Amplitude-modulatie
Skoopbeelden bij modulatie
AM
Servers » TechTalk » Historisch perspectief » Audio » Radio » AM » Skoopbeelden

Op de vorige pagina hebben we een AM zender met carrier control uitgebreid besproken. Hier gaan we de skoopbeelden onderzoeken.
-

-

We hebben rechts twee skoopbeelden. In beide gevallen werken we met een audiosignaal van 1kHz (modulatie). Voor de zendertesten moduleren we op 100% om fouten beter te kunnen opsporen.

Het eerste skoopbeeld is het meest vertrouwde. We gebruiken de twee ingangen van de skoop (Y1 en Y2). Y1 krijgt het audio signaal, maar het beeld is niet zichtbaar (het is een gewone sinus). Y2 krijgt het antennesignaal (voldoende verzwakt met een HF probe).

De synchronisatie gebeurt op het audiosignaal van 1kHz (daarom dat we dit signaal nodig hebben). De tijdbasis wordt ingesteld op 500µs.

We zien dat de modulatiediepte niet maximaal is. De curve die hier getoond wordt heet omhullende: omvat de draaggolf. Door de lage tijdsbasis is de RF frekwentie (draaggolf) niet te onderscheiden.

Het tweede skoopbeeld (trapeze) geeft heelwat meer informatie. De oscilloscoop werkt hier in XY-modus.

Het audio signaal van de modulator wordt op de X ingang aangelegd (horizontale afbuiging) en het antennesignaal op de Y ingang. Wat men nu ziet is het antennesignaal ten opzichte van het audiosignaal. Als de spanning laag is, dan is ook het RF signaal laag, als de spanning hoog is, dan is ook het RF signaal hoog.

Een kleine verduidelijking wat betreft het audiosignaal: we hebben het hier niet over de geluidsterkte (volume) maar over de audiospanning. Bij een laag volume verandert de audiospanning niet veel, bij een hoog volume verandert de audiospanning sterker. Om misverstanden te vermijden gebruiken we deze twee benamingen:

  • Volume of geluidsterkte: een hoog volume (luid), een laag volume (stil)
  • Audiospanning: de variërende spanning zoals die op een skoopbeeld getoond wordt. De spanning verandert van hoog naar laag aan de audiofrekwentie. De spanning verandert sterker als het volume hoog is.

De oscilloskoop is een ideaal middel om de fouten van de zender op te sporen, nog voor dat ze hoorbaar worden. We beginnen opnieuw met de gewone skoopbneelden (omhullende).

De eerste skoopbeelden tonen ons de omhullende bij een stijgende modulatie: eerst is er geen modulatie (radiostilte maar zender aan), dan wordt de modulatie opgevoerd: 30%, 70% en 100%.

Bij het volgende skoopbeeld toont ons een overmodulatie: de zender wordt stilgelegd bij een deel van het audiocyclus. Aan de andere kant kan de maximale modulatie niet onbeperkt stijgen maar is beperkt door de mogelijkheden van de zender (meestal 200%).

Later zullen we zien dat we kunnen overmoduleren, als we in de zender een synchrone modulator gebruiken (in plaats van een normale mengtrap) en in de ontvanger een synchrone demodulator gebruiken (in plaats van een detectiediode). De detectiediode kan enkel de omhullende curve detecteren, zonder rekening te houden met de fase.

Bij een volgende skoopbeeld zien we een vervorming die veroorzaakt kan worden door parasitaire oscillaties in de modulator of door slecht afgestemde kringen.

Het laatste voorbeeld is bijzonder: die wordt meestal veroorzaakt door een defekte HF probe. Het beeld kan ook optreden als men het RF signaal aftapt op een niet-afgestemde kring, waar de niet-lineaire caracteristieken van de zendbuis zichtbaar worden. Daarom moet een zender altijd een afgestemde kring als uitgang hebben: om de storingen op te vangen en een mooie sinus te produceren.


De trapezevormen geven ons meer informatie over de werking van de zender. Hier wordt de zender op 100% gemoduleerd (behalve indien anders aangegeven in de tekst). De voorbeelden zijn afkomstig van een zender met plaatmodulatie, de enige modulatiemethode die een perfekte trapezevorm kan leveren.

Eerste skoopbeeld: zender aktief maar geen modulatie, enkel de draaggolf is aanwezig.

We hebben dan een beeld veroorzaakt door een modulator die onvoldoende uitgestuurd wordt (indien we ervan uitgaan dat de modulatie op de indicator 100% is). De versterking van de audiotrappen moet opgevoerd worden.

De volgende vorm is de ideale vorm bij een 100% modulatie. Dit is de vorm die een broadcast zender moet geven.

4e vorm: overmodulatie: het volstaat de versterking van de audiotrappen te verminderen.

5e vorm: te hoge polarisatiespanning van de modulator: de gemiddelde audiospanning is te hoog. Als de momentane spanning minimaal is, is er nog altijd een modulatie, als de momentane spanning maximaal is, is de versterker overstuurd en kan niet meer volgen. Zo'n fout kan niet optreden als men een transfo gebruikt om de plaatspanning te sturen, want een transfo laat geen gelijkspanning door.

6e vorm: het effekt wordt veroorzaakt door oscilleerneigingen. De eindtrap heeft de neiging te gaan oscilleren, en de neiging stijgt met de amplitude van het signaal. Men moet de g2 spanning verlagen om de versterking te verminderen. De genereerneiging kan ook veroorzaakt worden door onvoldoende filtratiemaatregelen, bijvoorbeeld een ingangsspoel die het signaal oppikt van een anodespoel. Alle afgestemde kringen moeten mechanisch en electrisch geïsoleerd worden.

De 7e vorm wordt veroorzaakt door een fasefout, bijvoorbeeld als het audiosignaal afgetapt wordt op een voorversterkertrap. De aanwezige condensatoren zorgen voor de fasefout. Om een correcte trapèzevorm te hebben moet het X signaal afgetapt worden op de modulator zelf. Het betreft geen fout van de zender.

De volgende vorm wordt veroorzaakt door een zendbuis die onvoldoende stroom kan leveren, een versleten buis of een te lage schermroosterspanning (g2). Indien de curve niet slechter wordt de fout niet hoorbaar, maar de buiskaracteristieken moeten regelmatig gemeten worden.

De laatste curve wordt veroorzaakt als men schermroostermodulatie gebruikt in plaats van een plaatmodulatie. De tekening toont een overdreven effekt, maar het is zeker dat men geen perfekte driehoek zal krijgen met een roostermodulatie. Er is een automatische compressie: de zwakke signalen worden normaal gemoduleerd, maar als de geluidstrekte stijgt, stijgt de modulatie niet proportioneel. Dit is een voordeel voor de kleinere zenders die een hoger rendement halen met een beperkt vermogen.

We eindigen met een skoopbeeld van de AM zender met draaggolfregeling (carrier control). Om het effekt op de draaggolf te tonen worden er drie skoopbeelden gemaakt en worden ze over elkaar gelegd: een skoopbeeld met zwak volume (200mV RMS), één met gemiddeld volume (400mV) en één met lichte oversturing (de zender is berekend voor een audiosignaal van 500mV RMS).

Het audiosignaal voor de X-afbuiging van de skoop wordt afgenomen aan de rooster van de triode door middel van een 10:1 probe (AC gekoppeld). Er is geen faseverschuiving omdat er geen condensator meer in de audioweg zit.

  1. 200mV RMS: de zender werkt mooi lineair met een vermogen van 250mV. 200mV is het gemiddeld audiosignaal tijdens een uitzending, en het is met dit signaal dat de zender het beste werkt.

  2. 400mV RMS: de zender werkt op 350mV en de vervorming wordt zichtbaar (eigen aan een g2 modulatie). Bij de hoogste spanning stijgt de amplitude van het RF signaal niet meer lineair. Dit is echter niet hoorbaar in de praktijk. Je merkt ook dat de helling minder steil is geworden: de relatieve modulatie is wat verminderd. Het is alsof de laagfrekwente versterking minder wordt als het signaal sterker wordt (compressie). De compressie die in beeld zichtbaar is, wordt enkel veroorzaakt door de veranderde schermroosterspanning.

  3. Bij 600mV zitten we voorbij de 0dB indicatie van de VU-meter, maar de zender werkt nog redelijk goed. We zitten op 450mW, ongeveer het maximum vermogen dat de buis kan leveren. Er is compressie aan de maximale signaalkant, maar ook aan de minimale signaalkant. De vorm begint te lijken op de vorm van het laatste skoopbeeld hierboven.
Ook de audioversterker (triode) speelt een rol bij de uiteindelijke versterking. Door de verschuiving van het werkpunt verminderd de versterking bij hoog volume.


De compressie door de werkpuntverschuiving veroorzaakt geen pompend effekt zoals bij een slecht afgeregelde compressor. De compressie die hier aanwezig is geeft vooral even harmonischen die niet storen bij AM ontvangst. Er kan wel een pompend effekt onstaan in de ontvanger zelfs, omdat de zender op wisselend vermogen werkt (carrier control).

Een zender zonder carrier control geeft altijd een vast gemiddeld vermogen ongeacht de volume en zou de grafiek links tonen (lage, gemiddelde en sterke modulatie).



Maar zou men meer dan 100% kunnen moduleren? Ja het wordt gedaan bij digitale toepassingen, waarbij een modulatiediepte van 200% wordt gebruikt. De modulator moet bijvoorbeeld een ringmodulator zijn die de draaggoof ontvangt op één ingang en het signaal op de andere ingang. Eenzelfde schakeling wordt gebruikt bij de demodulatie. Een ringmodulator gedraagt zich als een echte analoge vermenigvuldiger.

De draaggolf is alternerend negatief en positief op de rechtse aansluiting (aangegeven door een - en een + in de twee schakelingen).

Als de draaggolf negatief is, dan geleiden de diodes D0. Door deze geleiding wordt de +pool van het signaal verbonden met de bovenste uitgang: de uitgang is in fase met de ingang.

Als de draaggolf negatief is, dan zijn de diodes D1 in geleiding. De +pool van het signaal wordt nu verbonden met de onderste uitgang: de uitgang is in tegenfase.

De signaal op de ingang wordt door de draaggolf gemoduleerd en is ofwel in fase, ofwel in tegenfase naargelang de draaggolf + of - is.

We kunnen de redenering omkeren (commutativiteit van een vermenigvuldiging: raadpleeg uw wiskundecursus): als het audiosignaal positief is, dan is de draaggolf in fase, anders in tegenfase.

Et wat zou er gebeuren als er geen audiosignaal is? Kijk goed naar de schakeling (of maak de berekening 0⨯ϰ = 0): er is geen signaal aan de uitgang.

Deze schakeling wordt gebruikt om een signaal met suppressed carrier te genereren. Daardoor kan al de energie van van de zender gebruikt worden voor het signaal. Deze modulatietechniek wordt gebruikt voor radioverbindingen (digitale verbindingen, want stilte bestaat niet in de digitale wereld, het is ofwel + ofwel -). De modulatie met suppressed carrier wordt niet gebruikt bij radiouitzendingen, wel bij SSB (single side band), waarbij naast de draaggolf ook een zijband onderdrukt wordt.

De schakeling werkt dus ook omgekeerd, met de draaggolf die links aangevoerd wordt en het audiosignaal onderaan. In deze configuratie is er geen transfo voor het audiosignaal en kan men een polarisatie voorzien. Men kan een nulpunt instellen die niet noodzakelijk nul volt is. Men kan bijvoorbeeld de ingang op 50% van het maximaal signaal polariseren: bij de laagste spanning is het ingangsniveau 0 (geen modulatie), bij de hoogste spanning hebben we dan een modulatie van 100%. We hebben hier een ultra-lineaire modulator gerealiseerd. De weinige zenders op de middengolf die nog overblijven gebruiken een dergelijke modulator.

Indien men bijvoorbeeld een polarisatie van 30% zou kiezen, dan gaat de modulatie tot 70% (maximale positieve audiospanning) en tot -30% (absolute modulatie van 30% maar in tegenfase). Dit wordt weergegeven door de vreemde trapeze (eigenlijk twee driehoeken). Het skoopbeeld kan enkel de amplitude tonen, niet de fase.

Om een dergelijk signaal de detecteren kan men niet de klassieke diode-detectie gebruiken die enkel de omhullende kan detecteren en geen rekening houdt met de fase, maar moet men een synchrone demodulator gebruiken. De meeste radio-ontvangers gebruiken een gewone diode-detectie die eenvoudig te realiseren is.

Een synchrone demodulator is ook een ring modulator die op de schakelingang het signaal van een lokale oscillator ontvangt. De locale oscillator wordt gesynchroniseerd met de draaggolf. Een toepassing is bijvoorbeeld de detectie van de kleurinformatie bij PAL en NTSC, de kleurinformatie (tint) zit in de fase van het signaal.

De eerste afbeelding toont een detectie door middel van een enkelvoudige diode, de tweede afbeelding toont de detectie uitgevoerd door een synchrone modulator die een "sample" neemt iedere keer dat de amplitude van de regenereerde draaggolf maximaal is.

Maar genoeg theorie: we gaan nu een zware AM zender met controlled carrier bouwen.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's