Žilinská univerzita v Žiline. Preladiteľný prenosový kanál

Transkript

1 Elektrotechnická fakulta Preladiteľný prenosový kanál Ján Sliacky 2006

2 Preladiteľný prenosový kanál DIPLOMOVÁ PRÁCA Ján Sliacky ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: Ing. Ján Hlubík Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: ŽILINA 2006

3 Abstrakt: Táto práca sa zaoberá výberom komunikačného kanála z poskytovaného frekvenčného pásma. Vybraný kanál má slúžiť na komunikáciu v televíznych káblových rozvodoch medzi Riadiacim Centrom Domovej Stanice (RCDS) a koncovým účastníckym zariadením (EUB). Budú sa v ňom prenášať signály potrebné na poskytovanie služieb a na riadenie. Mojou úlohou je vytvoriť (naladiť, vybrať) jeden kanál pre jedného konkrétneho užívateľa.

4 , Elektrotechnická fakulta, ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA Priezvisko a meno: Sliacky Ján Rok: 2006 Názov diplomovej práce: Preladiteľný prenosový kanál Elektrotechnická fakulta Počet strán: 52 Počet obrázkov: 43 Počet tabuliek: 2 Počet grafov: 0 Počet príloh: 2 Počet použ.lit.: Anotácia v slovenskom jazyku: sa zaoberá návrhom a vytvorením komunikačných kanálov v televíznych káblových rozvodoch. Anotácia v anglickom jazyku: This this work deal with design and with cretionof comunicate cables in TV cable s distributions. Kľúčové slová: SUPERHET, filter, zmiešavač, oscilátor, televízne káblové rozvody, ladenie, Vedúci diplomovej práce: Ing. Ján Hlubík Recenzent: Prof. Ing. Dušan Trstenský, DrSc Dátum:

5 OBSAH. Úvod.... Úvod do problematiky Možnosti realizácie Elektrické filtre Analógové filtre Číslicové filtre SUPERHET princíp výberu kanálov Superheterodyn Convertor up Superheterodyn s dvojitým zmiešavaním Homodyn Realizácia Zmiešavač Základné parmetre zmiešavačov Princíp zmiešavača Použitý zmiešavač Oscilátor Oscilátory Rozdelenie a základné vlastnosti oscilátorov Harmonické oscilátory Colpittsov oscilátor Filtre Medzifrekvenčný filter 20MHz Filter pásmová priepusť 5-0MHz Celková schéma zapojenia Záver... 5

6 Zoznam obrázkov a tabuliek Obr.. Sie ITKR... 3 Obr.2. Idealizovaný priebeh charakteristiky filtra... 5 Obr.2.3 Základné zapojenia filtrov... 7 Obr.2.4 Príklad integračného článku... 9 Obr.2.5 Princíp ČSS... 9 Obr.2.6 Priebeh signálu v čase a jeho spektrum... 0 Obr.2.7 Frekvenčná a impulzná charakteristika filtra... 2 Obr.2.8 Odozvy filtra... 3 Obr.2.9 Superheterodyn... 6 Obr.2.0 Convertor - up... 7 Obr.2. Superheterodyn s dvojitým zmiešavaním... 8 Obr.2.2 Principiálna schéma prenosového kanála... 9 Obr.3. Graf k ur eniu dynamických rozsahov Obr.3.2 Vzájomné ovplyv ovanie medzi RF, IF, LO Obr.3.3 Spektrum intermodula ných produktov Obr.3.4 Princíp zmiešavača Obr.3.5 Principiálne vnútorné zapojenie obvodu SE Obr.3.6 Vnútorné zapojenie obvodu SE Obr.3.7 VA charakteristiky Obr.3.8 Zapojenie spätnej väzby Obr.3.9 Principiálne zapojenia oscilátorov Obr.3.0 Colpittsov oscilátor...32 Obr.3. Hartleyov oscilátor...32 Obr.3.2 Meissnerov oscilátor Obr.3.3 Schnellov oscilátor...32 Obr.3.4 Clappov oscilátor...34 Obr.3.5 Vackařov oscilátor...34 Obr.3.6 Kryštálový výbrus... 35

7 Obr.3.7 Náhrada...36 Obr.3.8 Závislosť impedancie Obr.3.9 Piercov oscilátor Obr.3.20 Kaskádne RC články Obr.3.2 Colpittsov oscilátor Obr.3.22 Colpittsov oscilátor Obr.3.23 Tolerančná schéma... 4 Obr.3.24 NDP Obr.3.25 Schéma NDP Obr.3.26 Schéma LC filtra Obr.3.27 Simulácia LC filtra Obr.3.28 Tolerančná schéma Obr.3.29 Schéma NDP Obr.3.30 Zapojenie LC filtra Obr.3.3 Simulácia LC filtra Obr.3.32 Celková schéma Tab. Porovnanie vlastností...5 Tab.2 Prenosové kanály s príslušnými frekvenciami...20

8 Zoznam skratiek: Skratky Anglický význam Slovenský význam A/D Analog/Digital Analógovo - číslicový prevodník ARC Active RC Aktívny RC filter CATV Cable TV Káblová televízia ČSS Číslicové spracovanie signálov D/A Digital/Analog Číslicovo analógový prevodník DP Dolná priepusť DSP Digital signal procesor Digitálny signálový procesor EUB End user box koncové užívateľské rozhranie FDM Frekvenčný multiplex FIR Finite impulse response Filter s konečnou impulzovou odozvou IF Intermediate frequency Medzifrekvencia IIR Infinite impulse response Filter s nekonečnou impulzovou odozvou IN Input Vstup IO Integrovaný obvod ITKR Interaktívne TKR LO Local oscilator Lokálny oscilátor MF Medzifrekvenčný filter NDP Normovaná dolná priepusť NPP Normovaná pásmová priepusť OF Obmedzujúci filter OSC Oscilator Oscilátor OUT Output Výstup PP Pásmová priepusť PZ Pásmová zádrž RF Rekonštrukčný filter TKR Televízne káblové rozvody VA Volt-Amper Volt-Ampérove charakteristiky VF Vstupný filter VOD Video on demand Video na požiadanie

9 ZM Zmiešavač

10 . ÚVOD Televízne káblové rozvody TKR sa používajú ako prenosové systémy, ktoré realizujú prenos distributívnych signálov medzi koncovým účastníkom a poskytovateľmi služieb. So zabezpečením kvalitného prenosu všetkých služieb pri požadovanom objeme prenesených signálov sa kladú vyššie požiadavky na spôsob realizácie prenosovej cesty medzi koncovými bodmi (užívateľmi a poskytovateľmi). Vhodným riešením prevedenia TKR siete sa javí použitie prístupovej siete. Ladenie televízie je v tomto prípade odlišné, pretože týmito rozvodmi je možné naraz prijímať viac staníc, ako pri šírení vzduchom (terestriálne). Dôležitou súčasťou TKR sú interaktívne kanály, cez ktoré prebieha komunikácia medzi užívateľským a poskytovateľským zariadením. Týmito kanálmi sú prenášané signály, ktoré slúžia na výber požadovanej služby alebo slúžia ako kontaktný (kontrolný) signál. Cieľom mojej práce je teoretické rozpracovanie možností ladenia prenosového (interaktívneho) kanála a následný výber niektorej z vypracovaných možností s pokusom o realizáciu, pričom zariadenie má spĺňať podmienky v zadaní. Princíp spočíva v tom, že mám dané určité frekvenčné pásmo. V tomto pásme sa nachádzajú prenosové kanály (každý má definovanú rovnakú šírku pásma a taktiež sú zadefinované rozostupy medzi týmito kanálmi). Mojou úlohou je vyberať jednotlivé kanály pri dodržaní podmienok priepustnosti, útlmu a preladiteľnosti.. Úvod do problematiky Televízne káblové rozvody (TKR) sú prenosové systémy určené na príjem a rozvod televíznych (TV) a rádiových (R) signálov. Možno ich charakterizovať ako prostriedky, ktoré umožňujú technicky a ekonomicky výhodne prenášať TV a R signály pre veľký počet účastníkov sústredených vo vymedzených lokalitách. Prvé TKR boli realizované káblovým multiplexom s prenosom signálov v nižších prenosových pásmach. Postupne sa prešlo na TKR, v ktorých prijímané TV a R signály boli usporiadané do frekvenčne deleného multiplexu (FDM) v širokopásmovom prenosovom kanáli. Tento kanál je k účastníkovi prenášaný rozvodnou sieťou po koaxiálnych kábloch so - -

11 širokopásmovými lineárnymi zosilňovačmi a pasívnymi širokopásmovými prvkami pre zlučovanie a odbočovanie signálov. TKR takto koncipované sa javia z pohľadu prenosu informácie ako distribučné systémy šíriace TV a R programy. Takáto štruktúra distribuuje TV a R signály od hlavnej stanice k účastníkovi, teda účastník má možnosť výberu TV a R programov na pevne pridelených TV a R kanáloch. Interaktívne televízne káblové rozvody (ITKR) sú systémy, ktoré poskytujú účastníkom interaktívny prístup k informáciám a interaktívnym službám. Interaktívne TV služby sú jedným z rozhodujúcich faktorov pre vznik širokopásmových TV služieb vo všeobecnosti označovaných VOD (Video On Demand). Interaktívny prístup k službám VOD je podmienený výpočtovými systémami, ktoré sú na strane účastníka označované ako koncové účastnícke rozhranie a v mieste koncentrácie služieb ako riadiace (obslužné) centrá. Interaktívny prístup k službám sa realizuje na základe požiadaviek smerujúcich od účastníkov do riadiaceho centra siete. Pre poskytovanie interaktívnych služieb sú potrebné dva druhy prenosových kanálov: o priamy prenosový kanál zostupný (downstream), smeruje od riadiaceho centra k účastníkom o spätný prenosový kanál vzostupný (upstream), smeruje od účastníkov do riadiaceho centra - 2 -

12 Obr.. Sie ITKR Sieť ITKR využíva prenosový systém siete TKR, je definovaná ako dvojstupňový systém. Prvý stupeň je charakterizovaný ako centrum televíznych káblových rozvodov (CTKR), ktoré je vo funkcii koncentrátora služieb. Umožňuje pripojenie na sieť TKR, riadi prenosy medzi CTKR a riadiacim centrom domovej siete (RCDS). Druhý stupeň je definovaný ako množina koncových účastníckych rozhraní EUB pripojených na RCDS. Riadiace centrum domovej siete riadi komunikáciu v rámci druhého stupňa, kde koncové účastnícke rozhranie EUB (End User Box) umožňuje selektívny prístup účastníkov k službám a dátam v RCDS. [7] - 3 -

13 2. MOŽNOSTI REALIZÁCIE Existujú dva hlavné smery, ktoré nás dokážu priviesť až k vyriešeniu nastoleného problému. V prvom prípade sa na ladenie a výber signálu používajú elektrické filtre (DP, HP, PP, PZ), ktoré môžeme ďalej rozdeliť na číslicové a analógové. Druhým riešením je výber signálov založený na princípe superhetu, kedy sa požadovaná frekvencia transformuje na inú, pevne stanovenú, ktorá sa ďalej spracováva. V tomto riešení je nutné použiť medzifrekvenčný pevne naladený filter, ktorý prepustí len jeden požadovaný signál. 2. Elektrické filtre Elektrické signály, ktoré nesú určitú informáciu, musíme pri ich prenose nielen zosilňovať, ale často aj rôznym spôsobom triediť, aby sme z veľkého počtu signálov vybrali signály žiadané, alebo tiež tvarovo upravovať, aby svojím tvarom lepšie plnili svoju funkciu. Na tieto účely slúžia rôzne elektronické obvody, ktoré delíme podľa spôsobu a druhu ich funkcie takto : a) Na obvody určené na triedenie a výber signálov, tzv. selektory ( z lat. selectio vybrať, vytriediť ), ktoré vyberajú signály podľa niektorej ich vlastnosti. Podľa toho, ktorá vlastnosť je rozhodujúca pre rozlíšenie signálov delíme selektory na : - selektory frekvenčné, tieto triedia signály podľa frekvencie - selektory amplitúdové, tieto triedia signály podľa amplitúdy - selektory časové, tieto triedia signály podľa ich dĺžky trvania b) Na obvody určené na úpravu tvaru signálu a to : - obvody na úpravu tvaru kmitočtového spektra signálu (korektory) - obvody na úpravu amplitúdy signálu (obmedzovače, expandéry, kompresory) - obvody na úpravu časového priebehu signálu (onesk. linky, fázové korektory) Všetky tieto obvody majú široké uplatnenie v nízkofrekvenčnej technike, automatizačnej, regulačnej a meracej technike, ako aj vo výpočtovej technike

14 Obvody na výber signálov selektory Selektormi nazývame elektronické obvody, ktoré podľa stanovených požiadaviek vyberajú z viacerých signálov tie, o ktoré máme záujem na ďalšie spracovanie. Podľa toho, na základe ktorej vlastnosti signál vyberáme, delíme selektory na frekvenčné, amplitúdové a časové. Z týchto sa v mojej práci využijú len selektory frekvenčné. Elektrické filtre - frekvenčné selektory sú obvody, ktorých úlohou je vybrať žiadaný signál (súbor signálov) zo zmesi signálov na základe jeho frekvenčných vlastností a tento signál (súbor signálov) prepustiť na výstup selektora s minimálnym útlmom a ostatné signály, ktoré nespĺňajú požadované frekvenčné vlastnosti zadržať s maximálnym požadovaným útlmom. V technickej praxi sa namiesto označenia frekvenčný selektor používa častejšie označenie frekvenčný filter. Keďže u týchto obvodov hovoríme o prenose zo vstupu na výstup, radíme ich medzi štvorpóly, teda dvojbrány. Idealizovaný priebeh amplitúdovo - frekvenčnej charakteristiky filtra je na obrázku č.2.. Je prirodzené, že takýto tvar prenosovej charakteristiky filtra nie je možné dosiahnuť bežnými zapojeniami filtrov. Problém je v tom, že pri hraničných frekvenciách f min a f max dochádza k zmene prenosových vlastností filtra skokom, čo v analógovej technike nie je možné realizovať. V analógovej technike sa všetky zmeny v čase dejú plynulo a k idealizovanému priebehu sa vieme iba priblížiť. Takýto priebeh je možné dosiahnuť len v digitálnej technike pomocou tzv. číslicových filtrov. Obr.2. Idealizovaný priebeh charakteristiky filtra 2.. Analógové filtre Filtrácia je proces, ktorým sú dosahované určité selektívne účinky. Filter je teda dvojbrána, ktorá zo signálu na vstupe prepustí signál len v určitom frekvenčnom pásme

15 Filtre môžeme rozdeliť podľa viacerých kritérií: a) Rozdelenie filtrov podľa funkcie: - podľa toho, aké frekvenčné spektrum signálov a s akým útlmom sa toto spektrum prenáša na výstup filtra rozlišujeme štyri základné typy frekvenčných filtrov. Sú to: ) filter typu dolný priepust [ DP ], ktorý prepúšťa signály od najnižších frekvencií až po určitú maximálnu frekvenciu f max s minimálnym útlmom a všetky ostatné signály s frekvenciami vyššími ako f max prenáša s požadovaným útlmom. V technickej praxi sa často skrátene označuje ako dolnopriepustný filter. 2) filter typu horný priepust [ HP ], ktorý prepúšťa signály od určitej minimálnej frekvencie f min až po teoreticky nekonečnú frekvenciu s minimálnym útlmom a všetky ostatné signály s frekvenciami nižšími ako f min prenáša s požadovaným útlmom. V technickej praxi sa často skrátene označuje ako hornopriepustný filter 3) filter typu pásmový priepust [ PP ], ktorý prepúšťa signály od určitej minimálnej frekvencie f min až po určitú maximálnu frekvenciu f max s minimálnym útlmom a všetky ostatné signály s frekvenciami nižšími ako f min a vyššími ako f max prenáša s požadovaným útlmom. V technickej praxi sa často skrátene označuje ako pásmový filter 4) filter typu pásmová zádrž [ PZ ], ktorý prepúšťa signály od určitej minimálnej frekvencie f min až po určitú maximálnu frekvenciu f max s požadovaným útlmom a všetky ostatné signály s frekvenciami nižšími ako f min a vyššími ako f max prenáša s minimálnym útlmom. V technickej praxi sa často skrátene označuje ako pásmová zádrž. Na obr. 2.2 sú zobrazené prenosové amplitúdovo-frekvenčné charakteristiky jednotlivých typov filtrov

16 Obr.2.2 Prenosové charakteristiky Všetky typy týchto filtrov sú realizované zo známych základných súčiastok a to rezistorov, kondenzátorov a cievok. Na obr.2.3. sú znázornené základné zapojenia: - Integračného článku, čo je filter typu dolný priepust (DP) - Derivačného článku, čo je filter typu horný priepust (HP) - Wienovho článku, čo je filter typu pásmový priepust (PP) - Premosteného T článku, čo je filter typu pásmová zádrž (PZ) Obr.2.3 Základné zapojenia filtrov b) Rozdelenie filtrov podľa použitých súčiastok - podľa toho, aké súčiastky sa používajú pri realizácii filtrov, tieto delíme na: ) Pasívne filtre môžeme realizovať pomocou dvojpólov RC, LC, RL, alebo RLC, ktoré sú vytvárané základnými pasívnymi stavebnými prvkami rezistormi, kondenzátormi a cievkami (R,L,C). Keďže predchádzajúce zapojenia sú realizované zo základných pasívnych obvodových súčiastok (R,L,C), zaraďujeme ich medzi pasívne filtre. Ich prenos je maximálne rovný. Pomocou pasívnych filtrov môžeme realizovať všetky - 7 -

17 druhy filtrov DP, HP, PP, PZ. Okrem takto realizovaných pasívnych filtrov existuje nespočetné množstvo aktívnych filtrov. 2) Aktívne filtre (ARC) obsahujú okrem pasívnych, frekvenčne nezávislých prvkov aj aktívne súčiastky (tranzistory, elektrónky, operačné zosilňovače), ktoré zabezpečujú zosilnenie prenášaného signálu, teda ich prenos môže byť aj väčší ako. Pomocou ARC filtrov môžeme tiež realizovať všetky druhy filtrov. Veľkou výhodou aktívnych filtrov oproti pasívnym je to, že v týchto filtroch nie je potrebné používať cievky, ktorých nevýhodou je to, že najmä na nízkych frekvenciách majú veľké rozmery a nízku kvalitu. V aktívnych filtroch stačí výlučne používať pasívne články typu RC, zapojené do vetvy zápornej alebo kladnej spätnej väzby aktívneho obvodu. Práve použitie operačných zosilňovačov ako aktívneho obvodu uľahčilo použitie rôznych spätných väzieb. Aktívne filtre v porovnaní s pasívnymi filtrami majú viacero predností, napr. dobrú frekvenčnú a amplitúdovú stabilitu, jednoduchú nastaviteľnosť amplitúdovo - frekvenčných prenosových vlastností, ľahkú preladiteľnosť, možnosť zosilniť užitočný signál. Dobrá medzistupňová izolácia aktívneho filtra (vyplývajúca z veľkého vstupného a malého výstupného odporu operačného zosilňovača) umožňuje postupné, vzájomne sa veľmi málo ovplyvňujúce nastavenie jednotlivých stupňov filtra. Aktívne filtre môžu pracovať vo veľmi širokom rozsahu frekvencií a to od niekoľko desatín až stotín hertza až po niekoľko desiatok až stoviek hertzov. Oproti pasívnym filtrom je rozšírené frekvenčné pásmo smerom nadol (pri pasívnych filtroch sa dolná hranica frekvenčného pásma pohybuje rádovo v stovkách khz). Horná pracovná frekvencia filtra je daná vlastnosťami samotného operačného zosilňovača v danom frekvenčnom pásme (pohybuje sa rádovo v stovkách kilohertzov). V rozsahu frekvencií vyšších ako niekoľko sto kilohertzov nie je účelné používať aktívne filtre, pretože podobné vlastnosti sa dajú dosiahnuť aj jednoduchšími a lacnejšími pasívnymi filtrami. Tak u pasívnych, ako aj u aktívnych filtrov rozlišujeme tzv. rád filtra. Rád filtra závisí od počtu reaktančných prvkov ( kondenzátorov a cievok ) použitých vo filtri, ktoré ovplyvňujú prenosové amplitúdovo-frekvenčné vlastnosti filtra v danom smere zmeny frekvencie (buď smerom k nižším, alebo vyšším frekvenciám). [2] Ako príklad sú na obr.2.4 uvedené dve jednoduché zapojenia integračného článku, ktorými realizujeme pasívny dolnopriepustný filter (DP).rádu a 2.rádu

18 Obr.2.4 Príklad integračného článku Ako z obrázka vidno, dolnopriepustný filter.rádu obsahuje len jeden reaktančný prvok (kondenzátor), preto má jeho prenosová amplitúdovo-frekvenčná charakteristika sklon 20dB/dek. Dolnopriepustný filter 2.rádu obsahuje dva reaktančné prvky (kondenzátor a cievku), preto má jeho prenosová amplitúdovo-frekvenčná charakteristika sklon 40dB/dek Číslicové filtre Cieľom číslicového spracovania signálov (ČSS) je zjednodušenie analógových obvodov (následné zníženie ceny), zvýšenie presnosti a spoľahlivosti, potlačenie vplyvu rušivých a iných nežiadúcich vplyvov, získanie skrytých informácií, prezentácia a archivácia dát. Princíp ČSS: Obr.2.5 Princíp ČSS x (t) x (n) y (n) y (t) vstupný analógový signál ovzorkovaný (diskrétny) vstupný signál diskrétny výstupný signál analógový výstupný signál OF - obmedzujúci filter (analógový) - obmedzuje frekvenčný rozsah spracovávaného signálu tak, aby po jeho vzorkovaní nedošlo k prekrývaniu v spektre (aliasingu) - 9 -

19 A/D - analógovo číslicový prevodník - slúži na vzorkovanie vstupného signálu Realizácia ČSS - v tomto bloku prebieha realizácia ČSS zvoleným algoritmom D/A - číslicovo analógový prevodník - prevádza diskrétny výstupný signál na analógový signál schodovitého priebehu RF - rekonštrukčný filter (analógový) - odstraňuje zo schodovitého výstupného signálu vyššie harmonické (vyhladí ho) Na obr.2.6 je znázornený vstupný analógový signál x(t), prezentovaný pomocou priebehu v časovej oblasti a frekvenčného spektra signálu Obr.2.6 Priebeh signálu v čase a jeho spektrum Analógové signály x(t) vstupujú do obmedzovacích filtrov, ktoré predstavujú analógové dolné priepusty s medznou frekvenciou f m, ktorých úlohou je obmedziť frekvenčný rozsah spracovávaných analógových signálov tak, aby po ich vzorkovaní nedošlo k prekrytiu spektra (tzv. aliasing). Filtrované signály sú v blokoch analógovo číslicových prevodníkov A/D konvertované na číslicové vzorky. Rýchlosť vzorkovania je riadená frekvenciou vzorkovania f vz, ktorá musí podľa Shanon Koteľnikovho teorému spĺňať podmienku: f vz > 2f m. Číslicové vzorky vstupujú do procesora ČSS, ktorý realizuje algoritmus číslicového spracovania signálov, ktorý môže byť lineárny alebo nelineárny, časovo invariantný alebo závislý od času a generuje výstupné číslicové vzorky. Procesor ČSS je možné definovať ako číslicový procesor, ktorý dokáže vykonávať všetky matematické operácie využívané realizovaným algoritmom (sčítanie, odčítanie, - 0 -

20 násobenie...). V prípade potreby je možné konvertovať číslicové signály na zodpovedajúce analógové signály pomocou číslicovo analógových prevodníkov (D/A) a rekonštrukčných filtrov, ktorých úlohou je potlačiť zrkadlové kmitočty nad medznými frekvenciami jednotlivých kanálov. A/D prevodník - zabezpečuje prevod upraveného analógového signálu na digitálny. Je dôležité pre všetky typy A/D prevodníkov poznať tieto základné parametre: interval vzorkovania Tvz, - je daný použitým analógovým filtrom, T vz f vz dĺžka slova m - veľkosť bitového reťazca, do ktorého je zakódovaná hodnota meranej vzorky analógového signálu. Ak je dĺžka slova m bitov, potom maximálny rozsah určíme: N 2 m Digitálny filter: Digitálny signál, ktorý sa bude spracovávať podľa aplikovaného algoritmu je ešte upravovaný digitálnym filtrovaním. Filtre umožňujú požadované zložky signálu v konkrétnom frekvenčnom pásme prepustiť a stlmia alebo zamedzia prepustenie ostatných zložiek signálu. Digitálne filtre môžeme rozdeliť na štyri skupiny horná priepusť HP, dolná priepusť DP, pásmová priepusť PP, pásmová zádrž PZ. Ich frekvenčné charakteristiky sú podobné charakteristikám analógových filtrov na obrázku 2.2 Základné filtre sú DP a HP filter. Signál je možné prezentovať v časovej a frekvenčnej oblasti. Vlastnosti filtra je možné popísať frekvenčnou a impulznou charakteristikou obr

21 Obr.2.7 Frekvenčná a impulzná charakteristika filtra Výstup z digitálneho filtra je súčtom jednotlivých odoziev filtra na každú zo vzoriek vstupného signálu. Na obr.2.8 sú znázornené odozvy na jednotlivé vstupné vzorky a ich celkový súčet. Hodnoty h(k) z impulznej charakteristiky filtra sa tiež nazývajú koeficienty filtra. Výstup digitálneho filtra sa dá zapísať ako: N k ( n + k) h( k) y( n) x, N - počet impulzných koeficientov n - počet daných semplov. Digitálna konvolúcia je teda suma násobení a sčítaní a dá sa ľahko implementovať do mikroprocesora. [] - 2 -

22 Obr.2.8 Odozvy filtra Typy digitálnych filtrov: Digitálne filtre môžeme podľa impulznej charakteristiky rozdeliť do dvoch skupín filtre s konečnou (ohraničenou) impulznou charakteristikou FIR filter s neohraničenou impulznou charakteristikou IIR. FIR (finite imulse response) Filter s konečnou (ohraničenou) impulznou odpoveďou. V predchádzajúcom vzorci sa popisuje filter s impulznou charakteristikou h(k). Ktorá obsahuje N koeficientov. N sa tiež nazýva dĺžka filtra. Maximálna dĺžka filtra je obmedzená časom celkového vzorkovania, pretože v tomto čase sa musí zvládnuť všetkých N sčítaní a - 3 -

23 násobení. Filter tohto typu sa nazýva FIR. Takýto filter nemá nikdy oneskorenie väčšie ako N.T, kde T je interval medzi dvoma vzorkami. Vlastnosti FIR: - fázová charakteristika je lineárna - odozva má konečný počet koeficientov h(n) (podľa zvoleného N) - u ČF KIO nemožno presne dopredu stanoviť f m 2. IIR (infinite impulse response) Filter s neúplnou (neohraničenou) impulznou odpoveďou. Ich výstup je: y M ( n) x( n + k) a( k) + y( n + k) b( k ) k M k a, b sú dané M koeficientami filtra Takýto postup sa nazýva rekurzíva. Nevýhodou IIR filtrov je že ich oneskorenie nemožno odhadnúť pri návrhu. p k k 0 Typický algoritmus pre FIR má formu: y( n) a x( n k) Algoritmus pre IIR má formu: y( n) ak x( n k) p k 0 k r b k y( n k) kde: y(n) - n-tá vzorka výstupného signálu x(n) - n-tá vzorka vstupného signálu a k, b k - konštanty Pre stanovenie prevádzkových charakteristík digitálnych filtrov platia nasledovné tri základné kritériá prenos požadovaných zložiek signálu s adekvátnou presnosťou a účinnou elimináciou šumu rýchla stabilizácia výstupného signálu po dynamickej zmene vstupu minimum výpočtov - 4 -

24 Ďalšie typy filtrov: Nelineárne (mediánový filter) Adaptívne Porovnanie vlastností: FIR IIR Nelineárne Adaptívne Zložitosť (počet veľká malá stredná až veľmi matematických operácií) veľká veľká Stabilita vždy pri malých vždy obyčajne rádoch Analógový ekvivalent nie je zväčša je nie je nie je Použitie šum, výber šum, výber šum, hrany, šum, frekv. frekv. nelinear. Tab. Porovnanie vlastností 2.2 SUPERHET princíp výberu kanálov Princíp a typy SUPERHETU Superheterodyn - využíva premenu frekvencie pomocou zmiešavača a oscilátora, ďalej pevne ladený kvalitný filter. Problémom je zrkadlový príjem. Convertor-up vysoká medzifrekvencia zrkadlový príjem je potlačený Superheterodyn s dvojitým zmiešavaním obidva predchádzajúce prípady dohromady. Je kvalitný, ale veľmi zložitý Homodyn medzifrekvencia je nula Úlohou týchto systému je filtrovať signál teda vybrať správny rozsah frekvencií a poslať k ďalšiemu spracovaniu. Nedá sa vyrobiť taký filter, ktorý by bol zároveň kvalitný (veľká strmosť hrán priepustného pásma) a zároveň laditeľný. Riešením je pevný kvalitný filter, vyrobený - 5 -

25 napríklad keramickou technológiou, na frekvencii nižšej ako je pracovné pásmo na tzv. medzifrekvencii. Vstupné signály sa prevádzajú zo svojej pôvodnej frekvencie na medzifrekvenciu a až tam sa kvalitne filtrujú. [4,5] Superheterodyn medzifrekvencia je POD prijímaným pásmom Convertor-up - medzifrekvencia je NAD prijímaným pásmom Obidva zapojenia majú svoje výhody a nevýhody. Preto existuje ešte tretie riešenie: Superheterodyn s dvojitým zmiešavaním, ktorý združuje ich výhody a ruší ich nevýhody Homodyn - je úplne iné, nie moc často využívané alternatívne riešenie 2.2. Superheterodyn Obr.2.9 Superheterodyn - k výberu kanálu dôjde v pevne naladenom medzifrekvenčnom filtre MF - žiadaný vstupný signál je najskôr prevedený pomocou zmiešavača ZM s oscilátorom OSC na jednotnú frekvenciu f mf, tzv. medzifrekvenciu. Problém nastáva v princípe zmiešavača. Ak zmiešame dva signály, získame zložku súčtovú a zložku rozdielovú. Ak si položíme podmienku, že budeme rešpektovať len tie produkty, ktoré prejdú cez MF, dôjdeme k tomu, že prijímač bude reagovať úplne rovnako na dva vstupné kmitočty zároveň. Je to tzv. zrkadlový príjem. f mf f vst ± f osc Príklad na zrkadlový príjem : f mf 0 MHz, f osc 00 MHz V tomto prípade prijímame úplne rovnako dva signály (90MHZ a 0MHz) a keď zachytíme nejaký signál, v žiadnom prípade nerozlíšime z ktorej frekvencie z týchto voch signál pochádzal

26 - tomuto javu čelí vstupný ladený obvod (filter) VF, ktorý jeden kmitočet prepustí (napr.90mhz) a druhý zadrží (napr.0mhz). Tento filter musí byť tým kvalitnejší, čím bližšie je zrkadlový kmitočet od žiadaného. Spravidla stačí len bežný LC ladený obvod, ktorý sa ale musí prelaďovať súbežne s oscilátorom, aby bol vždy ten nesprávny signál potlačený a správny prepustený. Súbeh ladenia OSC s VF býva niekedy pomerne veľky problém. - signál z MF odvádza na ďalšie spracovanie, napr. na zosilnenie, demoduláciu... - zásadný problém je zrkadlový príjem Convertor up Obr.2.0 Convertor - up - princíp je zhodný ako pri superheterodyne - rozdiel je v tom, že medzifrekvenčný kmitočet nie je pod, ale NAD prijímaným pásmom. Tým je dosiahnutá veľká vzdialenosť medzi súčtovou a rozdielovou zložkou. Tým klesnú nároky na vstupný filter, ktorý sa zjednoduší a nemusí byť preladiteľný (často stačí dolná priepusť) - nevýhodou je, že medzifrekvenčný filter pracuje na vysokej frekvencii a pritom musí mať veľkú strmosť. Pri takýchto filtroch už môže dochádzať k problémom s realizáciou. Používajú sa kremenné kryštálové filtre, buď špeciálne vyrobené na daný účel, alebo zostavené z kryštálov (rebríkové a mostíkové filtre) - obdobný problém je s oscilátorom, ktorý musí byť dostatočne stabilný a musí ladiť na vysokých frekvenciách - 7 -

27 2.2.3 Superheterodyn s dvojitým zmiešavaním Obr.2. Superheterodyn s dvojitým zmiešavaním - odstraňuje problém zrkadlového príjmu i potreby veľmi strmého filtra kombináciou oboch typov medzifrekvencie vysokej i nízkej v jednom reťazci - na začiatku je zaradená vysoká medzifrekvencia, ktorá lepšie odstráni zrkadlový príjem - ďalej je zaradená nízka medzifrekvencia pre lepšiu filtráciu kanálov (náhrada kryštálového filtra) - problém je v značnej zložitosti zapojenia a riadení zisku jednotlivých stupňov Homodyn - alternatívny princíp prijímača, ktorý využíva zmiešavanie dvoch signálov rovnakých frekvencií, takže výsledná medzifrekvencia je rovná alebo blízka nule - zrkadlový príjem tu neexistuje, pretože dve postranné pásma sa zrkadlia samé na seba - VCO kmitá na frekvencii rovnakej ako je frekvencia nosnej (čiže stredu kanála) prijímaného kanála. Nosná signálu tak padne na frekvenciu 0 a obidva postranné pásma sa zrkadlia na kmitočet blízky nule. Tým je vylúčený zrkadlový príjem. - ako medzifrekvenčný filter stačí jednoduchá dolná priepusť - na tomto princípe pracuje obvod TDA7000 pre stavbu rádií. Tieto však majú malú citlivosť. - dnes má toto zapojenie perspektívu v softvérovo definovaných prijímačoch pre mobilné systémy tretej a vyššej generácie. Signál za DP sa dá veľmi jednoducho digitalizovať a zvyšok prijímača (kvalitná filtrácia a veľké zosilnenie) je tvorené softwérovo v DSP (digital signal procesor) - 8 -

28 3. REALIZÁCIA Rozhodol som sa tento výrobok realizovať pomocou superhetu v analógovej sfére a to konkrétne pre convertor-up, ktorý pracuje s medzifrekvenciou nad prijímaným pásmom. Tento som doplnil o ďalší zmiešavač, ktorý medzifrekvenciu konvertuje späť na pôvodnú frekvenciu. Obr.2.2 Principiálna schéma prenosového kanála - medzifrekvenčný kmitočet leží nad prijímaným pásmom. Tým je dosiahnutá veľká vzdialenosť medzi súčtovou a rozdielovou zložkou. - nevýhodou je, že medzifrekvenčný filter pracuje na vysokej frekvencii a pritom musí mať veľkú strmosť. Pri takýchto filtroch už môže dochádzať k problémom z realizáciou. Používajú sa kremenné kryštálové filtre, buď špeciálne vyrobené na daný účel, alebo zostavené z kryštálov (rebríkové a mostíkové filtre). Ja som sa pokúsil vytvoriť vlastný MF filter so strednou frekvenciou 20MHz. - obdobný problém je s oscilátorom, ktorý musí byť dostatočne stabilný a musí ladiť na vysokých frekvenciách Princíp činnosti: Na vstup IN sa privádzajú signály, z ktorých musíme vybrať jeden konkrétny. Tieto signály vstupujú do vstupného zosilňovača ZOS, ktorý zároveň plní funkciu vstupného filtra. Z neho ide ďalej signál do zmiešavača ZM. Súčasne je do ZM - 9 -

29 privádzaný aj signál z oscilátora OSC. V zmiešavači sa tieto signály zmiešajú a vzniknú súčtové a rozdielové zložky. Pôvodne som chcel z týchto zložiek vyberať súčtové s frekvenciou 20 MHz, kvôli lepším odstupom signálu, ale tento filter sa mi nepodarilo vyrobiť, pre nereálnosť vypočítaných hodnôt súčiastok. Pôvodný filter som teda musel nahradiť keramickým filtrom. Keramický medzifrekvenčný filter MF vyberá súčtové zložky s frekvenciou 0,7MHz.. Tento vybraný signál predstavuje konkrétny prenosový kanál, ktorý je vyselektovaný z pásma frekvencií 5-0MHz a prekonvertovaný na kanál s frekvenciou 0,7MHz.. Preto musím použiť ďalší zmiešavač ZM2 a oscilátor OSC2, pomocou ktorých medzifrekvenčná signál pretransformujem späť z 0,7MHz na pôvodnú frekvenciu v pásme 5-0MHz. Oscilátory sa musia ladiť súčasne. Pásmo obsahuje celkovo 27 kanálov. Jednotlivé kanály s príslušnými frekvenciami sú znázornené v tabuľke 2, pričom kanálu č. zodpovedá frekvencia f kanála [Hz]. Frekvencia fosc predstavuje frekvenciu, ktorú musíme naladiť na oscilátoroch, aby sme vybrali požadovaný kanál. Cosc sú ladiace kondenzátory a ich hodnoty pre jednotlivé fosc kanál f kanála fosc C osc f osc2 C osc ,8745E ,749E ,2435E ,2674E ,7996E ,362E ,4756E ,4588E ,239E ,5578E ,0439E ,659E ,9590E ,7627E ,7729E ,8688E ,8076E ,9775E ,06E ,0887E ,3476E ,2026E ,7877E ,392E ,35E ,4387E ,9029E ,562E ,5497E ,6867E ,2424E ,854E ,9734E ,9474E ,7365E ,0827E ,5268E ,224E ,3404E ,3638E ,738E ,5E ,0244E ,66E ,8899E ,84E ,7684E ,972E ,6582E ,345E ,5580E ,304E ,4667E ,4729E- Tab.2 Prenosové kanály s príslušnými frekvenciami

30 3. Zmiešavač K premene vstupného signálu s frekvenciou fs na medzifrekven ný signál s frekvenciou fmf, slúži funk ný blok nazývaný meni frekvencie. Ten sa spravidla skladá z miestneho oscilátora generujúceho pomocný oscila ný signál s frekvenciou fo a z vlastného zmiešava a [0], v ktorom sa zo signálov fs a fo získava medzifrekven ný signál fmf. Sú as ou zmiešava a je aj výstupný filter ktorý potla uje nežiadúce zmiešavacie produkty. Bežne používané skratky sú, pre vstupný signál (RF - Radio frequency), pre miestny oscilátor (LO - Local oscilator) a pre medzifrekven ný signál (IF - Intermediate frequency). Medzifrekven ný signál má spravidla sú tovú alebo rozdielovú frekvenciu východzích signálov z ktorých vzniká, teda fmf fs + fo (fmf fs - fo). V prvom prípade sa príslušný zmiešava ozna uje ako frekven ný konvertor nahor (Up-convertor), v druhom prípade ako konvertor nadol (Down-convertor). 3.. Základné parmetre zmiešavačov ) Dynamický rozsah Dôležitou charakteristikou každého zmiešava a je jeho dynamický rozsah. Ten je možné dobre vysvetliť pomocou grafu podľa [2] obr.3... Na vodorovnú os sa vynáša úrove vstupného vysokofrekvenčného výkonu Ps a na zvislú os úroveň medzifrekven ného výkonu Pmf. V grafe je zobrazená predovšetkým základná užito ná (jednotónová) medzifrekven ná zložka fmf, vznikajúca z požadovaného vstupného signálu fs a oscila ného signálu fo. Táto zložka je pri nižších vstupných úrovniach vyjadrená lineárnou závislosťou, avšak pri vyšších úrovniach sa za ína od lineárneho priebehu odchylova. Ako hranica medzi oboma oblas ami sa udáva výstupný výkon P-, pri ktorom dochádza ku zvä šeniu konverzných strát o db oproti hodnote pri malých signáloch. Výkon P- ohrani uje dynamický rozsah zmiešava a DR zhora. Do uvažovaného diagramu je možné zakresliť aj šumové pozadie zmiešava a, tj. jeho výkon v medzifrekven nom pásme, ktorý potom ohrani uje dynamický rozsah zmiešava a DR zdola

31 Obr.3. Graf k ur eniu dynamických rozsahov 2) Vzájomná izolácia brán Vzájomné ovplyv ovanie medzi bránami zmiešava a ukazuje obr Vzájomná izolácia medzi dvoma bránami zmiešava a je v decibeloch vyjadrený pomer medzi výkonom prítomným na jednej bráne, ku výkonu s rovnakou frekvenciou, ktorý sa objavuje na inej bráne. V praxi je dôležité dosiahnuť o najlepšiu izoláciu medzi oscilátorovou bránou a medzifrekven nou bránou, tak aby veľký signál oscilátora o najmenej za ažoval nasledujúci stupe. Dôležitá je tiež dobrá izolácia medzi oscilátorovou bránou a vstupnou bránou ktorá zabra uje signálu oscilátora prenikať do vstupného zosil ova a zaradeného pred zmiešava om, alebo dokonca do antény (takto vznikajúce vyžarovanie oscilátoru do antény je jedným z najdôležitejších parametrov, sledovaných pri rádiových prijímačoch). Obr.3.2 Vzájomné ovplyv ovanie medzi RF, IF, LO. 3) Intermodula né skreslenie Intermodula né skreslenie je vznik kombinačných signálových zložiek na výstupe dvojbranu vplyvom jeho nelinearity. Ak privádzame na vstup zmiešava a dva alebo nieko ko sínusových signálov o ur ených amplitúdach a frekvenciách f, f

32 Frekvencie f týchto nových zložiek sú rovné lineárnym kombináciám a celistvým násobkom frekven ných vstupných zložiek, pri om sú ur ené vz ahom: f f+f2 + 2*f-f2 + 2*f2-f + + p*f+q*f2 rád zložky p + q + kde p, q sú kladné, záporné alebo nulové celé ísla; V prípade prijíma a pre mobilné komunikácie frekvencie f, f2... predstavujú kanály s rastrom 200kHz.V mojom prípade je to 50kHz Ak je na vstupe zmiešava a prítomný okrem užito ného signálu fs rušivý signál f a f2, vytvára sa v zmiešavači nežiadúci zmiešavací produkt tretieho rádu. Uvažovaná dvojtónová zložka padne presne do menovitej medzifrekvencie f mf na užito nej frekvencii fs a spôsobí rušenie. Túto zložku je možné zobraziť do grafu podľa obr.3. a to v závislosti na úrovni oboch východzích signálov fs a fr, pri špecifikovanej úrovni oscilačného signálu. Priese ník idealizovaného priamkového priebehu danej rušivej dvojtónovej zložky (zo strmosťou 3:) so základnou užito nou zložkou, ur uje bod zahrazdenia (interception piont IP3) zmiešava a. Obr.3.3 Spektrum intermodula ných produktov 3..2 Princíp zmiešavača Ak na vstup zmiešavača privedieme, pričom rozlišujeme dve skupiny. Jedna vznikne súčtom oscilátorového a vstupného napätia, druhá rozdielom. Obidve skupiny sú zrkadlovo symetrické

33 Obr.3.4 Princíp zmiešavača Úlohou zmiešavača je v podstate konverzia vstupnej frekvencie na medzifrekvenciu. K zmiešaniu dôjde na každej nelineárnej súčiastke, na ktorú privádzame dve (a viac) napätia o rôznych kmitočtoch. Na nelineárnej časti charakteristiky dochádza vlastne k vynásobeniu fázorov jednotlivých napätí. Výsledkom bude, že sa na výstupe zmiešavača objaví signál s novými frekvenciami. Amplitúdy týchto zmiešavacích produktov priamo určujú vstupné napätia (sú vždy menšie ako pôvodné) a kmitočty týchto napätí určuje zmiešavacia rovnica f out f vst ± f osc Vo výslednom produkte sú obsiahnuté všetky charakteristiky pôvodných signálov (zachováva sa modulácia). Bohužiaľ pri tomto jave sa nedajú rozlíšiť pôvodné signály a ich zmiešavacie produkty. Ak budú mať signály dostatočnú intenzitu, dôjde k ďalšiemu zmiešavaniu týchto produktov so vstupnými signálmi a k zmiešavaniu produktov navzájom. Napríklad: Na zmiešavač privedieme napätie o kmitočtoch MHz a,2mhz Prvé zmiešavacie produkty,2mhz MHz 0,2MHz,2MHz + MHz 2,2MHz Druhé zmiešavacie produkty MHz 0,2MHz 0,8MHz MHz + 0,2MHz,2MHz; tento produkt je prekrytý vstupným napätím,2mhz 0,2MHz MHz; tento produkt je prekrytý vstupným napätím

34 ,2MHz + 0,2MHz,4MHz 2,2MHz MHz,2MHz; tento produkt je prekrytý vstupným napätím 2,2MHz + MHz 3,2MHz 2,2MHz,2MHz MHz; tento produkt je prekrytý vstupným napätím 2,2MHz +,2MHz 3,4MHz 2,2MHz 0,2MHz 2MHz 2,2MHz + 0,2MHz 2,4MHz Tretie zmiešavacie produkty sa vypočítajú obdobne, atd... Pri dostatočne silných vstupných napätiach môžeme na výstupe zmiešavača namerať celý rad nových napätí. Čo sa týka mojej práce, tak v nej sa druhé a vyššie zmiešavacie produkty neprejavujú, lebo pracujeme s nízkymi napätiami.[3] 3..3 Použitý zmiešavač Využil som integrovaný obvod SA602. Je to nízkonapäťový monolytický obvod, ktorý obsahuje dvojito vyvážený zmiešavač so vstupným zosilňovačom, oscilátor a napäťový regulátor. Pre nízke náklady je vhodný do nízkonapäťových komunikačných systémov so vstupnými signálmi do 500MHz a frekvenciou oscilátora do 200MHz. Obr.3.5 Principiálne vnútorné zapojenie obvodu SE

35 Obr.3.6 Vnútorné zapojenie obvodu SE Oscilátor 3.2. Oscilátory - sú všetky zariadenia, ktoré vytvárajú za určitých podmienok periodicky premenlivé priebehy fyzikálnych veličín (z latinského slova ostilatio kmitanie). V tomto najvšeobecnejšom zmysle môžeme hovoriť o oscilátoroch mechanických, t.j. o kyvadlových alebo vibračných, o oscilátoroch akustických, napríklad o píšťalách, strunových sústavách a podobne. V rádioelektronike označujeme týmto názvom všetky zariadenia, ktoré vytvárajú periodicky sa meniace priebehy napätí a prúdov. Vo všeobecnosti sú priebehy napätí a prúdov funkciami času: u f ( t ), i f 2 ( t ) v ktorých je čas t ako nezávislá reálna premenná. Každý elektronický oscilátor je charakterizovaný amplitúdou a tvarom výstupného napätia U, frekvenciou f a vnútorným odporom R i, ktorý je lineárny pre určitý rozsah zaťažovacích odporov R z. Keď sa na elektronický oscilátor pozrieme z hľadiska spotreby energie, môžeme ho považovať za štvorpól, teda dvojbránu. Jeho vstupom sú napájacie svorky, cez ktoré oscilátor odoberá zo zdroja jednosmerný napájací výkon a jeho výstupom sú výstupné svorky, cez ktoré dodáva do záťaže príslušný striedavý výkon. Z povedaného vyplýva, že môžeme definovať účinnosť elektronického oscilátora a to ako pomer medzi výstupným striedavým a vstupným jednosmerným výkonom

36 Elektronické oscilátory sa používajú v rôznych zariadeniach oznamovacej, meracej, výpočtovej a automatizačnej techniky. Svojimi vlastnosťami výrazne ovplyvňujú vlastnosti celého zariadenia, preto je potrebné poznať ich druhy, princípy ich činnosti a ich vlastnosti Rozdelenie a základné vlastnosti oscilátorov.. Delenie podľa tvaru výstupného signálu : a) oscilátory, ktorých výstupné napätie má tvar sínusovky, t.j. tvar výstupného napätia sa dá popísať jednoduchou funkciou sínus alebo kosínus, napr. u U o. sin ( ω.t + ϕ ) alebo u U o. cos ( ω.t + ϕ ). Takéto oscilátory nazývame harmonické oscilátory, alebo v technickej praxi jednoducho oscilátory. b) oscilátory, ktorých výstupné napätie má ľubovoľne iný tvar ako sínusový, napr. obdĺžníkový, trojuholníkový, pílovitý, impulzný a pod, t.j. tvar výstupného napätia sa nedá popísať jednoduchou funkciou sínus alebo kosínus, ale na jeho popis musíme použiť sústavu súčtov sínusových a kosínusových funkcií, t.j. Fourierov rozvoj. Takéto oscilátory nazývame neharmonické oscilátory, alebo relaxačné generátory. V technickej praxi ich označujeme generátory tvarových signálov, alebo jednoducho generátory. 2. Delenie podľa frekvencie vytváraných kmitov : a. nízkofrekvenčné oscilátory. Frekvenčný rozsah vytváraných kmitov je od 0-2 Hz po 0 6 Hz. b. vysokofrekvenčné oscilátory. Frekvenčný rozsah vytváraných kmitov je od 0 6 Hz. Z hora hranica nie je daná. 3. Podľa druhu prvku určujúceho frekvenciu vytváraných kmitov : a. oscilátory LC, v ktorých frekvenciu kmitov určuje rezonančný obvod LC, či už sériový alebo paralelný. Tento druh oscilátorov sa v elektronických prístrojoch vyskytuje najčastejšie. Oscilátory LC sa používajú ako laditeľné oscilátory

37 v prijímačoch, vysielačoch, meracích prístrojoch a pod. Stabilita frekvencie vytváraných kmitov sa pohybuje od 0-3 po 0-5. b. oscilátory riadené piezoelektrickým rezonančným prvkom, tzv. kryštálovým výbrusom ( kryštálom ). Tieto oscilátory majú vynikajúcu frekvenčnú stabilitu vytváraných kmitov a to 0-6 až 0-8. Používajú sa preto tam, kde sú prísne požiadavky na stabilitu frekvencie kmitov, napr. vo frekvenčných normáloch. Oscilátory riadené kryštálom je možné prelaďovať len v úzkom rozsahu frekvencií ( niekoľko sto Hz až niekoľko jednotiek khz ) c. oscilátory s elektromechanickým rezonančným prvkom (rezonátory magnetostrikčné, prstencové, ladičkové a pod.). Podobne ako oscilátory riadené kryštálovým výbrusom aj tieto oscilátory sa vyznačujú za optimálnych podmienok dobrou frekvenčnou stabilitou vytváraných kmitov a to 0-5 až 0-6. Mechanické chvenie rezonančného prvku spôsobené vonkajšími vplyvmi však zhoršuje frekvenčnú ale aj amplitúdovú stabilitu výstupného signálu. Tomuto javu hovoríme mikrofonickosť obvodu. Na rozdiel od kryštálového výbrusu sú elektromechanické rezonančné prvky rozmernejšie a potrebujú viacej doplňujúcich elektronických obvodov. Preto sa už v súčasnosti skoro nepoužívajú. d. oscilátory s rezonančným vedením, v ktorých rezonančný obvod tvorí úsek súosého alebo súmerného vedenia dĺžky λ/4 alebo λ/2, ktorý sa vyznačuje vysokým činiteľom kvality Q. Preto tieto oscilátory majú za optimálnych podmienok dobrú frekvenčnú stabilitu, asi 0-6 až 0-7. Podobne ako elektromechanické rezonančné prvky sú citlivé na mechanické vplyvy. Oscilátory s rezonančným vedením je však možné prelaďovať v rozsahu niekoľko jednotiek až desiatok khz. e. oscilátory RC, v ktorých je v obvode spätnej väzby zapojený frekvenčne selektívny obvod RC ( T článok, Wienov článok a pod.) Tieto oscilátory sú vhodné len pre oblasť nízkych frekvencií. Stabilita vytváraných kmitov je rôzna, záleží od použitého RC článku a je max Oproti doposiaľ spomínaným oscilátorom majú výhodu v tom, že sú preladiteľné vo veľkom rozsahu, cez niekoľko dekád, bez výraznejšej zmeny svojich vlastností

38 4. Podľa spôsobu pripojenia aktívneho obvodu k obvodu určujúcemu frekvenciu : a. dvojpólové oscilátory. Tieto oscilátory využívajú vhodnú VA charakteristiku niektorých polovodičových prvkov ako napr. tunelovej diódy ( charakteristika typu N ), viacvrstvovej alebo lavínovej diódy ( charakteristika typu S ) Obr.3.8. U týchto prvkov majú ich VA charakteristiky oblasť tzv. záporného dynamického odporu, teda podiel zmeny napätia ku zodpovedajúcej zmene prúdu u/ i dáva zápornú hodnotu. V týchto oscilátoroch ide o spojenie aktívneho prvku s obvodom určujúcim frekvenciu kmitov, najčastejšie s rezonančným obvodom. V súčasnosti sa s týmito oscilátormi stretávame už len zriedka. Obr.3.7 VA charakteristiky b. štvorpólové oscilátory ( spätnoväzobné ). Sú zložené vždy z dvoch základných častí a to z bloku spätnej väzby, ktorý určuje frekvenciu vytváraných kmitov (časť pasívna, označovaná ß) a z bloku zosilňovača, ktorý nahrádza straty energie v pasívnej časti (časť aktívna, označovaná A). Tento typ oscilátorov sa v súčasnosti používa tak pre harmonické oscilátory ako aj pre generátory tvarových signálov. Tieto oscilátory sú dnes najpoužívanejšie Obr.3.8 Zapojenie spätnej väzby 5. Podľa účelu a použitia : a. oscilátory pre frekvenčné normály, t.j. zdroje kmitov s vysokou stálosťou frekvencie a to od 0-7 až po 0-9. Najčastejšie sú riešené ako oscilátory riadené kryštálovým výbrusom

39 b. nf oscilátory pre meracie účely. Vyžaduje sa od nich stálosť nastavenej amplitúdy a malý obsah vyšších harmonických kmitočtov, skreslenie pod %. c. vf oscilátory pre meracie účely. Vyžaduje sa od nich stálosť nastavenej amplitúdy, malý obsah vyšších harmonických kmitočtov. a možnosť amplitúdovej alebo frekvenčnej modulácie. d. oscilátory výkonové, pre účely vysokofrekvenčného ohrevu indukčného alebo dielektrického, napr. pre mikrovlné rúry a pod. e. oscilátory pre zmiešavače, ktoré musia byť preladiteľné v širokom rozsahu frekvencií so stabilnou amplitúdou. f. oscilátory pre budiče vysielačov, s vysokou stabilitou frekvencie 0-5 až 0-7. Existuje ešte veľa ďalších hľadísk, podľa ktorých by sme mohli oscilátory rozdeliť. No u všetkých oscilátorov pre akékoľvek použitie sú v poradí na prvých miestach dva parametre a to frekvencia a frekvenčná stabilita vytváraných kmitov. Frekvencia je jedna z najdôležitejších parametrov oscilátorov a generátorov. Jednotka frekvencie je Hz s rozmerom s -. Presnosť frekvencie sa udáva frekvenčnou odchýlkou f od nominálnej frekvencie f n, teda : f f f n Maximálna frekvenčná odchýlka počas doby sledovania sa nazýva frekvenčná stabilita. Krátkodobá sa udáva pre čas jedna minúta až jeden deň, dlhodobá pre čas jeden týždeň až jeden mesiac. Frekvenčná stabilita sa udáva činiteľom stability : Čím je s číslo menšie, tým je oscilátor kvalitnejší Harmonické oscilátory. Harmonické oscilátory sú elektronické zariadenia, ktoré sú zdrojom striedavého napätia alebo prúdu sínusového tvaru. Dôležitou vlastnosťou týchto oscilátorov je, že ich výstupný signál vo svojom spektre obsahuje veľmi malé množstvo vyšších harmonických zložiek. Preto sú predurčené pre použitie v meracej technike, vo vysokofrekvenčnej technike v oscilátoroch prijímačov a vysielačov a v nízkofrekvenčnej technike, najmä

40 v akustike. Na harmonické oscilátory sa v praxi kladú rôzne požiadavky, preto je aj veľa rôznych zapojení oscilátorov harmonických kmitov s rôznymi špecifickými vlastnosťami. Ako sme si už v úvode témy o oscilátoroch a generátoroch povedali, v súčasnosti sú harmonické oscilátory v prevažnej miere realizované ako spätnoväzobné oscilátory s kladnou spätnou väzbou. Obsahujú pasívnu časť určujúcu frekvenciu kmitov a aktívnu časť, ktorá nahrádza straty energie v pasívnej časti ( zosilňovač ). Ako pasívny člen sa najčastejšie používa : rezonančný LC obvod. Takéto oscilátory zaraďujeme do skupiny LC oscilátorov. piezoelektrický výbrus ( kryštál ). Takéto oscilátory zaraďujeme do skupiny Oscilátorov riadených kryštálom. RC selektívny článok. Takéto oscilátory zaraďujeme do skupiny RC oscilátorov. Pre oscilátory s vyššími nárokmi na frekvenčnú stabilitu a malé skreslenie signálu sa používa kombinácia kladnej spätnej väzby so zápornou spätnou väzbou. Prvá zabezpečuje vznik kmitov, druhá ( frekvenčne nezávislá ) zabezpečuje, že aktívny štvorpól oscilátora môže pracovať v lineárnom režime. Oscilátory LC Oscilátory s rezonančným obvodom LC sa používajú oko zdroje striedavého napätia alebo prúdu s priebehom blízkym sínusovému. Rezonančný obvod ( pre svoje selektívne vlastnosti ) potláča vyššie harmonické kmitočty a preto určuje s veľmi dobrou presnosťou kmitočet oscilátora aj vtedy, keď aktívny prvok oscilátora vykazuje výraznú nelinearitu. Prakticky všetky zapojenia LC oscilátorov sú odvodené z troch základných zapojení vytvorených na začiatku 20-tych rokov 20-tého storočia a pomenovaných podľa autorov zapojení Colpittsa, Hartleya a Meissnera. Na nasledujúcich obrázkoch sú uvedené pre porovnanie ich principiálne, ale aj konkrétne zapojenia

41 Obr.3.9 Principiálne zapojenia oscilátorov Obr.3.0 Colpittsov oscilátor Obr.3. Hartleyov oscilátor Obr.3.2 Meissnerov oscilátor Obr.3.3 Schnellov oscilátor

42 Harmonické LC oscilátory sa delia do dvoch skupín. Prvú skupinu tvoria oscilátory s indukčnou väzbou v bloku spätnej väzby. Druhú skupinu tvoria oscilátory v trojbodovom zapojení. Pomenovanie vzniklo z toho, že indukčná alebo kapacitná vetva rezonančného obvodu je realizovaná ako napäťový delič a v troch bodoch pripojená k zosilňovacej časti oscilátora. Pre zvýšenie výstupného výkonu sa používajú oscilátory v dvojčinnom zapojení. Veľmi dôležitou vlastnosťou, ako u všetkých oscilátorov, je frekvenčná stabilita kmitov v LC oscilátoroch. Kvôli tejto požiadavke sú realizované niektoré zložitejšie zapojenia oscilátorov. Frekvenčná stabilita LC oscilátorov Doteraz uvádzané typy oscilátorov sú vhodné pre zariadenia, v ktorých sa nevyžaduje veľká frekvenčná stabilita, napr. v rozhlasových prijímačoch, jednoduchých dielenských signálových generátoroch a pod. Činiteľ stability je asi 0-3, čo znamená, že oscilátor s nominálnou frekvenciou vytváraných kmitov MHz by mohol mať odchýlku frekvencie až 000 Hz. Zmenu frekvencie vyvolávajú rôzne vplyvy a to najme tepelné, mechanické a elektrické. Najviac sa uplatňujú tie vplyvy, ktoré majú za následok zmeny vstupnej a výstupnej kapacity. Na zlepšenie stability frekvencie kmitov a zmenšenie ich harmonického skreslenia sa v praktickom zapojení oscilátorov niekedy zapája do obvodu emitora ( v schémach v mieste označenom x ) navyše ešte jeden emitorový rezistor R E ( jeho hodnota býva niekoľko jednotiek až desiatok Ohmov ). Tento rezistor predstavuje zápornú spätnú väzbu pre striedavý signál. Zmenšuje síce strmosť S ef tranzistorového stupňa, ale na druhej strane výrazne zmenšuje a stabilizuje vstupnú a výstupnú admitanciu zosilňovača, čím zlepšuje kmitočtovú stabilitu obvodu. Zároveň sa zmenšuje aj harmonické skreslenie vytváraných kmitov. Na zmenšenie vplyvu zaťažovacej impedancie na vlastnosti oscilátora sa často za oscilátor zaraďuje oddeľovací stupeň s vysokou vstupnou a malou výstupnou impedanciou. Vo všeobecnosti možno povedať, že nežiadúce pomerné odchýlky kmitočtu oscilátora LC sú malé, ak : a. riadiaci obvod LC má veľký činiteľ akosti Q

43 b. tranzistor oscilátora pracuje s veľkou efektívnou strmosťou S ef c. zosilňovací stupeň oscilátora vykazuje malé zmeny vstupnej a výstupnej kapacity d. frekvencia kmitov oscilátora je čím nižšia Úpravou rezonančného obvodu trojbodového Colpittsovho oscilátora vzniknú ďalšie typy oscilátorov, ktoré majú vyššiu frekvenčnú stabilitu ( až 0-5 ) ako pôvodný trojbodový oscilátor. Sú to Clappov oscilátor a Vackařov oscilátor. Schémy zapojení týchto oscilátorov sú na nasledujúcich obrázkoch. Obr.3.4 Clappov oscilátor Obr.3.5 Vackařov oscilátor Clappov oscilátor má síce dobrú frekvenčnú stabilitu, ale jeho preladiteľnosť je len v rozsahu :,2. Je to spôsobené tým, že ladiaci kondenzátor C o je zapojený sériovo s cievkou L o. Pri ladení sa so zmenou kapacity výrazne mení celková impedancia obvodu L o C o, čo spôsobuje výraznú zmenu amplitúdy výstupných kmitov. Vackařov oscilátor má zapojený ladiaci kondenzátor C o jedným koncom na nulový potenciál pre striedavý signál ( emitor tranzistora ) a signál pre budenie bázy sa z ladeného obvodu L o C o privádza cez kondenzátor C x, ktorého kapacita je omnoho menšia ako kapacita kondenzátorov C o, C alebo C 2. Preto je pri prelaďovaní zmena výslednej impedancie pripojenej medzi bázu a emitor tranzistora zanedbateľná. Tým sa v minimálnej miere ovplyvňuje strmosť tranzistora a v konečnom dôsledku aj amplitúda výstupných kmitov. Vackařov oscilátor je preladiteľný v rozsahu :2,5 až

44 Oscilátory riadené kryštálom. S rozvojom rádiotechniky sa stupňovali požiadavky na stabilitu používaných oscilátorov. Túto požiadavku je možné realizovať použitím napr. kryštálového výbrusu z kremeňa. Kryštálový výbrus má funkciu riadiaceho prvku, určujúceho frekvenciu kmitov oscilátora. Výbrus je mechanická sústava so svojou mechanickou rezonančnou frekvenciou. Prevod mechanických kmitov na elektrické umožňuje piezoelektrický jav. Piezoelektrický jav sa vyskytuje vo viacerých látkach, no najvýraznejší je v kremeni, turmalíne, titaničitanoch a fosforečnanoch. Tieto látky kryštalizujú v tvare šesťbokých hranolov zakončených ihlanmi ako je to znázornené na obr.3.7 (nie sú tu však zobrazené všetky možné rezy). Z kryštálu sa režú tenké platničky, ktoré sa vybrúsia na potrebné rozmery. Od spôsobu a smeru rezu závisia elektrické a mechanické vlastnosti kryštálu. Označujú sa dvojpísmenným kódom, napr. AT, BT, MT atď. Na ich bočné steny sa naparia kontaktové plôšky zo striebra (niekedy aj zlata), ktorými sa prichytávajú do držiakov. Takto vyhotovený kryštálový rezonátor sa umiestňuje do skleneného alebo kovového puzdra, v ktorom je vákuum. Obr.3.6 Kryštálový výbrus V takto zhotovených kryštálových rezonátoroch má piezoelektricky jav tri základné charakteristické vlastnosti, ktoré predurčujú ich použitie v oscilátoroch a generátoroch. Sú to tieto vlastnnosti :. Po privedení napätia na vývody kryštálu dochádza k mechanickým deformáciám, ohybu platničky. 2. Pri mechanickom ohybe platničky vznikajú na prívodoch elektrické náboje, ktoré majú opačnú polaritu. Vzniká malé elektromechanické napätie medzi prívodmi kryštálu

45 3. Kryštál ako mechanická sústava má svoju vlastnú mechanickú rezonančnú frekvenciu. Z týchto vlastností vyplýva, že ak privedieme na prívody kryštálu striedavý elektrický signál, ten spôsobí premenlivé deformácie platničky kryštálového rezonátora. Pri deformáciách zasa naopak, kryštálový rezonátor vytvára na svojich prívodoch premenlivé napätie, ktorým sa udržiavajú elektrické kmity v obvode oscilátora. Amplitúda kmitov mechanických, ale aj elektrických bude maximálna a teda bude mať minimálne tlmenie, ak frekvencia elektrických kmitov sa bude rovnať mechanickej rezonančnej frekvencii kryštálu. Pre potreby určenia frekvencie vytváraných elektrických kmitov je potrebné nahradiť kryštálový rezonátor, ako mechanickú sústavu, elektrickým obvodom vystihujúcim vlastnosti daného rezonátora v okolí rezonančného kmitočtu. Táto náhrada je znázornená na nasledujúcom obrázku. Obr.3.7 Náhrada Obr.3.8 Závislosť impedancie Ako z obrázku vidno, náhradný obvod sa skladá zo sériovej kombinácie kondenzátora C, cievky L a rezistora R a z paralelne pripojeného kondenzátora C 0. Kondenzátor C 0 je statická kapacita prívodných elektród spolu s držiakom. Ostatné obvodové prvky predstavujú dynamické veličiny. Ako je zjavné z náhradnej elektrickej schémy, kryštál predstavuje akýsi sériovo-paralelný rezonančný obvod, ktorý má určitú svoju amplitúdovo-frekvenčnú charakteristiku. Tá je znázornená na obrázku vyššie. Ako z tejto charakteristiky vidno, impedancia kryštálu sa zmenou frekvencie privádzaných kmitov mení a má dva inflexné body a to pri frekvencii f s ( určuje sériový

46 rezonančný kmitočet kryštálu ) a frekvencii f p ( určuje paralelný rezonančný kmitočet kryštálu ). Tieto frekvencie vieme určiť z nasledujúcich vzťahov : Keďže kapacita kondenzátora C 0 je omnoho väčšia ako kapacita kondenzátora C, paralelný rezonančný kmitočet je tesne nad sériovým rezonančným kmitočtom. Vzhľadom na to, že kondenzátor C 0 predstavuje kapacitu prívodov, držiaka a kovového krytu kryštálu, je dosť nestabilný a jeho kapacita sa mení vplyvom teploty, vlhkosti a mechanických otrasov. Spolu so zmenami tejto kapacity sa mení aj paralelný rezonančný kmitočet kryštálu. V praxi sa zvykne paralelne ku kryštálu pripájať vonkajší kondenzátor s kapacitou podstatne väčšou ako je kapacita kondenzátora C 0 na zmenšenie nežiadúcich zmien paralelného rezonančného kmitočtu kryštálu. Kryštál môže byť v obvode oscilátora zapojený na mieste tradičného rezonančného obvodu. Najčastejšie ide o trojbodový oscilátor (Clappov) nazývaný Piercov oscilátor. R Z, slúži na zamedzenie rozkmitania oscilátora na parazitnom kmitočte, vyššom ako je vlastná rezonančná frekvencia kryštálu. Môže byť realizovaná rezistorom, cievkou alebo aj sériovým rezonančným obvodom. Pri použití rezonančného obvodu sa oscilátor nazýva Tritet Obr.3.9 Piercov oscilátor Oscilátory riadené kryštálom predstavujú najstabilnejšie oscilátory. Zmena kmitočtu oscilátora sa robí výmenou kryštálu s požadovanou frekvenciou. Meniť frekvenciu

47 kryštálu plynulo je možné len v rozsahu niekoľkých desiatok až stoviek Hz. Dosiahnuteľný činiteľ frekvenčnej stability je 0-6 až 0-9. Oscilátory RC. Pre oblasť nízkych kmitočtov sú vhodné oscilátory RC. Spätnoväzobné oscilátory RC sú charakteristické tým, že majú spätnoväzobný štvorpól zložený s rezistorov R a kondenzátorov C. Spätnoväzobný štvorpól pracuje zasa ako štvorpól riadiaci, to znamená, že určuje kmitočet oscilácií. Je však dôležité, aby daný štvorpól spĺňal amplitúdovú a fázovú podmienku oscilácií len pre požadovaný pracovný kmitočet f o. Ďalej je vzhľadom na dobrú kmitočtovú stabilitu potrebné, aby fázová charakteristika spätnoväzobného obvodu oscilátora bola v okolí kmitočtu oscilácií podľa možnosti čo najstrmšia. Je možné zostaviť niekoľko rôznych štvorpólov RC, ktoré týmto všeobecným požiadavkám viac či menej vyhovujú. Hlavnými zástupcami RC oscilátorov sú oscilátory s kaskádnym radením štvorpólov RC a oscilátory s pásmovými filtrami, v ktorých sa používajú selektívne RC články a to : pásmový priepust s Wienovým článkom (obr.2.3) pásmová zádrž s premosteným alebo dvojitým T článkom (obr.2.3) Oscilátory s kaskádnym radením štvorpólov RC Najjednoduchšie oscilátory RC majú spätnoväzobný štvorpól tvorený kaskódou členov RC v tvare integračných alebo derivačných článkov

48 Obr.3.20 Kaskádne RC články Schéma oscilátora, ako vidíme z obrázka 3.22, sa skladá zo zosilňovacieho bloku A tvoreného tranzistormi T (v praxi sa často nepoužíva) a T 2 a zo spätnoväzobného bloku ß tvoreného trojicou derivačných článkov C R, C 2 R 2, C 3 R 3. V praxi tieto články sú realizované z rovnakých rezistorov R, teda R R 2 R 3 R a z rovnakých kondenzátorov C, teda C C 2 C 3 C. Tranzistor T v zosilňovacom bloku plní funkciu impedančného transformátora (emitorový sledovač), ktorý prispôsobuje väčšiu výstupnú impedanciu spätnoväzobného bloku ß podstatne menšej vstupnej impedancii tranzistora T 2, v ktorom je sústredené celé zosilnenie zosilňovacieho bloku A. Tieto oscilátory sú jednoduché a dajú sa ľahko realizovať. Táto jednoduchosť však nesie so sebou viacero nevýhod (tieto nevýhody úzko súvisia s prenosovými vlastnosťami integračných a derivačných článkov, s ich fázovou a útlmovou charakteristikou). Prvou z nich je, že fázová charakteristika článkov má v okolí požadovaného kmitočtu f o malú strmosť, takže malé zmeny fázy majú za následok veľké zmeny frekvencie kmitov. Druhou nevýhodou je, že útlmová charakteristika článkov nemá v okolí požadovaného kmitočtu žiadne maximum, ako napríklad rezonančný obvod. Preto je amplitúdová podmienka často splnená aj pre blízke frekvencie, z čoho vyplýva, že vytváraný signál môže byť ( a väčšinou aj je ) mierne tvarovo skreslený. Treťou nevýhodou je, že ak chceme prelaďovať tieto oscilátory, musíme meniť súčasne hodnoty buď všetkých kondenzátorov alebo všetkých rezistorov. Ináč sa pri prelaďovaní štvorpólu jeho prenos výrazne mení, takže vzniká buď tvarové skreslenie alebo dôjde k vysadeniu oscilácií. Oscilátory RC s kaskádnym radením štvorpólov sú vhodné pre prácu na jednej frekvencii s menšou požiadavkou na frekvenčnú stabilitu a tvarové skreslenie signálu

49 Najmenšie hodnoty prvkov spätnoväzobného štvorpólu použiteľné v praxi sú : R 00 a C 00pF. Tieto oscilátory sú použiteľné pre frekvencie do MHz Colpittsov oscilátor Tento oscilátor je využitý ako externý obvod k IO SE602 a dodáva signál s potrebnou frekvenciou do zmiešavača. Obr.3.2 Colpittsov oscilátor - princíp Obr.3.22 Použitý oscilátor Z fázovej podmienky kmitania oscilátora sa dá odvodiť vzťah pre frekvenciu výstupného signálu oscilátora: f CC2 2π L C + C 2 Oscilátor pracuje na frekvenciách od, 5,2MHz, aby po zmiešaní bola súčtová zložka 0,7MHz

50 3.3 Filtre Rozbor a riešenie pasívneho LC filtra Syntézu filtra pásmovej priepuste môžeme zhrnúť do nasledovných bodov:. Prevedenie frekvenčného normovania zadanej frekvenčnej charakteristiky hornej priepuste na frekvenčnú charakteristiku normovanej dolnej priepuste 2. Výpočet ε zo zadanej hodnoty a max 3. Určenie aproximačnej funkcie 4. Výpočet stupňa prenosovej funkcie 5. Výpočet nulových bodov 6. Určenie prenosovej funkcie G(p) z nulových bodov 7. Výpočet charakteristickej funkcie ϕ(p) 8. Určenie Z(p) zo získaných funkcií G(p) a ϕ(p) 9. Frekvenčné a impedančné odnormovanie stavebných prvkov NDP na prvky požadovaného typu filtra 3.3. Medzifrekvenčný filter 20MHz Je tvorený filtrom typu pásmová priepusť so strednou frekvenciou 20MHz. Priepustné pásmo je vyznačené ta tolerančnej schéme f 9,925 MHz f 2 9,96 MHz f 3 20,04 MHz f 4 20,075Hz a max 3dB a min 35dB a [db] -a max -a min f f 2 f 3 f 4 f Obr.3.23 Tolerančná schéma - 4 -

51 . Frekvenčné normovanie zadanej frekvenčnej charakteristiky pásmovej priepuste na charakteristiku normovanej dolnej priepuste NDP: 2 2 f f s Ω, f. f 2 2 f Ω Ω 2, f s Ω 2 f 2. f 2 2 f 3 f s Ω3 f 3. f -a max 2 2 f 4 f s Ω4, f 4. f 2 -a 4 min f s f 2. f 3 3, Výpočet f f ε f zo zadanej hodnoty a max : NDP f s f s Obr.3.24 NDP Aby sme splnili požiadavky tolerančnej schémy, volíme prísnejšie kritérium ohraničenia nepriepustného pásma NDP čiže hodnotu Ω 2, Výpočet ε: ε parameter určujúci veľkosť zvlnenia a max 0 0 ε 0 0 0, Určenie aproximačnej funkcie: Rozhodol som sa pre aproximáciu s izoextremálnym priebehom v priepustnom pásme, čo je Čebyševova aproximácia. Hlavné kritérium výberu spočíva v nižšom stupni aproximácie ako pri Butterworthovej aproximácii (n 7). 4. Výpočet stupňa prenosovej funkcie : a min 35 db a max 3 db Stupeň aproximácie určím zo vzťahu: n arg cosh 0 a a min 0 max 0 arg cosh Ω

52 Po dosadení: 3,5 0 argcosh 0, 3 0 n 3,8 Volím n4 arg cosh, Výpočet nulových bodov: a max 3 db n 4 Φ arg sinh arg sinh arg sinh n ε , P 2k + 2k + sinh K 2 2 2n 2 n ( Φ )( sin π ) + j( cosh Φ )( cos π ) π π P 0 sinh 0,2207.sin + j cosh 0,2207.cos 0,085+ j0, π 3π P sinh 0,2207.sin + j cosh 0,2207.cos 0, j0, π 5π P2 sinh 0,2207.sin + j cosh 0,2207.cos 0,2056 j0, π 7π P3 sinh 0, sin + j cosh 0,2207.cos 0,085 j0, Nulové body pre Čebyševovskú aproximáciu ležia na elipse. Zo všetkých nulových bodov nachádzajúcich sa na elipse vyberieme len tie, ktoré sa nachádzajú v ľavej polrovine komplexnej roviny p, lebo iba tie zaručujú stabilitu systému, to znamená naše body P 0 -P 3 6. Učenie prenosovej funkcie G ( p ) z nulových bodov: G ( p) K n i 0 ( p p i ) Po dosadení: G(p)K(p + 0,085 j0, 9464 )(p + 0,2056 j0, 392 ). ( p + 0, j0, 392 )( p + 0,085+ j0, 9464 ) G(p) K(p p p p ) G(p)G(-p) + ϕ(p)ϕ(-p) K

53 G(p) p p p p p + Po zaokrúhlení: G(p)8 p 4 +4,6526 p 3 + 9,3529 p 2 + 3,238p +,458 7.Výpočet charakteristickej funkcie ϕ ( p ) : Charakteristickú funkciu vypočítam zo vzťahu ϕ ( p ) ε. T n ( p ), kde T n ( p ) je Čebyševov polynóm prvého druhu komplexného argumentu p. Tento mnohočlen má tvar: T 0 ( jω ) a T ( jω ) p. Pre tento mnohočlen platí rekurentný vzťah: T n + ( jω ) 2p. T n ( jω ) + T n - ( jω ), keďže platí p jω, potom pre piaty rád dostaneme: T 2 (p) 2p 2 + T 3 (p) 4p.(p 2 + 0,75) T 4 (p) 8p 4 + 8p 2 + Pre štvrtý rád teda platí: T 4 (p) 8p 4 + 8p 2 + Ďalej platí: ϕ ( p ) ε. T 4 ( p ).( 6p p 3 + 5p) ϕ ( p ) 8p 4 + 8p Určenie Z vst ( p ) z vypočítaných funkcií G ( p ) a ϕ ( p ) : Z vst G( p) + ϕ( p) ( p) G( p) ϕ ( p) Po dosadení a úprave: Z vst p + 4,6526p + 7,3529p + 3,238p + 2,458 ( p) 3 2 4,6526p +,3529 p + 3,238p + 0,458 Po delení dostaneme reťazový zlomok v tvare: Z VST ( p) z + y 2 + z 3 + y4 + z5 + r l

54 Z Y Z Y Z ,20249 p 0,292668p 0,932p 0,2455p l c l 3 c 2 4 9, , ,932 0,2455 r r 2 9. Schéma zapojenia NDP: Obr.3.25 Schéma NDP 0. Frekvenčné a impedančné odnormovanie stavebných prvkov NDP na prvky NPP filtra : ω 2 2.π.f S rad. s - qf s / f 249,99 R 0 0Ω - zvolená hodnota Pre odnormovanie stavebných prvkov NDP platí, že induktor sa odnormuje na sériový rezonančný obvod a kapacitor sa odnormuje na paralelný rezonančný obvod, teda:

55 , ,99.0,592. 9, ,99.4,347. 6, ,99.0, ,76 249,99.4, , ,99.0,7483., ,99.3, , ,99.0, , ,99.3, q Y c q Z c q Y l q Z l q Y c q Z c q Y l q Z l Po dosadení a vypočítaní, dostaneme hodnoty skutočných súčiastok: F R c C H R l L S n S n 2 6, , ω ω F R c C H R l L S n S n , , ω ω F R c C H R l L S n S n , , ω ω F R c C H R l L S n S n , , ω ω R 8Ω R 2 8Ω

56 . Schéma zapojenia pasívnej LC štruktúrya výsledná simulácia: Obr.3.26 Schéma LC filtra Obr.3.27 Simulácia LC filtra Filter pásmová priepusť 5-0MHz Je tvorený filtrom typu pásmová priepusť so strednou frekvenciou 7,5MHz. Priepustné pásmo je vyznačené ta tolerančnej schéme f 5 MHz f 2 5,4 MHz f 3 9,6 MHz f 4 0 MHz a max 3dB a min 35dB a [db] -a max -a min f f 2 f 3 f 4 f Obr.3.28 Tolerančná schéma Stupeň...n9-47 -

57 Prenosová funkcia G ( p ): G ( p) K n i 0 ( p p i ) G(p) 255,98 p 9 +44,6p 8 +66,8p ,2p ,35p 5 +72,87p 4 +49,25p 3 +33,56p 2 +2,7p+ Charakteristická funkcia ϕ ( p ) : ϕ ( p ) 255,98 p ,96p 7 +43,97p 5 +9,99p 3 +8,99p Určenie Z vst ( p ) z funkcií G ( p ) a ϕ ( p ) : Z vst G( p) + ϕ( p) ( p) G( p) ϕ ( p) Po delení dostaneme reťazový zlomok v tvare: Z VST ( p) z + y2 + z3 + y4 + z5 + r l l c l c l ,5405 0,7745 4,6767 0,865 l5 4,7348 c 0,865 l7 4,6767 c 0,7748 3,5409 r r 2 Schéma zapojenia NDP: Obr.3.29 Schéma NDP Hodnoty skutočných súčiastok:

58 L L 9 3,4µH L 2 L 8,66µH L 3 L 7 7,7µH L 4 L 6,59µH L 5 7,9µH R 00Ω R 2 00Ω C C 9 36,4pF C 2 C 8 293,6pF C 3 C 7 27,5pF C 4 C 6 307,pF C 5 27,5pF Schéma a výsledná simulácia: Obr.3.30 Zapojenie LC filtra Obr.3.3 Simulácia LC filtra

59 3.4 Celková schéma zapojenia Obr.3.32 Celková schéma

60 4. ZÁVER Náplňou mojej práce bolo zostrojenie preladiteľného prenosového kanála, to znamená zariadenie na výber (voľbu) prenosových kanálov. Najskôr som začal analýzou a rozpracovaním jednotlivých možností riešenia daného zadania. Spracoval som možnosti ladenia pomocou filtrov (číslicových a analógových) a pomocou superhetu (jednotlivé typy). Ďalej som zvolil riešenie zadania z už vopred analyzovaných možností. Vybral som si princíp superhetu a konkrétne Convertor-up. Urobil som tak preto, že medzifrekvenčná frekvencia je nad prijímaným (spracovávaným) pásmom. Tým dochádza k zväčšeniu odstupu medzi súčtovými a rozdielovými zložkami zmiešavača. Zároveň klesajú nároky na vstupný filter, ktorý nemusí byť až taký kvalitný a nemusí byť ani preladiteľný. V mojom prípade funkciu tohto filtra plní vstupný zosilňovač emitorový sledovač, ktorý zároveň impedančne prispôsobuje vstupnú časť. Ďalšou časťou zapojenia je oscilátor. Použil som Colpittsovo trojbodové zapojenie, generujúce harmonické kmity. Sú tam dva zmiešavače, takže budú potrebné aj dva oscilátory. Oscilátory sú ladené s krokom 50kHz. Ladenie je realizované otočnými prepínačmi nasledovne: Sú tu štyri páry prepínačov, každý pár má spoločnú osku. Jeden pár slúži na nastavenie rozsahov, a ďalšie tri na samotné ladenie. Signál z oscilátora OSC s frekvenciou,-5,2mhz sa zmiešava so vstupnými signálmi a vyberá sa súčtová zložka s frekvenciou 0,7MHz pomocou keramického filtra.. Pôvodne som chcel zostrojiť medzifrekvenčný filter na frekvenciu 20MHz, ale vo výpočtoch mi vyšli nereálne súčiastky, takže som musel znížiť strednú frekvenciu filtra. Nakoniec som použil medzifrekvenčný keramický filter 0,7MHz. Zapojenie zmiešavača ZM, oscilátora OSC a MF filtra predstavuje zapojenie klasického Convertor-up-u. Získaný kanál na výstupe tejto časti má však frekvenciu 0,7MHz. Preto bolo treba zaistiť aj spätnú transformáciu na pôvodné hodnoty frekvencií signálov. Dosiahol som to tým, že som medzifrekvenciu priviedol na vstup ďalšieho zmiešavača, z ktorého odoberám rozdielové zložky. K nemu bolo potrebné zapojiť ešte jeden oscilátor OSC2, preladiteľný v rozsahu 6,2-20,3MHz, ktorý sa ladí súčasne s OSC. Na výstupe zmiešavača ZM2 by sme mali dostať celé pôvodné spektrum signálov, to znamená signály o frekvenciách 5,66 9,56MHz - 5 -

61 Po analýze a následnej realizácii funkčnej vzorky (vzorku som zostrojil na univerzálnom plošnom spoji) som sa stretol s niekoľkými problémami (rozladený filter, zmiešavanie). Na zrealizovanom zapojení som overoval predchádzajúce teoretické návrhy, aby som overil funkčnosť zariadenia. Najskôr som musel nastaviť presné hodnoty kapacít, slúžiacich na ladenie oscilátorových frekvencií, zmeral som výstupný filter (ktorý je vzhľadom na množstvo vzájomne ovplyvňujúcich sa cievok dosť rozladený) a výstupný signál zmiešavača po privedení len jedného vstupného signálu z oscilátora (druhý vstup bol uzemnený) a neskôr aj zmiešavanie dvoch signálov. V prílohách sú zobrazené dosky plošných spojov a to hlavná doska (Obr.5.2) a doska filtra (Obr.5.5). Tieto sú navzájom prepojené nasledovne: výstup (OUT) hlavnej dosky so vstupom (IN) dosky filtra. Tieto dosky sú zobrazené z pohľadu osádzania súčiastok. Ďalšie dve dosky (Obr.5.8) slúžia na ladenie a sú osadené kondenzátormi, pomocou ktorých sa dosahuje zmena frekvencie oscilátorov. Na obr.3.32 je zobrazená celková schéma. Svorky : X-,X-2 - napájanie 2V X2-,X2-2 - vstup X3-,X3-2 - výstup X5-,X5-2 - pripojenie oscilátora OSC2 X6-,X6-2 - pripojenie oscilátora OSC

62 ČESTNÉ PREHLÁSENIE Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Jánom Hlubíkom a používal som len literatúru uvedenú v práci. Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce. V Žiline dňa podpis diplomanta

63 Poďakovanie Záverom diplomovej práce by som rád poďakoval Ing. Jánovi Hlubíkovi za jeho cenné rady a pripomienky, ktoré mi pomohli pri riešení danej problematiky.

64 DIPLOMOVÁ PRÁCA Prílohová časť 2006 Ján Sliacky

65 5. PRÍLOHY 5. Plošné spoje Použité súčiastky...4 Obr.5. Pohľad zo strany plošného spoja hlavná doska... 4 Obr.5.2 Osadenie súčiastok - hlavná doska... 5 Obr.5.3 Vŕtací predpis - hlavná doska... 5 Obr.5.4 Pohľad zo strany plošného spoja doska filtra... 5 Obr.5.5 Osadenie súčiastok doska filtra 5-0MHz... 5 Obr.5.6 Vŕtací predpis doska filtra 5-0MHz... 6 Obr.5.7 Pohľad zo strany plošného spoja doska ladenia... 6 Obr.5.8 Osadenie súčiastok doska ladenia... 7 Obr.5.9 Vŕtací predpis doska ladenia Plošné spoje Obr.5. Pohľad zo strany plošného spoja hlavná doska

66 Obr.5.2 Osadenie súčiastok - hlavná doska Obr.5.3 Vŕtací predpis - hlavná doska Obr.5.4 Pohľad zo strany plošného spoja doska filtra Obr.5.5 Osadenie súčiastok doska filtra 5-0MHz

67 Obr.5.6 Vŕtací predpis doska filtra 5-0MHz Obr.5.7 Pohľad zo strany plošného spoja doska ladenia 2x

68 Obr.5.8 Osadenie súčiastok doska ladenia 2x Obr.5.9 Vŕtací predpis doska ladenia 2x Poznámka: Všetky dosky plošných spojov sú dvojnásobne zväčšené