AM demodulátorok

Alábbiakban összefoglaljuk a lehetséges AM demodulátor áramköröket. A teljesség kedvéért néhány típusnál rákerült a bemenő szűrő és az antenna is a szemléltető rajzra.

Az áramkörök jobb oldalán kisjelű hangfrekvenciás jelet vehetünk le, amit hangfrekvenciás erősítőre vezetve (például aktív számítógép hangszóró) már hallhatjuk is a rádiót.

Kristálydetektoros demodulátor

A fenti ábrán egy kristálydetektoros vevő látható. Az antennából a rezgőkörre vezetett modulált jel pozitív félperiódusai a diódát kinyitják. A diódán megindul az áram, és átfolyik a kimeneten található 47 kiloohmos ellenálláson. Belefolyik a kezdetben kisült állapotban lévő 10 nanofarados szűrőkondenzátorba is, és feltölti a bejövő nagyfrekvenciás jel csúcsértékére. Amikor a bejövő nagyfrekvenciás jel pozitív félperiódusa csökkenni kezd, a dióda anódja negatívabbá válik, mint a feltöltődött kondenzátor. Ezért a dióda azonnal lezár. A kondenzátor elkezd kisülni a 47 kioohmos ellenálláson, és lassan csökken a feszültsége. Ez a csökkenés addig tart, míg be nem érkezik az antennára a modulált nagyfrekvencia következő pozitív félperiódusa, és annak amplitúdója el nem éri a kimeneti szűrőkondenzátoron éppen meglévő feszültségét. Ha a bejövő jel amplitúdója ezt már meghaladja, akkor a dióda ismét kinyit. Ekkor a kondenzátor töltődése megismétlődik. A modulált nagyfrekvenciás jel egyes pozitív félperiódusainak amplitúdója a moduláció szerint változik. A kimeneten akkor tud kialakulni a moduláló jel szerint változó feszültség, ha a kondenzátor feszültsége a sorozatos töltődések és kisülések során elég gyorsan tudja követni a beérkező és változó nagyságú nagyfrekvenciás pozitív félhullámok amplitúdóinak változását. Ha az ellenállás túl nagy, akkor a modulálójel csökkenése során nem tud kisülni a kondenzátor, ezért a dióda végig lezárva marad, mint a csúcsegyenirányítók esetén. A kicsire választott ellenállás gyorsan kisüti a kondenzátort, és emiatt a nyitott diódán keresztül jobban terheli a rezgőkőrt, lerontván annak szelektivitását. A kondenzátor értékének megválasztása is fontos. Túl nagy kondenzátor megtartja azt a feszültséget amire a korábbi modulációs csúcsokban feltöltődött, vagyis nem követi a modulációt. A túl kicsi kapacitás nem tartja meg a feszültséget a következő bejövő nagyfrekvenciás pozitív félperiódusig, így a kimeneten nagyfrekvencia is megjelenik. A legjobb szelektivitás akkor van, ha a rezgőkör nincs terhelve. A rezgőkörben keletkező energiát viszont a fejhallgató, vagy erősítő minél jobb meghajtására akarjuk használni. A jó szelektivitás és optimális illesztés érdekében a diódát gyakran a tekercs alkalmasan megválasztott leágazására kötik. Az ilyen vevő hátránya a gyenge érzékenység, és rossz szelektivitás. Előnye, hogy nem igényel semmilyen tápfeszültséget, a működéshez szükséges energiát a beérkező rádióhullámok biztosítják. Megjegyzendő, hogy megfelelő kültéri antennát feltételezve a Kossuth rádió még hangszóróval ( szolid szobahangerővel) is szól rajta.

A vételi frekvenciát az LC rezgőkör határozza meg. Hangolása a C kondenzátorral történik. A vételi frekvencia a jól ismert Thomson-képlet alapján: [math]f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}[/math], ahol L az induktivitás (henry), a C a kapacitás (farad), az eredmény pedig hertzben értendő.

Audion

A kristálydetektoros, majd később diódás AM detektorok sajnos csak azokat a jeleket tudják egyenirányítani, melyek feszültsége meghaladja a néhányszor száz millivolt értéket. Ez a félvezetők tulajdonságai miatt van így. Sikerült ugyan előállítani 10 millivolt nyitófeszültségű diódákat is, de ezek nem viselnek el 4-8 voltnál nagyobb zárófeszültségeket. Ezért ezeket az erősebb jelek tönkreteszik. A megoldás kézenfekvő: ha a gyenge jelet nem érzékeli a detektor, akkor előbb fel kell erősíteni. Kezdetben ezt csak elektroncsövekkel tudták elvégezni. A bemeneti rezgőkőr jeleit egy elektroncső rácsára adták. és a felerősített jel az anódkörben elhelyezett rezgőkőrben megjelent. Az elektroncső munkapontját úgy állították be, hogy a cső a beérkező jelek pozitív és negatív félperiódusait egyformán erősítse. Ilyenkor az anódkörben a rácsra vezetett jel pontos mása, felerősítve jelent meg. Amikor a munkapont nem a cső karakterisztika lieáris szakaszára esik, akkor a pozitív és negatív félperiódusok nem egyformán hatnak az anódáram változására. Ilyenkor nem szabad rezgőkőrt tenni az anód körbe, csak ellenállást. Ha a cső túl nagy negatív előfeszültséggel dolgozik, akkor csak a beérkező jelek pozitív félhullámai indítják meg az anódáramot, és annak változása nem fogja alakhűen követni a vett jel alakját. Ha a munkapont a nulla rácsfeszültség közelében van, akkor a bemenőjel pozitív félhullámai során rácsáram is megindul. Mindkét eset hasonlít a diódáknál megismert jelenségre, vagyis egy előerősítő cső a jel erősítésén túl a diódákhoz hasonló jelenségeket is mutat, vagyis a moduláló jel kiválasztására alkalmas. A kétféle beállításnak megfelelően terjedtek el az úgynevezett anódkönyök, és rácsegyenirányító kapcsolások. Ezek az áramkörök, melyek az erősítésen kívűl a detektálást is elvégezték, audion néven váltak ismertté. Enyhe pozitív visszacsatolással az erősítést tovább lehetett növelni. Ez a visszacsatolás a bemeneti rezgőkőr szelektivitását is erőteljesen megjavította. A visszacsatolást is alkalmazó vevőket visszacsatolt audionnak nevezték el. Ilyen vevő félvezetőkkel is megvalósítható.

A korábban ismertetett germániumdiódás demodulátornál érzékenyebb a bal oldali ábrán látható az audion kapcsolás. Pozitív visszacsatolást ugyan nem tartalmaz, de a FET nagy bemeneti ellenállása miatt nem rontja jelentősen a bemeneti rezgőkőr szelektivitását. Munkapontja úgy van megválasztva, hogy a beérkező jelek pozitív és negatív félhullámait nem egyformán erősíti, ezért a modulált hullám pozitív és negatív burkolója nem lesz azonos. Ebben hasonlít a diódás detektor működéséhez. A source elektródán a pozitív és negatív burkoló különbségének megfelelően fog változni a feszültség. A kimeneten itt is szűrő áramkör található, amely rövidre zárja a nagyfrekvenciát, de nem csökkenti a moduláló jelet. Ennek a kapcsolásnak az eletkroncsöves eredetije a XX. század első felében igen nagy népszerűségnek örvendett.

A jobb oldali ábrán az UL1211-es IC-ben található megoldás látható. Mint látszik, egy szilícium diódával lett megoldva a tranzisztor nyitófeszültségének előállítása. Ebben a munkapontban a tranzisztor exponenciális karakterisztikát mutat a lineáris helyett, azaz a moduláló jel hatására nagyobb áram fog a kollektor-emitter közt folyni, így a kollektorfeszültség a nagyobb amplitúdó hatására kisebb lesz, a kisebb amplitúdó hatására magasabb. Az IC kapcsain egy 10 nanofarados kondenzátorral elnyomják a hangfrekvenciánál magasabb frekvenciájú komponenseket, ahogy a bal oldali ábrán is láttuk, majd soros kondenzátor közbeiktatásával (AC csatolás) mehet is a hangfrekvenciás jel a hangfrekvenciás előerősítő fokozatba - amint ezt a bal oldali ábra szintén mutatja. A pirossal odaírt értékek egy lehetséges utánépítéshez nyújtanak kiindulási alapot.

Regeneratív

A fenti kapcsolás lényege, hogy a TP2-es beállító (trimmer) potenciométerrel megpróbáljuk gerjedés határára állítani a rezgőkört. Ha eltaláljuk a gerjedés határát, akkor egy csekély bejövő jel is nagy amplitúdóváltozást okoz a kapcsolásban, tekintettel arra hogy a rezgőkör veszteségét egy félvezetős erősítővel pótoljuk, regeneráljuk. Egyetlen komoly hátrányaként megemlítendő, hogy a gerjedéshatárt pontosan be kell állítani, mert átlépve a határt begerjed, távol maradva a határtól pedig az érzékenysége lecsökken.

Megjegyzés: az ismertetett áramkörben a diódás demodulátor kiváltható a fent ismertetett audion demodulátorral is.

Szuperregeneratív

A szuperregeneratív vevők a félvezetőtakarékosság jegyében született ötleges rádiótechnikai megoldások. Hátrányaként említik a rosszabb szelektivitást és azt, hogy a gerjedésük révén zajforrást jelenhetnek a vételi frekvenciájukon más vevők számára.

A szupreg vevők visszacsatolása nem a gerjedéshatárig történik, hanem kis mértékben a gerjedéshatáron túl. Tehát öngerjedőek. Meghatározott időközönként azonban leállítják az oszcillációt, amely lekapcsolástól újra és újra felgerjed. A lekapcsolás történhet időzítve vagy oly módon, hogy az oszcillációt biztosító erősítőelem egyenáramú munkapontja megemelkedik, így nem képes ellátni erősítő szerepét, az oszcilláció megáll. És ahogy normalizálódik a munkapont, úgy indul újra az oszcilláció.

A felgerjedés meredekségét befolyásolja az antennán keresztül kapott jel, így ha van jel, akkor nagyobb amplitúdóra gerjed egységidő alatt a szupreg vevő, mintha nem lenne jel.

Ezt a gerjedő jelet átlagolva (aluláteresztő szűrőn keresztülvezetve) megkapjuk a demodulált jelet.

A szuperregeneratív vevőegység a gerjedése miatt jelentős energiát sugároz a bemenete felé, ezáltal az ilyen jellegű vevők sűrűn lakott vidéken igen vagy rádiófrekvenciás zavart okoztak volna. Ezért ezt a szupreg vevő áramkört kizárólag egy leválasztóerősítő után célszerű alkalmazni, így a leválasztóerősítő megakadályozza a vevőáramkör antenna felé történő jelsugárzását.

Szorzódemodulátor

Az AM jel úgy keletkezik, hogy a vivőt összeszorozzák a modulálójellel. Könnyen belátható, hogy ha az AM jelet elosztanánk a vivővel, visszanyerhető lenne a modulálójel. Az áramkörök tudnak szorozni. Például az erősítő a bemenőjelet beszorozza a saját erősítési tényezőjével, és kijön a felerősített jel. Az is belátható, hogy az osztás is szorzási művelet. Például a kettővel való osztás ugyanaz mint az 1/2 -vel való szorzás. Akkor ezen az elven alapuló demodulátort is lehetne készíteni. Kérdés, hogy érdemes-e. Tudjuk, hogy az AM jel útja során zajokkal keveredik. A hasznos jel és a zaj összegét veszi a vevő. Szorozzuk be az igy vett jelet egy helyi generátor jelével, melynek frekvenciája pontosan megegyezik a vivővel. Ez egyszerűen felírható:

[math] u=( u_{jel}+ u_{zaj})\cdot u_{gen}= u_{jel}\cdot u_{gen} + u_{zaj}\cdot u_{gen}[/math]

Ebből az látszik, hogy az ilyen detektorban nincs kölcsönhatásban a zaj meg a hasznos jel, vagyis a zajból meg a hasznos jelből nem keletkeznek nemkívánatos keveredési termékek. A zaj, meg a hasznos jel demodulálása kezelhető lehetne külön is. Az AM jel két oldalsávját egymás tükörképének szokták elképzelni. A zaj viszont mindkét oldalsávban ugyanolyan. A képletek helyett képzeljünk el egy olyan áramkört, mely az egyik oldalsáv tükörképét képes előállítani, majd ezt összegzi a másikkal. Ekkor a hasznos jelek összeadódhatnak, míg a zavarok kioltják egymást. A keverőkben, és így a mi detektorunkban természetesen sok keveredési termék keletkezik. Ezeket szűrővel el lehet távolítani. Az ilyen detektorban a vivőt fázishelyesen kell előállítani. Ezt akár csökkentett vivőkisugárzás esetén is lehet biztosítani, mert a vivőt csak szinkronizálásra kell használni. Ezért szinkron AM detektoroknak is nevezik az ilyen elv alapján működő demodulátorokat. A vivő azonban két oldalsávból is előállítható, ha az ehhez szükséges eszközökkel is kiegészítik a demodulátort. Ebben az esetben DSB jelek vételére is alkalmas lesz. Egy ilyen demodulátor legalább két hangfrekvenciás sávszűrőt és három fázisdetektort tartalmaz, a többfázisú kimenettel rendelkező fázisszinkronizált helyi generátor mellett.

A szorzódemodulátor az analóg AM demodulátorok közt a legjobb. Nagy jel/zaj viszony esetén legalább 3 decibellel vezet a közönséges AM detektorral szemben. Zajos jelek vételénél pedig feltűnően jobb annál.

A szorzódemodulátor alkalmazásának további előnye, hogy segítségével a jelet 0 és 90 fokos komponensre bontható. Ez az előnye a színes televíziónál és a QPSK illetve QAM modulációnál fontos szerepet kap.

Digitális demodulátor

A digitális demodulátorok analóg oldalon szintén szorzókeverőt alkalmaznak. Azonban a Rádióvevő logikai felépítése szócikkben Digitális vevőkészülékek részében látható I/Q keverőt. Ez a keverő nem feltétlenül klasszikus szorzókeverő, lehet mintavevő áramkörös kapcsolóüzemű keverő is. A lényeg azonban az, hogy a 90˚-kal elforgatott keverőjellel is keverjünk.

A fenti keverővel alacsony frekvenciára kevert jelből, mivel megvan a 0 fokos és a 90 fokos komponense is, ezért a digitális jelfeldolgozó áramkör még a matematikailag 0 hertz alá kevert negatív frekvenciájú jelet is el tudja különíteni a 0 hertz felett levő komponenstől. Ezáltal a jelet a komplex térben a digitális áramkör tükörfrekvenciás problémáktól mentesen 0 hertzre képes keverni, tetszőleges sávszélességű aluláteresztő szűrőt illetve igény esetén lyukszűrőt is képes ráilleszteni, majd a helyes frekvenciára kevert és szűrt jelet a D/A átalakítóján keresztül az analóg erősítőre továbbítja. Természetesen a digitális áramkörben végzett keverés során az AM vivő frekvenciájával kell keverni, amit ebben az esetben egy, a digitális jelfeldolgozóban leprogramozott PLL algoritmusnak kell előállítania.

Bővebben ezzel a témával az AM demodulátor algoritmus fejezetben foglalkozunk.