Mengtrappen
Modulatoren voor radio en digitale technieken
Modulatoren
Root server » TechTalk » Historisch perspectief » Audio » Radio » AM » Modulatoren
Een mengtrap is een electronische basisschakeling. Eenzelfde schakeling kan gebruikt worden om signalen te mengen (bijvoorbeeld in een radiozender), maar ook om signalen te detecteren (in een ontvanger).
-

-

Mengtrappen worden in verschillende schakelingen gebruikt. Met eenzelfde schakeling kan een audiosignaal aan een draaggolf gevoegd worden, maar men kan ook het audiosignaal detecteren.

Index modulatie
Amplitude- frekwentie- en fasemodulatie
Modulatoren en zenders


Diodemodulatie


Modulatie door de plaatspanning te wijzigen

Diodemodulatie

De amplitudemodulatie wordt gebruikt om een signaal (bijvoorbeeld een audiosignaal) te mengen met een draaggolf. Een amplitudemodulatie kan op een eenvoudige manier gerealiseerd worden door de niet-lineaire curve van een diode te gebruiken (zie diodemodulatie).

Rechts een diodemodulator met twee transformatoren om het audiosignaal en de draaggolf bij elkaar op te tellen. De kleine condensator in parallel over de laagfrekwente transfo dient om de transfo te kortsluiten voor de hoogfrekwente signalen. Op punt 1 hebben we het signaal met de twee gesuperponeerde componenten. Op punt 2 wordt het negatieve deel van het signaal weggefilterd door de diode en op punt 3 is het gelijkspanningscomponent verwijderd.

De diodemodulatie heeft een slecht rendement omdat er veel mengprodukten ontstaan, waarbij de nuttige produkten slechts een deel van het geheel uitmaken. Bij bepaalde toepassingen speelt dit geen rol, omdat de storende mengprodukten ver buiten de band valt en niet versterkt worden, in het bijzonder bij radars en satellietverbindingen waar men zeer hoge frekwenties gebruikt. De mengprodukten zitten op nog hogere frekwenties en worden toch niet versterkt. Maar in het algemeen gebruikt men meer efficiente methodes om een signaal te moduleren.

Een mengtrap kan voor twee doelen gebruikt worden, namelijk het mengen van een audio- of datasignaal met een draaggolf (moduleren), maar ook voor het mengen van een hoogfrekwent signaal met het signaal van een lokale oscillator om een lagere (of hogere) frekwentie te bekomen (principe van de superheterodyne). We zullen het hier voornamelijk hebben over de modulatie.

Modulatie door de plaatspanning te wijzigen

De modulatie door de plaatspanning werd gedurende meer dan 50 jaar gebruikt in radiozenders. Het betreft een echte vermenigvuldiger waarbij de draaggolf vermenigvuldigd wordt met het audiosignaal. De voedingsspanning van de eindtrap (of de stuurtrap) wordt gemoduleerd door het audiosignaal.

Een voorbeeld wordt hier gegeven met een zeer lineaire AM zender met transistoren. De schakeling bestaat uit een modulatietrap waar het audiosignaal wordt versterkt, een mengtrap en een eindtrap die in classe C werkt.

Ring modulator

Voor het mengen van digitale signalen gebruikt men een ring modultor die uit 4 diodes bestaat. De ring modulator is eenvoudig en werd oorspronkelijk ontvorpen om gebruikt te worden in modems, maar kan evengoed gebruikt worden voor het mengen van audiosignalen.

De ringmodulator is eigenlijk de symmetrische uitvoering van de diodemodulator (zie hoger). Door de symmetrische uitvoering kunnen ongewenste mengprodukten onderdrukt worden, en in het bijzonder de onpare harmonischen.

De ringmodulator wordt geleverd als kleine hybride schakeling met gepaarde diodes en transfos. Ze worden gespecifieerd voor een bepaalde frekwentieband en vermogen.
  • 1 2 modulerend signaal (audio of datasignaal)
  • 3 4 en 5 6 draaggolf
  • 7 8 uitgang

Zie schakeling rechts:
De draaggolf is alternerend negatief en positief op de rechtse aansluiting (aangegeven met een - en een + in beide schémas).

Als de draaggolf negatief is, dan zijn de diodes D0 in geleiding. Daardoor wordt de + pool van het signaal verbonden met de bovenpool van de uitgang. De uitgang is in fase met het ingangsignaal.

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

Het ingangssignaal is aanwezig aan de uitgang, maar door de draaggolf gemoduleerd: alternerend in fase en in tegenfase op het ritme van de draaggolf.

Deze redenering werkt ook omgekeerd (commutativiteit van de vermenigvuldiging): als het audiosignaal positief is, dan is de draaggolf op de uitgang in fase, als het audiosignaal negatief is, dan is de draaggolf in tegenfase.

Wat zou er gebeuren als er geen audiosignaal is? Dan is er ook niets aan de uitgang: de ring modulator gedraagt zich als een echte vermenigvuldiger.

Deze schakeling wordt gebruikt om signalen met onderdrukte draaggolf te genereren (suppressed carrier). Al de energie van de zender kan gebruikt worden om het signaal door te sturen, want om de draaggolf uit te zenden heeft men energie nodig, maar de draaggolf zelf bevat geen informatie. Een dergelijke modulatie wordt eerder gebruikt voor data-verbindingen (er is geen "stilte" als er data doorgestuurd wordt). Op de KG band (korte golf) wordt eenzelfde modulatie gebruikt, maar hier wordt ook één van de twee zijbanden onderdrukt. Beide zijbanden bevatten immers dezelfde informatie. Dit is dan de SSB (single side band).

De schakeling werkt ook omgekeerd, met de draaggolf aan de ingang links en het signaal op de onderste ingang. Deze configuratie zonder ingangstransfo maakt het mogelijk een gelijkspanning toe te voegen aan het signaal. Het nul-niveau van de ingang kan bijvoorbeeld op 50% ingesteld worden: als de audio-ingang een lagere topspanning heeft, dan is de modulatie ook zwakker, als de audio-ingang een hogere topspanning heeft, dan is de modulatie sterker. De ringmodulator gedraagt zich hier als een zeer lineaire radio-omroep modulator.


Vermenigvuldiger (principeschakeling)


AD532


AD532 schema

Indien men een nulniveau kiest op 30% van de maximale amplitude; dan gaat de modulatie tot 70% (maximaal positief signaal) en -30% (absolute modulatie van 30% maar in tegenfase). Dit wordt weergegeven door de vreemde trapeze: die kan enkel de amplitude tonen, niet de fase van het gemoduleerd signaal.

Om een dergelijk signaal te detecteren kan men niet de omhullende detecteren (diodedetectie zoals in gewone omroepontvangers). Dergelijke ontvangers detecteren de amplitude van het signaal maar houden rekening met de fase. Men moet een synchrone demodulator gebruiken. Dit is eigenlijk opnieuw een ringmodulator, waarop op één van de ingangen de draaggolf aangeboden wordt (meestal door middel van een lokale oscillator die synchroon loopt met de draaggolf), en op de andere ingang het gemoduleerd radiosignaal.

Indien de detectie met een gewone diode zou gebeuren, dan bekomt men een zeer vervormd signaal. Bij een modulatie met onderdrukte draaggolf bekomt men een signaal met de dubbele frekwentie van het oorspronkelijk audiosignaal.

Het eerste skoopbeeld toont de detectie door een enkelvoudige diode (omhullende), terwijl het tweede beeld de demodulatie toont uitgevoerd door een synchrone demodulator die een "sample" neemt bij iedere top van de lokale oscillator.

In plaats van een ringmodulator gebruikt men eerder bij audiotoepassingen (radio-omroep) een vermenigvuldiger in de vorm van een geïntegreerde schakeling.

IC vermenigvuldiger

De vermenigvuldiger bestaat uit een geintegreerde schakeling. De schakeling is gebaseerd op het feit dat de versterking van een signaal afhangt van de stroom die door een transistor loopt. Indien men de stroom gebruikt als tweede ingang, dan bekomt men een vermenigvuldiging.

Een voorbeeldschakeling staat rchts: we hebben een V1 ingang (spanningssturing) en een V2 ingang (stroomsturing). De uitgang wordt naar een kleine op amp gestuurd om de verschilspanning om te zetten in een spanning met het nulpunt als referentie (tussen Vs en de massa).

AD532

In de praktijk zal men nog een paar extra componenten bijvoegen om een lineaire werking te bekomen. De bedoeling is dat een "1" op de spanningsingang hetzelfde effekt heeft als een "1" op de stroomingang. Zo'n schakeling was moeilijk te realiseren met discrete componenten. Met een IC kan men de transistoren en weerstanden met de laser trimmen om een symmetrische werking te bekomen.

De twee ingangen zijn buffertrappen om een hoge inwendige weerstand te bekomen. Iedere ingang is symmetrisch: men kan het signaal aanbieden aan de + of - ingang, waardoor men meer mogelijkheden heeft (universele schakeling). De twee op-amps aan de ingang hebben een lage versterking: ze dienen eerder om de werking te lineariseren.

Na de buffertrap hebben we de multiplicator (aangegeven in het geel op de tweede schakeling), gevolgd door een versterkertrap die hier ook het verschilsignaal omzet in een signaal met de massa als referentie.

De schakeling heeft nog een extra funktie, namelijk een superpositie-ingang (optelling) Vos. Deze ingang kan gebruikt worden om de draaggolf toe te voegen bij een omroepzender of om een offset weg te werken. De COM aansluiting is de massa.

Het eerste voorbeeld is een schakeling die het signaal kwadrateert (Vout = Vin au carré).

Een dergelijke schakeling wordt als basis gebruikt in companders (exponentiele en logaritmische curve)



AD633


Audiosignaal
Draaggolf
Gemoduleerd signaal met onderdrukte draaggolf

AD633

De AD633 is een gelijkaardige schakeling (maar die tot 1MHz kan werken). De werking is identiek, er bestaan geen honderden manieren om een vermenigvuldiging uit te voeren.


Amplitudemodulator met toevoeging van de draaggolf

Het tweede voorbeeld is een standaard AM modulator (radioomroep) waarbij de draaggolf aan het signaal toegevoegd wordt, want een echte vermenigvuldiger geeft enkel de twee zijbanden. Dit is gemakkelijk te zien op het grafiek. Indien een dergelijk signaal in een omroepontvanger gedetecteerd zou worden, dan ontstaat er een signaal met het dubbele van de signaalfrekwentie.

Het signaal van de modulator is ofwel in fase met de draaggolf, ofwel in tegenfase. Indien men de draaggolf toevoegt (superpositie = optelling), dan bekomt men een sterker signaal (signalen in fase) of een zwakker signaal (signalen in tegenfase).


De AD633 heeft een bandbreedte die beperkt is tot 1MHz. Indien men een signaal van een hogere frekwentie moet leveren (bijvoorbeeld 1512kHz) dan laat men de modulator op 756kHz werken en verdubbelt men de frekwentie. De uitgang van de AD633 gaat eerst door een afgestemde kring om ongewenste mengprodukten weg te filteren, dan door een frekwentieverdubbelaar, gevolgd door een versterkertrap in classe C en uiteindelijk een afgestemde kring op 1512kHz.

Vermogenmeting

De vermenigvuldiger kan natuurlijk ook gebruikt worden om vermogens te meten. Het vermogen kan niet direct gemeten worden, het is het produkt van een spanning en een stroom. De spanning V en de stroom A worden afgenomen van het circuit door middel van een spanningstransfo en een stroomtransfo om de electronica gescheiden te houden van de netspanning.
  • De schakeling geeft het effektief vermogen (opgenomen of geleverd) in kW (ook werkelijk vermogen genoemd).

  • Om het blindvermogen te meten (kvar) wordt de spanning 90° vertraagd (omdat de stroom achter loopt op de spanning) en dan met de stroom vermenigvuldigd.

  • Om het schijnbaar vermogen aan te geven (kVA) worden spanning en stroom gelijkgericht met een ideale gelijkrichter en dan vermenigvuldigd.
Het blindvermogen en het werkelijk vermogen kunnen zowel positief als negatief zijn (onhafhankelijk van elkaar).

Demodulatie

De demodulatie van een signaal kan ook door een vermenigvuldiger gebeuren. Het is dan een synchrone demodulator en wordt in volgende situaties gebruikt:
  • Kwaliteitsvolle AM detektie in omroepontvangers (in plaats van een detectie door een diode). Men mengt het signaal van een lokale oscillator met het versterkt antennesignaal. Een dergelijke schakeling is bijvoorbeeld noodzakelijk om AM stereo te ontvangen.

  • Als de fase van het signaal ook gedetecteerd moet worden (QAM en NTSC/PAL). Men gebruikt twee demodulatoren die hetzelfde gemoduleerd signaal krijgen, maar het signaal van de oscillator in fase en in kwadratuur (90° verschoven). Bij de NTSC en PAL kleurtelevisienorm wordt de kleurinformatie doorgestuurd als onderdraaggolf waarbij de tint door de fase gekodeerd wordt en de verzadiging door de signaalsterkte.

  • Detectie van een SSB signaal, waarbij de lokaal opgewekte draaggolf gemengd wordt met het antennesignaal.

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