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