Obwód odbiornika radiowego zamienia fale elektromagnetyczne odebrane przez antenę w użyteczny sygnał: dźwięk, dane albo obraz. Z takim układem spotykasz się w radiu AM, krótkofalówce, prostym module telemetrycznym czy odbiorniku sterowania radiowego. W tym artykule porządkujemy podstawy: czym jest odbiornik AM, z jakich bloków się składa i jak zbudować prosty układ demonstracyjny.
Skupimy się na klasycznym odbiorniku amplitudowym, bo dobrze pokazuje najważniejsze zasady pracy odbiorników radiowych: strojenie obwodu wejściowego, detekcję obwiedni oraz wzmocnienie słabego sygnału audio.
1. Co to jest odbiornik AM
AM oznacza modulację amplitudy. W tej metodzie informacja jest przenoszona przez zmianę amplitudy fali nośnej. Sama częstotliwość nośna pozostaje w przybliżeniu stała, natomiast jej „wysokość” zmienia się zgodnie z sygnałem audio lub innym sygnałem informacyjnym.
Odbiornik AM jest urządzeniem elektronicznym, które wybiera sygnał o określonej częstotliwości z wielu fal docierających do anteny, wzmacnia go, usuwa falę nośną i odtwarza sygnał użyteczny. W radiu domowym będzie to dźwięk audycji, w prostych systemach telemetrycznych — zakodowane dane, a w starszych systemach analogowych także inne informacje przesyłane drogą radiową.
W praktyce odbiornik pracuje z sygnałami o bardzo różnych poziomach. Na wejściu antenowym są to mikro- lub miliwolty, dlatego układ musi być selektywny i odporny na zakłócenia. W klasycznym odbiorniku superheterodynowym sygnał radiowy jest mieszany z sygnałem lokalnego oscylatora, aby uzyskać stałą częstotliwość pośrednią, najczęściej 455 kHz w odbiornikach AM.
Takie rozwiązanie upraszcza filtrację i wzmacnianie, ponieważ kolejne stopnie odbiornika mogą być projektowane dla jednej częstotliwości pośredniej, niezależnie od aktualnie odbieranej stacji.
/ Odbiornik radiowy
Moduły odbiorników
Najczęściej spotykany odbiornik AM to odbiornik superheterodynowy. Jego zaletą jest dobra selektywność, stabilne wzmocnienie i możliwość uzyskania powtarzalnych parametrów w szerokim zakresie strojenia.
Typowy odbiornik AM superheterodynowy składa się z sześciu podstawowych bloków:
wzmacniacza wysokiej częstotliwości RF,
anteny i obwodu wejściowego,
stopnia częstotliwości pośredniej IF,
mieszacza z lokalnym oscylatorem,
detektora AM i przedwzmacniacza audio,
wzmacniacza mocy audio oraz głośnika lub słuchawek.
Te bloki nie zawsze występują jako osobne układy scalone. W prostym odbiorniku część funkcji może realizować jeden tranzystor, jedna dioda i obwód LC. W bardziej rozbudowanych konstrukcjach stosuje się osobne filtry, wzmacniacze IF, układy automatycznej regulacji wzmocnienia oraz końcówki mocy audio.
Niżej omawiamy dwa ważne typy odbiorników AM: prostszy odbiornik TRF oraz znacznie popularniejszy odbiornik superheterodynowy.
(Przykład obwodu wzmacniacza mocy audio zbudowanego z układem TPA3001D1).
Urządzenia TRF
TRF, czyli Tuned Radio Frequency, to odbiornik o bezpośrednim wzmocnieniu częstotliwości radiowej. Sygnał z anteny trafia do przestrajanego obwodu rezonansowego, który wybiera żądaną stację, a następnie jest wzmacniany i demodulowany.
Aby odebrać konkretną stację, należy dostroić obwód LC do jej częstotliwości. Filtr wejściowy tłumi sygnały spoza wybranego zakresu, ale w prostych odbiornikach TRF selektywność jest ograniczona. Dlatego silne stacje sąsiednie mogą zakłócać odbiór, szczególnie przy małej liczbie stopni strojenia.
Pasmo średniofalowe AM obejmuje w przybliżeniu zakres od 530 kHz do 1700 kHz; w Europie typowy zakres emisji średniofalowych to 531-1602 kHz z odstępem kanałowym 9 kHz. Sygnał audio w radiu AM ma ograniczone pasmo, dlatego pojedynczy kanał zajmuje zwykle około 9-10 kHz.
Rzeczywista szerokość pasma odbiornika zależy od dobroci obwodów rezonansowych, konstrukcji filtrów i kompromisu między selektywnością a jakością dźwięku.
(Schemat blokowy opisujący działanie odbiornika radiowego).
Odbiornik superheterodynowy
Odbiornik superheterodynowy rozwiązuje najważniejszy problem prostego TRF: trudność utrzymania jednakowej selektywności przy przestrajaniu po całym paśmie. Zamiast wzmacniać wyłącznie sygnał na aktualnej częstotliwości radiowej, układ zamienia go na stałą częstotliwość pośrednią.
Na wejście mieszacza trafiają dwa sygnały: odebrana fala nośna oraz sygnał z lokalnego oscylatora. Dla odbiorników AM częstotliwość pośrednia często wynosi 455 kHz, więc oscylator lokalny pracuje zwykle o 455 kHz powyżej lub poniżej częstotliwości odbieranej stacji. Mieszacz tworzy składowe sumacyjne i różnicowe, a filtr IF wybiera właściwą częstotliwość pośrednią.
(Schemat blokowy operacji odbiornika superheterodyny).
Źródło: Wikimedia
Idealny mieszacz mnoży dwa sygnały i wytwarza nowe składowe częstotliwościowe. W praktyce na jego wyjściu mogą pojawić się między innymi:
składowe o częstotliwościach sygnałów wejściowych,
składowa stała,
harmoniczne sygnałów wejściowych,
suma i różnica częstotliwości obu sygnałów,
suma i różnica wybranych harmonicznych.
Z punktu widzenia odbiornika najważniejsza jest różnica częstotliwości równa częstotliwości pośredniej. Trzeba też pamiętać o częstotliwości lustrzanej, czyli niepożądanym sygnale, który po zmieszaniu daje tę samą częstotliwość IF. Dlatego dobry filtr wejściowy pozostaje ważny również w odbiorniku superheterodynowym.
Detekcja AM
Po wzmocnieniu i filtracji sygnał AM trzeba zdemodulować, czyli odzyskać z niego informację zapisaną w zmianach amplitudy. Stosuje się detektory niesynchroniczne i synchroniczne. Najprostszy jest detektor obwiedni, który można zbudować z diody, rezystora i kondensatora.
Detektor obwiedni nie wymaga odtwarzania fali nośnej. Dioda prostuje sygnał radiowy, a filtr RC wygładza szybkie zmiany związane z nośną, pozostawiając wolniejsze zmiany odpowiadające sygnałowi audio.
Detektor synchroniczny działa inaczej: odtwarza lokalnie falę nośną zgodną z odbieranym sygnałem i miesza ją z sygnałem AM. Takie rozwiązanie może dać lepszą jakość przy słabych lub zniekształconych sygnałach, ale jest bardziej złożone.
W praktyce spotyka się trzy podstawowe metody detekcji AM:
detektor obwiedni,
detektor kwadratowy,
detektor synchroniczny.
(Schemat obwodu detektora obwiedni. Pokazuje połączenia kondensatora obejściowego równolegle do cewki i diody w szeregu).
Źródło: Wikimedia
2. Jak zbudować prosty obwód odbiorczy AM
Do zbudowania prostego odbiornika AM potrzebne są podstawowe elementy pasywne, detektor oraz stopień wzmacniający. Taki układ nie zastąpi pełnego radia superheterodynowego, ale dobrze nadaje się do nauki strojenia, detekcji i wzmacniania sygnału.
(Widok z góry prostego obwodu odbiornika radiowego AM za pomocą pięciu tranzystorów).
Źródło: Wikimedia
Obwód odbiornika - materiały potrzebne do budowy
Obwód odbiornika - projekt obwodu
Najprostszy projekt można oprzeć na obwodzie rezonansowym LC, diodzie germanowej i tranzystorze małosygnałowym. Obwód LC wybiera częstotliwość stacji, dioda pełni funkcję detektora, a tranzystor wzmacnia sygnał audio do poziomu użytecznego dla słuchawek lub kolejnego wzmacniacza.
Obwód odbiornika - działanie obwodu
(Schemat pokazujący prosty model radiowy AM).
Źródło: Wikimedia
Przed montażem warto zrozumieć kolejność pracy układu. Antena odbiera wiele sygnałów radiowych jednocześnie. Obwód rezonansowy, złożony z cewki i kondensatora zmiennego, wybiera wąski fragment pasma, czyli jedną stację lub niewielki zakres częstotliwości.
W prostym obwodzie można zastosować kondensator zmienny o pojemności około 365 pF oraz cewkę nawiniętą drutem emaliowanym. Dla eksperymentalnego odbiornika średniofalowego spotyka się cewki rzędu kilkudziesięciu zwojów; przykładowo 80 zwojów drutu 26 SWG na kartonowej tulei daje punkt wyjścia do strojenia. Ostateczna liczba zwojów zależy jednak od średnicy karkasu, długości uzwojenia i użytej pojemności.
Dioda germanowa OA91 może pracować jako detektor obwiedni. Jej niski spadek napięcia przewodzenia pomaga przy bardzo słabych sygnałach, co jest ważne w prostych odbiornikach bez silnego wzmocnienia RF. Po detekcji otrzymujemy sygnał audio o niewielkiej amplitudzie.
Tranzystor BC547 wzmacnia ten słaby sygnał audio. W zależności od schematu może pracować jako prosty wzmacniacz napięciowy, a za nim można dodać wzmacniacz mocy lub słuchawki o odpowiedniej impedancji. Należy pamiętać, że taki układ jest wrażliwy na jakość anteny, uziemienie, zakłócenia zasilania i rozmieszczenie elementów na płytce.
Pełny odbiornik radiowy ma zwykle więcej bloków: sekcję RF, mieszacz, lokalny oscylator, filtr i wzmacniacz IF, demodulator oraz wzmacniacz audio. Prosty układ szkoleniowy pokazuje zasadę działania, ale nie zapewni takiej selektywności i czułości jak odbiornik superheterodynowy.
W odbiorniku superheterodynowym demodulator pracuje dopiero po przemianie częstotliwości. Sygnał radiowy zostaje najpierw przesunięty na częstotliwość pośrednią, wzmocniony i odfiltrowany, a dopiero potem detektor odzyskuje sygnał audio. Dzięki temu radio może stabilnie odbierać różne stacje przy zachowaniu podobnych parametrów w całym paśmie.
3. Obwód odbiornika AM - zastosowania
Prosty odbiornik AM wykrywa zmiany amplitudy fali radiowej. Klasycznym przykładem jest radio kryształkowe, w którym obwód rezonansowy i detektor diodowy pozwalają odebrać silną lokalną stację bez aktywnego wzmacniacza. Bardziej rozbudowane odbiorniki stosuje się wszędzie tam, gdzie trzeba selektywnie odebrać sygnał radiowy. Typowe zastosowania obejmują:
analogowe systemy telekomunikacyjne,
bezprzewodową transmisję danych przez fale radiowe,
radiofonię AM oraz łączność radiową,
tory wejściowe i mieszacze w urządzeniach analogowych,
radiotelefony dwukierunkowe,
modemy, piloty i proste systemy zdalnego sterowania,
systemy łączności morskiej, służbowej i dyspozytorskiej,
starsze zastosowania, takie jak transmisja kodu Morse'a, analogowa telefonia radiowa czy historyczne systemy telewizyjne.
Wniosek
Odbiornik AM pokazuje podstawową logikę odbioru radiowego: antena zbiera fale elektromagnetyczne, obwód wejściowy wybiera częstotliwość, detektor odzyskuje informację z modulacji amplitudy, a wzmacniacz podnosi poziom sygnału do wartości użytecznej. Prosty układ z obwodem LC, diodą i tranzystorem wystarczy do demonstracji tej zasady, natomiast praktyczne radio wymaga lepszej filtracji, stabilnego oscylatora i starannie zaprojektowanego toru audio.
Jeżeli projektujesz płytkę dla odbiornika radiowego, modułu komunikacyjnego lub układu analogowego, zwróć uwagę na prowadzenie masy, ekranowanie, separację części RF od cyfrowej oraz jakość zasilania. W razie potrzeby nasz zespół może pomóc w przygotowaniu PCB i montażu prototypu na podstawie dokumentacji produkcyjnej.