Frekvencia szintézeres tunerek |
Akik manapság nyugaton vagy (elég távol) keleten járnak és
megnézik egy hifi üzlet kirakatát, ezt a feliratot láthatják a
különféle rádiókészülékeken (tunereken, receivereken): quartz
synthesizer. Sokan vásárolnak is ilyen kvarc szintézeres vevőt, holott
nem tudják (honnan is tudhatnák?), mit tartanak a kezükben.
Bevezetésül tehát elmondom: ez a felirat kizárólag a készülék
hangolási módjára utal, vagyis arra, ahogyan a gép az adóállomásokat
kikeresi. Nem függ össze a vevőkészülék igazi rádiós jellemzőivel
(szelektivitás, tükörszelektivitás, érzékenység, torzítás, jel-zaj
arány stb. - lásd egy lapszámmal ezelőtt). Feltételezem, sokaknak
nincs világos képük arról, mi történik, amikor a rádiót hangoljuk.
Mielőtt tehát rátérnék a szintézer ismertetésére, felvázolom a
rádió-vevőkészülékek felépítését és működését, középpontba állítva a
hangoláshoz szükséges részeket.
Mindenekelőtt azonban néhány szót az adóállomásokról. Az
adóállomások egy számukra előírt nagyfrekvenciás elektromágneses
hullámra - a vivőfrekvenciára, ez például a budapesti Kossuth adó
számára középhullámon 540kHz, az URH sávban 67,4MHz - valamilyen módon
"ráültetik" a hangfrekvenciás jelet, vagyis a tényleges műsort. Ezt a
"ráültetést" szaknyelven modulációnak nevezik. Az URH sávon frekvencia
modulációt (FM), a hosszú-, közép-, és rövidhullámú sávban pedig
amplitúdó modulációt (AM) alkalmaznak. Ne zavarjon meg bennünket, hogy
a gyakorlatban gyakran keverik a sáv és a moduláció fogalmát, és
FM-sávról (értsd: URH sáv), valamint AM-sávról (értsd: középhullámú
sáv) beszélnek.
Most térjünk vissza a rádióvevőhöz. Környezetünkben nagyon sokféle
frekvenciájú elektromágneses hullám van jelen. Ezek nagyfrekvenciás
jelet keltenek a vevőkészülék antennájában. A vevőkészüléknek úgy kell
kiválasztania a nekünk szükséges nagyfrekvenciás jelet, hogy a többit
szinte ne is érezze, más szóval: legyen a tuner szelektív. Készülékünk
aztán erősíti és demodulálja a nagyfrekvenciás jelet, vagyis
visszanyeri a vivőhullámra ültetett hangfrekvenciás műsort - amit
aztán a hangfrekvenciás erősítőhöz továbbítunk.
A nagyfrekvencia kiválasztását rezgőkörökkel végezzük. A
rezgőkörök a rájuk jellemző frekvenciájú elektromos rezgéseket
átengedik, a többit nem - így választják ki az egyes adóállomások
jelét. Ha másik adót akarunk hallgatni, akkor az összes rezgőkört át
kell állítani, át kell hangolni egy másik frekvenciára. A valóságban
nem ez történik, mert ez papíron ugyan egyszerű volna, de nagyon
nehezen valósítható meg. E helyett a rádió-konstruktőrök egy trükköt
alkalmaznak. Készítenek egy vevőkészüléket, sok rezgőkörrel (hogy
szelektív legyen, vagyis pontosan tudjon válogatni a jelek között) -
de csak egyetlen frekvenciára, hogy ne kelljen hangolni! Ezt a
frekvenciát nevezik középfrekvenciának (KF), amelynek értéke FM vétel
esetén 10,7MHz, AM vétel esetén (például) 455KHz. Hogy a vevőkészülék
a kellő vételi sávban dolgozzon, a KF fokozat elé egy keverő fokozatot
tesznek. A keverő fokozat, mint az 1. ábrán láthatjuk, része annak az
egységnek, melyet szaknyelven tunernek neveznek. Ez az elnevezés
sokkal régebbi, mint gondolnánk: már akkor is használták, amikor a
hangfrekvenciás végerősítő nélküli rádió, azaz tuner még nem volt
divatban. Így aztán előfordulhat, hogy az ember a tuner tunerjéről
beszél. A továbbiakban tuneren a középfrekvenciás fokozat előtti
keverő részt értem, amely még rádiófrekvenciás előerősítőt és
oszcillátort is tartalmaz. A tunernek az a feladata, hogy a venni
kívánt nagyfrekvenciás jelet áttegye a középfrekvenciás (KF) sávba. A
következőképpen működik: az antennáról érkező bemeneti nagyfrekvenciás
jelet előerősíti és a keverő fokozatra engedi. A keverő fokozat ebből
a jelből és egy helyileg felépített (tehát a keverő részben
elhelyezett) nagyfrekvenciás generátor - más néven oszcillátor -
jeléből a két frekvencia különbségének megfelelő frekvenciájú jelet
képez. Ez a különbség éppen a KF frekvencia, és tartalmazza mind a két
nagyfrekvencia modulációját. Persze itt most a helyi oszcillátor
modulálatlan, ezért a kimenő KF jel csak az antenna felől jövő jel
modulációját tartalmazza. A helyi oszcillátor jelének nagyon tisztának
kell lennie, mert ha valamilyen káros modulációt, zajt, búgást
tartalmaz, akkor az hozzáadódik az antenna jelének modulációjához, és
később már nem lehet leválasztani róla: megjelenik a demodulált,
vagyis visszanyert hangfrekvenciás jelben.
Ha a vételi frekvencia fv, az oszcillátor frekvencia fo, akkor
a különbségi jel
fKF=fo-fv
Ezt átrendezve:
fo=fv+fKF.
Mivel az fKF konstans, az oszcillátor frekvenciájának
megváltoztatásával módosítani lehet a vételi frekvenciát. Ez a
hangolás. A helyi oszcillátornak és a hangoló rendszernek a
felépítésétől függ, hogy mekkora lesz a maximális jel-zaj arány, és
főleg, hogy mennyire lesz stabil az oszcillátor frekvenciája, vagyis
mennyire "mászik el" a helyéből az adó, ha melegszik a készülék vagy
megváltozik a tápfeszültség. A gyakorlatban az oszcillátor-frekvenciát
egy rezgőkör határozza meg. A tuner előerősítő fokozatában a vételi
frekvenciára is van hangolva néhány rezgőkör. Ezeknek az a feladatuk,
hogy megakadályozzák a tükörfrekvenciás vételt.
(A tükörfrekvencia:
fT=fo+fKF,
a vételi frekvencia pedig
fv=fo-fKF.
Láthatjuk, hogy a tükörfrekvencia szintén fKF távolságra van az
oszcillátor frekvenciától!)
A szóbanforgó rezgőköröket együtt kell hangolni. Régebben
általánosan elterjedt volt a forgókondenzátoros hangolás; a
kondenzátor kapacitását mechanikai úton lehetett változtatni. Az
elektronikai eszközök fejlődésével megjelentek a változtatható
kapacitású, más néven varicap diódák, és így lehetővé vált az
elektronikus hangolás. A varicapra adott egyenfeszültséggel
szabályozni lehet a dióda kapacitását, ilymódon hangolva a
rezgőköröket. Most már akár előre is programozhatták az
adóállomásokat; a memória egy sor potméterből áll - ezekkel különböző
feszültségeket állítanak be. Sajnos, a varicap diódák hőmérsékleti
stabilitása rosszabb, mint a (mechanikus) forgókondenzátoroké, tehát
célszerű lenne valahogy figyelni az elhangolódást.
A hagyományos készülékekben a helyi oszcillátor magára volt
hagyva, vagy legfeljebb egy AFC (Automatic Frequency Control, azaz
automatikus frekvenciaellenőrzés) áramkör segítette. Az AFC a kikevert
KF frekvenciát figyelte. A névleges értéktől való eltéréssel arányosan
hibajelet szolgáltatott, és visszahúzta az oszcillátort nagyjából a
helyére. Nagyon hasznos áramkör, de sok problémát vet fel, és
megvannak a maga paraméterei: behúzási, benntartási tartomány,
benntartási hiba. A mélyhang-átvitelt is leronthatja. Referenciaképpen
az AFC is egy rezgőkört használ. Ámde ha nincs bemenő jel, akkor nincs
KF jel sem - vajon ilyenkor mit csinál az AFC?
Az eddig említett oszcillátoroknál jóval nagyobb stabilitású a
kvarc oszcillátor, ebben egy megfelelően csiszolt kvarckristály
sajátrezonanciája szolgáltatja a referenciafrekvenciát. Egyetlen
hátránya, hogy nem hangolható, így mindegyik adóhoz külön-külön
kvarcot kellene csiszolni. Más megoldásra van tehát szükség: össze
kellene kombinálni a hangolhatóságot a kvarc-stabilitással. Ennek
eszköze az úgynevezett fáziszárt hurok (Phase Locked Loop/PLL)
áramkör. Ismerkedjünk meg a működési elvével.
A PLL-nek az a lényege, hogy saját oszcillátorát szinkronba hozza
egy külső rezgéssel, jelen esetben egy kvarc oszcillátoréval (2.
ábra).
A feszültségvezérelt oszcillátor (Voltage Controlled Oscillator,
VCO), mint neve is elárulja, a hangoló feszültségtől függően
változtatja a frekvenciáját. A VCO-t varicap diódával építik fel. A
fázis detektor áramkör hibajelet, mégpedig a VCO-ból jövő
oszcillátorfrekvencia és a kvarcoszcillátorból jövő
referencia-frekvencia közötti fázis (és frekvencia) eltéréssel arányos
hibajelet ad a kimenetén. A hibajelből a hurokszűrő áramkörön
keresztül alakul ki a hangoló feszültség. Ha fo nem egyenlő
fR (tehát a feszültségvezérelt oszcillátor frekvenciája nem
egyezik a kvarc oszcillátor frekvenciájával), akkor a fázisdetektor
(Φdet) hibajelet szolgáltat, és az a hurok szűrőn keresztül a
VCO-t arra kényszeríti, hogy frekvenciáját a referenciához igazítsa.
Ha fo=fR, akkor nincs hibajel és a VCO
frekvenciája helyben marad. Így a VCO (amely már hangolható!)
ugyanannyira stabil frekvenciát szolgáltat, mint a kvarc
oszcillátorból származó fR referencia frekvencia. A hurok nem hagyja
"elmászni" a VCO-t: fo mindig egyenlő marad fR-rel.
Sokan most azt gondolhatnák, hogy kemény munkával sikerült jól
elbonyolítani azt, amit egyszerűen is megoldhattunk volna, hiszen ha
fo=fR, akkor minek az egész PLL? Nos, most
következik az a trükk, amitől az egyszerű PLL-ből frekvencia szintézer
áramkör lesz.
1-3. ábra
Tegyünk egy frekvencia osztó áramkört a VCO és a fázisdetektor
közé, éspedig olyat, hogy az osztásviszonyát változtatni tudjuk (3.
ábra). A frekvencia osztó kimenetén a bemenő frekvencia N-ed részének
megfelelő frekvenciájú jel van. A hurok most úgy állítja be önmagát,
hogy a VCO frekvenciájának N-ed része legyen egyenlő a
referenciafrekvenciával:
fo/N=fR
Más módon kifejezve, a VCO frekvenciája mindig a
referenciafrekvencia N-szerese lesz: fo=N*fR. És
ez a lényeg! Mert N változtatásával a referencia frekvencia egész
számú többszöröseit lehet előállítani a VCO-val; vagyis az N
osztásviszony változtatásával hangolni lehet a VCO-t. A vevőkészülék
VCO-ja: a tunerben levő oszcillátor, amely a keveréshez szükséges
oszcillátorjelet adja. Az Uh hangoló feszültség a VCO-t és
rajta keresztül az ő vételi frekvenciájára hangolt rezgőköröket, más
néven modulátor köröket is hangolja.
A frekvencia szintézer által előállított oszcillátorfrekvenciák
kvarcstabilak lesznek, mert a referencia frekvencia (fR) is
kvarc eredetű. Az elmondottakból az is következik, hogy a VCO-t nem
lehet folyamatosan hangolni, hanem csak bizonyos lépésekben lehet
megváltoztatni a frekvenciáját. Ez a frekvencia lépés - a raszter - a
referencia frekvenciától függ.
Megismerkedtünk a frekvencia szintézeres hangolás elvével -
nézzük, mi történik a gyakorlatban.
Először ismét néhány szó az adóállomásokról. Ezek nem
össze-vissza, hanem bizonyos rend szerint helyezkednek el a
rendelkezésükre bocsátott frekvenciasávban. A középhullámon itt
Európában az adófrekvenciák a 9kHz egész számú többszöröseire esnek. A
CCIR URH sávban a legtöbb adó a 100kHz, de némelyikük az 50kHz egész
számú többszöröseire esik. Az OIRT URH sávban más a helyzet, itt a
10kHz egész számú többszöröseivel találkozunk. Ha tehát bármelyik adót
el akarjuk érni, akkor alacsony referencia frekvenciára és nagy - több
ezres - osztásviszonyra van szükségünk. A japán készülékekben
4,5MHz-es, az európaiakban 4MHz-es kvarcoszcillátor jeléből állítják
elő a referenciafrekvenciát. A raszter frekvenciák középhullámon: 9
vagy 10kHz (átkapcsolhatóan, mert van, ahol 10kHz a raszter!), esetleg
1kHz. A CCIR URH sávban néha 100, de többnyire 50 vagy 25kHz a
raszter.
A nagy bonyolultságú integrált áramkörök (LSI) olcsóbbodásával
széles körben elterjedt a szintézeres hangolás. A szintézeres rész
eleinte 3 integrált áramkörből állt: az első egy előosztót, a második
egy változtatható osztásviszonyú osztót, fázisdetektort és referencia
osztót, a harmadik egy hurokszűrőt tartalmazott. Ma már létezik egy
IC-s szintézer is, ez valamennyit magába foglalja.
Eddig csak magáról a szintézerről volt szó. Ámde valamilyen módon
meg is kell neki mondani, hogy mennyivel osszon az osztó. Azonkívül ki
is kell írni a frekvenciát, hogy a kezelő lássa, hol tart a
hangolásban. Végül tárolni is kell az adókat, amelyeket gyakran
szeretnénk hallgatni. Ezeknek a feladatoknak (és még továbbiaknak) az
ellátására a konstruktőrök egy kis mikro-számítógépet építenek a
vevőkészülékbe. Ezek az egy chipes mikrokomputerek néhány kbyte-os ROM
program segítségével egész sor feladatot elvégeznek (4. ábra).
4. ábra
A szintézeres vevő kezelőegysége nyomógombokra egyszerűsödik,
amikkel a vezérlést végezzük. Elmarad a bonyolult skálamechanizmus:
elektronikus vezérlés lép a helyébe. A mikrokomputer "megkérdezi" a
billentyűzetet, és végrehajtja az utasításokat, például sávot választ,
hangolás közben figyeli a sávhatárokat és nem engedi, hogy túllépjünk
azokon. Olyan új szolgáltatást is nyújt, amelyre a hagyományos vevők
nem képesek, ez pedig az automatikus adókeresés. Egyetlen gombnyomásra
indul: a vevőkészülék végiglépked a sávon, és ha elegendően nagy
jelszíntű adót talál, automatikusan leáll a kereséssel. További munkái
a mikrokomputernek: kiszámítja az osztásviszonyt és kiküldi a
szintézernek, továbbítja a kiírandó frekvenciát, ír a memóriába vagy
olvas a memóriából. A memória az előre programozott adók frekvenciáit
tárolja, sőt, néhány újabb készülékbe még az adóállomás neve is
beírható. A tárolás időtartama attól függ, hogy milyen típusú a
tároló. Ha a tárolásra EEPROM-ot (elektromosan törölhető és
programozható ROM-ot) használnak, akkor a program a tápfeszültség
kimaradása esetén is kb. 10 évig bent marad. Ha CMOS RAM-ot
használnak, akkor a beépített akkumulátor vagy elem kapacitásától
függ, meddig marad bent a program.
Az integráltsági fok (hogy hány integrált áramkörből áll a hangoló
rendszer) készülékenként eltér. Van, ahol külön IC a szintézer, a
kijelző meghajtó, a memória és a mikrokomputer, de van ahol a
szintézer előosztóján kívül minden többi feladatot egyetlen integrált
áramkörbe sűrítettek. Ezeket ma már annyira olcsón tudják előállítani,
hogy nemcsak a csúcsminőségű, hanem a közepes kategóriájú
vevőkészülékekbe is beépítik. Ezért vásárlásnál nem elég azt tudni,
hogy "ez egy szintézeres vevő" - érdemes megnézni a rádiós adatokat
is.
A szintézer természetesen problémákat is hoz magával. Műszakilag
legkényesebb része a fázisdetektor és a hurokszűrő. Ha ezeket rosszul
méretezik, leromlik a készülék jelzaj aránya, vagy a
referenciafrekvencia modulálni kezdi a VCO-t. A szintézer tehát
befolyásolhatja a készülék hangminőségét (de ez megfelelő méretezéssel
elkerülhető). Egy másik gond, hogy a szintézeres vevővel nem lehet
olyan könnyen adót keresni, ahogy a hagyományos rádiókon már
megszoktuk, nevezetesen, hogy tekerjük a hangológombot és a
skálamutató jelzi, hol tartunk. A szintézeres vevőnél ismernünk kell a
venni kívánt adó frekvenciáját, és ha megtaláltuk, be kell vinni a
memóriába, hogy majd előhívhassuk. Ha nem ismerjük a frekvenciát,
akkor lépésről-lépésre meg kell állni a hangolással, mert amíg a
gombot nyomjuk és egyik raszterről a másikra léptetjük a készüléket,
addig néma a kimenet: csak akkor szólal meg, ha elengedjük a hangoló
gombot. Ezen próbál valamit segíteni az automata keresés, amely az
eléggé nagy jelszintű adókon állítja meg a hangolást.
Befejezésül néhány szó a külföldről behozott készülékekről -
hogyan tehetnénk őket alkalmassá a hazai URH vételre. Azért
fogalmaztam így, mert mint láthattuk, a hagyományos áthangolásnak több
akadálya is van. Nem elég csak a tunert áthangolni: a sávhatárokat
ugyanis a vezérlő mikrokomputer ROM programja tartalmazza. Más vételi
sávhoz más osztásviszony tartozik, a komputer viszont csak a régi CCIR
sávhoz tartozó osztásviszonyokat küldi ki a szintézernek. Változtatni
kellene a mikrokomputer ROM programján, ez pedig nem megy.
Részmegoldás lehet, hogy a kvarcot alacsonyabb frekvenciájúra
cseréljük. Ennek a vállalkozásnak azonban kétes a kimenetele, mert nem
lehet előre tudni, hogyan viselkedik majd a hurokszűrő, ha más
referenciafrekvenciát használunk. A kijelzés is változatlanul a CCIR
sávban marad, mert a komputer nem tudja, hogy most már nem az
eredetileg előírt kvarccal megy. Sokkal jobb megoldás nem nyúlni a
készülékhez, hanem elékapcsolni egy URH konvertert, amely az egész
OIRT sávot fölkeveri a CCIR sávba. Jó, ha a konverter
kvarc-oszcillátort tartalmaz, mert csak így érvényesül a készülék
saját kvarc-stabilitása. Természetesen az olyan készülék, amely
FM-sávon 100kHz-es raszterben dolgozik, nem lesz megfelelő az OIRT
sávon (az adófrekvencia kiosztás miatt). Legalább 50, de jobb, ha
25kHz raszterű a vevőkészülék (50kHz-esnél max. 20kHz, 25kHz-esnél
max. 10kHz ráhangolási hibára számíthatunk, és ez már elfogadható, a
készülék torzítása nem növekszik lényegesen - csak le ne süketítsen
ekkora elhangolás hatására!), középhullámon pedig legyen alkalmas a
9kHz-es raszterű üzemre.
Pádár György