Proste radio FM wybiera sygnał stacji z pasma 87,5–108 MHz, odzyskuje dźwięk ze zmian częstotliwości fali nośnej i wzmacnia go do odsłuchu. Można je zbudować z tranzystorowego toru odbiorczego z obwodem LC albo z gotowego tunera scalonego i wzmacniacza audio. Konstrukcja tranzystorowa wymaga starannego strojenia, a jej selektywność i stabilność odbioru zależą od anteny, montażu oraz otoczenia.
1. Czym jest radio FM?
FM oznacza modulację częstotliwości. W tym systemie chwilowa częstotliwość fali nośnej zmienia się zgodnie z przebiegiem sygnału audio. W ten sposób fala radiowa przenosi zakodowaną mowę lub muzykę do odbiornika.
Radio FM jest więc systemem nadawania wykorzystującym modulację częstotliwości. Odbiornik odtwarza informację zawartą w zmianach częstotliwości, a nie amplitudy fali. Dzięki temu transmisja jest mniej podatna na wiele zakłóceń amplitudowych i zwykle zapewnia czystszy dźwięk niż radio AM.
Technika FM dobrze sprawdza się w transmisji mowy i muzyki, ponieważ pozwala uzyskać szerokie pasmo audio oraz dobrą odporność na szumy.
Porównanie różnych kształtów fal.
2. Zakres częstotliwości FM
W Polsce i większości Europy radiofonia FM korzysta z pasma 87,5–108 MHz, zgodnego z planem ITU dla Regionu 1. Odstęp kanałów w Europie wynosi zwykle 100 kHz, a typowy krok strojenia odbiornika to 50 lub 100 kHz. Odstęp między częstotliwościami kanałów i krok strojenia nie oznaczają szerokości pasma zajmowanego przez sygnał stacji.
Pasmo przydzielone pojedynczej stacji pozwala przesyłać dźwięk o dobrej jakości, a także dodatkowe informacje. W połączeniu z odpornością modulacji częstotliwości na zakłócenia amplitudowe daje to wyraźny, stabilny odbiór.
Stacje FM nadają informacje w przydzielonym zakresie częstotliwości.
3. Zasada działania prostego radia FM
Nadajnik wytwarza zmodulowaną falę radiową, natomiast odbiornik FM przechwytuje ją anteną, wybiera żądaną częstotliwość i odzyskuje sygnał audio. Następnie wzmacniacz podnosi jego poziom, aby można go było usłyszeć w głośniku. Strojenie odbywa się między innymi za pomocą obwodu rezonansowego LC. Cały proces można podzielić na następujące etapy:
1. Odbiór sygnału przez antenę
Pierwszym zadaniem odbiornika jest przechwycenie energii fali elektromagnetycznej. Antena odbiera sygnały dochodzące z różnych kierunków, przy czym jej konstrukcja i ustawienie wpływają na czułość całego urządzenia.
Jakość odbioru zależy od poziomu sygnału bezpośredniego, odbić od przeszkód, zakłóceń oraz dopasowania anteny i toru wejściowego.
Antena odbierająca fale radiowe.
2. Nadawanie sygnału FM
Transmisja rozpoczyna się w studiu i nadajniku stacji radiowej. Sygnał audio moduluje częstotliwość fali nośnej, którą odpowiednio wzmocniony tor RF doprowadza następnie do anteny nadawczej.
Antena wypromieniowuje zmodulowaną falę elektromagnetyczną. Odbiornik dostrojony do częstotliwości danej stacji może ją wybrać spośród wielu sygnałów obecnych w otoczeniu i odzyskać przesyłany program.
3. Wybór stacji i demodulacja
Antena odbiorcza przechwytuje nadawane fale elektromagnetyczne i zamienia ich energię na niewielki sygnał elektryczny.
Zmienne pole elektromagnetyczne wywołuje w antenie napięcie. Tor wejściowy wybiera żądaną częstotliwość, demodulator odzyskuje dźwięk, a wzmacniacz steruje głośnikiem.
4. Opóźnienie transmisji
Fale radiowe rozchodzą się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, dlatego opóźnienie samej transmisji naziemnej jest dla słuchacza praktycznie niezauważalne. Wyraźniejsze opóźnienia mogą wynikać z cyfrowego przetwarzania sygnału.
5. Przyczyny zaniku sygnału
Nagłe zaszumienie lub zanik audycji oznacza, że do odbiornika dociera zbyt słaby albo silnie zakłócony sygnał.
Fale w paśmie FM rozchodzą się głównie w zasięgu optycznym i słabiej omijają duże przeszkody niż fale o niższej częstotliwości. Dlatego odbiór może pogarszać się wraz ze wzrostem odległości lub po zasłonięciu kierunku do nadajnika.
Sygnał tłumią między innymi góry, wzgórza, gęsta zabudowa i konstrukcje metalowe. Odbicia mogą ponadto powodować odbiór wielodrogowy i zniekształcenia.
4. Jak zbudować proste radio FM
Do zbudowania prostego odbiornika FM według przedstawionego układu potrzebne będą następujące elementy:
LM386.
Rezystor 10 kΩ
Rezystor 1,2 kΩ
Rezystor 4,7 kΩ
Kondensator zmienny (1–30 pF; zakres należy dopasować do cewki i pojemności pasożytniczych)
2 × tranzystor BF199
Potencjometr 25 kΩ
2 × kondensator 100 nF
Kondensator 10 µF
Kondensator 470 µF
Głośnik 4 Ω
Gniazdo zasilania DC
Włącznik/wyłącznik
Antena
2 × śruba montażowa
2 × nakrętka do śruby montażowej
Płytka PCB z przygotowanymi otworami.
Emaliowany drut miedziany.
Radio w stylu vintage.
Montaż odbiornika FM
Zmontuj obwód odbiornika FM zgodnie ze schematem, sprawdzając wartości i połączenia wszystkich elementów. Sama lista części nie określa sposobu ich połączenia ani parametrów cewki. Przed podłączeniem zasilania sprawdź wyprowadzenia tranzystorów, orientację układu scalonego i polaryzację kondensatorów elektrolitycznych.
Schemat odbiornika radiowego FM.
Lutowanie elementów na płytce PCB.
Rozmieszczenie poszczególnych komponentów.
5. Obliczenie obwodu LC dla pasma FM
Częstotliwość rezonansową wyznacza zależność f = 1/(2π√(LC)). Po przekształceniu otrzymujemy C = 1/((2πf)2L), gdzie f podajemy w hercach, L w henrach, a C w faradach. Poniższy przykład zakłada L = 100 nH; są to obliczenia idealnego obwodu, a nie parametry zmierzonego odbiornika.
| Częstotliwość f | Indukcyjność L | Obliczona pojemność C |
|---|---|---|
| 87,5 MHz | 100 nH | ≈ 33,1 pF |
| 108 MHz | 100 nH | ≈ 21,7 pF |
Dla dolnego krańca pasma: C = 1/((2π × 87,5 × 106 Hz)2 × 100 × 10−9 H) ≈ 33,1 pF. Analogiczne podstawienie 108 MHz daje około 21,7 pF. Wymagana zmiana pojemności wynosi więc ΔC ≈ 33,1 pF − 21,7 pF = 11,4 pF. Zwiększenie pojemności obniża częstotliwość rezonansu; rolę tego elementu wyjaśnia opis działania kondensatorów.
W praktyce liczy się całkowita pojemność obwodu, obejmująca kondensator strojony lub warikap oraz pojemności pasożytnicze płytki i elementów. Już pojedyncze pikofarady przesuwają rezonans. Kondensator z powyższej listy części sam nie gwarantuje pokrycia całego pasma dla przyjętej cewki: trzeba sprawdzić oba krańce strojenia po montażu. Zmiana położenia anteny lub zbliżenie dłoni może rozstrajać prosty odbiornik.
6. Tranzystory, superheterodyna czy tuner scalony?
| Konstrukcja | Sposób odbioru i strojenia | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|
| Prosty odbiornik tranzystorowy | Obwód LC wybiera zakres odbieranych częstotliwości; potrzebna jest demodulacja FM. | Słaba selektywność oraz duża zależność od anteny i otoczenia. |
| Superheterodyna FM | Przemiana sygnału na częstotliwość pośrednią IF, standardowo 10,7 MHz. | Wybór stacji zależy także od filtracji w torze pośredniej częstotliwości. |
| Tuner scalony, np. TEA5767 lub RDA5807 | Scalony tor odbiorczy ze strojeniem cyfrowym i sterowaniem I²C. | Połączenia i obsługę należy dobrać do dokumentacji konkretnego układu lub modułu. |
W superheterodynie generator lokalny współpracuje z mieszaczem, aby wybraną stację przenieść do toru IF. Dla ilustracji skali wymagań: (100 kHz / 100 MHz) × 100% = 0,1%. Odpływanie częstotliwości generatora o taki względny rząd wielkości oznacza przesunięcie porównywalne z odstępem kanałów. Stabilność musi uwzględniać tę skalę; wynik nie jest uniwersalną dopuszczalną tolerancją ani szerokością kanału. Przy projektowaniu toru wejściowego pomocne jest omówienie wzmacniaczy RF.
LM386 pełni wyłącznie funkcję wzmacniacza audio, a nie tunera czy demodulatora. Jego wzmocnienie napięciowe wynosi typowo / wg noty katalogowej 20–200, zależnie od połączeń. Dokładne wartości zależą od producenta i wersji — sprawdź kartę katalogową. Taki stopień małej mocy służy do słuchawek lub małego głośnika, z połączeniem wyjścia dobranym do obciążenia. Zwiększenie wzmocnienia audio nie poprawia selektywności odbiornika; więcej o tym stopniu opisuje artykuł o wzmacniaczach audio. Odtwarzanie stereo i odczyt RDS wymagają odpowiednich dekoderów.
7. Jak sprawdzić odbiór i rozpoznać ograniczenia?
Poniższa procedura jest opisem metody, a nie naszym wynikiem pomiarowym. Do oceny czułości używa się generatora FM oraz miernika poziomu lub analizatora audio. Należy ustalić warunki modulacji i wymagany stosunek sygnału do szumu S/N, a następnie zmniejszać poziom sygnału wejściowego do osiągnięcia tego kryterium. Czułość zapisuje się jako poziom sygnału wejściowego dla określonego S/N, wraz z warunkami pomiaru.
Sam odsłuch silnej stacji potwierdza jedynie działanie odbiornika. Przenikanie sąsiedniej audycji wskazuje na ograniczoną selektywność, a zmiana odbioru przy poruszaniu anteną może wynikać z jej wpływu na obwód strojenia. Nie dysponujemy własnymi pomiarami czułości ani selektywności tego układu, dlatego nie przypisujemy mu liczbowych parametrów odbiorczych.
Podsumowanie
Budowa prostego radia FM to dobry sposób na poznanie obwodów rezonansowych, tranzystorowych stopni wysokiej częstotliwości i wzmacniaczy audio. Staranny montaż według schematu pozwoli uruchomić przenośny odbiornik, ale jakość działania będzie zależeć również od rozmieszczenia elementów, anteny i dokładności strojenia. Bardziej rozbudowane konstrukcje mogą zapewniać większą czułość, selektywność i stabilność.
Jeżeli potrzebujesz pomocy przy projekcie płytki lub montażu układu, skontaktuj się z nami.
