Základy činnosti směšovačů, mf zesilovačů a detektorů
Tyto elektronické obvody se vyskytují snad ve všech typech komunikačních zařízení a pro jejich dobrou funkci hrají rozhodující roli. Zběžný pohled na jejich desky s tištěnými spoji neříká nic ojejich činnosti askutečných vlastnostech; je proto nejlépe prostudovat si blokové schéma a pak se zaměřit na přidružené obvody a jejich zapojení. Tak si můžeme udělat představu, jak zařízení a jejich doplňky pracují, pochopit údaje v inzerátech a ve specifikacích zařízení a ještě mnohem víc. K čemu slouží směšovače a detektory?
Elektrické signály, odpovídající normálnímu hlasovému spektru s maximálním kmitočtem v jednotkách kHz, není možné vysílat do éteru jako elektromagnetické signály přímo v nízkofrekvenčním tvaru; anténa je schopna sdostatečnou účinností vyzářit až signály s mnohem vyšším kmitočtem – v případě krátkých vln až od jednotek MHz a vyšších. Nízkofrekvenční signál odpovídající např. střídavému napětí z mikrofonu musíme proto nějak svázat se signálem ovysokém kmitočtu, který teprve umožňuje komunikaci na velkou vzdálenost. Takový signál se nazývá nosný vysokofrekvenční (vf) signál a tomuto procesu se říká modulace. Postupně bylo vyvinuto několik druhů modulace. Pro ilustraci použijme středovlnný rozhlasový přijímač pro amplitudovou modulaci. Ten vysílá nosný signál s nějakým definovaným kmitočtem, v našem příkladu třeba 610 kHz. Nízkofrekvenční (nf) signál zmikrofonu se zesílí na potřebnou úroveň a použije se pro ovládání – modulaci – výstupního nosného vf signálu vysílače. Na rozdíl od čistého vf nosného signálu se u signálu modulovaného amplitudově objeví vsousedství nosného kmitočtu ještě signály další, kterým říkáme postranní pásma. Postranní pásma jsou zrcadlově rozprostřena nad a pod nosným kmitočtem vzávislosti na modulačním kmitočtu (šířka 1 kHz pro modulaci nf kmitočtem 1000 Hz, šířka 2 kHz pro 2000 Hz apod.). Protože rozhlasových vysílačů je mnoho aneměly by se navzájem rušit, mají povoleno obsazovat vkmitočtovém spektru vedle sebe úseky široké maximálně cca 10 kHz. Nejvyšší nf kmitočet, kterým mohou být jejich nosné kmitočty modulovány, je tedy 5 kHz. Jak v přijímači dostaneme na konci celého řetězce zpracování signálu zantény opět nf signál pro reproduktor nebo sluchátka? Vstup přijímače je naladěn na některý nosný vf kmitočet, modulovaný nf signálem. Z něho se vpřijímači získá znovu původní nf signál, a to postupem, který se nazývá detekce. Výsledný velmi slabý nf signál je vhodné před přivedením do sluchátek nebo reproduktoru ještě zesílit, aby byl slyšitelný. Po krystalkách a přímozesilujících přijímačích začaly být mezi vstupní zesilovač a detektor zařazovány další stupně: směšovače a mezifrekvenční zesilovače. Abychom pochopili princip jejich činnosti, budeme se vdalší části zabývat změnou kmitočtu ve směšovačích.
Základní koncepce změny kmitočtu
Na počátku rozhlasového vysílání bylo v éteru pouze několik stanic a jejich naladění na krystalce nebo zpětnovazební dvoulampovce bylo snadné. Jakmile se počet stanic začal zvětšovat, projevovalo se jejich vzájemné rušení, protože obvody jednoduchých přijímačů nebyly schopny vybrat a dále zpracovat pouze poměrně úzké (10 kHz) pásmo odpovídající modulovanému signálu jediné žádané stanice. To by sice umožnily obvody komplikovanější, ale u nich nebylo možno zajistit současně dobrou schopnost výběru pouze požadovaného úseku kmitočtů (tato vlastnost se nazývá selektivita) a přitom ještě podle potřeby nastavovat polohu přijímaného nosného signálu (nesoucího ve svých postranních pásmech informaci o nf modulaci) tak, abychom přelaďováním vcelém pásmu mohli volit příjem různých stanic.
Vypadalo to tak, že bude nutno si vybrat: buď budeme mít možnost nekvalitně přijímat různé stanice, nebo použijeme složité obvody, ale přijímač nebude možno ladit na různé nosné kmitočty a tedy budeme schopni lépe přijímat stále jen jedinou stanici na kmitočtu, daném pevným naladěním obvodů v přijímači. Pro komunikaci nevyhovuje samozřejmě žádná z těchto variant. Problém byl vyřešen tak, že v přijímači byly zařazeny obvody, umožňující dobře zpracovat a zesílit jediný pevný kmitočet (ve skutečnosti vlastně úzké pásmo kmitočtů kolem jednoho pevného nosného vf kmitočtu), tedy obvody s dobrou selektivitou pro tento pevný – mezifrekvenční (mf) kmitočet. Mimochodem, v původní koncepci takového přijímače ležel mf kmitočet někde mezi přijímaným vf kmitočtem a modulačním nf kmitočtem, odtud jeho název mezifrekvenční. Příjem modulovaných signálů různých stanic s odlišnými nosnými kmitočty byl zajištěn tak, že signál zvolené stanice byl – včetně modulace – v přijímači vždy převeden na pevný mf kmitočet, který pak bylo možno v pevně naladěném mezifrekvenčním zesilovači kvalitně zpracovat, zesílit apod. Po detekci jsme nakonec dostali opět nf signál. Aby tento princip fungoval, musíme kromě mf stupňů do přijímače zařadit ještě další obvody: směšovač, ve kterém získáme ze signálu na původním nosném kmitočtu obdobně modulovaný signál na kmitočtu mezifrekvenčním, amístní oscilátor, jehož signál po smíšení s původním nosným kmitočtem právě ve směšovači umožní vytvoření potřebného modulovaného signálu na mf kmitočtu pro další zpracování v mf zesilovači, detektoru a nf zesilovači. Chceme např. naladit stanici, jejíž nosný kmitočet je 610 kHz. Jeden vf vstup směšovače je naladěn přibližně na 610 kHz, na jeho další vstup přivedeme z místního oscilátoru kmitočet 1065 kHz; místní oscilátor tedy musíme naladit právě tak, aby generoval tento kmitočet. Běžný směšovač pak má na svém výstupu čtyři signály o kmitočtech 610, 1065, 1675 a455 kHz. Dva z nich jsou kmitočty, které jsme přivedli na vstupy směšovače akteré směšovačem prošly, kromě nich ale ve směšovači vznikl ještě signál součtový 1675 kHz (1065 + 610) a rozdílový 455 kHz (1065 – 610). Následující mf stupně jsou naladěny na kmitočet 455 kHz a zbylé tři kmitočty ze směšovače potlačí. Signál 455 kHz, který stále obsahuje i postranní pásma nesoucí informaci o modulaci původního vf nosného kmitočtu, se po zesílení vmf zesilovači přivede na detektor, ve kterém se získá zpět nf signál, který je po následujícím zesílení v nf zesilovači slyšitelný. Pokud chceme přijímat jinou rozhlasovou stanici např. s kmitočtem 2400 kHz (viz druhý příklad), naladíme vf vstup směšovače na 2400 kHz amístní oscilátor na kmitočet 2855 kHz. Na výstupu směšovače se teď objeví kmitočty 2400, 2855, 5255 a455 kHz, mf stupně opět zesílí pouze kmitočet 455 kHz a na ostatní signály nereagují. Je vidět, že pro příjem žádané stanice musíme nastavit místní oscilátor na kmitočet, který při směšování s požadovaným přijímaným signálem vytvoří mf signál. Následující mf stupeň zajistí selektivitu, potřebnou pro příjem pouze žádaného signálu. Tradiční způsob příjmu s jedním směšováním není příliš složitý, výsledek není ale také zcela dokonalý: příjem může totiž být stále rušen jinými nosnými signály na tzv. zrcadlových kmitočtech. Pro vysvětlení si představme situaci, kdy přijímáme stanici na kmitočtu 610 kHz a náš přijímač má mf kmitočet 455 kHz. Pokud náhodou vysílá jiná stanice na kmitočtu 1520 kHz, může se na vf vstup směšovače dostat z antény i její signál apři kmitočtu místního oscilátoru 1065 kHz směšovač současně vytvoří – kromě jiných – na svém výstupu ze signálů obou stanic jeden signál na mf kmitočtu. Výsledkem bude to, že původně zcela odděleným signálem druhé stanice bude rušen příjem stanice první. Podobně se třeba při příjmu krátkovlnné stanice na 2400 kHz (druhý příklad) a mf kmitočtu našeho přijímače 455 kHz můžeme se setkat s rušením od úplně jiné stanice, která současně pracuje na kmitočtu 3310 kHz. Vminulosti nebyl tento problém příliš vážný, dnes jsou ale KV pásma přeplněna množstvím silných stanic asituace je jiná.
Jaká je tedy koncepce moderních přijímačů?
V minulosti bylo u přijímačů použito mechanicky spřaženého ladění oscilátoru a vf obvodů před směšovačem, případně iobvodů směšovače. V dnešní době jsou vf stupně, případně ivstupní obvody směšovače, obvykle neladěné (širokopásmové). Před nimi jsou vřazeny pásmové filtry, propouštějící různé kmitočtové rozsahy. Místní oscilátor zajišťuje stabilitu apřesnost nastavení kmitočtu, zatímco mf stupně zajišťují selektivitu. Tyto skutečnosti lépe pochopíme, když se podíváme na řešení moderních krátkovlnných přijímačů např. pro příjem SSB signálů (zkratkou SSB se běžně označuje jiný druh modulace, používaný téměř výhradně vkrátkovlnném fónickém provozu; zkratka je odvozena ze slov Single Side Band a znamená, že místo obou postranních pásem je vysíláno pouze jedno postranní pásmo, které pro přenos nf modulační informace postačuje). Anténa, pokud není vysloveně úzkopásmová, může dodávat všemožné signály srovnatelné síly v rozsahu od 1 až třeba do 50 MHz. Ty jsou v přijímači nejprve zavedeny do příslušného pásmového filtru propouštějícího např. signály 14,0 až 14,5 MHz (pro 20m pásmo). Zapojíme-li vpřijímači tzv. předzesilovač, můžeme je ještě zesílit. Kmitočty z celé této frekvenční oblasti 14,0 až 14,5 MHz pak jsou přivedeny na jeden vstup směšovače a na jeho druhý vstup přivádíme signál místního oscilátoru. Pro mf kmitočet 9 MHz musíme místní oscilátor ladit od 23,0 MHz (pro příjem signálu 14,0 MHz) až do 23,5 MHz (pro příjem signálu 14,5 MHz). Na výstupu směšovače pak dostáváme (kromě jiných) i signál orozdílovém mf kmitočtu 9 MHz, jehož frekvence se při přelaďování kmitočtu místního oscilátoru nemění. Mění se pouze vstupní kmitočet, který si takto vlastně vybereme s celé oblasti frekvencí, které jsou dodávány na vstup přijímače anténou. Šířka pásma, kterou propouští mf zesilovač, je v reálné skutečnosti asi 20 nebo 30 kHz, se středním kmitočtem 9 MHz. V tomto rozsahu 8,985 MHz až 9,015 MHz ale v původním pásmu 14 MHz může současně pracovat třeba víc než půltuctu SSB stanic a signály všech by mf zesilovačem procházely, byly by zesilovány a nakonec převedeny na nf akustický signál. Slyšeli bychom tedy současně několik stanic, které vysílají na blízkých kmitočtech. Proto do signálové cesty zařazujeme před mf zesilovač ještě speciální součástku – krystalový filtr, který propouští signály pouze v rozsahu 9000,3 až 9002,8 MHz, jeho šířka propustného pásma je tedy jen 2,5 kHz. To už odpovídá šířce jen jednoho SSB signálu. Žádné jiné kmitočty krystalovým filtrem neprojdou – jsou tedy odfiltrovány – a v signálu, který pak je zpracováván mf zesilovačem, neruší. Výsledný signál 9 MHz, široký 2,5 kHz, se potom zesílí a přivede na druhý směšovač. Do tohoto směšovače se přivede také signál 9 MHz z druhého místního oscilátoru a rozdíl těchto kmitočtů (nf signál mezi 300 až 2800 Hz) se zesílí a přivede na reproduktor. Tento druhý směšovač pracuje ve funkci detektoru SSB nebo CW signálů. Na jeho výstupu máme pak k dispozici nf signál.
Dvojí a trojí směšování
V průběhu rozvoje amatérského vysílání a při stále rostoucím zaplnění KV pásem se selektivita přijímače stala jeho velmi důležitým parametrem. Protože nejlepší selektivitu můžeme získat v mf stupních, bylo logickým řešením, že se do přijímacího řetězce zařadil další – druhý – mf zesilovače pracující na jiném mf kmitočtu, opět s vlastním krystalovým filtrem. To samozřejmě opět vyžaduje druhý místní oscilátor a směšovač. Výhodné vlastnosti obou krystalových filtrů se pak vlastně sečíta- jí a výsledkem může být ještě lepší selektivita a menší rušení. Tato koncepce se nazývá dvojí směšování. Předpokládejme stejný příklad naladění v pásmu 20m, kdy signály v rozsahu 14,0 až 14,5 MHz procházejí vstupním filtrem, jsou zesíleny a přivedeny na vstup 1 prvního směšovače. Na vstup 2 směšovače 1 se přivede kmitočet místního oscilátoru 23 MHz (uváděné kmitočty jsou voleny jako příklad, jsou zaokrouhleny; můžete si sem samozřejmě dosadit jiná čísla, třeba podle parametrů nějakého konkrétního zařízení). Výstupní signál ze směšovače (9 MHz) pak prochází prvním mf stupněm akrystalovým filtrem 9 MHz na vstup 1 směšovače 2. Na vstup 2 směšovače 2 je zároveň přiveden signál konstantního kmitočtu 9445 kHz z místního oscilátoru 2 (tento oscilátor tedy už není laděný). Výstupní signál 455 až 458 kHz dále prochází přes druhý mf zesilovač, kde krystalový filtr 455 kHz odfiltruje rušení, které neodstranil krystalový filtr 9 MHz prvního mf zesilovače. Výstupní signál (455 až 458 kHz) se potom směšuje se signálem pevného kmitočtu 455 kHz z místního oscilátoru 3 a vznikne nf signál 0 až 3000 Hz. Tento signál se zesílí a přivede do reproduktoru. Pro dosažení větší selektivity se postupně začalo používat trojí i čtyřnásobné směšování. Kombinace kmitočtů v takových případech jsou sice složitější, ale pokud jste pochopili předchozí výklad, můžete si je rovněž bez problémů vypočítat. Zkuste to!
„Up“ směšování
V jednom z předchozích odstavců jsme mluvili o rušení zrcadlovými kmitočty, pocházejícími od signálů mimo vlastní pásmo, kde pracujeme. Tento problém narůstal srostoucím počtem nejrůznějších silných, často neamatérských stanic na KV pásmech. Nejlepším řešením, používaným u moderních KV zařízení, je „up“ směšování. Princip spočívá v tom, že se používá vysoký mf kmitočet, který leží až nad vlastními přijímanými kmitočty; případné rušení by pak způsobovaly až (zrcadlové) signály z oblasti VKV, které jsou kmitočtově značně vzdálené od vlastního pracovního rozsahu přijímače. Ty lze snadněji odstranit už ve vstupních obvodech přijímače těsně za anténou, takže do dalších stupňů přijímače neproniknou a nemohou způsobit rušení. „Up“ směšování pracuje stejně jako dvojí nebo trojí směšování s tím rozdílem, že první mf je zvolen např. v rozsahu 60 až 75MHz. Kmitočty jsou opět jen přibližné. Co tedy vyplývá z předcházejících úvah? Za prvé vám poskytnou základy pro pochopení některých technických výrazů v inzerátech a popisech zařízení. Dále vám ukáží, že dnešní transceivry obsahují v malém prostoru mnoho technických prostředků, které si za své peníze můžete pořídit. Pochopení funkce filtrů, pojmů jako šířka pásma apod. vám pomůže také orientovat se vpojmech jako „vynikající selektivita“ apod.
Podle CQ 11/2000 přeložil Jan Kučera, OK1NR
