Radiové obvody a jejich vlastnosti – rozhraní

SuperhetVysílání, příjem a zpracování každého radiového signálu vyžaduje technické prostředky určité složitosti. Zmínit můžeme jeden z prvních, a zároveň nejjednodušších, pokusů o využití radiového spektra, tedy Marconiho systém, na straně jedné, a v dnešní době běžný mobilní telefon, na straně druhé. Mobilní telefon představuje jedno z nejsložitějších vysílacích zařízení, které se masově využívá mezi lidmi. Díky moderním technologiím a znalostem je možné plně integrovat veškeré součásti do několika centimetrů čtverečních. Jakékoli moderní vysílací nebo přijímací zařízení se skládá z několika důležitých funkčních bloků. Těmi jsou zejména antény, zesilovače, filtry, oscilátory, směšovače, zdroj, ADC/DAC, mikrofon/reproduktor/kamera/display. Každá z těchto součástí má určité fyzikální a elektrické parametry. Tyto parametry určují výslednou sílu a kvalitu užitečného signálu.

Superhet

Jednoduchý blokový diagram superhetu.

Rozhraní

Tyto parametry jsou vyjádřeny jak konkrétními, tak relativními veličinami. Každý funkční blok v řetězci musí být přesně přizpůsoben přímo navazujícím sousedním blokům. To z toho důvodu, aby nedocházelo ke kvalitativní degradaci na těchto rozhraních. Příkladem může být napojení antény na obvod předzesilovače. Anténa v našem případě nebude v instalační krabici obsahovat žádný jiný prvek (např. symetrizační člen), ale pouze svorky pro připojení vhodného kabelu (označuje se napáječ).
Pokud se podíváme na parametry antény, máme zde vlastní impedanci (zdánlivý odpor a fázový posun napětí vůči proudu ve střídavém obvodu daného kmitočtu), zisk (poměr napětí na výstupu antény k výstupnímu napětí jednoduchého půlvlnného dipólu při jmenovitém kmitočtu a impedanci; jedná se o bezrozměrovou jednotku udávanou v dB a slouží pro porovnání zisků všech antén – neplést si s jednotkou dBi, kde je zisk vztažen na izotropní zářič a pro porovnání antén se, až na použití v marketingových materiálech, nehodí), kmitočtový rozsah (jeden z nejdůležitějších parametrů) a pro jednoduchý příklad další ne příliš podstatné parametry.
U zesilovače nás zajímá vstupní impedance, kmitočtový rozsah (šířka pásma), zda je vstup diferenciální (souměrný) a maximální úroveň vstupního napětí. Ostatní charakteristiky jako šumové číslo, zisk, linearita, apod. nejsou pro příklad napojení k anténě důležité.
Pokud budeme tedy připojovat předzesilovač k anténě, musíme zabezpečit, aby byly vzájemně propojitelné. A to nejen po mechanické stránce, ale i po stránce týkající se všech potřebných parametrů. Pokud bude některý z těchto parametrů odlišný, nebude nám výsledná sestava pracovat správně. Pojďme se podívat na jednotlivé parametry zblízka.

Impedance

Každé dva sousední moduly, tedy v našem případě anténa a předzesilovač, musí mít v bodě propojení (rozhraní) shodnou impedanci. Pokud bude impedance rozdílná, část signálu se odrazí a vrátí zpět do svého zdroje, do antény. Tím pádem přijdeme o část užitečného signálu. V případě příjmu to není takový problém jako v případě vysílání, kde odražený signál o velikosti např. 100 W může vážně poškodit koncový stupeň zesilovače. Pokud bychom ale brali v úvahu např. rozhraní mezi předzesilovačem a navazujícím pásmovým filtrem, mohlo by odražené napětí zpět do předzesilovače ovlivnit kvalitu zesilovaného signálu. V kontextu s tímto nechtěným odrazem se můžeme setkat s termíny VSWR, SWR, PSV či ČSV. Proto striktně dodržujeme předepsanou impedanci. Pokud máme moduly, které mají na příslušných rozhraních různé impedance, musíme provést impedanční přizpůsobení. A případě antény může být impedance např. 300 ohmů a předzesilovače 50 nebo 75 ohmů. Vždy záleží na konkrétním typu.

Diferenciální vstup/výstup

Každý výstup/vstup může být souměrný (diferenciální) nebo nesouměrný. Anténa bude mít pravděpodobně souměrný výstup. U ostatních bloků (včetně předzesilovače) bývá často nesouměrný. Typickým příkladem může být propojovací kabel. I ten je důležitým prvkem v signálové cestě, a je nutné jej správně vybrat/přizpůsobit. V dnešní době se používají zejména koaxiální kabely, které jsou nesouměrné (souosé). V některých případech se lze setkat se souměrnými kabely typu dvoulinka nebo žebřík. Využívají se zejména v radioamatérském provozu. Jejich výhodou je velmi nízký útlum, na druhé straně velkou nevýhodou je minimální odolnost vůči rušení a vliv blízkých kovových předmětů ovlivňující vlastnosti kabelu. Budeme-li tedy připojovat souměrný výstup antény na nesouměrný vstup předzesilovače (případně na koaxiální kabel), musíme provést operaci zvanou symetrizace. K tomu potřebujeme tzv. symetrizační člen. Tím může být vhodný vysokofrekvenční transformátor, meandr (vypadá jako vlnovec) na plošném spoji nebo přesně vypočítaná symetrizační smyčka z koaxiálního kabelu. Symetrizační člen nám zároveň provede impedanční přizpůsobení. Nevýhodou jsou jeho parametry, které ovlivní signálovou cestu – malý vložený šum a útlum. I přes toto ovlivnění musíme symetrizační člen použít. Pokud jej nepoužijeme, nebo je instalován nekvalitní, je degradace užitečného signálu na výsledném produktu poznat.

Symetrizační člen

Symetrizační člen mezi anténou a předzesilovačem (nízkošumový zesilovač – LNA).

Kmitočtový rozsah

Přijímaný a zpracovávaný užitečný signál má vždy určitý kmitočet a šířku pásma. Takový signál musíme přijmout vhodnou anténou, která pokryje celý tento kmitočtový rozsah. Příslušné kmitočty jsou přesně definovány mezinárodními a národními organizacemi, včetně jejich využití, maximálního výkonu, apod. V ČR je jí Český telekomunikační úřad (ČTÚ), mezinárodní působnost má např. International Telecommunication Union (ITU). Pokud bude např. naším zájmem sledovat digitální televizi DVB-T, musíme zvolit takovou anténu, která dovolí příjem všech požadovaných kmitočtů v našem okolí. Rozsah přijímaných kmitočtů (schopnost přijmout tento rozsah) je označován jako širokopásmovost. Pro specifická zařízení existují úzkopásmové antény, které jsou navrženy pouze pro konkrétní účel a nelze je použít pro jinou aplikaci. V případě DVB-T se vyrábí širokopásmové antény, které umožňují příjem od 21. do 69. televizního pásma (470 – 862 MHz). Pro konkrétní aplikaci potřebujeme v našem příkladu pro zpracování signálu předzesilovač, který umožní pracovat s požadovaným kmitočtovým rozsahem. Pokud např. budeme přijímat pouze televizní kanály 22. – 30. (478 – 550 MHz), potřebujeme předzesilovač pracující minimálně s tímto rozsahem. Tento rozsah nemusí korespondovat s přijímacím rozsahem připojené antény. Ta může přijímat celé televizní pásmo. V případě, že budeme požadovat tímto předzesilovačem zpracovávat signál 33. kanálu, můžeme jej využít, nicméně zisk na tomto kanálu bude pravděpodobně znatelně menší než na deklarovaném rozsahu (ten se většinou uvádí pro pokles zisku zesilovače o 3 dB).
Nevýhodou širokopásmových antén je jejich menší zisk.

Maximální úroveň vstupního napětí

V případě zesilovačů může být nevýhodou náchylnost na přebuzení nějakým silným blízkým signálem. Pokud např. budeme širokopásmovým zesilovačem (1 – 1000 MHz) zpracovávat slabý signál z 50 km vzdáleného vysílače na kmitočtu 546 MHz a naše širokopásmová anténa bude umístěna 20 m od vysílače mobilních operátorů (GSM/LTE – 750 – 950 MHz), může nám tento „parazitní“ signál přebudit vstup zesilovače (saturace). Náš užitečný signál leží na znatelně nižším kmitočtu, ale díky širokopásmovým vlastnostem antény a zesilovače je pro nás nemožné jej přijmout. Podobný problém může nastat v případě, že přijímáme užitečný signál 5 km vzdáleného vysílače, který vysílá výkonem 100 kW. I v zde bude vstup zesilovače přebuzení, ale užitečným signálem. Na monitoru televizoru vidíme 100% úroveň signálu, ale 0% kvalitu. Maximální úroveň vstupního napětí nám definuje schopnost, kdy je možné ještě signál zpracovat bez ztráty kvality. Její překročení vede právě k přebuzení vstupních obvodů a ztrátě užitečné informace. Výrazné překročení vede ke zničení obvodů. V našem případě máme na výběr ze čtyř možností:

  1. nepoužijeme předzesilovač,
  2. pokud předzesilovač musíme použít nebo jeho odstranění nepomohlo, vložíme před vstup útlumový článek, který je opět vhodný pro příslušnou impedanci a kmitočet,
  3. v případě přebuzení silným blízkým signálem zařadíme mezi anténu a předzesilovač vhodný filtr (pásmovou nebo dolnofrekvenční propust),
  4. vyměníme anténu a/nebo zesilovač za úzkopásmové, v případě antény za směrovou.

Další parametry a závěr

Jak již bylo uvedeno, každá část řetězce podílející se na zpracování užitečného signálu má určité vlastnosti a z toho vycházející parametry, které se využívají při návrhu. Vedle impedance, frekvenčního rozsahu, maximálního vstupního napětí a zisku (logaritmus zesílení) je zde velké množství dalších parametrů, mezi které patří např. útlum, šum, S-parametry, IIP3, OIP3, atd.
Na uvedeném příkladu jsem chtěl nastínit, jak je některé parametry důležité sledovat i při tak jednoduchém úkonu, jakým je propojení antény a předzesilovače. Velmi často je na odborných diskuzích vidět komentářů typu „75 ohmů nebo 50, vždyť je to jedno.“ Ano víceméně se s takovou radou dá fungovat, nicméně je zde spoustu dotazů „Proč mi to nefunguje?“ Právě protože to bylo jedno u síta s integrovaným 48 dB předzesilovačem, 40 m kabelu za tři koruny/m se vzduchovým dielektrikem, rozbočovačem pro 12 přijímačů (mám dva, ale to je jedno), … Ale proč to nejde, když mám vysílač před oknem?

Jaké jsou tedy obvyklé parametry? Podíváme-li se na anténu, zisk se běžně pohybuje do cca 15 dB (ne dBi). Cokoli kolem 17 dB a více je technicky složitě vyrobitelné, protože takové antény obsahují velké množství prvků a jsou velké (např. antény se ziskem 22 dB mohou dosahovat na 450 MHz délky několik desítek metrů, jsou úzkopásmové a mají velmi úzký přední lalok). Impedance je většinou 75 Ω nebo 300 Ω (ohm). Zpravidla vyžadují, pro připojení koaxiálního kabelu, symetrický člen, který již bývá vložen do instalační krabice. Zesilovače mívají zisk podle počtu stupňů. Většinou se lze setkat se ziskem 15 – 30 dB, při vyhovujícím šumu 0,5 – 2 dB. Pozor si musíme dát na antény a zesilovače s příliš vysokým ziskem a velkým šumem (4 dB a více – samozřejmě záleží na zisku zesilovače, pokud bude cca 30 dB, není šum 5 dB kritický). Malé několika prvkové antény (např. pokojové) nemohou mít z fyzikálního pohledu vysoký zisk (např. 20 dB), a proto mívají integrovaný zesilovač, který je ve většině případů nekvalitní.

Koaxiální kabely se používají s impedancí 50 a 75 Ω. Pro televisní a rozhlasovou techniku se používá v zásadě 75 Ω. Nerecyklujeme staré kabely, protože postupem času stárne dielektrikum mezi středním vodičem a stíněním. Poškozené (prořízlé) kabely vyměníme. Vzdušná vlhkost reaguje s vodiči a případná oxidace se projeví na přenosu signálu. Pokud možno, vyhneme se kabelům se vzduchovým dielektrikem. V prostoru nám může vzlínat vzdušná vlhkost, která kondenzuje a v podobě vodních kapek putuje kabelem do nejnižšího instalačního místa. Kromě změny parametrů dielektrika nám může voda protéct kabelem až do tuneru/televizoru a v nejlepším případě zařízení zničit. V horším případě se můžeme dočkat požáru. Lepší koaxiální kabely (cena kolem 18 Kč/m a více) mívají útlum 17 dB/100m při 850 MHz.

Jak je při pohledu na celý článek vidět, většina parametrů je uvedena v jednotkách dB. Je potřeba si uvědomit, že zisk 3 dB znamená zesílení signálu 2 x, v případě útlumu 3 dB znamenají pokles signálu o polovinu.

2 komentáře u „Radiové obvody a jejich vlastnosti – rozhraní

  1. Pingback: Výroba Double BiQuad antény pro WiFi | brichacek.net

  2. Pingback: Jak se loví letadla aneb Přijímáme ADS-B | brichacek.net

Napsat komentář