Wstęp
Odpowiedź na pytanie zawarte w tytule nie jest wcale taka oczywista. Najpierw wypadałoby odpowiedzieć sobie na pytanie, czym właściwie jest dzisiaj typowy odbiornik radiowy? Czy jest nim tani radiobudzik umilający początek każdego nowego dnia, czy może markowy tuner klasy Hi-End stanowiący istotny element domowego systemu audio? Ktoś inny może z kolei stwierdzić, że radia słucha tylko w podróży – a wtedy typowym odbiornikiem może stać się radio kieszonkowe, dla zmotoryzowanych – samochodowe, a dla sporej części z nas to wbudowane w telefon komórkowy... W szczególności ta ostatnia grupa bardzo odbiega pod względem konstrukcyjnym od całej reszty a to z uwagi na niezbędny wysoki stopień miniaturyzacji. Był on możliwy do osiągnięcia między innymi poprzez zrealizowanie odbioru w inny sposób niż opisany poniżej. Aby więc nie zaciemniać tematu różnymi wariantami, przyjmijmy, że poniższy opis odpowiada odbiornikowi superheterodynowemu z cyfrowym nastawianiem częstotliwości wyposażonym w funkcję RDS. Największą popularnością cieszyły się one w latach dziewięćdziesiątych jak i na początku XXI wieku. Wciąż są w sprzedaży, ale powoli ustępują miejsca odbiornikom z bezpośrednią przemianą częstotliwości (tym tematem zajmiemy się niebawem).Tekst artykułu napisał Marcin Kurek w 2002 roku. Po uzupełnieniu o zdjęcia publikujemy go w niemal niezmienionej formie.
Spróbujmy przeanalizować zasadę działania typowego radia.
Jako przykład wykorzystamy odbiornik z cyfrową syntezą częstotliwości, popularnie zwany „radiem cyfrowym”. W uproszczeniu jest to odbiornik, który wyświetla nastawioną częstotliwość.
Na marginesie: określenie „radio cyfrowe” jest dzisiaj już dość mylące z uwagi na rozpoczęte wdrażanie radiofonii prawdziwie cyfrowej w standardzie DAB+. Należy podkreślić, że jedno z drugim nie ma praktycznie nic wspólnego.
Ilustracją do tekstu jest poniższy rysunek. Załóżmy, że właśnie słuchamy wyimaginowanej RadioPolski na częstotliwości 98,0 MHz.
Obwody wejściowe
Sygnały wszystkich stacji w naszym regionie, które wyłapuje antena dostają się do układu filtrów wejściowych. Ich zadaniem jest wstępne wydzielenie sygnału nastawionej stacji. Filtry te są przestrajane przez układ w syntezerze, mogą więc być nastawione na dowolną częstotliwość z zakresu 88 do 108 MHz. W naszym przypadku filtr jest nastawiony na częstotliwość RadioPolski 98,0 MHz – „przepuszcza” więc sygnał o tej częstotliwości, a tłumi (a właściwie tylko osłabia, ze względu na swoją nieidealność) wszystkie pozostałe. Jeśli zechcemy posłuchać stacji na innej częstotliwości filtry wejściowe zostaną odpowiednio przestrojone. Następnie wydzielony sygnał jest wzmacniany we wzmacniaczu wysokiej częstotliwości i trafia do układu mieszacza.
Mieszacz
Oprócz sygnału nastawionej stacji do mieszacza jest doprowadzany także sygnał z lokalnego generatora (układu elektronicznego w tunerze) o częstotliwości większej od częstotliwości nastawionej stacji o dokładnie 10,7 MHz, czyli w naszym przypadku 98,0+10,7=108,7 MHz. W przeciwieństwie do sygnału stacji radiowej sygnał z generatora lokalnego zawiera tylko „ciszę”. W wyniku zmieszania obydwu tych sygnałów powstaje bardzo dużo ich kombinacji, między innymi suma, w naszym przypadku 108,7+98,0=206,7 MHz i różnica, u nas 108,7-98,0=10,7 MHz.
Ciekawostka
W mieszaczu, w zależności od jego konstrukcji, mogą powstać także inne, szkodliwe niestety kombinacje sygnałów. Sytuacja taka często ma miejsce w przypadku użytkowania odbiornika w pobliżu (do 15-20 km) silnych stacji nadawczych. W takim przypadku przy przeszukiwaniu skali natknąć się można na dziwne „mieszanki” silnych stacji: słychać je jakby nałożone na siebie. W skrajnych przypadkach na całym zakresie można odbierać jedynie takie „wymieszane” ze sobą programy. Odruchowo uważamy, że to wina nadajników czy odbić. Tak jednak (oprócz bardzo rzadkich sytuacji awaryjnych) nie jest. Wszystkie te zjawiska powstają w naszym odbiorniku. „Mieszanki” występują na ściśle określonych częstotliwościach – m.in. 2*f1-f2 i 2*f2-f1 gdzie f1,f2-częstotliwości silnych stacji-sprawców zniekształceń. Tuner odbiera je jak normalne stacje, tyle że wymieszane ze sobą. Im bliżej siebie są f1 i f2 tym gorzej (słabiej tłumi jedną z nich filtr wejściowy), choć w krańcowych przypadkach, gdy odbiornik znajduje się na przykład w odległości 10km od nadajnika 120 kW właściwie wszystko jedno. Receptą na to niekorzystne zjawisko jest odpowiednia konstrukcja radia – taka, aby do mieszacza przenikała w miarę możliwości tylko „pożądana” częstotliwość (czyli rozbudowany filtr wejściowy) oraz konstrukcja głowicy i mieszacza z elementami, które produkują małe składowe niepożądane (np. tranzystory polowe FET). Jeśli jednak już jesteśmy posiadaczami takiego „nieodpornego” odbiornika pozostaje albo maksymalnie złożyć antenę teleskopową (odbiorniki przenośne) albo zamontować odpowiedni tłumik antenowy (o tłumieniu 10 do 20 dB) - dostępny w specjalistycznych sklepach. Pogarsza to niestety możliwości odbioru słabszych stacji. Jeśli używamy zewnętrznej anteny dipolowej można próbować ustawić ją w przeciwnej (poziomo / pionowo) polaryzacji w stosunku do polaryzacji anten nadawczych silnych nadajników.
Cechą charakterystyczną procesu mieszania jest „przenoszenie” informacji (czyli muzyki i mowy) z sygnału radiowego (u nas 98,0 MHz) na sygnał wynikowy (czyli u nas, po „zmieszaniu” m.in. 206,7 MHz i 10,7 MHz). W naszym tunerze RadioPolska zmieniła zatem częstotliwość z 98,0 na 10,7 MHz i 206,7 MHz. Dokładnie te same częstotliwości wynikowe uzyskamy w przypadku dostrojenia tunera do innych stacji bo układ syntezera przestraja generator lokalny tak, że jego częstotliwość jest zawsze większa od odbieranej o wspomniane 10,7 MHz. To właśnie nastawiona częstotliwość generatora lokalnego decyduje o tym, której stacji słuchamy – tej, której częstotliwość odjęta od częstotliwości generatora lokalnego daje 10,7 MHz, ponieważ dalsze układy, spośród wielu powstałych w mieszaczu kombinacji sygnałów wejściowych, wykorzystują właśnie ich różnicę, czyli w naszym przypadku 108,7-98,0 MHz=10,7MHz. Tylko ten sygnał jest przepuszczany przez filtry pośredniej częstotliwości, a wszystkie inne kombinacje (w tym także nasza suma 108,7+98,0=206,7 MHz) są odrzucane (tłumione). Filtr pośredniej częstotliwości ma znacznie lepsze parametry od filtru wejściowego i wystarczająco tłumi sygnały sąsiednich stacji. Trzeba pamiętać, że sygnały sąsiednich stacji także są przenoszone (ich resztki przedostają się do mieszacza przez niedoskonały filtr wejściowy) w „okolice” 10,7 MHz, np. sygnał sąsiedniej stacji z 98,4 MHz „trafi” w 10,3 MHz (108,7-98,4), a z 97,6 MHz w 11,1 MHz (108,7-97,6). Częstotliwości 10,3 i 11,1 są już jednak tłumione przez filtr pośredniej częstotliwości ok kilkanaście tysięcy razy. Dla porównania filtr wejściowy tłumi częstotliwości 98,4 i 97,6 MHz tylko kilkadziesiąt razy. Dalsze operacje, czyli wzmacnianie i dekodowanie (odzyskiwanie z sygnału muzyki czy mowy) są dokonywane już tylko na jednej częstotliwości, równej właśnie 10,7 MHz, niezależnie od nastawionej stacji (i jej „oryginalnej” częstotliwości).
Ciekawostka
Od filtrów pośredniej częstotliwości 10,7 MHz zależy selektywność radia, czyli to, jak bardzo zbliżona w częstotliwości stacja nie będzie jeszcze „wchodziła” na słuchaną. Tu potrzebny jest kompromis: im węższy filtr tym gorsza jakość dźwięku, a w końcu trudności z odbiorem RDS, a im szerszy tym bardziej oddalone w częstotliwości stacje będą przeszkadzały. Dlatego te „lepsze” radia pozwalają wybrać: albo krystaliczna jakość dźwięku w standardowym ustawieniu (filtr „szeroki”), ale tylko pod warunkiem, że w pobliżu (+/- 0,4 MHz) nie ma zbliżonej mocą stacji (wiele słabsza może być), albo troche gorsza jakość, ale za to możliwość odbioru w ogóle (filtr „wąski”). Jednak w tym przypadku niuanse „lepsza/gorsza jakość dźwięku” mają znaczenie tylko dla audiofili o wytrenowanym uchu. Przykładowo w odbiorniku standardowo są 3 filtry w ustawieniu „szerokim”, w ustawieniu „wąskim” w szereg z nimi włączany jest jeszcze jeden o nieco węższej charakterystyce przenoszenia. Efekt: możliwość odbioru stacji oddalonych o 0,2, a nawet o 0,1 MHz. Filtry pośredniej częstotliwości są filtrami piezoceramicznymi strojonymi (a właściwie nacinanymi) fabrycznie na 10,7 MHz i mają znakomite charakterystyki przenoszenia i tłumienności Ponieważ filtry piezoceramiczne są nieprzestrajalne, ich użycie i wynikające z tego korzyści są możliwe do wykorzystania tylko w układach o nie zmienianej częstotliwości (jeden z celów przemiany). „Tradycyjnie” zrealizowany odpowiednik takich filtrów (o zbliżonych charakterystykach) zawierałby kilkadziesiąt pojedynczych obwodów cewka-kondensator, dodatkowo każdy z nich należałoby odpowiednio zestroić).
Tu nasuwa się pytanie – po co takie „sztuczki” zamiany częstotliwości, czy nie można byłoby po prostu od razu zdekodować sygnał wybrany przez filtry wejściowe i odpowiednio wzmocniony? Otóż nie. Problemów jest kilka: pierwszy – nie da się zrobić przestrajanego filtru wejściowego tak, aby przepuszczał tylko wybraną częstotliwość, a inne doskonale tłumił. Zawsze jakaś część sygnałów o innych częstotliwościach się przedostanie (odbieralibyśmy więc kilka stacji na raz); drugi: operowanie (filtrowanie, wzmacnianie, dekodowanie) na sygnałach o takiej częstotliwości jest dość kłopotliwe; trzeci: nie da się zapewnić stałych parametrów przetwarzania (czyli np. wzmacniania sygnału radiowego stacji, zniekształcania muzyki czy mowy) sygnału, jeśli będziemy operować na sygnałach o częstotliwości zmienianej w tak szerokim zakresie (88-108 MHz, czyli zmiana o 20 MHz) – stacje o tej samej mocy na krańcach zakresu odbieralibyśmy znacznie słabiej i w dodatku „trzeszczące”. Wspomniane problemy łatwo można natomiast rozwiązać operując na sygnale o stałej, niezbyt wysokiej częstotliwości (jej wartość przyjęto na 10,7 MHz). Za filtrem pośredniej częstotliwości otrzymujemy zatem już tylko sygnał 10,7 MHz z zakodowaną muzyką i mową RadioPolski. Ten sygnał trafia do wzmacniacza pośredniej częstotliwości i demodulatora (realizowane najczęściej razem, w jednym układzie scalonym).
Wzmacniacz pośredniej częstotliwości i demodulator
Zadaniem wzmacniacza jest odpowiednie wzmocnienie, a także ograniczenie sygnału. Zespół wzmacniacz-demodulator dostarcza informacji o sile wejściowego sygnału radiowego i o dostrojeniu do stacji („TUNED” wyświetlane w wielu tunerach). Sam demodulator natomiast „zdejmuje” zakodowaną muzykę i mowę z sygnału 10,7 MHz i przenosi w zakres częstotliwości słyszalnych.
Na wyjściu demodulatora otrzymujemy to, co wyemitowano ze stacji nadawczej, czyli: monofoniczny (suma kanału lewego i prawego) sygnał muzyki i mowy o częstotliwościach słyszalnych oraz zakodowaną na częstotliwościach ponadakustycznych (niesłyszalnych) informację o sygnale stereofonicznym (tym razem jest to różnica kanałów lewego i prawego) i informacjach RDS.
Taki „dziwny” (bo niby dlaczego nie prościej: osobno kanał lewy, osobno prawy) sposób kodowania sygnału stereo wynika z konieczności zapewnienia poprawnej pracy zarówno starszych jak i współczesnych odbiorników monofonicznych. Dekodują one tylko sygnał o częstotliwościach słyszalnych, czyli sygnał monofoniczny, będący sumą kanału lewego i prawego. W głośniku odbiornika monofonicznego słyszymy więc pełny obraz akustyczny. Każdy inny sposób kodowania wymuszałby konstrukcję odbiorników monofonicznych jako stereofoniczne z połączonymi kanałami lewym i prawym (czyli wszystkie musiałyby być tak naprawdę stereofoniczne), a starszym monofonicznym umożliwiałby odbiór tylko kanału lewego albo prawego, w zależności od tego, który z nich byłby przesyłany w paśmie „podstawowym”.
Dekoder stereo
My dysponujemy jednak tunerem stereofonicznym, zatem sygnały sumy (matematycznie jest to (L+P)/2) i różnicy (matematycznie (L-P)/2) kanałów lewego i prawego trafiają do dekodera stereo. Dekoder „przenosi” sygnał z zapisaną różnicą kanałów w pasmo akustyczne i dokonuje odpowiednich operacji arytmetycznych (w dużym uproszczeniu). Na jego wyjściu otrzymujemy już właściwe sygnały kanałów lewego i prawego, które wymagają jeszcze odfiltrowania sygnałów pomocniczych, co realizują filtry audio.
Ciekawostka
Od konstrukcji dekodera, czyli w praktyce od użytego układu scalonego, zależy dokładność rozdzielania kanałów lewego i prawego czyli wierność odtwarzania efektu przestrzennego, standardowe układy zapewniają nie więcej jak 40 dB separacji (dla porównania odtwarzacz CD oferuje przynajmniej 90 dB), te lepsze 50 do 60, maksymalnie ok. 80 dB – jest to ograniczenie „systemowe”, wynikające z zastosowanej metody przesyłania. Te 80 dB pozostaje jednak w zasięgu praktycznie tylko cyfrowych procesorów sygnałowych („zcyfrować/zdekodować/zanalogować”).
Następnie sygnały kanałów lewego i prawego wędrują do wzmacniacza (albo oddzielnego albo zintegrowanego z odbiornikiem), a my możemy poprzez dołączone do niego głośniki słuchać naszej ulubionej stacji.