήχος) │ ╱▔│▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔▔╲ ▐ │ ╱ │ ╲ ▐ │ ╱ │ ╲ ▐ └────────────────────────────────────────────────► f f1 fo f2 fo+5,5 MHz (φέρον εικόνας) (φέρον ήχου) |←──────────── ~7 ή 8 MHz δίαυλος ─────────→|Τα δύο μέρη | Μέρος | Διαμόρφωση | Χαρακτηριστικά | |---|---|---| | εικόνα | VSB | περιορίζεται σε φασματική ζώνη εύρους περίπου 6 ΜΗz (σελ. 179)· με βάση τις προδιαγραφές CCIR καλύπτει φασματική ζώνη με εύρος περίπου 6 ΜΗz (σελ. 187) | | ήχος | FM | η συχνότητα είναι κατά 5,5 ΜΗz μεγαλύτερη από τη φέρουσα συχνότητα της εικόνας (σελ. 187) |
Τα δεδομένα του ήχου (σελ. 188): στη διαμόρφωση συχνότητας για το ακουστικό σήμα χρησιμοποιείται μέγιστη απόκλιση συχνότητας Δfmax = 50 kHz και προέμφαση με σταθερά χρόνου 50 μs. Το εύρος ζώνης που προκύπτει με το νόμο του Carson είναι
Β = 2(50 + 15) = 130 kHzΗ ονομαστική συχνότητα του σταθμού (σελ. 189): σύμφωνα με το πρότυπο της CCIR, ονομαστική συχνότητα εκπομπής ενός τηλεοπτικού σταθμού θεωρείται η συχνότητα φέροντος της εικόνας.
Παράδειγμα από τον πίνακα διαύλων (σελ. 189) — δίαυλος 5 (III VHF)
ζώνη: 174-181 MHz φέρουσα εικόνας: 175,25 MHz φέρουσα ήχου: 180,75 MHz διαφορά: 180,75 − 175,25 = 5,50 MHz ✓Η πρακτική διάταξη μέσα στον δίαυλο
│ 1,25 MHz │←──── 5 MHz εικόνα ────►│0,25│ │ VSB │ │ │ 174 ──── 175,25 ─────────────── 180,25 180,75 ──── 181 (MHz) φέρον εικόνας φέρον ήχου— δηλαδή το υπόλειμμα της κάτω πλευρικής καταλαμβάνει περίπου 1,25 MHz κάτω από το φέρον της εικόνας, η άνω πλευρική 5 MHz πάνω από αυτό, και ο ήχος τοποθετείται στα +5,5 MHz.
Οι αποκλίσεις (σελ. 188): οι παραπάνω τιμές παρουσιάζουν κάποιες αποκλίσεις από χώρα σε χώρα, ανάλογα με τα πρότυπα που καθεμιά υιοθέτησε. Οι πίνακες με τις ακριβείς προδιαγραφές καθεμιάς περιέχονται σε εξειδικευμένη τεχνική βιβλιογραφία.
Η απόσταση διαύλων (σελ. 189): στις ζώνες I και III η απόσταση μεταξύ διαδοχικών διαύλων είναι 7 ΜΗz. Στις ζώνες IV και V η αντίστοιχη απόσταση έχει καθοριστεί σε 8 ΜΗz.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το πλήρες φάσμα μιας μονόχρωμης τηλεοπτικής εκπομπής περιλαμβάνει δύο μέρη. Πρώτον, το φάσμα της εικόνας, το οποίο προκύπτει από διαμόρφωση VSB και έχει τη χαρακτηριστική ασύμμετρη μορφή, με ολόκληρη την άνω πλευρική ζώνη και υποβαθμισμένο τμήμα της κάτω, καταλαμβάνοντας εύρος περίπου έξι μεγαχερτς γύρω από τη φέρουσα της εικόνας. Και δεύτερον, το φάσμα του ήχου, το οποίο προκύπτει από διαμόρφωση FM ενός δεύτερου φέροντος, του οποίου η συχνότητα είναι κατά πέντε κόμμα πέντε μεγαχερτς μεγαλύτερη από τη φέρουσα της εικόνας. Για τον ήχο χρησιμοποιείται μέγιστη απόκλιση συχνότητας πενήντα κιλοχερτς και προέμφαση με σταθερά χρόνου πενήντα μικροδευτερόλεπτα, οπότε από τον νόμο του Carson το εύρος ζώνης προκύπτει εκατόν τριάντα κιλοχερτς. Σύμφωνα με το πρότυπο CCIR, ονομαστική συχνότητα εκπομπής ενός τηλεοπτικού σταθμού θεωρείται η συχνότητα φέροντος της εικόνας· για παράδειγμα, στον δίαυλο πέντε η φέρουσα εικόνας είναι εκατόν εβδομήντα πέντε κόμμα είκοσι πέντε και του ήχου εκατόν ογδόντα κόμμα εβδομήντα πέντε μεγαχερτς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 24 — Οι πληροφορίες στην έγχρωμη τηλεόραση
Ερώτηση: 24. Στην έγχρωμη τηλεόραση ποιες πληροφορίες ενδιαφέρουν και πρέπει να μεταδοθούν;
Απάντηση:
-
Η απάντηση (σελ. 190): στην περίπτωση της έγχρωμης τηλεόρασης, εκτός από την πληροφορία της φωτεινότητας, ενδιαφέρουν και τα χρώματα της εικόνας ή, όπως ορίστηκαν αυστηρότερα στο δεύτερο κεφάλαιο, οι πληροφορίες της χρωμικότητας (chrominance: η απόχρωση και ο κορεσμός).
Η βασική σχέση (σελ. 190, Εξ. 19): σύμφωνα με τη βασική σχέση της χρωματομετρίας, έχουμε
Χρώμα = Φωτεινότητα (Υ) + Χρωμικότητα (C)Η αναγωγή στα τρία βασικά χρώματα (σελ. 190): οι μελέτες και τα πειράματα στόχευσαν και κατάφεραν να ορίσουν και τα δυο μεγέθη, φωτεινότητα και χρωμικότητα, ως σύνθεση τριών βασικών χρωμάτων αναφοράς, το κόκκινο (R), το πράσινο (G), και το μπλε (Β). Τα τρία αυτά χρώματα αποτελούν για την έγχρωμη τηλεόραση τις πρωτογενείς βασικές πληροφορίες.
Υ = 0,30R + 0,59G + 0,11Β (20) CR = R − Υ = 0,70R − 0,59G − 0,11Β CG = G − Υ = −0,30R + 0,41G − 0,11Β (21) CB = Β − Υ = −0,30R − 0,59G + 0,89BΓιατί δεν στέλνονται τα R, G, B αυτούσια (σελ. 190): αν στην εφαρμογή της έγχρωμης τηλεόρασης έπρεπε να μεταδώσουμε ως πληροφορίες τα τρία ανεξάρτητα σήματα… τότε κατά προσέγγιση ο όγκος της πληροφορίας θα ήταν τριπλάσιος, το εύρος ζώνης πολύ μεγαλύτερο και δε θα ικανοποιούνταν ούτε η τρίτη προϋπόθεση συμβατότητας ούτε και η πρώτη. Δεν υιοθετήθηκε λοιπόν αυτή η μεθοδολογία.
Πόσες χρωμικότητες αρκούν (σελ. 191): είναι αρκετό να σταλούν οι δύο μόνο από τις τρεις. Ο έγχρωμος δέκτης ουσιαστικά, λαμβάνοντας την πληροφορία της φωτεινότητας και δύο πληροφορίες χρωμικότητας, έχει να εκτελέσει μια μαθηματική επεξεργασία (να λύσει το σύστημα των τριών εξισώσεων με τους τρεις αγνώστους) και να αναπαράγει τα τρία σήματα R, G και Β, που πάνω στην οθόνη συνθέτουν ξανά το τελικό χρώμα.
Η τελική μορφή (σελ. 191): δε μεταδίδονται οι αμιγείς πληροφορίες χρωμικότητας, αλλά δύο παράγωγα σήματα (I) και (Q), που αντιπροσωπεύουν τις χρωμικότητες του κόκκινου και του μπλε, αφού πολλαπλασιαστούν… με διορθωτικούς συντελεστές διαφορετικούς για κάθε σύστημα.
Σύνοψη — τα τρία μεταδιδόμενα σήματα | Σήμα | Περιεχόμενο | Ζώνη (PAL, σελ. 194) | |---|---|---| | Υ | φωτεινότητα | 5 ΜΗz | | I | χρωμικότητα (κόκκινο) | 1,3 ΜΗz (σήμα V) | | Q | χρωμικότητα (μπλε) | 1,3 ΜΗz (σήμα U) |
Η οικονομία στο εύρος ζώνης (σελ. 192): η φασματική ζώνη των σημάτων (I) και (Q) είναι μικρή και με συγκεκριμένη μεθοδολογία τοποθετείται στο εσωτερικό της φασματικής ζώνης του σήματος της φωτεινότητας (Υ), ώστε το συνολικό εύρος ζώνης του φάσματος μένει το ίδιο.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στην έγχρωμη τηλεόραση, εκτός από την πληροφορία της φωτεινότητας, ενδιαφέρουν και τα χρώματα της εικόνας, δηλαδή οι πληροφορίες της χρωμικότητας, που περιλαμβάνουν την απόχρωση και τον κορεσμό. Σύμφωνα με τη βασική σχέση της χρωματομετρίας, το χρώμα ισούται με τη φωτεινότητα συν τη χρωμικότητα, και τα δύο μεγέθη ορίζονται ως σύνθεση των τριών βασικών χρωμάτων αναφοράς, του κόκκινου, του πράσινου και του μπλε. Η φωτεινότητα δίνεται από τη σχέση μηδέν κόμμα τριάντα R συν μηδέν κόμμα πενήντα εννέα G συν μηδέν κόμμα έντεκα B, ενώ οι χρωμικότητες είναι οι διαφορές κάθε βασικού χρώματος από τη φωτεινότητα. Τα τρία σήματα R, G και B δεν μεταδίδονται αυτούσια, γιατί ο όγκος της πληροφορίας θα ήταν τριπλάσιος και δεν θα ικανοποιούνταν οι προϋποθέσεις συμβατότητας. Αρκεί μάλιστα να σταλούν μόνο δύο από τις τρεις χρωμικότητες, αφού ο δέκτης λύνει το σύστημα των τριών εξισώσεων και αναπαράγει τα R, G και B. Πρακτικά μεταδίδονται δύο παράγωγα σήματα, το I και το Q.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 25 — Η συμβατότητα έγχρωμης εκπομπής με μονόχρωμο δέκτη
Ερώτηση: 25. Πώς εξασφαλίζεται η συμβατότητα μιας έγχρωμης εκπομπής τηλεόρασης με το μονόχρωμο δέκτη;
Απάντηση:
-
Οι τρεις προϋποθέσεις (σελ. 190): με την εμφάνιση της έγχρωμης τηλεόρασης, που ήταν ο φυσιολογικός απόγονος της ασπρόμαυρης, έπρεπε να ικανοποιηθούν τρεις προϋποθέσεις | # | Προϋπόθεση | |---|---| | 1 | μια έγχρωμη εκπομπή τηλεόρασης να λαμβάνεται και από μονόχρωμο (ασπρόμαυρο) δέκτη (σε διαφορετική περίπτωση, όλοι έπρεπε αμέσως να αντικαταστήσουν το δέκτη τους) | | 2 | ένας έγχρωμος δέκτης να μπορεί να λαμβάνει ικανοποιητικά σε «άσπρο-μαύρο» μια μονόχρωμη εκπομπή | | 3 | το συνολικό εύρος της φασματικής ζώνης να παραμείνει το ίδιο για την έγχρωμη ή την ασπρόμαυρη εκπομπή, ώστε να μη χρειάζεται επαναπροσδιορισμός των διατιθέμενων καναλιών τηλεοπτικών εκπομπών |
Ο μηχανισμός (σελ. 191): η πρώτη συνθήκη συμβατότητας… ικανοποιήθηκε με την ανεξάρτητη μετάδοση της πληροφορίας της φωτεινότητας και της χρωμικότητας, όπως ορίζει η σχέση.
Χρώμα = Φωτεινότητα (Υ) + Χρωμικότητα (C) (19) Υ = 0,30R + 0,59G + 0,11Β (20)Γιατί λειτουργεί | # | Βήμα | |---|---| | 1 | η φωτεινότητα Υ διαμορφώνει το κύριο φέρον με VSB — ακριβώς όπως στην ασπρόμαυρη | | 2 | οι χρωμικότητες I, Q διαμορφώνουν υποφέροντα (3,58 / 4,433 / 4,25-4,4 MHz) μέσα στη ζώνη του Υ | | 3 | ο μονόχρωμος δέκτης αγνοεί τα υποφέροντα (δεν διαθέτει το κύκλωμα αποδιαμόρφωσής τους) και αποδίδει μόνο το Υ | | 4 | ο έγχρωμος δέκτης λαμβάνει και τα δύο και ανασυνθέτει τα R, G, B |
Η ρητή διατύπωση για τα τρία συστήματα (σελ. 191): στα τρία μεγάλα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης NTSC, PAL και SECAM η πληροφορία (Υ) της φωτεινότητας διαμορφώνει το φέρον με διαμόρφωση VSB, όπως και στην περίπτωση της ασπρόμαυρης τηλεόρασης.
Η τρίτη προϋπόθεση — το εύρος ζώνης (σελ. 192): η φασματική ζώνη των σημάτων (I) και (Q) είναι μικρή και με συγκεκριμένη μεθοδολογία τοποθετείται στο εσωτερικό της φασματικής ζώνης του σήματος της φωτεινότητας (Υ), ώστε το συνολικό εύρος ζώνης του φάσματος μένει το ίδιο.
Γιατί χωράνε οι χρωμικότητες σε τόσο μικρό εύρος (σελ. 191): η διακριτική ικανότητα του ματιού στις διαφοροποιήσεις των χρωμάτων είναι σαφώς μικρότερη από τη διακριτική ικανότητα της φωτεινότητας (του άσπρου-μαύρου). Έτσι οι πληροφορίες χρωμικότητας μπορούν να μεταδοθούν με λιγότερες λεπτομέρειες από ό,τι της φωτεινότητας. Άρα ο όγκος πληροφορίας είναι μικρότερος, δηλαδή έχουμε μικρότερο εύρος ζώνης.
Η ανακεφαλαίωση (σελ. 198): η πληροφορία της φωτεινότητας στέλνεται με τρόπο που να εξασφαλίζει τη συμβατότητα μονόχρωμης εκπομπής με έγχρωμο δέκτη και τη συμβατότητα της έγχρωμης εκπομπής με μονόχρωμο δέκτη.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η συμβατότητα εξασφαλίζεται με την ανεξάρτητη μετάδοση της πληροφορίας της φωτεινότητας και της χρωμικότητας, όπως ορίζει η βασική σχέση της χρωματομετρίας. Συγκεκριμένα, το σήμα της φωτεινότητας διαμορφώνει το κύριο φέρον με διαμόρφωση VSB, ακριβώς όπως και στην περίπτωση της ασπρόμαυρης τηλεόρασης, και τούτο ισχύει και στα τρία μεγάλα συστήματα, NTSC, PAL και SECAM. Οι πληροφορίες της χρωμικότητας διαμορφώνουν χωριστά υποφέροντα, τα οποία τοποθετούνται μέσα στη φασματική ζώνη του σήματος της φωτεινότητας. Έτσι, ένας μονόχρωμος δέκτης, ο οποίος δεν διαθέτει κυκλώματα αποδιαμόρφωσης των υποφερόντων, αγνοεί απλώς τις πληροφορίες χρωμικότητας και αποδίδει μόνο τη φωτεινότητα, δηλαδή λαμβάνει κανονικά την εκπομπή σε ασπρόμαυρο, ενώ ο έγχρωμος δέκτης λαμβάνει και τα δύο και ανασυνθέτει τα τρία βασικά χρώματα. Ταυτόχρονα ικανοποιείται και η προϋπόθεση του σταθερού εύρους ζώνης, γιατί η ζώνη των σημάτων χρωμικότητας είναι μικρή, αφού το μάτι έχει μικρότερη διακριτική ικανότητα στο χρώμα από ό,τι στη φωτεινότητα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 26 — Τα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης
Ερώτηση: 26. Να αναφερθούν τα διάφορα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης.
Απάντηση:
-
Τα τρία συστήματα (σελ. 191): στα τρία μεγάλα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης NTSC, PAL και SECAM η πληροφορία (Υ) της φωτεινότητας διαμορφώνει το φέρον με διαμόρφωση VSB.
Σύστημα Πλήρης ονομασία Προέλευση NTSC National Television Systems Committee αναπτύχθηκε στην Αμερική (σελ. 192) PAL Phase Alternation Line: εναλλασσόμενη φάση ανά γραμμή (σελ. 194) Ευρώπη SECAM Sequential Color at Memory (σελ. 195) υιοθετήθηκε από πολλές χώρες της Ευρώπης, τη χώρα μας και τις περισσότερες ανατολικές χώρες Οι κωδικοποιήσεις
NTSC (σελ. 192, Εξ. 22): Υ = 0,30R + 0,59G + 0,11Β I = 0,74(R−Y) − 0,27(Β−Υ) = 0,60R − 0,28G − 0,32Β Q = 0,48(R−Y) + 0,41(B−Y) = 0,21R − 0,52G + 0,31B PAL (σελ. 194, Εξ. 23): Υ = 0,30R + 0,59G + 0,11Β I = 0,877(R−Y) = 0,61R − 0,52G − 0,10B Q = 0,493(B−Y) = −0,15R − 0,29G − 0,44B SECAM (σελ. 195, Εξ. 24): I = −1,902(R−Y) = −1,33R + 1,12G + 0,21Β Q = 1,505(Β−Υ) = −0,45R − 0,89G − 1,34BΤα φασματικά εύρη | Σύστημα | Υ | I | Q | Υποφέρον | |---|---|---|---|---| | NTSC | 4,2 MHz | 1,4 MHz | 0,55 MHz | 3,58 ΜΗz | | PAL | 5 ΜΗz | 1,3 ΜΗz (σήμα V) | 1,3 ΜΗz (σήμα U) | 4,433 ΜΗz | | SECAM | 5 ΜΗz | DR | DB | 4,25 MHz και 4,4 ΜΗz |
Η ιδιαιτερότητα του NTSC (σελ. 192): διαφοροποιείται από τα υπόλοιπα, διότι χρησιμοποιεί 525 γραμμές σάρωσης (αντί 625) και συχνότητα 30 εικόνων/sec.
Η σύγκριση (σελ. 195): η ακριβής και αντικειμενική σύγκριση των τριών συστημάτων έγχρωμης τηλεόρασης δεν είναι εύκολη ούτε από τεχνική αλλά ούτε και από οικονομική πλευρά. Υπάρχουν και στα τρία πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Η ψηφιακή εξέλιξη (σελ. 197): στις δορυφορικές εκπομπές φαίνεται λίγο-λίγο να γενικεύεται η χρήση της ψηφιακής κωδικοποίησης D2MAC. Στο σύστημα D2MAC ο ήχος μεταδίδεται ψηφιακά, ενώ οι πληροφορίες φωτεινότητας και χρωμικότητας μεταδίδονται με χρονική πολυπλεξία (TDM: Time Division Multiplexing).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα τρία μεγάλα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης είναι το NTSC, το PAL και το SECAM. Το NTSC, από τα αρχικά της National Television Systems Committee, αναπτύχθηκε στην Αμερική και διαφοροποιείται από τα υπόλοιπα επειδή χρησιμοποιεί πεντακόσιες είκοσι πέντε γραμμές σάρωσης αντί για εξακόσιες είκοσι πέντε και τριάντα εικόνες ανά δευτερόλεπτο· το υποφέρον χρωμικότητας είναι στα τρία κόμμα πενήντα οκτώ μεγαχερτς. Το PAL, από το Phase Alternation Line, δηλαδή εναλλασσόμενη φάση ανά γραμμή, χρησιμοποιεί υποφέρον τεσσάρων κόμμα τετρακοσίων τριάντα τριών μεγαχερτς. Και το SECAM, από το Sequential Color at Memory, το οποίο υιοθετήθηκε από πολλές χώρες της Ευρώπης, τη χώρα μας και τις περισσότερες ανατολικές χώρες, χρησιμοποιεί δύο υποφέρουσες, στα τέσσερα κόμμα είκοσι πέντε και στα τέσσερα κόμμα τέσσερα μεγαχερτς. Και στα τρία η φωτεινότητα διαμορφώνει το φέρον με VSB. Όπως σημειώνει το βιβλίο, η ακριβής και αντικειμενική σύγκρισή τους δεν είναι εύκολη, αφού και τα τρία έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 27 — Σε τι διαφοροποιούνται τα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης
Ερώτηση: 27. Σε τι διαφοροποιούνται τα διάφορα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης;
Απάντηση:
-
Το κοινό σημείο (σελ. 191): στα τρία μεγάλα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης NTSC, PAL και SECAM η πληροφορία (Υ) της φωτεινότητας διαμορφώνει το φέρον με διαμόρφωση VSB, όπως και στην περίπτωση της ασπρόμαυρης τηλεόρασης.
Το σημείο διαφοροποίησης (σελ. 191): αντίθετα, τα συστήματα αυτά διαφοροποιούνται στη διαδικασία μετάδοσης των πληροφοριών της χρωμικότητας. Οι διαφοροποιήσεις αυτές οφείλονται στην προσπάθεια να προσαρμοστούν οι πληροφορίες καλύτερα στο μέσο μετάδοσης, με το μικρότερο εύρος φασματικής ζώνης και με το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα στη λήψη.
Οι τρεις ιδιότητες της όρασης που ελήφθησαν υπόψη (σελ. 191) | # | Ιδιότητα | |---|---| | 1 | η διακριτική ικανότητα του ματιού στις διαφοροποιήσεις των χρωμάτων είναι σαφώς μικρότερη από τη διακριτική ικανότητα της φωτεινότητας… Άρα ο όγκος πληροφορίας είναι μικρότερος, δηλαδή έχουμε μικρότερο εύρος ζώνης | | 2 | η διακριτική ικανότητα του ματιού στη χρωμικότητα εξαρτάται από το χρώμα και είναι μεγαλύτερη στα λεγόμενα συμπληρωματικά χρώματα (πορτοκαλί-ανοιχτόχρωμο μπλε) | | 3 | η ευαισθησία του ματιού επίσης εξαρτάται από το χρώμα και είναι μέγιστη στο κίτρινο |
Οι συγκεκριμένες διαφορές | | NTSC | PAL | SECAM | |---|---|---|---| | γραμμές / εικόνες | 525 / 30 ανά sec | 625 / 25 | 625 / 25 | | υποφέρον | 3,58 ΜΗz | 4,433 ΜΗz (πολλαπλάσια της συχνότητας σάρωσης των γραμμών) | 4,25 MHz και 4,4 ΜΗz | | διαμόρφωση χρωμικοτήτων | δύο ορθογώνια υποφέροντα (διαφέρουν π/2)… με διαμόρφωση διπλής ζώνης χωρίς φέρον (DSBsc) | ίδια, αλλά για διαδοχικές γραμμές σάρωσης η φάση αντιστρέφεται από π/2 σε −π/2 | τα σήματα (I) και (Q)… εναλλάσσονται για κάθε γραμμή σάρωσης και διαμορφώνουν κατά συχνότητα (FM) διαφορετικές υποφέρουσες | | ιδιαιτερότητα | το δείγμα υποφέροντος μετά τους παλμούς συγχρονισμού | αποδεικνύεται λοιπόν ότι το σύστημα PAL είναι λιγότερο ευαίσθητο σε παραμορφώσεις της φάσης | στη λήψη τα σήματα χρωμικότητας υποβάλλονται σε καθυστέρηση μιας γραμμής (64 μs) και επανασυνδυάζονται | | ζώνη Υ / I / Q | 4,2 / 1,4 / 0,55 MHz | 5 / 1,3 / 1,3 ΜΗz | 5 MHz |
Η σχέση PAL-NTSC (σελ. 194): το σύστημα PAL δε διαφέρει ουσιαστικά από το NTSC παρά μόνο σε δύο σημεία: Η συχνότητα του υποφέροντος της χρωμικότητας είναι 4,433 ΜΗz… Επίσης χρησιμοποιεί για τα δύο σήματα της χρωμικότητας δύο ορθογωνικές διαμορφώσεις DSBsc, με τη διαφορά ότι για διαδοχικές γραμμές σάρωσης η φάση αντιστρέφεται από π/2 σε −π/2.
Η σύγκριση (σελ. 195): η ακριβής και αντικειμενική σύγκριση των τριών συστημάτων έγχρωμης τηλεόρασης δεν είναι εύκολη ούτε από τεχνική αλλά ούτε και από οικονομική πλευρά. Υπάρχουν και στα τρία πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Η ανακεφαλαίωση (σελ. 198): ο τρόπος που κωδικοποιούνται τα σήματα χρωμικότητας διαφοροποιεί τα συστήματα έγχρωμης τηλεόρασης που επικράτησαν.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Και στα τρία συστήματα η πληροφορία της φωτεινότητας διαμορφώνει το φέρον με διαμόρφωση VSB, όπως και στην ασπρόμαυρη τηλεόραση· η διαφοροποίηση βρίσκεται στη διαδικασία μετάδοσης των πληροφοριών της χρωμικότητας, δηλαδή στον τρόπο κωδικοποίησής τους. Οι διαφορές αυτές οφείλονται στην προσπάθεια να προσαρμοστούν οι πληροφορίες καλύτερα στο μέσο μετάδοσης, με το μικρότερο εύρος ζώνης και το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα στη λήψη, αξιοποιώντας ιδιότητες της όρασης, όπως ότι η διακριτική ικανότητα του ματιού στα χρώματα είναι μικρότερη από εκείνη της φωτεινότητας. Συγκεκριμένα, στο NTSC τα δύο σήματα χρωμικότητας διαμορφώνουν κατά DSBsc δύο ορθογώνια υποφέροντα των τριών κόμμα πενήντα οκτώ μεγαχερτς. Στο PAL η διαφορά είναι διπλή: το υποφέρον είναι στα τέσσερα κόμμα τετρακόσια τριάντα τρία μεγαχερτς, και για διαδοχικές γραμμές σάρωσης η φάση αντιστρέφεται, γεγονός που κάνει το σύστημα λιγότερο ευαίσθητο σε παραμορφώσεις φάσης. Στο SECAM τα δύο σήματα εναλλάσσονται ανά γραμμή και διαμορφώνουν κατά συχνότητα δύο διαφορετικές υποφέρουσες, ενώ στη λήψη καθυστερούνται κατά μία γραμμή.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 28 — Η κατανομή των τηλεοπτικών διαύλων κατά CCIR
Ερώτηση: 28. Πώς κατανέμονται με βάση τις προδιαγραφές CCIR οι τηλεοπτικοί δίαυλοι;
Απάντηση:
-
Η αρχή (σελ. 189): σύμφωνα με το πρότυπο της CCIR, ονομαστική συχνότητα εκπομπής ενός τηλεοπτικού σταθμού θεωρείται η συχνότητα φέροντος της εικόνας. Με βάση αυτή τη συχνότητα έχουν καθοριστεί τα κανάλια εκπομπής των σταθμών τηλεόρασης που κατανέμονται σε περιοχές και εκτείνονται στις ζώνες των κυμάτων VHF και UHF.
Ο πίνακας (σελ. 189-190) | Περιοχή | Δίαυλος | Ζώνη (MHz) | Φέρουσα εικ. (MHz) | Φέρουσα ήχου (MHz) | |---|---|---|---|---| | I VHF | 2 | 47-54 | 48,25 | 53,75 | | | 3 | 54-61 | 55,25 | 60,75 | | | 4 | 61-68 | 62,25 | 67,65 | | III VHF | 5 | 174-181 | 175,25 | 180,75 | | | 6 | 181-188 | 182,25 | 187,75 | | | 7 | 188-195 | 189,25 | 194,75 | | | 8 | 195-202 | 196,25 | 201,75 | | | 9 | 202-209 | 203,25 | 208,75 | | | 10 | 209-216 | 210,25 | 215,75 | | | 11 | 216-223 | 217,25 | 222,75 | | | 12 | 223-230 | 224,25 | 229,75 | | IV UHF | 21 | 470-478 | 471,25 | 476,75 | | | 22 | 478-486 | 479,25 | 484,75 | | | … | … | … | … | | | 37 | 598-606 | 599,25 | 604,75 | | V UHF | 38 | 606-614 | 607,25 | 612,75 | | | 39 | 614-622 | 615,25 | 620,75 | | | … | … | … | … | | | 69 | 854-862 | 855,25 | 860,75 |
Οι αποστάσεις διαύλων (σελ. 189): στις ζώνες I και III η απόσταση μεταξύ διαδοχικών διαύλων είναι 7 ΜΗz. Στις ζώνες IV και V η αντίστοιχη απόσταση έχει καθοριστεί σε 8 ΜΗz.
Οι σταθερές του πίνακα | Παρατήρηση | Επαλήθευση | |---|---| | η φέρουσα εικόνας είναι 1,25 MHz πάνω από την αρχή του διαύλου | 48,25 − 47 = 1,25· 175,25 − 174 = 1,25· 471,25 − 470 = 1,25 ✓ | | η φέρουσα ήχου είναι 5,5 MHz πάνω από τη φέρουσα εικόνας | 53,75 − 48,25 = 5,50· 180,75 − 175,25 = 5,50 ✓ | | VHF: 7 MHz ανά δίαυλο | 54−47 = 7· 181−174 = 7 ✓ | | UHF: 8 MHz ανά δίαυλο | 478−470 = 8· 614−606 = 8 ✓ |
Η δομή ενός διαύλου UHF (8 MHz)
│1,25│←──── 5 MHz εικόνα (VSB) ────►│ │0,25│ 470 ─ 471,25 ──────────────── 476,25 476,75 ─ 478 (MHz) φέρον εικόνας φέρον ήχουΟι τέσσερις ζώνες | Περιοχή | Δίαυλοι | Εύρος | |---|---|---| | I VHF | 2-4 | 47-68 MHz | | III VHF | 5-12 | 174-230 MHz | | IV UHF | 21-37 | 470-606 MHz | | V UHF | 38-69 | 606-862 MHz |
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σύμφωνα με το πρότυπο CCIR, ονομαστική συχνότητα εκπομπής ενός τηλεοπτικού σταθμού θεωρείται η συχνότητα φέροντος της εικόνας, και με βάση αυτήν έχουν καθοριστεί τα κανάλια εκπομπής, τα οποία εκτείνονται στις ζώνες των υπερβραχέων και των δεκατομετρικών κυμάτων. Οι δίαυλοι κατανέμονται σε τέσσερις περιοχές: την πρώτη περιοχή VHF με τους διαύλους δύο έως τέσσερα, από σαράντα επτά έως εξήντα οκτώ μεγαχερτς, την τρίτη περιοχή VHF με τους διαύλους πέντε έως δώδεκα, από εκατόν εβδομήντα τέσσερα έως διακόσια τριάντα, την τέταρτη περιοχή UHF με τους διαύλους είκοσι ένα έως τριάντα επτά, από τετρακόσια εβδομήντα έως εξακόσια έξι, και την πέμπτη περιοχή UHF με τους διαύλους τριάντα οκτώ έως εξήντα εννέα, ως τα οκτακόσια εξήντα δύο μεγαχερτς. Στις ζώνες πρώτη και τρίτη η απόσταση μεταξύ διαδοχικών διαύλων είναι επτά μεγαχερτς, ενώ στις ζώνες τέταρτη και πέμπτη οκτώ. Σε κάθε δίαυλο η φέρουσα της εικόνας βρίσκεται ένα κόμμα είκοσι πέντε μεγαχερτς πάνω από την αρχή του και η φέρουσα του ήχου πέντε κόμμα πέντε μεγαχερτς πάνω από τη φέρουσα της εικόνας.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Ερώτηση 29 — Το διάγραμμα δορυφορικής τηλεοπτικής εκπομπής
Ερώτηση: 29. Να δοθεί το γενικό διάγραμμα μιας δορυφορικής τηλεοπτικής εκπομπής.
Απάντηση:
-
Το διάγραμμα (κατά τα Σχ. 5.7.1 και 4.4.6, σελ. 196 και 142)
╭──────────────╮ │ ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ │ │ (αναμεταδότης)│ ╰──────────────╯ ↗ ↘ ανερχόμενη (Up link) κατερχόμενη (Down link) ↗ ↘ ┌────────────────────────┐ ┌──────────────────────┐ │ ΕΠΙΓΕΙΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ │ │ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟΣ ΔΕΚΤΗΣ │ │ S1─┐ │ │ [μίκτης]◄─[τοπικός │ │ S2─┼─►[ΠΟΜΠΟΣ]─► S │ │ │ ταλαντωτής]│ │ S3─┤ (πολυπλεξία) │ │ ▼ │ │ S4─┘ FM στα GHz │ │ VHF/UHF ─► [TV] │ └────────────────────────┘ └──────────────────────┘ φάσμα S: ▁▁▁▁ ▁▁▁▁ ▁▁▁▁ ▁▁▁▁ │S1│ │S2│ │S3│ │S4│ ──► f (μη αλληλοκαλυπτόμενες ζώνες)Η αρχή (σελ. 195): οι δορυφόροι, που αναφέρθηκαν στο τέταρτο κεφάλαιο, εξυπηρετούν την αναγκαιότητα της μεγάλης εμβέλειας και χρησιμοποιούνται για ζεύξεις μακρινών αποστάσεων. Στο δορυφόρο τοποθετείται αναμεταδότης του τηλεοπτικού σήματος.
Η πολυπλεξία (σελ. 196): για την οικονομικότερη και πιο συμφέρουσα αξιοποίηση των δορυφόρων, ομαδοποιούνται με την τεχνική της πολυπλεξίας περισσότερα του ενός τηλεοπτικά κανάλια τα οποία, διατηρώντας τη φασματική ανεξαρτησία τους, διαμορφώνουν συνήθως κατά συχνότητα ένα φέρον πολύ μεγαλύτερης συχνότητας (Up link - ανερχόμενη συχνότητα). Η αναμετάδοση (σελ. 196): ο αναμεταδότης επανεκπέμπει το ομαδοποιημένο πακέτο των τηλεοπτικών εκπομπών σε άλλη συχνότητα προς τους επίγειους δορυφορικούς δέκτες (down link - κατερχόμενη συχνότητα).
Ο δέκτης (σελ. 196): στο δορυφορικό δέκτη το σήμα κατ' αρχάς υφίσταται μίξη με το σήμα ενός τοπικού ταλαντωτή υψηλών προδιαγραφών (μεγάλη σταθερότητα συχνότητας, χαμηλό θόρυβο), έτσι η συχνότητά του υποβιβάζεται στη ζώνη VHF ή UHF και λαμβάνεται από τον κλασικό τηλεοπτικό δέκτη.
Οι ζώνες συχνοτήτων (σελ. 196) | Ζώνη | Ανερχόμενες | Κατερχόμενες | |---|---|---| | C (6/4 GHz) | 5,925-6,425 GHz | 3,700-4,200 GHz | | 8/7 GHz | 7,700-8,395 GHz | 7,250-7,745 GHz | | Κu (14/12 GHz) | 14,000-14,800 GHz | Κu1: 10,950-11,700· Κu3: 11,700-12,500· Κu5: 12,500-12,750 GHz |
Η αυστηρότητα των προδιαγραφών (σελ. 196): είναι καθορισμένος αυστηρά ο αριθμός των καναλιών που ομαδοποιούνται (πολυπλέκονται) καθώς και τα χαρακτηριστικά τους· όλες οι δορυφορικές εκπομπές, το όνομα και τα χαρακτηριστικά του δορυφόρου, οι συχνότητες και τα χαρακτηριστικά των εκπομπών είναι καταγραμμένα σε ειδική τεχνική βιβλιογραφία.
Η κωδικοποίηση (σελ. 197): τα περισσότερα δορυφορικά προγράμματα τηλεόρασης σήμερα κωδικοποιούνται σε SECAM ή PAL. Φαίνεται λίγο-λίγο να γενικεύεται η χρήση της ψηφιακής κωδικοποίησης D2MAC. Στο σύστημα D2MAC ο ήχος μεταδίδεται ψηφιακά, ενώ οι πληροφορίες φωτεινότητας και χρωμικότητας μεταδίδονται με χρονική πολυπλεξία (TDM: Time Division Multiplexing).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το γενικό διάγραμμα μιας δορυφορικής τηλεοπτικής εκπομπής περιλαμβάνει τον επίγειο σταθμό εκπομπής, τον δορυφόρο με τον αναμεταδότη και τον επίγειο δορυφορικό δέκτη. Στον επίγειο σταθμό, για την οικονομικότερη αξιοποίηση του δορυφόρου, ομαδοποιούνται με την τεχνική της πολυπλεξίας περισσότερα του ενός τηλεοπτικά κανάλια, τα οποία, διατηρώντας τη φασματική τους ανεξαρτησία, διαμορφώνουν συνήθως κατά συχνότητα ένα φέρον πολύ μεγαλύτερης συχνότητας, την ανερχόμενη ή up link. Ο αναμεταδότης του δορυφόρου επανεκπέμπει το ομαδοποιημένο πακέτο σε άλλη συχνότητα, την κατερχόμενη ή down link, προς τους επίγειους δέκτες. Στον δορυφορικό δέκτη το σήμα υφίσταται πρώτα μίξη με το σήμα ενός τοπικού ταλαντωτή υψηλών προδιαγραφών, με μεγάλη σταθερότητα συχνότητας και χαμηλό θόρυβο, ώστε η συχνότητα να υποβιβαστεί στη ζώνη VHF ή UHF και να ληφθεί από τον κλασικό τηλεοπτικό δέκτη. Οι χορηγημένες ζώνες είναι η C στα έξι προς τέσσερα γιγαχερτς, η ζώνη οκτώ προς επτά και η Ku στα δεκατέσσερα προς δώδεκα γιγαχερτς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 1 — Ζώνη συχνοτήτων ταλαντωτή L-C
Ερώτηση: ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΥΤΟΕΞΕΤΑΣΗΣ: 1. Σ' ένα κύκλωμα ταλαντωτή με στοιχεία L, C δίνονται: L= 1 μΗ και ο πυκνωτής C μεταβάλλεται από 25 pF έως 60 pF. Να προσδιοριστεί η ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας του ταλαντωτή.
Απάντηση:
-
Η σχέση (1) (σελ. 159): fo = 1/(2π√(LC)).
Η ανάγνωση της σχέσης: η μέγιστη συχνότητα αντιστοιχεί στην ελάχιστη χωρητικότητα και αντίστροφα.
Για C1 = 25 pF
L·C1 = 10⁻⁶ × 25 × 10⁻¹² = 2,5 × 10⁻¹⁷ √(L·C1) = 5 × 10⁻⁹ f1 = 1/(2π × 5 × 10⁻⁹) = 1/(3,1416 × 10⁻⁸) = 3,183 × 10⁷ Hz f1 = 31,83 MHzΓια C2 = 60 pF
L·C2 = 10⁻⁶ × 60 × 10⁻¹² = 6 × 10⁻¹⁷ √(L·C2) = 7,746 × 10⁻⁹ f2 = 1/(2π × 7,746 × 10⁻⁹) = 1/(4,867 × 10⁻⁸) = 2,055 × 10⁷ Hz f2 = 20,55 MHzΑπάντηση: η ζώνη λειτουργίας είναι από 20,55 MHz έως 31,83 MHz.
C = 60 pF ──► 20,55 MHz (κάτω άκρο) C = 25 pF ──► 31,83 MHz (πάνω άκρο) εύρος: 11,28 MHzΗ αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 1 του βιβλίου (σελ. 164): δίνονται L = 2 μΗ και C = 40 pF. Να προσδιοριστεί η συχνότητα ταλάντωσης. Λύση: fo = 1/(2π√(LC)) = 17,8·10⁶ MHz (προφανώς εννοείται 17,8 MHz) — η ίδια μεθοδολογία.
Ο έλεγχος με αναλογία
f1/f2 = √(C2/C1) = √(60/25) = √2,4 = 1,549 31,83/20,55 = 1,549 ✓Η θέση στο φάσμα (κεφ. 4, σελ. 135): η ζώνη 20,5-31,8 MHz βρίσκεται στα βραχέα κύματα (HF, 3-30 MHz) και μόλις πάνω από αυτά — δηλαδή σε ζώνη κατάλληλη για ραδιοεπικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων μέσω ιονοσφαιρικού κύματος.
Η παρατήρηση για τον μεταβλητό πυκνωτή (σελ. 162): η ύπαρξη μεταβλητών στοιχείων στο κύκλωμα L-C μεταφράζεται σε έλλειψη σταθερότητας του κυκλώματος και ευπάθεια σε δονήσεις, διαστολές και συστολές λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών — γι' αυτό σήμερα προτιμώνται VCO με Varicap και PLL.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η συχνότητα ταλάντωσης δίνεται από τη σχέση ένα διά δύο π ρίζα του γινομένου L επί C, οπότε η μέγιστη συχνότητα αντιστοιχεί στην ελάχιστη χωρητικότητα και αντίστροφα. Για χωρητικότητα είκοσι πέντε πικοφαράντ, το γινόμενο είναι δύο κόμμα πέντε επί δέκα στην μείον δέκατη έβδομη, η ρίζα του πέντε επί δέκα στην μείον ένατη, και η συχνότητα προκύπτει τριάντα ένα κόμμα ογδόντα τρία μεγαχερτς. Για χωρητικότητα εξήντα πικοφαράντ, το γινόμενο είναι έξι επί δέκα στην μείον δέκατη έβδομη, η ρίζα του επτά κόμμα επτακόσια σαράντα έξι επί δέκα στην μείον ένατη, και η συχνότητα προκύπτει είκοσι κόμμα πενήντα πέντε μεγαχερτς. Άρα η ζώνη λειτουργίας του ταλαντωτή είναι από είκοσι κόμμα πενήντα πέντε έως τριάντα ένα κόμμα ογδόντα τρία μεγαχερτς, με εύρος περίπου έντεκα κόμμα τρία μεγαχερτς. Ο έλεγχος με αναλογία επαληθεύει το αποτέλεσμα, αφού ο λόγος των συχνοτήτων ισούται με τη ρίζα του αντίστροφου λόγου των χωρητικοτήτων.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 2 — Συχνότητες εξόδου ταλαντωτή VCO
Ερώτηση: 2. Ένας ταλαντωτής VCO με γραμμική συμπεριφορά έχει κλίση 50 kHz/V. Όταν στην είσοδό του η τάση είναι 5 V, η συχνότητα του σήματος εξόδου είναι f = 3 MHz. Να προσδιοριστεί η συχνότητα του σήματος στην έξοδο, όταν η τάση στην είσοδο είναι διαδοχικά 2,5 V και 7,5 V.
Απάντηση:
-
Η αρχή (σελ. 163): ο ταλαντωτής VCO χαρακτηρίζεται από τη ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας του, τη γραμμικότητα και την κλίση k (Hz/V) — άρα, όπως λέει και το βιβλίο στη λύση της αντίστοιχης εφαρμογής (σελ. 164): αφού ο VCO είναι γραμμικός, τότε η μεταβολή της συχνότητας του σήματος στην έξοδο είναι ευθέως ανάλογη προς τις μεταβολές της τάσης στην είσοδο.
Δf = k·ΔV, με k = 50 kHz/V = 0,05 MHz/VΤο σημείο αναφοράς: V = 5 V → f = 3 MHz.
Για V = 2,5 V
ΔV = 2,5 − 5 = −2,5 V Δf = −2,5 × 0,05 = −0,125 MHz f΄ = 3 − 0,125 = 2,875 MHzΓια V = 7,5 V
ΔV = 7,5 − 5 = +2,5 V Δf = +2,5 × 0,05 = +0,125 MHz f΄΄ = 3 + 0,125 = 3,125 MHzΑπαντήσεις | Τάση εισόδου | Συχνότητα εξόδου | |---|---| | 2,5 V | 2,875 MHz | | 5,0 V | 3,000 MHz (δεδομένο) | | 7,5 V | 3,125 MHz |
Η αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 2 του βιβλίου (σελ. 164): ένας ταλαντωτής VCO με γραμμική συμπεριφορά έχει κλίση 100 kHz/V. Όταν στην είσοδο του η τάση είναι 2 V, η συχνότητα του σήματος εξόδου είναι f = 2 MHz… Λύση: Για τάση 1,7 V έχουμε: f΄ = 2 MHz − 0,3 V · 0,1 MHz/V = 1,97 ΜΗz. Αντίστοιχα, για τάση εισόδου 2,5 V έχουμε: f΄΄ = 2 + 0,5 · 0,1 = 2,05 ΜΗz — η ίδια ακριβώς μεθοδολογία.
Η ολική ζώνη
Δfολ = 3,125 − 2,875 = 0,25 MHz = 250 kHz ΔVολ = 7,5 − 2,5 = 5 V έλεγχος: 250 kHz / 5 V = 50 kHz/V ✓Η γενική σχέση του VCO (σελ. 163): f(t) = fo + k·s(t) — εδώ, με σημείο ηρεμίας (5 V, 3 MHz)
f = 3 MHz + 0,05·(V − 5) [MHz, με V σε Volt]
Σύνοψη: (ενδεικτική) Επειδή ο ταλαντωτής VCO είναι γραμμικός, η μεταβολή της συχνότητας εξόδου είναι ευθέως ανάλογη προς τη μεταβολή της τάσης εισόδου, με συντελεστή αναλογίας την κλίση, δηλαδή πενήντα κιλοχερτς ανά βολτ ή μηδέν κόμμα μηδέν πέντε μεγαχερτς ανά βολτ. Σημείο αναφοράς είναι η τάση των πέντε βολτ, που αντιστοιχεί σε συχνότητα τριών μεγαχερτς. Για τάση δύο κόμμα πέντε βολτ, η μεταβολή της τάσης είναι μείον δυόμισι βολτ, άρα η μεταβολή της συχνότητας μείον μηδέν κόμμα εκατόν είκοσι πέντε μεγαχερτς, και η συχνότητα εξόδου γίνεται δύο κόμμα οκτακόσια εβδομήντα πέντε μεγαχερτς. Για τάση επτά κόμμα πέντε βολτ, η μεταβολή είναι συν δυόμισι βολτ, άρα συν μηδέν κόμμα εκατόν είκοσι πέντε μεγαχερτς, και η συχνότητα γίνεται τρία κόμμα εκατόν είκοσι πέντε μεγαχερτς. Ο έλεγχος επαληθεύει το αποτέλεσμα, αφού για ολική μεταβολή τάσης πέντε βολτ η συχνότητα μεταβάλλεται κατά διακόσια πενήντα κιλοχερτς, δηλαδή πενήντα κιλοχερτς ανά βολτ.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 3 — Συνθέτης συχνοτήτων με βήμα 150 kHz
Ερώτηση: 3. Σ' ένα συνθέτη συχνοτήτων, όπως αυτόν του σχήματος 5.2.7, το βήμα σύνθεσης είναι 150 kHz και ο διαιρέτης Ν παίρνει τιμές από Ν1 = 10 έως Ν2 = 40. Να προσδιοριστούν οι συχνότητες του σήματος στην έξοδο του VCO. Επίσης, αν ο VCO είναι γραμμικός και η κλίση του είναι 200 kHz/V, να προσδιοριστούν τα όρια μεταβολής της τάσης ελέγχου στην είσοδό του.
Απάντηση:
-
Η σχέση (3) (σελ. 164): fvco = N·fαν, όπου fαν το βήμα (step) προγραμματισμού.
1. Οι ακραίες συχνότητες
fαν = 150 kHz = 0,15 MHz f1 = Ν1·fαν = 10 × 0,15 = 1,5 MHz f2 = Ν2·fαν = 40 × 0,15 = 6,0 MHzΗ ζώνη λειτουργίας: από 1,5 MHz έως 6 MHz.
Ο αριθμός των διαθέσιμων συχνοτήτων
Ν2 − Ν1 + 1 = 40 − 10 + 1 = 31 διακριτές συχνότητες ανά βήμα 150 kHz2. Τα όρια της τάσης ελέγχου
k = 200 kHz/V = 0,2 MHz/V V2 − V1 = (f2 − f1)/k = (6 − 1,5)/0,2 = 4,5/0,2 = 22,5 VΑπαντήσεις | Μέγεθος | Τιμή | |---|---| | f1 (για Ν1 = 10) | 1,5 MHz | | f2 (για Ν2 = 40) | 6 MHz | | μεταβολή τάσης ελέγχου | 22,5 V |
Η αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 3 του βιβλίου (σελ. 164): το βήμα σύνθεσης είναι 100 kHz και ο διαιρέτης Ν παίρνει τιμές από Ν1 = 10 έως Ν2 = 20… η κλίση του είναι 250 kHz/V… Λύση: f1 = Ν1·fαν = 1 MHz, f2 = N2·fαν = 2 MHz. Η μεταβολή της τάσης εισόδου του VCO που αντιστοιχεί σε αυτή τη ζώνη συχνοτήτων είναι: V2 − V1 = (f2 − f1)/k = (1 MHz)/(0,25 MHz/V) = 4V — η ίδια ακριβώς μεθοδολογία.
Η πρακτική παρατήρηση: τα 22,5 V είναι μεγάλο εύρος τάσης ελέγχου — μεγαλύτερο από τις συνήθεις τάσεις τροφοδοσίας. Στην πράξη θα χρειαζόταν είτε μεγαλύτερη κλίση k (π.χ. 500 kHz/V → 9 V) είτε χωριστή πηγή υψηλότερης τάσης για την πόλωση της Varicap.
Το κρίσιμο πλεονέκτημα του συνθέτη (σελ. 164): διαθέτουμε, δηλαδή, ένα σύστημα προγραμματισμού της συχνότητας του φέροντος με κατάλληλη επιλογή του αριθμού Ν και βήμα (step) προγραμματισμού fαv — και κάθε μία από τις 31 συχνότητες έχει τη σταθερότητα του κρυστάλλου αναφοράς.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στον συνθέτη συχνοτήτων η συχνότητα του VCO ισούται με τον διαιρέτη N επί τη συχνότητα αναφοράς, δηλαδή επί το βήμα σύνθεσης. Με βήμα εκατόν πενήντα κιλοχερτς και N ίσο με δέκα, η κάτω συχνότητα προκύπτει ένα κόμμα πέντε μεγαχερτς, ενώ με N ίσο με σαράντα η άνω συχνότητα προκύπτει έξι μεγαχερτς· η ζώνη λειτουργίας είναι επομένως από ένα κόμμα πέντε έως έξι μεγαχερτς, με τριάντα μία διακριτές συχνότητες σε βήματα των εκατόν πενήντα κιλοχερτς. Για τα όρια της τάσης ελέγχου, η μεταβολή της τάσης ισούται με τη μεταβολή της συχνότητας διά την κλίση του VCO, δηλαδή τέσσερα κόμμα πέντε μεγαχερτς διά μηδέν κόμμα δύο μεγαχερτς ανά βολτ, που δίνει είκοσι δύο κόμμα πέντε βολτ. Πρακτικά η τιμή αυτή είναι μεγάλη, μεγαλύτερη από τις συνήθεις τάσεις τροφοδοσίας, οπότε θα χρειαζόταν είτε μεγαλύτερη κλίση είτε χωριστή πηγή υψηλότερης τάσης για την πόλωση της διόδου Varicap.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 4 — Διαμόρφωση AM με πολλαπλασιαστή
Ερώτηση: 4. Στο κύκλωμα διαμόρφωσης AM του σχήματος 5.3.2 δίνονται: M(t) = 20cos(ωot), s(t) = 10cos(Ωt) και ο συντελεστής του πολλαπλασιαστή k=0,1 V-1. Να προσδιοριστεί η έκφραση του διαμορφωμένου φέροντος και το ποσοστό διαμόρφωσης που προκύπτει. Δίνονται επίσης fο = 1 MHz και F= 10 kHz. Να προσδιοριστεί το εύρος της φασματικής ζώνης του διαμορφωμένου φέροντος.
Απάντηση:
-
Η σχέση του κυκλώματος 5.3.2 (σελ. 175, από τη λύση της Εφαρμογής 1): E(t) = M(t) + k·s(t)·M(t).
1. Η έκφραση του διαμορφωμένου φέροντος
E(t) = M(t)·[1 + k·s(t)] = 20cos(ωot)·[1 + 0,1 × 10cos(Ωt)] = 20·[1 + 1·cos(Ωt)]·cos(ωot)Άρα
E(t) = 20[1 + cos(Ωt)]·cos(ωot) (Volt)2. Το ποσοστό διαμόρφωσης
m = k·So = 0,1 × 10 = 1 → m = 100%Η παρατήρηση: πρόκειται για πλήρη διαμόρφωση — οριακή περίπτωση. Το βιβλίο (σελ. 111, κεφ. 3) σημειώνει ότι δε χρησιμοποιούμε ποτέ ποσοστό διαμόρφωσης 100%, επειδή δημιουργεί παραμόρφωση του σήματος στο δέκτη, και ότι οι συνήθεις τιμές του m κυμαίνονται από 0,75 (75%) έως 0,90 (90%). Στην πράξη ο συντελεστής k ή το πλάτος So θα έπρεπε να μειωθούν λίγο.
3. Το εύρος της φασματικής ζώνης
fo = 1 MHz = 1000 kHz, F = 10 kHz κάτω πλευρική: fo − F = 990 kHz φέρον: fo = 1000 kHz άνω πλευρική: fo + F = 1010 kHz Β = 2F = 20 kHzΗ φασματική ζώνη είναι από 0,99 MHz έως 1,01 MHz, δηλαδή Β = 20 kHz.
πλάτος (V) 20 ┤ │ │ │ 10 ┤ │ │ │ 0 └───┴────┴────┴────► f (kHz) 990 1000 1010 |←── 20 kHz ──→|(τα πλάτη των πλευρικών: So/2 = m·Mo/2 = 10 V)
Η αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 1 του βιβλίου (σελ. 175): M(t) = 10sin(ωot), s(t) = 8cos(Ωt) και… k = 0,1 V⁻¹… fο = 1,5 ΜΗz και F = 5 kHz. Λύση: E(t) = M(t) + k·s(t)·M(t) = 10[1 + 0,8cos(Ωt)]·sin(ωot). Το ποσοστό διαμόρφωσης είναι m = 80%. Το εύρος της φασματικής ζώνης είναι: (fo−F, fo+F) δηλαδή 1,495 ΜΗz έως 1,505 ΜΗz — η ίδια ακριβώς μεθοδολογία.
Η αποτελεσματικότητα (κεφ. 3, Εξ. 17)
D = m²/(m² + 2) = 1/3 = 33,3%— το θεωρητικό μέγιστο της AM, ακριβώς επειδή m = 1.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στο κύκλωμα διαμόρφωσης του σχήματος πέντε τρία δύο, το διαμορφωμένο φέρον δίνεται από τη σχέση φέρον συν τον συντελεστή k επί το γινόμενο σήματος και φέροντος, δηλαδή φέρον επί ένα συν k επί το σήμα. Αντικαθιστώντας, έχουμε είκοσι επί ένα συν μηδέν κόμμα ένα επί δέκα συνημίτονο Ωt, επί συνημίτονο ωo t, δηλαδή είκοσι επί ένα συν συνημίτονο Ωt, επί συνημίτονο ωo t, σε βολτ. Το ποσοστό διαμόρφωσης είναι ο συντελεστής k επί το πλάτος του σήματος, δηλαδή μηδέν κόμμα ένα επί δέκα, ίσον ένα ή εκατό τοις εκατό· πρόκειται για πλήρη, οριακή διαμόρφωση, ενώ το βιβλίο σημειώνει ότι στην πράξη δεν χρησιμοποιούμε ποτέ ποσοστό εκατό τοις εκατό γιατί δημιουργεί παραμόρφωση στον δέκτη. Ως προς το φάσμα, με φέρον ένα μεγαχερτς και σήμα δέκα κιλοχερτς, οι πλευρικές τοποθετούνται στα εννιακόσια ενενήντα και στα χίλια δέκα κιλοχερτς, οπότε το εύρος της φασματικής ζώνης είναι είκοσι κιλοχερτς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 5 — Διαμορφωτής SSB με τρία στάδια
Ερώτηση: 5. Σε διαμόρφωση SSB η τελική συχνότητα φέρουσας πρέπει να είναι 5 ΜΗζ. Ο διαμορφωτής που θα χρησιμοποιηθεί είναι με φίλτρα ζώνης που διαθέτουν Q<10. Το φάσμα του σήματος διαμόρφωσης εκτείνεται από 300 Hz έως 5 kHz. Να σχεδιαστεί το δομικό διάγραμμα του διαμορφωτή. Πόσα στάδια αλλαγής συχνότητας περιλαμβάνει.
Απάντηση:
-
Ο έλεγχος με ένα στάδιο — σχέση (7), σελ. 169: Q ≅ fo/Fmax
Q = 5.000.000/5.000 = 1000 ≫ 10 ✗ αδύνατοΑκριβώς η περίπτωση που περιγράφει το βιβλίο (σελ. 169): αν η συχνότητα φέροντος είναι 5 ΜΗz και η φασματική ζώνη του διαμορφώνοντος σήματος από Fmin = 20 Hz έως Fmax = 5 kHz, τότε απαιτείται Q = 1000, δηλαδή φίλτρο που κατασκευάζεται δύσκολα.
Η λύση (σελ. 169): τη δυσκολία αυτή την αποφεύγουμε, αν επιχειρήσουμε τη SSB διαμόρφωση σε δύο ή περισσότερα διαδοχικά στάδια. Σε κάθε στάδιο, ο απαιτούμενος συντελεστής ποιότητας είναι
Qi ≅ (συχνότητα ταλαντωτή του σταδίου)/(συχνότητα του σήματος εισόδου του)Ο σχεδιασμός με τρία στάδια | Στάδιο | Ταλαντωτής | Είσοδος | Q | |---|---|---|---| | 1ο | fo1 = 50 kHz | 5 kHz | 50/5 = 10 | | 2ο | fo2 = 450 kHz | 50 kHz | 450/50 = 9 | | 3ο | fo3 = 4,5 MHz | 500 kHz | 4500/500 = 9 |
fo1 + fo2 + fo3 = 50 kHz + 450 kHz + 4500 kHz = 5000 kHz = 5 MHz ✓Το δομικό διάγραμμα (κατά το Σχ. 5.3.11, σελ. 171)
s(t) ──►[Χ]──►[Φ1]──► E1(t) ──►[Χ]──►[Φ2]──► E2(t) ──►[Χ]──►[Φ3]──► E(t) ▲ (50k+F) ▲ (500k+F) ▲ (5M+F) │ │ │ ταλαντωτής ταλαντωτής ταλαντωτής fo1=50 kHz fo2=450 kHz fo3=4,5 MHz Q1=10 Q2=9 Q3=9Απάντηση: απαιτούνται τρία στάδια αλλαγής (μετάθεσης) συχνότητας.
Η αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 2 του βιβλίου (σελ. 175): σε διαμόρφωση SSB η τελική συχνότητα φέρουσας πρέπει να είναι 4 ΜΗz. Ο διαμορφωτής… με φίλτρα ζώνης που διαθέτουν Q<10. Το φάσμα… από 100 Ηz έως 4 kHz… Λύση: Θα χρησιμοποιηθεί διαμορφωτής SSB, σαν αυτός του σχήματος 5.3.7, αλλά με τρία στάδια μετάθεσης της συχνότητας. Οι ταλαντωτές που θα χρησιμοποιηθούν διαδοχικά έχουν συχνότητα fo1 = 40 kHz, fo2 = 360 kHz και fο3 = 3,6 ΜΗz (fο1 + fo2 + fo3 = fo = 4 ΜΗz) — ακριβώς η ίδια δομή, με τις τιμές σε αναλογία 1 : 9 : 90.
Ο έλεγχος της αναλογίας
Βιβλίο (4 MHz): 40 : 360 : 3600 kHz Άσκηση (5 MHz): 50 : 450 : 4500 kHz και στις δύο περιπτώσεις: fo1 = fo/100, fo2 = 9·fo1, fo3 = 90·fo1Ο ρόλος της Fmin = 300 Hz: καθορίζει την απόσταση των δύο πλευρικών ζωνών (2 × 300 = 600 Hz) — δηλαδή πόσο κοντά βρίσκεται η ανεπιθύμητη ζώνη στην επιθυμητή. Όσο μεγαλύτερη η Fmin, τόσο ευκολότερος ο διαχωρισμός.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Με ένα μόνο στάδιο ο απαιτούμενος συντελεστής ποιότητας θα ήταν η τελική φέρουσα διά την ανώτερη συχνότητα του σήματος, δηλαδή πέντε εκατομμύρια διά πέντε χιλιάδες, ίσον χίλια, τιμή απαγορευτική όταν τα διαθέσιμα φίλτρα έχουν συντελεστή μικρότερο του δέκα. Τη δυσκολία την αποφεύγουμε επιχειρώντας τη διαμόρφωση σε διαδοχικά στάδια. Με τρία στάδια, οι ταλαντωτές μπορούν να είναι πενήντα κιλοχερτς, τετρακόσια πενήντα κιλοχερτς και τέσσερα κόμμα πέντε μεγαχερτς, με άθροισμα ακριβώς πέντε μεγαχερτς. Οι αντίστοιχοι απαιτούμενοι συντελεστές ποιότητας είναι δέκα, εννέα και εννέα, δηλαδή όλοι εντός των προδιαγραφών. Το δομικό διάγραμμα περιλαμβάνει τρεις πολλαπλασιαστές, καθένας ακολουθούμενος από φίλτρο ζώνης, με τρεις αντίστοιχους ταλαντωτές. Άρα απαιτούνται τρία στάδια αλλαγής συχνότητας. Η δομή είναι ακριβώς ανάλογη με εκείνη της αντίστοιχης εφαρμογής του βιβλίου για τελική φέρουσα τεσσάρων μεγαχερτς, όπου οι ταλαντωτές ήταν σαράντα κιλοχερτς, τριακόσια εξήντα κιλοχερτς και τρία κόμμα έξι μεγαχερτς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 6 — Ταλαντωτής με Varicap — ΔCmax και πλάτος σήματος
Ερώτηση: 6. Σ' έναν ταλαντωτή με Varicap η κεντρική συχνότητα ταλάντωσης είναι fo = 80 ΜΗz, όταν η συνολική χωρητικότητα του ταλαντούμενου κυκλώματος L, C είναι Co = 40 pF. Να προσδιοριστεί το απαιτούμενο ΔCmax που πρέπει να προκληθεί στο Varicap από το σήμα διαμόρφωσης, ώστε η απόκλιση συχνότητας να είναι Δfmax = 80 kHz. Αν η κλίση του Varicap είναι α = 0,10 pF/V, να προσδιοριστεί το πλάτος του σήματος διαμόρφωσης.
Απάντηση:
-
1. Το απαιτούμενο ΔCmax — σχέση (12), σελ. 172: Δf = fo·ΔC/(2Co)
ΔCmax = 2·Co·(Δfmax/fo) = 2 × 40 pF × (80 × 10³/80 × 10⁶) = 80 pF × 10⁻³ ΔCmax = 0,08 pF2. Το πλάτος του σήματος διαμόρφωσης — σχέση (13), σελ. 172: ΔC = α·ΔV = α·s(t), με ΔCmax = α·So
So = ΔCmax/α = 0,08 pF/(0,10 pF/V) = 0,8 VΑπαντήσεις | Μέγεθος | Τιμή | |---|---| | ΔCmax | 0,08 pF | | πλάτος σήματος So | 0,8 V |
Η αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 3 του βιβλίου (σελ. 175): σ' ένα ταλαντωτή με Varicap η συχνότητα ταλάντωσης είναι fο = 100 ΜΗz, όταν η συνολική χωρητικότητα… είναι Co = 70 pF… ώστε η απόκλιση συχνότητας να είναι Δfmax = 75 kHz. Αν η κλίση του Varicap είναι α = 0,1 pF/V… Λύση: Δfmax = (fo·ΔCmax)/2Co άρα ΔCmax = 2(Δfmax/fo)·Co = 0,105 pF. Επίσης, ΔCmax = α·so, άρα so = 1,05 V — η ίδια ακριβώς μεθοδολογία.
Ο έλεγχος της κλίσης του διαμορφωτή — σχέση (14), σελ. 172: Δfmax = (fo·α/2Co)·So
k = fo·α/(2Co) = (80 × 10⁶ × 0,10)/(2 × 40) = 8 × 10⁶/80 = 10⁵ Hz/V k = 100 kHz/V έλεγχος: Δfmax = k·So = 100 kHz/V × 0,8 V = 80 kHz ✓Η σχετική μεταβολή της χωρητικότητας
ΔCmax/Co = 0,08/40 = 0,002 = 0,2%— δηλαδή αρκεί μια ελάχιστη μεταβολή της χωρητικότητας για να δώσει την απαιτούμενη απόκλιση 80 kHz, γιατί
Δf/fo = ΔC/(2Co) = 0,001 = 0,1% 80 kHz/80 MHz = 0,001 ✓Η θέση στο φάσμα: τα 80 MHz βρίσκονται λίγο κάτω από τη ζώνη της ραδιοφωνίας FM (88-108 MHz) και μέσα στα υπερβραχέα (VHF) — ακριβώς η περιοχή όπου, κατά το βιβλίο (σελ. 173), αυτού του είδους τον ταλαντωτή με Varicap τον συναντούμε στους περισσότερους πομπούς FM για συχνότητες από 50 MHz και πάνω.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Πρώτον, από τη σχέση που συνδέει τη μεταβολή της συχνότητας με τη μεταβολή της χωρητικότητας, δηλαδή Δf ίσον fo επί ΔC διά δύο Co, προκύπτει ότι η απαιτούμενη μέγιστη μεταβολή της χωρητικότητας ισούται με δύο Co επί τον λόγο της μέγιστης απόκλισης προς την κεντρική συχνότητα. Αντικαθιστώντας ογδόντα πικοφαράντ επί ογδόντα κιλοχερτς διά ογδόντα μεγαχερτς, δηλαδή επί ένα χιλιοστό, προκύπτει μηδέν κόμμα μηδέν οκτώ πικοφαράντ. Δεύτερον, επειδή η μεταβολή της χωρητικότητας ισούται με την κλίση της Varicap επί το πλάτος του σήματος, το πλάτος προκύπτει μηδέν κόμμα μηδέν οκτώ διά μηδέν κόμμα δέκα, δηλαδή μηδέν κόμμα οκτώ βολτ. Ο έλεγχος με την κλίση του διαμορφωτή επαληθεύει το αποτέλεσμα: η κλίση προκύπτει εκατό κιλοχερτς ανά βολτ και, επί μηδέν κόμμα οκτώ βολτ, δίνει πράγματι ογδόντα κιλοχερτς. Αξίζει να σημειωθεί ότι αρκεί μεταβολή της χωρητικότητας μόλις δύο δέκατα του τοις εκατό για την απαιτούμενη απόκλιση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 7 — Συνθέτης συχνοτήτων για τη ζώνη FM
Ερώτηση: 7. Σ' ένα συνθέτη συχνοτήτων, όπως αυτόν του σχήματος 5.2.7, το βήμα σύνθεσης είναι 200 kHz. Να δοθεί η έκφραση της συχνότητας του VCO. Αν ο διαιρέτης Ν παίρνει τιμές από Ν1 = 440 έως Ν2 = 540, να προσδιοριστούν οι ακραίες συχνότητες του σήματος στην έξοδο του VCO. Επίσης, αν ο VCO είναι γραμμικός και η κλίση του είναι 2 MHz/V, να προσδιοριστούν τα όρια μεταβολής της τάσης ελέγχου στην είσοδό του.
Απάντηση:
-
1. Η έκφραση της συχνότητας — σχέση (3), σελ. 164
fvco = N·fαν = N × 200 kHz = 0,2·N [MHz]2. Οι ακραίες συχνότητες
f1 = Ν1·fαν = 440 × 0,2 MHz = 88 MHz f2 = Ν2·fαν = 540 × 0,2 MHz = 108 MHzΗ αναγνώριση της ζώνης (σελ. 119, κεφ. 3): τα 88-108 MHz είναι ακριβώς η ζώνη της ραδιοφωνίας FM, που είναι διεθνώς από 88 MHz έως 108 ΜΗz.
3. Τα όρια της τάσης ελέγχου
k = 2 MHz/V V2 − V1 = (f2 − f1)/k = (108 − 88)/2 = 20/2 = 10 VΑπαντήσεις | Μέγεθος | Τιμή | |---|---| | έκφραση | fvco = 0,2·N MHz | | f1 (Ν1 = 440) | 88 MHz | | f2 (Ν2 = 540) | 108 MHz | | μεταβολή τάσης ελέγχου | 10 V |
Ο αριθμός των καναλιών
Ν2 − Ν1 + 1 = 540 − 440 + 1 = 101 διακριτές συχνότητεςΗ επαλήθευση με το κεφ. 3 (σελ. 119): πόσοι ραδιοφωνικοί σταθμοί FM μπορούν να υπάρξουν στη ζώνη συχνοτήτων από 88 έως 108 MHz…; Λύση: Θεωρώντας ότι η απόσταση μεταξύ των ραδιοφωνικών σταθμών είναι 200 kHz, τότε έχουμε: Ν = (108 − 88) ΜΗz/0,2 ΜΗz = 100 — δηλαδή 100 διαστήματα, 101 συχνότητες, με βήμα ακριβώς 200 kHz.
Η αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 4 του βιβλίου (σελ. 176): το βήμα σύνθεσης είναι 100 kHz και ο διαιρέτης Ν παίρνει τιμές από Ν1 = 880 έως Ν2 = 1080… η κλίση του είναι 2,5 MHz/V… Λύση: f1 = Ν1·fαν = 88 MHz, f2 = N2·fαν = 108 MHz. Η μεταβολή της τάσης εισόδου… είναι: V2 − V1 = (f2 − f1)/k = (20 MHz)/(2,5 MHz/V) = 8V — ίδια ζώνη, με μισό βήμα και διπλάσιους διαιρέτες.
Η σύγκριση των δύο σχεδιασμών | | Εφαρμογή (βιβλίο) | Άσκηση | |---|---|---| | βήμα | 100 kHz | 200 kHz | | Ν | 880-1080 | 440-540 | | κανάλια | 201 | 101 | | τάση ελέγχου | 8 V | 10 V | Ποιος είναι προτιμότερος: το βήμα των 200 kHz ταιριάζει ακριβώς με την απόσταση σταθμών που επιβάλλει ο νόμος (σελ. 119: τοποθετούνται σε απόσταση τουλάχιστον 200 kHz), άρα κάθε τιμή του Ν αντιστοιχεί σε έγκυρο κανάλι — καθαρότερος σχεδιασμός.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Πρώτον, η συχνότητα του VCO ισούται με τον διαιρέτη N επί τη συχνότητα αναφοράς, δηλαδή N επί διακόσια κιλοχερτς ή, ισοδύναμα, μηδέν κόμμα δύο επί N σε μεγαχερτς. Δεύτερον, για N ίσο με τετρακόσια σαράντα η κάτω συχνότητα προκύπτει ογδόντα οκτώ μεγαχερτς και για N ίσο με πεντακόσια σαράντα η άνω προκύπτει εκατόν οκτώ μεγαχερτς· πρόκειται ακριβώς για τη ζώνη της ραδιοφωνίας FM, που διεθνώς εκτείνεται από τα ογδόντα οκτώ ως τα εκατόν οκτώ μεγαχερτς, με εκατόν μία διακριτές συχνότητες σε βήματα των διακοσίων κιλοχερτς, δηλαδή ακριβώς όσα προβλέπει και η αντίστοιχη εφαρμογή του τρίτου κεφαλαίου. Και τρίτον, η μεταβολή της τάσης ελέγχου ισούται με τη μεταβολή της συχνότητας διά την κλίση, δηλαδή είκοσι μεγαχερτς διά δύο μεγαχερτς ανά βολτ, που δίνει δέκα βολτ. Το βήμα των διακοσίων κιλοχερτς έχει το πλεονέκτημα ότι ταιριάζει ακριβώς με τη νόμιμη απόσταση μεταξύ ραδιοφωνικών σταθμών.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 8 — Φασματικές συνιστώσες στερεοφωνικού κωδικοποιητή
Ερώτηση: 8. Σ' ένα στερεοφωνικό κωδικοποιητή η αριστερή και δεξιά ηχητική πηγή περιέχουν φασματικές συνιστώσες στις συχνότητες (Fα1 = 1 kHz, Fα2 = 5 kHz) και (Fδ1 = 2 kHz, Fδ2 = 7 kHz). Να προσδιοριστούν όλες οι φασματικές συνιστώσες στην έξοδο του κωδικοποιητή.
Απάντηση:
-
Η διαδρομή του σήματος (σελ. 176-177): s1(t) = α(t) + δ(t) και s2(t) = α(t) − δ(t) (18)· έπειτα με διαμόρφωση DSBsc ενός υποφέροντος σήματος 38 kHz μετατοπίζεται η φασματική ζώνη του s2(t)· και τέλος στο φάσμα του σήματος s(t) ενσωματώνεται και φασματική ακτίνα 19 kHz.
Βήμα 1 — τα σήματα s1 και s2
α(t): 1 kHz, 5 kHz δ(t): 2 kHz, 7 kHz s1 = α + δ → 1, 2, 5, 7 kHz s2 = α − δ → 1, 2, 5, 7 kHzΗ παρατήρηση (σελ. 176): οι φασματικές ζώνες των δύο νέων σημάτων είναι ίδιες με αυτές των αρχικών — η πρόσθεση/αφαίρεση δεν δημιουργεί νέες συχνότητες, αλλάζει μόνο τα πλάτη.
Βήμα 2 — η DSBsc του s2 με υποφέρον 38 kHz Κάθε συνιστώσα F δίνει ζεύγος πλευρικών 38 ± F | F του s2 | 38 − F | 38 + F | |---|---|---| | 1 kHz | 37 kHz | 39 kHz | | 2 kHz | 36 kHz | 40 kHz | | 5 kHz | 33 kHz | 43 kHz | | 7 kHz | 31 kHz | 45 kHz | Συχνότητες του s2΄: 31, 33, 36, 37, 39, 40, 43, 45 kHz. (το υποφέρον των 38 kHz δεν εμφανίζεται, αφού η διαμόρφωση είναι χωρίς φέρον — DSBsc)
Βήμα 3 — ο πιλότος
19 kHzΤο σύνολο των φασματικών συνιστωσών στην έξοδο
1, 2, 5, 7, 19, 31, 33, 36, 37, 39, 40, 43, 45 kHzΔηλαδή 13 φασματικές ακτίνες.
│ ││ │ │ │ ││││││ ││ └─┴┴─┴──────┴────────┴─┴┴┴┴┴┴──┴┴──► f (kHz) 1257 19 31 33 36-40 43 45 └─s1─┘ πιλότος └────── s2΄ ──────┘Η αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 1 του βιβλίου (σελ. 179): οι συχνότητες της αριστερής και δεξιάς ηχητικής πηγής είναι αντίστοιχα Fα = 2 kHz, Fδ = 4 kHz… Λύση: Συχνότητες σήματος s1: 2 kHz, 4 kHz. Συχνότητες σήματος s2: 2 kHz, 4 kHz. Συχνότητες σήματος DSBsc (s΄2): 34, 36, 40, 42 kHz. Σύνολο συχνοτήτων: 2, 4, 19, 34, 36, 40, 42 kHz — η ίδια ακριβώς μεθοδολογία.
Ο έλεγχος των ορίων (σελ. 179): η φασματική ζώνη του σήματος που προέκυψε στην έξοδο του στερεοφωνικού κωδικοποιητή… είναι: (20 Hz - 53 kHz) — όλες οι συνιστώσες μας (1 έως 45 kHz) χωρούν άνετα, αφού η μέγιστη ακουστική συχνότητα εδώ (7 kHz) είναι πολύ μικρότερη από το όριο των 15 kHz.
Τι θα άκουγε ένας μονοφωνικός δέκτης (σελ. 179): μόνο το s1, δηλαδή τις συχνότητες 1, 2, 5, 7 kHz — όλη την ακουστική πληροφορία και των δύο πηγών, μονοφωνικά.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Στον στερεοφωνικό κωδικοποιητή δημιουργούνται πρώτα τα σήματα του αθροίσματος και της διαφοράς. Επειδή η πρόσθεση και η αφαίρεση δεν δημιουργούν νέες συχνότητες αλλά αλλάζουν μόνο τα πλάτη, και τα δύο περιέχουν τις συχνότητες ένα, δύο, πέντε και επτά κιλοχερτς. Στη συνέχεια το σήμα της διαφοράς διαμορφώνει κατά DSBsc το υποφέρον των τριάντα οκτώ κιλοχερτς, οπότε κάθε συνιστώσα δίνει ζεύγος πλευρικών εκατέρωθεν των τριάντα οκτώ: το ένα κιλοχερτς δίνει τριάντα επτά και τριάντα εννέα, το δύο δίνει τριάντα έξι και σαράντα, το πέντε δίνει τριάντα τρία και σαράντα τρία, και το επτά δίνει τριάντα ένα και σαράντα πέντε· το ίδιο το υποφέρον δεν εμφανίζεται, αφού η διαμόρφωση είναι χωρίς φέρον. Τέλος προστίθεται ο πιλότος των δεκαεννέα κιλοχερτς. Άρα οι φασματικές συνιστώσες στην έξοδο είναι δεκατρείς: ένα, δύο, πέντε, επτά, δεκαεννέα, τριάντα ένα, τριάντα τρία, τριάντα έξι, τριάντα επτά, τριάντα εννέα, σαράντα, σαράντα τρία και σαράντα πέντε κιλοχερτς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 9 — Πλήρης ενεργειακός ισολογισμός πομπού AM
Ερώτηση: 9. Η ολική ισχύς στην έξοδο πομπού AM είναι 400 W. Το ποσοστό διαμόρφωσης του σήματος είναι 85%. Να υπολογιστεί η αποτελεσματικότητα ισχύος D και η ωφέλιμη ισχύς στην έξοδο. Επίσης, αν η απόδοση του συστήματος (η = Ρεξ / Ρτρ) είναι της τάξης του 25 % και η συνεχής τάση τροφοδοσίας είναι Vcc = 80 V, να προσδιοριστεί το συνεχές ρεύμα κατανάλωσης lcc. Αν το σύστημα τροφοδοτείται από το δίκτυο των 220 V, να προσδιοριστεί η ασφάλεια προστασίας του συστήματος.
Απάντηση:
-
1. Η αποτελεσματικότητα D — Εξ. (17), κεφ. 3: D = m²/(m² + 2)
m = 0,85 → m² = 0,7225 D = 0,7225/(0,7225 + 2) = 0,7225/2,7225 = 0,2654 D = 26,54%2. Η ωφέλιμη ισχύς
Ρωφ = D·Ρολ = 0,2654 × 400 = 106,2 W(κάθε πλάγια ζώνη: 53,1 W· το φέρον: 400 − 106,2 = 293,8 W)
3. Το συνεχές ρεύμα κατανάλωσης
η = Ρεξ/Ρτρ = 25% = 0,25 Ρτρ = Ρολ/η = 400/0,25 = 1600 W Icc = Ρτρ/Vcc = 1600/80 = 20 A4. Η ασφάλεια προστασίας από το δίκτυο
Ρδικτ = Ρτρ = 1600 W (η ισχύς που τραβάει το τροφοδοτικό) Iδικτ = 1600/220 = 7,27 AΕπιλέγεται η αμέσως μεγαλύτερη τυποποιημένη τιμή: ασφάλεια 8 A (ή, με περιθώριο για το ρεύμα εκκίνησης του τροφοδοτικού, 10 A).
Συγκεντρωτικά | Μέγεθος | Τιμή | |---|---| | αποτελεσματικότητα D | 26,5% | | ωφέλιμη ισχύς Ρωφ | ≅ 106 W | | ισχύς τροφοδοσίας Ρτρ | 1600 W | | συνεχές ρεύμα Icc | 20 A | | ρεύμα από το δίκτυο | ≅ 7,3 A | | ασφάλεια | 8 A (τυποποιημένη· εναλλακτικά 10 A) |
Η αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 1 του βιβλίου (σελ. 185): η ολική ισχύς στην έξοδο πομπού AM είναι 160 W. Το ποσοστό διαμόρφωσης… 80%… η απόδοση του συστήματος… 30% και η τάση τροφοδοσίας είναι Vcc = 60 V… Λύση: D = m²/2 + m² = 0,24. Άρα, Ρωφ = 0,24·160 = 38,4 W. Επίσης Ρτρ = Ρολ/η = 533,33 W. Άρα, lcc = 533,33/60 = 8,88 Α — η ίδια ακριβώς μεθοδολογία.
Ο ενεργειακός απολογισμός
1600 W από το δίκτυο ↓ (απόδοση 25%) 400 W εκπεμπόμενη ισχύς → 1200 W θερμότητα ↓ (αποτελεσματικότητα 26,5%) 106 W ωφέλιμη πληροφορία → 294 W στο άχρηστο φέρονΔηλαδή από 1600 W που καταναλώνονται, μόλις 106 W (6,6%) μεταφέρουν πληροφορία — μια πολύ διδακτική εικόνα του κόστους της κλασικής AM.
Η σύσταση του βιβλίου (σελ. 111): οι συνήθεις τιμές του m κυμαίνονται από 0,75 (75%) έως 0,90 (90%) — το 85% εδώ είναι σωστά επιλεγμένο, κοντά στο πρακτικό μέγιστο.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Πρώτον, η αποτελεσματικότητα της διαμόρφωσης δίνεται από τη σχέση m στο τετράγωνο διά m στο τετράγωνο συν δύο· με ποσοστό ογδόντα πέντε τοις εκατό, το τετράγωνο είναι μηδέν κόμμα εβδομήντα δύο είκοσι πέντε και η αποτελεσματικότητα προκύπτει μηδέν κόμμα διακόσια εξήντα πέντε, δηλαδή είκοσι έξι κόμμα πέντε τοις εκατό. Δεύτερον, η ωφέλιμη ισχύς είναι η αποτελεσματικότητα επί την ολική, δηλαδή περίπου εκατόν έξι βατ, ενώ τα υπόλοιπα διακόσια ενενήντα τέσσερα βατ πηγαίνουν στο φέρον. Τρίτον, με απόδοση συστήματος είκοσι πέντε τοις εκατό, η ισχύς τροφοδοσίας είναι τετρακόσια διά μηδέν κόμμα είκοσι πέντε, δηλαδή χίλια εξακόσια βατ, και με τάση τροφοδοσίας ογδόντα βολτ το συνεχές ρεύμα κατανάλωσης προκύπτει είκοσι αμπέρ. Και τέταρτον, από το δίκτυο των διακοσίων είκοσι βολτ το ρεύμα είναι χίλια εξακόσια διά διακόσια είκοσι, δηλαδή περίπου επτά κόμμα τρία αμπέρ, οπότε επιλέγεται τυποποιημένη ασφάλεια οκτώ αμπέρ ή, με περιθώριο για το ρεύμα εκκίνησης, δέκα αμπέρ.
Κριτήρια αξιολόγησης:
Άσκηση 10 — Εύρος λειτουργίας ενισχυτή εξόδου πομπού FM
Ερώτηση: 10. Να προσδιοριστεί το εύρος λειτουργίας του ενισχυτή εξόδου πομπού FM, όταν στη διαμόρφωση FM ισχύει Δfmax = 75 kHz και Fmax = 15 kHz.
Απάντηση:
-
Βήμα 1 — το εύρος του διαμορφωμένου φέροντος (σχέση Carson, κεφ. 3, Εξ. 26)
Β = 2·(Δfmax + Fmax) = 2 × (75 + 15) = 2 × 90 = 180 kHzΒήμα 2 — η απαίτηση για τον ενισχυτή (σελ. 184): σε κάθε περίπτωση το φίλτρο εξόδου τόσο στους γραμμικούς ενισχυτές όσο και στους ενισχυτές τάξης C πρέπει να διαθέτει το απαραίτητο εύρος ζώνης που απαιτείται, ώστε όλο το φάσμα του διαμορφωμένου φέροντος να διέρχεται χωρίς υποβιβασμό. Δηλαδή, πάντοτε πρέπει να ισχύει: «Εύρος ζώνης ενισχυτή (RF)» > «Εύρος φασματικής ζώνης του διαμορφωμένου φέροντος».
Απάντηση: απαιτείται εύρος λειτουργίας του ενισχυτή εξόδου μεγαλύτερο από 180 kHz, γύρω από την κεντρική συχνότητα λειτουργίας του.
|←──────── 180 kHz ────────→| ▁▁▁▁▁▁▁│▂▂▂▃▃▄▄▅▅█▅▅▄▄▃▃▂▂│▁▁▁▁▁▁▁ fo−90 fo+90 (kHz) ╰──── απόκριση ενισχυτή: πρέπει να είναι ΕΠΙΠΕΔΗ σε όλο αυτό το εύρος ────╯Η αντιπαραβολή με την Εφαρμογή 2 του βιβλίου (σελ. 185): να προσδιοριστεί το εύρος λειτουργίας του ενισχυτή εξόδου πομπού FM, όταν στη διαμόρφωση FM ισχύει Δfmax = 50 kHz και Fmax = 10 kHz. Λύση: Η φασματική ζώνη του σήματος μετά τη διαμόρφωση είναι, με βάση τον τύπο του Carson: Β = 2(50 + 10) = 120 kHz. Άρα, απαιτείται το εύρος λειτουργίας του ενισχυτή εξόδου να είναι > 120 kHz γύρω από την κεντρική συχνότητα λειτουργίας του — η ίδια ακριβώς μεθοδολογία.
Η αναγνώριση των τιμών (σελ. 119, κεφ. 3): Δfmax = 75 kHz και F = 15 kHz είναι ακριβώς οι τυποποιημένες τιμές της ραδιοφωνίας FM, με mf = 5 και Β = 180 kHz — ενώ η απόσταση σταθμών είναι τουλάχιστον 200 kHz.
mf = Δfmax/Fmax = 75/15 = 5Η προσοχή για τη στερεοφωνία (σελ. 179): αν η εκπομπή είναι στερεοφωνική, η ανώτερη συχνότητα του σήματος διαμόρφωσης δεν είναι 15 kHz αλλά 53 kHz, οπότε
Β = 2·(53 + 75) = 256 kHzκαι ο ενισχυτής θα έπρεπε να έχει εύρος > 256 kHz.
Ο λόγος της απαίτησης: αν το εύρος του ενισχυτή ήταν μικρότερο, οι ακραίες φασματικές ακτίνες θα αποκόπτονταν ή θα εξασθενούσαν — με αποτέλεσμα παραμόρφωση του αποδιαμορφωμένου σήματος στον δέκτη, αφού στην FM η πληροφορία κατανέμεται σε όλες τις πλευρικές ακτίνες.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το εύρος λειτουργίας του ενισχυτή εξόδου καθορίζεται από το εύρος της φασματικής ζώνης του διαμορφωμένου φέροντος. Από τον τύπο του Carson, η ζώνη αυτή ισούται με δύο επί το άθροισμα της μέγιστης απόκλισης συχνότητας και της ανώτερης συχνότητας του σήματος, δηλαδή δύο επί εβδομήντα πέντε συν δεκαπέντε, που δίνει εκατόν ογδόντα κιλοχερτς. Όπως τονίζει το βιβλίο, πάντοτε πρέπει το εύρος ζώνης του ενισχυτή να είναι μεγαλύτερο από το εύρος της φασματικής ζώνης του διαμορφωμένου φέροντος, ώστε όλο το φάσμα να διέρχεται χωρίς υποβιβασμό. Άρα απαιτείται εύρος λειτουργίας μεγαλύτερο από εκατόν ογδόντα κιλοχερτς, γύρω από την κεντρική συχνότητα λειτουργίας. Οι τιμές που δίνονται είναι ακριβώς οι τυποποιημένες τιμές της ραδιοφωνίας FM, με δείκτη διαμόρφωσης πέντε. Σημειώνεται ότι, αν η εκπομπή ήταν στερεοφωνική, η ανώτερη συχνότητα του σήματος διαμόρφωσης θα ήταν πενήντα τρία κιλοχερτς και το απαιτούμενο εύρος διακόσια πενήντα έξι κιλοχερτς.
Κριτήρια αξιολόγησης:
