Πως να κατασκευάσετε μία γεννήτρια FM-Stereo

Κωσικοποιητής FM-Stereo
Κωσικοποιητής FM-StereoΈλεγχος της γεννήτριας FM-StereoΓεννήτρια FM-StereoΗ πλακέτα της γεννήτριας FM-Stereo
5 5 6 Product



Μία γεννήτρια FM-stereo είναι μία εξειδικευμένη συσκευή που χρησιμοποιείται στην FM ραδιοφωνία για την εκπομπή στερεοφωνικού σήματος σύμφωνα με τα πρότυπα FCC. Το στερεοφωνικό σήμα FM είναι ένα σήμα που προκύπτει με πολύπλεξη δύο καναλιών ήχου και διαμορφώνει απευθείας τη φέρουσα του πομπού. Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για την κατασκευή μίας γεννήτριας FM Stereo. Σε αυτό το διδακτικό άρθρο θα επιδείξουμε μία μέθοδο κατασκευής γεννήτριας FM-Stereo με χρήση τόσο ψηφιακών όσο και αναλογικών τεχνικών που επιτυγχάνουν άψογο τελικό αποτέλεσμα. Συγκεκριμένα, θα χρησιμοποιήσουμε τη τεχνική της Άμεσης Ψηφιακής Σύνθεσης (DDS) για την παραγωγή της υποφέρουσας και του τόνου πιλότου, έναν  αναλογικό ισοσταθμισμένο διαμορφωτή με το γνωστό MC1496, για την παραγωγή του καναλιού DSBSC και έναν πίνακα άθροισης με τελεστικούς ενισχυτές.

Creative Commons License
Tutorial on how to build an FM-Stereo Generator by George Adamidis is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License.


Εισαγωγή – Στερεοφωνική εκπομπή FM

H FM stereo μετάδοση εισήχθη κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960. Το στερεοφωνικό σύστημα FM, το οποίο έχει εγκριθεί για χρήση από την FCC στις ΗΠΑ και αργότερα υιοθετήθηκε σε όλο τον κόσμο, χρησιμοποιεί ένα σύνθετο σύστημα διαμόρφωσης για να επιτευχθεί ένα συμβατό σύστημα μετάδοσης mono / stereo. Ουσιαστικά, το σύστημα εκτελεί την πολυπλεξία δύο ηχητικών σημάτων τα οποία συνδυάζονται σε ένα σύνθετο σήμα βασικής ζώνης που διαμορφώνει κατά FM τη φέρουσα του πομπού.

Το σύνθετο σήμα βασικής ζώνης αποτελείται από τρεις συνιστώσες: Από ένα σήμα που φέρει το άθροισμα (L+R) του αριστερού (L) και του δεξιού (R) καναλιού του ήχου και ονομάζεται βασικό κανάλι, ένα σήμα αναφοράς στα 19 kHz που ονομάζεται "σήμα πιλότου" ή "τόνος πιλότου" ή απλά "πιλότος" και ένα σήμα διπλής πλευρικής ζώνης με κατεσταλμένο φορέα (DSBSC) που ονομάζεται δευτερεύον κανάλι ή "υπο-κανάλι" και περιέχει τη διαφορά (L-R) των δύο καναλιών ήχου.

 Το σύνθετο σήμα FM-Stereo σε αντιπαραβολή με ένα μονοφωνικό σήμα

Εικόνα 1. Το σύνθετο σήμα FM-Stereo σε αντιπαραβολή με ένα μονοφωνικό σήμα 

Σε ένα απλό μονοφωνικό σύστημα FM, η φέρουσα του πομπού διαμορφώνεται με μέγιστη απόκλιση συχνότητας ± 75KHz (100% διαμόρφωση) από ένα και μόνο σήμα ήχου. Αυτό το σήμα καταλαμβάνει τη ζώνη ακουστικών συχνοτήτων 0-15KHz. Σε ένα στερεοφωνικό σήμα FM, το ίδιο μονοφωνικό σήμα (το άθροισμα του δεξιού με το αριστερό κανάλι ήχου) παραμένει στο φάσμα 0 - 15KHz (κύριο κανάλι) και επιπλέον εκπέμπεται και ένα δευτερεύον κανάλι, γύρω από τα 38 KHz, το οποίο είναι ένα σήμα διπλής πλευρικής ζώνης με κατεσταλμένο φορέα (DSBSC). Το  δευτερεύον κανάλι αποτελείται από μία κατεσταλμένη υποφέρουσα στα 38KHz που είναι διαμορφωμένη κατά πλάτος (AM) με τη διαφορά του δεξιού από το αριστερό κανάλι ήχου (L-R). Επιπλέον, εκπέμπεται και ένα σήμα πιλότου στα 19KHz που είναι πλήρως συγχρονισμένο με την υποφέρουσα.

Σε ένα FM-στερεοφωνικό σύστημα το κύριο κανάλι διαμορφώνει τη φέρουσα του πομπού κατά 45%, το υπο-κανάλι με 45% και ο πιλότος με 10% έτσι ώστε η συνολική διαμόρφωση για έναν στερεοφωνικό σταθμό FM να είναι 100% (όπως άλλωστε και σε έναν μονοφωνικό). Σε σταθμούς που εκπέμπουν επιπλέον και σήματα SCA ή RDS / RBDS, το σύνθετο σήμα FM-Stereo κατέχει ποσοστό διαμόρφωσης μικρότερο από 100% προκειμένου να απομένει κάποιο περιθώριο και για τα υπόλοιπα σήματα. 

Το πρότυπο μετάδοσης FM-Stereo κατά FCC είναι συμβατό με το παλιότερο μονοφωνικό σύστημα εκπομπής. Το FM-Stereo σήμα μπορεί να ληφθεί και από απλούς μονοφωνικούς δέκτες που λαμβάνουν μόνο το κύριο κανάλι ήχου. Στους μονοφωνικούς δέκτες το υπο-κανάλι καθώς και ο πιλότος λαμβάνονται μεν αλλά δεν είναι ακουστοί ήχοι αφού βρίσκονται εκτός του ακουστικού φάσματος. Επιπλέον, οι μονοφωνικοί δέκτες διαθέτουν ένα χαμηλοπερατό φίλτρο με συχνότητα θλάσης στα 15KHz και απορρίπτουν οποιοδήποτε ανώτερη συχνότητα.

Σε έναν στερεοφωνικό δέκτη, η λήψη του τόνου πιλότου είναι αυτή που σηματοδοτεί την έναρξη της αποδιαμόρφωσης του στερεοφωνικού σήματος. Αν το σήμα πιλότου δε ληφθεί, ένας στερεοφωνικός δέκτης λειτουργεί ως μονοφωνικός. Μόλις λοιπόν ληφθεί ο πιλότος στα 19KHz από έναν στερεοφωνικό δέκτη, το υπο-κανάλι αποδιαμορφώνεται, το σήμα L-R ανακτάται και συνδυάζεται με το κύριο κανάλι L+R. Με πρόσθεση και αφαίρεση των σημάτων L+R και L-R, προκύπτουν τα σήματα L και R, αντίστοιχα. Για να αποδιαμορφωθεί όμως το υπο-κανάλι στο δέκτη, είναι απαραίτητη η ύπαρξη της υποφέρουσας. Δεδομένου όμως ότι η υποφέρουσα δεν εκπέμπεται (είναι κατεσταλμένη), αυτή ανακτάται από διπλασιασμό συχνότητας του σήματος πιλότου.  

Η γεννήτρια FM-Stereo

Σε κάθε στερεοφωνικό σταθμό FM, το σύνθετο σήμα FM-stereo σήμα παράγεται από μια συσκευή που  ονομάζεται "γεννήτρια FM Stereo" ή "κωδικοποιητής FM Stereo". Στην εικόνα 2 παρουσιάζουμε το τυπικό διάγραμμα βαθμίδων μιας γεννήτριας FM-stereo.

Τυπικό διάγραμμα βαθμίδων μίας γεννήτριας FM-Stereo
Εικόνα 2. Το διάγραμμα βαθμίδων μίας γεννήτριας FM-Stereo

Τόσο το αριστερό όσο και το δεξί κανάλι ήχου αρχικά υφίστανται προέμφαση όπως ακριβώς και σε μία μονοφωνική εκπομπή. Στη συνέχεια, τα σήματα του αριστερού και του δεξιού καναλιού προστίθονται και αφαιρούνται για να προκύψουν τα σήματα L+R και L-R, αντίστοιχα. Το σήμα L+R αποτελεί το κύριο κανάλι (μονοφωνικό κανάλι) ενώ το σήμα L-R οδηγείται σε έναν ισοσταθμισμένο διαμορφωτή μαζί με το σήμα 38 KHz της υποφέρουσας για να παραχθεί το υπο-κανάλι. Δεδομένου ότι χρησιμοποιείται ένας ισοσταθμισμένος διαμορφωτής (ιδανικός πολλαπλασιαστής - μίκτης) ο φορέας των 38 KHz καταστέλεται και προκύπτει ένα σήμα DSBSC (διπλής πλευρικής ζώνης με κατεσταλμένο φορέα) για το δευτερεύον κανάλι.

Η υποφέρουσα των 38KHz παράγεται από έναν ταλαντωτή ημιτόνου. Για την παραγωγή του σήματος πιλότου των 19KHz χρησιμοποιείται συνήθως ένας διαιρέτης συχνότητας και το σήμα του πιλότου προκύπτει με διαίρεση δια δύο από τον ταλαντωτή της υποφέρουσας. Τόσο ο πιλότος όσο και η υποφέρουσα είναι αμιγώς ημιτονικά σήματα χωρίς αρμονκές. Σε διαφορετική περίπτωση (αν ο πιλότος και η υποφέρουσα περιέχουν αρμονικές) προκύπτουν παρασιτικές συχνότητες που μπορούν να εμφανιστούν ως θόρυβος στο σύνθετο φάσμα.

Οι τρεις συνιστώσες του στερεοφωνικού σήματος, δηλαδή το κύριο κανάλι, το δευτερεύον κανάλι και το σήμα πιλότου, συνδυάζονται στις κατάλληλες αναλογίες (45%, 45%, 10%) σε έναν πίνακα γραμμικής άθροισης και παράγεται το σύνθετο σήμα FM Stereo. 


Η κατσκευή της γεννήτριας FM–stereo

Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για την κατασκευή μιας γεννήτριας FM Stereo. Η μέθοδος που εμείς προτείνουμε χρησιμοποιεί τόσο ψηφιακές όσο και αναλογικές τεχνικές. Χρησιμοποιούμε Άμεση Ψηφιακή Σύνθεση (DDS) για την παραγωγή της υποφέρουσας και του σήματος πιλότου, έναν αναλογικό ισοσταθμισμένο διαμορφωτή για την παραγωγή του δευτερεύοντος καναλιού και μία αναλογική βαθμίδα άθροισης - αφαίρεσης που βασίζεται σε τελεστικούς ενισχυτές.


Παραγωγή της υποφέρουσας και του σήματος πιλότου

Την εποχή που δεν υπήρχαν κυκλώματα DDS, η παραγωγή δύο συχγρονισμένων αμιγώς ημιτονικών σημάτων στα 38 και στα 19 KHz (υποφέρουσα και πιλότος) ήταν αρκετή δύσκολη. Τότε χρησιμοποιούνταν ένας κρυσταλλικός ταλαντωτής ή ένας ταλαντωτής που βασίζονταν σε κάποιο κεραμικό στοιχείο συντονισμού. Στην αγορά οι κρύσταλλοι των 38KHz είναι γενικά δυσεύρετοι και γι αυτό οι περισσότεροι κατασκευαστές χρησιμοποιούσαν κάποιο κεραμικό στοιχείο συντονισμού (κεραμικό φίλτρο) στα 455-456 KHz. Αυτά τα στοιχεία είναι ευρέως διαθέσιμα λόγω της χρήσης τους σε κυκλώματα ενδιάμεσης συχνότητας σε υπερετερόδυνους δέκτες. Ο ταλαντωτής παρήγαγε ένα σήμα στα 455-456 KHz και στη συνέχεια χρησιμοποιούνταν διαιρέτες (δια 12 και δια 24)  για την παραγωγή των σημάτων 38KHz και 19KHz. Οι διαιρέτες είναι ψηφιακά κυκλώματα με βάση flip-flops και μετρητές modulo-x και παράγουν παλμικά σήματα πλούσια σε αρμονικές αντί για "καθαρά" ημίτονα. Επομένως, χρησιμοποιούνταν στη συνέχεια κάποια φίλτρα για την καταστολή των αρμονικών. Δυστυχώς τα φίλτρα δεν ήταν τέλεια και δεν μπορούσαν να καταστείλουν πλήρως τις αρμονικές και γι αυτό οι πρώτες γεννήτριες FM Stereo ήταν χαμηλής ποιότητας και εμφάνιζαν θόρυβο. Επιπλέον, οι διαιρέτες παρήγαγαν και κάποια μετατόπιση φάσης και έπρεπε να χρησιμοποιηθούν επιπλέον κυκλώματα για τη διόρθωση της διαφοράς φάσης μεταξύ του σήματος πιλότου και της υποφέρουσας. Διαφορετικά (αν δε γινόταν διόρθωση της φάσης), υπήρχαν προβλήματα στην αποδιαμόρφωση στο δέκτη και το στερεοφωνικό σήμα αποδιαμορφώνονταν μερικώς ή και καθόλου. Τα κυκλώματα μετατόπισης φάσης ήταν δύσκολα στην κατασκευή, εισήγαγαν πρόσθετο θόρυβο και χρειαζόταν μικρομετρική ρύθμιση. Οι γεννήτριες που βασίζονταν στην παραπάνω τοπολογία γενικώς ήταν δύσχρηστες και δεν παρήγαγαν καλό διαχωρισμό Stereo.

Μετά την δεκαετία του '90, πολλοί σχεδιαστές προτίμησαν να χρησιμοποιήσουν μια εναλλακτική προσέγγιση για την παραγωγή της υποφέρουσας και του πιλότου. Η προσέγγιση βασιζόταν στην χρήση ενός μικροελεγκτή για την παραγωγή της υποφέρουσας αντί ταλαντωτή. Η υποφέρουσα παράγονταν σαν μία ακολουθία παλμών συχνότητας 38KHz, μέσω λογισμικού, σε κάποιον ακροδέκτη ενός επεξεργαστή. Το σήμα πιλότου στη συνέχεια παραγόταν με διαίρεση δια 2. Η προσέγγιση αυτή έδινε κάποια ευελιξία όσον αφορά την επιλογή του κρυστάλλου αναφοράς αλλά οι μικροελεγκτές και διαιρέτες παράγουν παλμούς (ψηφιακά σήματα) που είναι πλούσιοι σε αρμονικές και επομένως ήταν απαραίτητη η χρήση φίλτρων και κυκλωμάτων μετατόπισης φάσης, με όλα τα αρνητικά συνεπακόλουθα.      

Ευτυχώς τώρα (το 2013) έχουμε την τεχνολογία DDS που επιτρέπει την άμεση ψηφιακή σύνθεση αμιγώς ημιτονικών σημάτων και δίνει απεριόριστο έλεγχο επί της ολίσθησης φάσης και επίσης παρέχει απόλυτη ακρίβεια στη συχνότητα και άψογη σταθερότητα. Η μέθοδος DDS απαιτεί την ύπαρξη ενός κρυσταλλικού ταλαντωτή αναφοράς, η συχνότητά του οποίου δεν απαιτείται να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της συχνότητας της υποφέρουσας και επομένως υπάρχει απόλυτη ευελιξία αναφορικά με την επιλογή του κρυστάλλου αναφοράς. Οι γεννήτριες DDS μπορούν και παράγουν καθαρά ημιτονικά σήματα δίχως αρμονικές και επομένως δεν απαιτούνται ιδιαίτερα κυκλώματα για φιλτράρισμα. Τέλος, υπάρχει ακόμη ένα πλεονέκτημα: Οι γεννήτριες DDS παρέχουν απόλυτο έλεγχο της φάσης στα παραγόμενα σήματα και αυτό είναι πολύ χρήσιμο διότι δεν απαιτούνται κυκλώματα για τη ρύθμιση της διαφοράς φάσης μεταξύ πιλότου και υποφέρουσας. Η ρύθμιση μπορεί να γίνει απολύτως ψηφιακά μέσω λογισμικού και με απόλυτη ακρίβεια.  

Η γεννήτρια DDS

Στον FM Stereo κωδικοποιητή μας χρησιμοποιούμε Direct Digital Synthesis (DDS) για τη παραγωγή της υποφέρουσας και του σήματος του πιλότου. Το πλήρες κύκλωμα της γεννήτριας DDS, σε μορφή pdf, είναι διαθέσιμο στον παρεχόμενο σύνδεσμο.

Αναφερόμενοι στο ηλεκτρονικό σχηματικό, παρατηρούμε ότι η υποφέρουσα των 38KHz και το σήμα του πιλότου των 19KHz παράγονται από δύο ολοκληρωμένα τύπου AD9834. Κάθε AD9834 είναι μία αυτόνομη γεννήτρια DDS και χρησιμοποιείται για να παράγει μια καθαρή ημιτονοειδή κυματομορφή. Οι δύο γεννήτριες DDS διατηρούνται συγχρονισμένες διότι χρησιμοποιούν τον ίδιο ρολόι αναφοράς (ταλαντωτή αναφοράς). Οι γεννήτριες DDS ελέγχονται από ένα μικροελεγκτή PIC18F1220 μέσω σειριακής διασύνδεσης I2C που υλοποιείται μέσω λογισμικού με έλεγχο συγκεκριμένων ακροδεκτών I/O του μικροελεγκτή.

 Η γεννήτρια DDS για την παραγωγή του πιλότου και της υποφέρουσας

Φωτογραφία1. Η γεννήτρια DDS. Η υποφέρουσα και το σήμα πιλότου παράγονται από δύο ολοκληρωμένα τύπου AD9834 που ελέγχονται από έναν μικροελεγκτή PIC18F1220 (στο κέντρο της φωτογραφίας). Τα δύο ολοκληρωμένα DDS είναι συγχρονισμένα διότι χρησιμοποιούν τον ίδιο ταλαντωτή αναφοράς (στην αριστερή άκρη της φωτογραφίας). 

 

O μικροελεγκτής χρησιμοποιείται για την αρχικοποίηση των γεννητριών DDS με την κατάλληλη συχνότητα και αρχική φάση κατά την εκκίνηση τους. Επίσης, χρησιμοποιείται για την απενεργοποίηση ή την ενεργοποίηση έκαστης γεννήτριας σύμφωνα με τις εντολές του χρήση που μπορούν να δοθούν μέσω δύο εξωτερικών διακοπτών (επαφές J1 και J2). Το AD9834 προσφέρει ανάλυση 28bits για τη συχνότητα και 12bits για τον έλεγχο φάσης. Με τη χρήση ενός ρολογιού αναφοράς 10 MHz, επιτυγχάνουμε ακρίβεια στη συχνότητα και στη φάση περίπου 0.037 Hz (10MHz / 2 ^ 28) και 0,09 μοίρες (360/2 ^ 12), αντίστοιχα. Η συχνότητα του ρολογιού αναφοράς έχει επιλεγεί σκόπιμα να είναι αρκετά υψηλή ώστε να μπορεί εύκολα να φιλτραριστεί από τα παραγόμενα σήματα, χρησιμοποιώντας μόνο δύο απλά φίλτρα RC.  

Ο ισοσταθμισμένος διαμορφωτής 

Ένας ισοσταθμισμένος διαμορφωτής είναι στην πραγματικότητα ένας ιδανικός πολλαπλασιαστής (μίκτης). Η σύγχρονη προσέγγιση για την κατασκευή ισοσταθμισμένων διαμορφωτών σε χαμηλές συχνότητες τείνει να είναι η χρήση DSP. Ωστόσο, οι παραδοσιακές αναλογικές τεχνικές εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται λόγω της απλότητας και του χαμηλού κόστους τους.

Εμείς, στη γεννήτρια μας, χρησιμοποιούμε έναν αναλογικό ισοσταθμισμένο διαμορφωτή για τη σύνθεση του δευτερεύοντος καναλιού. Η επιλογή έγινε για λόγους κόστους και απλότητας αλλά δε στερείται διόλου ποιότητας. Ο αναλογικός μας διαμορφωτής πετυχαίνει καταστολή της υποφέρουσας των 38KHz κατά  60db και περισσότερο και εισάγει πολύ λιγότερο θόρυβο σε σχέση με έναν σύγχρονο διαμορφωτή DSP. Η επιλογή χρήσης ενός αναλογικού διαμορφωτή στην κατασκευή μας είναι λογική, δεδομένου ότι το ίδιο το στερεοφωνικό σήμα FM είναι ένα αμιγώς αναλογικό σήμα. Μπορεί να ζούμε στην ψηφιακή εποχή, αλλά εξακολουθούμε να χρησιμοποιούμε το παλιό και καλό αναλογικό FM-stereo.    

Ο ισοσταθμισμένος διαμορφωτής μας, βασίζεται στο γνωστό MC1496,  το οποίο είναι σε θέση να καταστείλει την υποφέρουσα περισσότερο από 60db. Το πλήρες ηλεκτρονικό σχηματικό είναι διαθέσιμο στον παρεχόμενο σύνδεσμο. 


Ο ισοσταθμισμένος διαμορφωτής

 


Φωτογραφία 2. Ο ισοσταθμισμένος διαμορφωτής βασίζεται στο γνωστό MC1496, το οποίο είναι σε θέση να καταστείλει την υποφέρουσα περισσότερο από 60db
 

Η καταστολή του φορέα (φέρουσα) σε έναν ισοσταθμισμένο διαμορφωτή ορίζεται ως ο λόγος του πλάτους έκαστης πλευρικής προς το πλάτος του σήματος του φορέα που εμφανίζονται στην έξοδο του διαμορφωτή. Η καταστολή του φορέα στο MC1496 εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη στάθμη του σήματος του φορέα. Μια χαμηλή στάθμη σήματος έχει ως αποτέλεσμα την μειωμένη απολαβή και την ελλιπή καταστολή του φορέα. Αντιθέτως, μία πολύ υψηλή στάθμη του φορέα, έχει ως αποτέλεσμα την παραμόρφωση και τη μη γραμμική λειτουργία του διαμορφωτή που οδηγεί και πάλι σε ελλιπή καταστολή. Η βέλτιστη στάθμη του φορέα για το MC1496, στην περιοχή συχνοτήτων κάτω από τα 500 kHz, είναι περίπου 60mVrms (170 mVp-p). Η βέλτιστη αυτή στάθμη επιτυγχάνεται με ρύθμιση του ποτενσιομέτρου R47.

Εκτός από την είσοδο της φέρουσας στην οποία εφαρμόζεται το σήμα των 38KHz, υπάρχει και μια ακόμη είσοδος στον ισοσταθμισμένο διαμορφωτή όπου εκεί εφαρμόζεται το σήμα ήχου L-R. Ο ισοσταθμισμένος διαμορφωτής δέχεται τα δύο σήματα κι επιτελεί τον πολλαπλασιασμό της υποφέρουσας με το σήμα L-R στο πεδίο του χρόνου. Ο πολλαπλασιασμός στο πεδίο του χρόνου αντιστοιχεί σε μετατόπιση συχνότητας στο πεδίο της συχνότητας και το σήμα L-R μεταφέρεται σε δύο πλευρικές περιοχές εκατέρωθεν των 38KHz. Αυτή η λειτουργία είναι περισσότερο γνωστή ως μίξη ή μετατόπιση και το προϊόν της μίξης είναι ένα DSB (Double Side Band) σήμα.

Μπορείτε να παρατηρήσετε επίσης ότι υπάρχει ένα απλό φίλτρο RC στην είσοδο της υποφέρουσας. Αυτό το φίλτρο αποτελείται από την αντίσταση R56 και τον πυκνωτή C48 και χρησιμοποιείται για να καταστέλλει τη συχνότητα του ρολογιού αναφοράς (10 ΜHz). Η γεννήτρια DDS παράγει το σήμα της υποφέρουσας χρησιμοποιώντας ένα DAC των 10bit και η συχνότητα του ρολογιού αναφοράς είναι στην πραγματικότητα η συχνότητα δειγματοληψίας του παραγόμενου σήματος. Δεδομένου ότι η συχνότητα του ρολογιού αναφοράς είναι πολύ υψηλότερη από τη συχνότητα της υποφέρουσας, αυτή μπορεί εύκολα να αφαιρεθεί από το σήμα της γεννήτριας DDS με χρήση ενός πολύ απλού χαμηλοπερατού φίλτρου πρώτης τάξης. Το απλό χαμηλοπερατό φίλτρο παράγει αναπόφευκτα κάποια μετατόπιση φάσης, η οποία όμως ακυρώνεται μέσω λογισμικού με κατάλληλη ρύθμιση της φάσης του σήματος του πιλότου.

Ενώ η R47 χρησιμοποιείται για να ρυθμίζει τη στάθμη της υποφέρουσας στην είσοδο του διαμορφωτή, το ποτενσιόμετρο R51 χρησιμοποιείται για να ρυθμίζει το επίπεδο καταστολής της υποφέρουσας. Με κατάλληλη ρύθμιση της R51 μπορεί να επιτευχθεί καταστολή της υποφέρουσας μεγαλύτερη από 60db. Για βέλτιστη απόδοση, ο διαμορφωτής τροφοδοτείται από δύο ανεξάρτητες πηγές τάσης ±12 και -8V, αντίστοιχα. Αυτές είναι οι συνιστώμενες τάσεις τροφοδοσίας που προτείνονται στο φυλλάδιο πληροφοριών του MC1496.

Ο πίνακας άθροισης

Ο πίνακας άθροισης είναι ίσως η πιο κρίσιμη βαθμίδα της γεννήτριας FM-stereo και βασίζεται σε τελεστικούς ενισχυτές. Αυτό το κύκλωμα δέχεται το αριστερό και το δεξί κανάλι του ήχου, τον πιλότο και την έξοδο του διαμορφωτή και εκτελεί τις κατάλληλες προσθέσεις και αφαιρέσεις, προκειμένου να παραχθεί το σύνθετο στερεοφωνικό σήμα FM. Το κύκλωμα επίσης περιλαμβάνει και δύο βαθμίδες προέμφασης για τα δύο κανάλια του ήχου. Η προέμφαση χρησιμοποιείται στην stereo εκπομπή όπως και στην περίπτωση της μονοφωνικής εκπομπής. Κάντε κλικ εδώ για να δείτε το πλήρες ηλεκτρονικό σχηματικό του πίνακα άθροισης.  

Αναφερόμενοι στο ηλεκτρονικό σχηματικό, παρατηρούμε ότι οι τελεστικοί U5A και U5B χρησιμοποιούνται για την προέμφαση του αριστερού και το δεξιού καναλιού του ήχου, αντίστοιχα. Τα στοιχεία U5A, R14-16, R20, R22, C49, C19 και C21 συνθέτουν ένα δικτύωμα προέμφασης για το αριστερό κανάλι και τα στοιχεία U5B, R28-29, R33, R38, R40, C23, C27 και C50 για το δεξί. Κάθε δικτύωμα προέμφασης είναι στην πραγματικότητα ένα υψιπερατό φίλτρο και χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των υψηλών συχνοτήτων του ήχου. Η συχνοτική απόκριση έκαστου δικτυώματος προέμφασης παρουσιάζεται στην εικόνα 3, σε αντιπαραβολή με την θεωρητική (ιδεατή) καμπύλη προέμφασης για μονοφωνική εκπομπή. Η απόκριση του κυκλώματος στις υψηλές συχνότητες διαφέρει σκοπίμως από την ιδεατή καμπύλη προέμφασης που χρησιμοποιείται στις μονοφωνικές εκπομπές, προκειμένου να μην προκαλούνται προβλήματα διαφωνίας του ήχου με το σήμα πιλότου (19KHz) κατά τη στερεοφωνική εκπομπή. 

Στην Ευρώπη, οι ραδιοφωνικοί σταθμοί FM χρησιμοποιούν δικτυώματα προέμφασης με σταθερά χρόνου 50μς ενώ στις ΗΠΑ χρησιμοποιείται προέμφαση 75μs. Η δική μας γεννήτρια χρησιμοποιεί προέμφαση 50μs διότι κατασκευάστηκε για χρήση στην Ευρώπη αλλά είναι πολύ εύκολο να τροποποιηθεί για χρήση στις ΗΠΑ. H αλλαγή της σταθεράς χρόνου από 50 σε 75μs γίνεται πολύ εύκολα, με αντικατάσταση των προτεινόμενων πυκνωτών C17 και C23 με άλλους, χωρητικότητας 2.7nF. 

Απόκριση κυκλώματος προέμφασης 50μs σε αντιπαραβολή με την ιδεατή απόκριση
Εικόνα 3. Η συχνοτική απόκριση των κυκλωμάτων προέμφασης σε αντιπαραβολή με την ιδεατή απόκριση

Η προέμφαση χρησιμοποιείται στην FM ραδιοφωνία σε συνδυασμό με την αποέμφαση για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση του θορύβου στο αποδιαμορφωμένο σήμα. Οι υψηλές συχνότητες του ακουστικού σήματος (σήμα διαμόρφωσης) ενισχύονται πριν εκπεμφθούν (προέμφαση). Στο δέκτη απεναντίας επιτελείται η αντίστροφη διαδικασία (αποέμφαση) και οι υψηλές συχνότητες αποσβένονται κατά το ίδιο ποσοστό που ενισχύθηκαν στον πομπό, για να αποκατασταθεί το ακουστικό φάσμα στα αρχικά του επίπεδα. Το ζεύγος προέμφαση - αποέμφαση συνιστούν μία τεχνική που ονομάζεται γενικώς έμφαση και χρησιμοποιείται σε μεγάλο πλήθος τηλεπικοινωνιακών συστημάτων για την απόσβεση του θορύβου που είναι περισσότερο έντονος στις υψηλές συχνότητες του ακουστικού φάσματος παρά στις χαμηλές. Η συγκεκριμένη συμπεριφορά του θορύβου οφείλεται στη φύση του καναλιού διάδοσης και είναι αναπόφευκτη. 

Το FM κανάλι είναι εγγενώς πολύ θορυβώδες και αυτό καθιστά την έμφαση πολύ σημαντική. Η έμφαση είναι γενικώς πιο κρίσιμη σε μια στερεοφωνική μετάδοση παρά σε μία μονοφωνική. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι  το στερεοφωνικό σήμα FM μεταφέρει μέρος της πληροφορίας του ήχου σε υψηλές συχνότητες που βρίσκονται μεταξύ 22 και 54 KHz και ο θόρυβος τείνει να είναι πιο δυνατός σε αυτές τις υψηλές συχνότητες. Στην πλευρά του δέκτη, η ζώνη 22-54KHz αποδιαμορφώνεται, συνδυάζεται με το βασικό κανάλι και αποκωδικοποιείται σε αριστερό και δεξιό κανάλι ήχου, που σημαίνει ότι ο θόρυβος μετατοπίζεται κάτω, εντός του ηχητικού φάσματος.

Αναφερόμενοι και πάλι στο ηλεκτρονικό σχηματικό του πίνακα άθροισης, παρατηρούμε ότι ο τελεστικός U6A χρησιμοποιείται ως αφαιρέτης και παράγει το σήμα L-R και ο τελεστικός U6B χρησιμοποιείται ως αθροιστής ο οποίος παράγει το σήμα L+R. Ο τελεστικός U7 είναι ο τελικός αθροιστής ο οποίος δέχεται τον πιλοτικό τόνο, το κύριο κανάλι και το υπο-κανάλι και παράγει το σύνθετο σήμα εξόδου. Σε αυτό το τελικό στάδιο έχουμε συμπεριλάβει επίσης μία είσοδο (P8) στην οποία μπορεί να συνδεθεί οποιοδήποτε σήμα SCA ή RDS / RBDS, για να εκπεμφθεί μαζί με το στερεοφωνικό σήμα.

Τα ποτενσιόμετρα R12, R31 και R37 χρησιμοποιούνται για να την επίτευξη της κατάλληλης αναλογίας κατά την άθροιση των τριών συνιστωσών του στερεοφωνικού σήματος. Δηλαδή, ρυθμίζουν τη στάθμη του πιλότου, του δευτερεύοντος καναλιού και το κύριου καναλιού, αντίστοιχα. Η σωστή ρύθμιση αυτών των ποτενσιομέτρων είναι απαραίτητη για την βέλτιστη λειτουργία του κωδικοποιητή stereo. 

Μπορείτε επίσης να παρατηρήσετε ότι η αντίσταση R55 και ο πυκνωτής C47 σχηματίζουν ένα χαμηλοπερατό φίλτρο για το σήμα του πιλότου. Αυτό το φίλτρο χρησιμοποιείται για να εξαλείψει τη συχνότητα του ρολογιού αναφοράς (10 ΜΗz) από το πιλοτικό σήμα. Εκτός από την έξοδο της γεννήτριας που είναι οι επαφές Ρ5, υπάρχουν και δύο άλλες έξοδοι. Αυτές είναι οι επαφές Ρ3 και Ρ6, που χρησιμοποιούνται για να παρέχουν το αριστερό και το δεξί σήμα ήχου, αντίστοιχα, σε εξωτερικούς μετρητές στάθμης (VU-meters).  
 

Προσθέτοντας μετρητές στάθμης (VU meters)

H προσθήκη μετρητών στάθμης (VU-meters) επιβάλλεται προκειμένου να προσδώσουμε επαγγελματική εμφάνιση στη γεννήτρια. Πέρα από αυτό, οι μετρητές είναι απαραίτητοι για την ένδειξη της στάθμης του ακουστικού σήματος σήματος έτσι ώστε να εξασφαλίζουμε μία οπτική αναφορά για το ποσοστό διαμόρφωσης και να αποφεύγουμε τυχόν παραμορφώσεις. Στις εξόδους P3 και P6 μπορεί να συνδεθεί οποιοδήποτε VU-meter. Υπάρχει μόνο ένας περιορισμός: Θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε VU-meters που παρουσιάζουν αρκετά υψηλή αντίσταση εισόδου, διαφορετικά ενδέχεται να "υπερφορτωθούν" τα κυκλώματα του πίνακα άθροισης.  

Στην γεννήτρια που εμείς κατασκευάσαμε, χρησιμοποιούμε ένα Stereo Vu-meter ακριβείας με LED το οποίο συνδέουμε στις εξόδους P3 και P6. Ο συγκεκριμένος στερεοφωνικός μετρητής στάθμης απαιτεί τροφοδοσία +5 V / 800mA. Αυτή η τάση μπορεί να ληφθεί από το κύκλωμα του τροφοδοτικού της γεννήτριας ή από ένα ξεχωριστό τροφοδοτικό. Εμείς χρησιμοποιούμε ένα ξεχωριστό παλμοτροφοδοτικό για να αποφύγουμε ενδεχόμενη υπερθέρμανση στο τροφοδοτικό της γεννήτριας, δεδομένου ότι οι απαιτήσεις ρεύματος του VU-meter είναι σχετικά αυξημένες (τα LED του VU-meter απαιτούν πολύ περισσότερο ρεύμα από αυτό που καταναλώνει συνολικά η γεννήτρια). 
 

Το τροφοδοτικό της γεννήτριας FM-Stereo

Το τροφοδοτικό της γεννήτριας FM-stereo συμπεριλαμβάνεται στην ίδια πλακέτα με τη γεννήτρια. Βασίζεται σε γραμμικούς σταθεροποιητές τάσης 78XX και 79xx. Κάντε κλικ στον παρεχόμενο σύνδεσμο για να δείτε το πλήρες ηλεκτρονικό σχηματικό του τροφοδοτικού . 

Αναφερόμενοι στο ηλεκτρονικό σχηματικό, τα U9, U10, U11 και U12 χρησιμοποιούνται για να παρέχουν +5 V, +12V, -12V και -8V, αντίστοιχα. Το τμήμα της γεννήτριας DDS τροφοδοτείται από +5V μόνο. Ο ισοσταθμισμένος διαμορφωτής χρησιμοποιεί +12 V και -8V και ο πίνακας άθροισης χρησιμοποιεί συμμετρική τροφοδοσία ±12V.

Το U9 μπορεί επίσης να τροφοδοτήσει και το προτεινόμενο VU-meter αλλά όπως εξηγήσαμε και παραπάνω  είναι καλύτερα να χρησιμοποιήσετε ανεξάρτητο τροφοδοτικό για το VU-meter. Ωστόσο, αν αποφασίσετε να τροφοδοτήσετε το μετρητή στάθμης από το U9, θυμηθείτε να χρησιμοποιήσετε μια μεγάλη ψύκτρα.

Το τροφοδοτικό της γεννήτριας FM-stereo συμπεριλαμβάνεται στην ίδια πλακέτα με τη γεννήτρια εκτός από τον μετασχηματιστή. Ο μετασχηματιστής θα πρέπει να συνδεθεί εξωτερικά, μέσω καλωδίων. 
 

Το τυπωμένο κύκλωμα και το πρόγραμμα του μικροελεγκτή

Γεννήτρια FM Stereo - Τελική κατασκευή

Προκειμένου να έιναι έυκολη η συναρμολόγηση της στερεοφωνικής γεννήτριας, έχουμε σχεδιάσει ένα τυπωμένο κύκλωμα στο οποίο μπορούν να κολληθούν όλα τα εξαρτήματα. Οι λεπτομέρειες για την κατασκευή του τυπωμένου καθώς και οι οδηγίες συναρμολόγησης παρέχονται στους παρακάτω συνδέσμους:

Το τυπωμένο κύκλωμα της γεννήτριας FM-Stereo (πρόσβαση κατόπιν πληρωμής / εξαιρούνται χρήστες ειδικών κατηγοριών)

Οδηγός συναρμολόγησης

Το τυπωμένο κύκλωμα είναι διπλής όψης με επιμεταλλωμένες οπές. Ωστόσο, μπορεί να κατασκευαστεί και δίχως επιμεταλλωμένες οπές. Σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει κάποια στοιχεία να κολληθούν και από τις δύο όψεις και ενδεχομένως να χρειαστούν κάποια "συρματάκια" για τα περάσματα από τη μία όψη στην άλλη.

Χρησιμοποιούμε κλασσικά εξαρτήματα με ακροδέκτες (through hole) εξαιρουμένων των ΑD9834, του μικροελεγκτή PIC και του ρολογιού  αναφοράς που είναι τύπου επιφανειακής στήριξης (SMD). Τα SMD εξαρτήματα τοποθετούνται στην κάτω όψη της πλακέτας και όλα τα υπόλοιπα στην άνω.  Όλες οι αντιστάσεις, εκτός από αυτές που χρησιμοποιούνται στον πίνακα άθροισης, είναι τύπου 1/4W, ανοχής 5%. Στον πίνακα άθροισης χρησιμοποιούμε αντιστάσεις μεταλλικού φιλμ του 1/4W και ανοχής 1% και πυκνωτές υψηλής ποιότητας και χαμηλής ανοχής (5%).   

Ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή PIC γίνεται πάνω στην πλακέτα μέσω ενός προγραμματιστή MPLAB ICD 3 ή 2 ή PICKIT-3. Παρακάτω, παρέχουμε το πρόγραμμα σε κώδικα μηχανής (αρχείο hex).

To πρόγραμμα του μικροελεγκτή για τη γεννήτρια FM Stereo (αρχείο hex)

Δεδομένου ότι το τροφοδοτικό συμπεριλαμβάνεται στην πλακέτα, το μόνο που θα χρειαστεί να συνδέσετε εξωτερικά είναι ένας μετασχηματιστής 2x12V / 2A. Για πλήρεις λεπτομέρειες συναρμολόγησης, ανατρέξτε στο σχετικό σχέδιο (οδηγός συναρμολόγησης) και στις φωτογραφίες του πρωτοτύπου.


Βαθμονόμηση της γεννήτριας FM-Stereo

Βαθμονόμηση της γεννήτριας FM-Stereo

Για τη βαθμονόμηση της γεννήτριας FM-Stereo, θα χρειαστείτε έναν παλμογράφο και μία γεννήτρια ακουστικών συχνοτήτων. Η διαδικασία της βαθμονόμησης περιλαμβάνει 5 βήματα όπως παρακάτω:

  1. Ρυθμίστε τη στάθμη της υποφέρουσας στην είσοδο του διαμορφωτή. Συνδέστε τον παλμογράφο στο δρομέα του ποτενσιομέτρου R47. Θα πρέπει να δείτε στην οθόνη του παλμογράφου ένα ημιτονικό σήμα στα 38 KHz. Αυτό το σήμα είναι η υποφέρουσα. Ρυθμίστε την R47, προκειμένου η στάθμη της υποφέρουσας να είναι 160mVp-p, σε σχέση πάντοτε με τη γη.

  2. Επίτευξη βέλτιστης απόσβεσης της υποφέρουσας. Γυρίστε τα ποτενσιόμεταρ R19 και R36 στο μηδέν της κλίμακας (πλήρως αριστερόστροφα). Συνδέστε τον παλμογράφο σε οποιονδήποτε ακροδέκτη του C30 που βρίσκεται στην έξοδο του ισοσταθμισμένου διαμορφωτή. Κανονικά, θα δείτε στον παλμογράφο μία κυματομορφή 38 KHz που είναι η υποφέρουσα. Ρυθμίστε την R51, προκειμένου να μηδενιστεί το σήμα στην οθόνη του παλμογράφου σας (να γίνει 0Vp-p). Αυτός είναι και ο στόχος της ρύθμισης. Στην πράξη, ποτέ δεν θα μηδενιστεί πλήρως το σήμα. Είναι φυσιολογικό να μην επιτύχετε το απόλυτο μηδέν αλλά μερικά μόνο mVp-p (περίπου 5mVp-p ή λιγότερο).  

  3. Συνδυάστε το κύριο κανάλι και το υπο-κανάλι στη σωστή αναλογία. Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο R36 σε πλήρη κλίμακα (πλήρως δεξιόστροφα) και το R19 στο μηδέν (πλήρως αριστερόστροφα). Συνδέστε  τη γεννήτρια ακουστικού σήματος στην είσοδο του δεξιού (R) καναλιού του ήχου και εφαρμόστε ένα σήμα συχνότητας 1 KHz και πλάτους 0.6Vp-p. Βραχυκυκλώστε τις επαφές J2 για να απενεργοποιήσετε τον πιλότο και συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας στον παλμογράφο. Ρυθμίστε τα R37 και R31, προκειμένου να πάρετε ένα σήμα 3Vp-p, όπως αυτό που φαίνεται στην εικόνα 4.  

  4. Ρυθμίστε τη στάθμη του πιλότου. Ρυθμίστε τα ποτενσιόμετρα R19 και R36 στο μηδέν της κλίμακας (πλήρως αριστερόστροφα). Ανοίξτε τις επαφές J2 για να ενεργοποιήσετε τον πιλοτικό τόνο. Συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας με τον παλμογράφο. Θα πρέπει τότε να δείτε στην οθόνη του παλμογράφου ένα ημιτονοειδές σήμα 19 KHz. Ρυθμίστε την R12, έτσι ώστε να λάβετε περίπου 320mVp-p. Με αυτό τον τρόπο θα έχετε ρυθμίσει τον πιλότο για διαμόρφωση 10% επί του μεγίστου που είναι τα 3Vp-p που ρυθμίσατε στο προηγούμενο βήμα.

  5. Ρυθμίστε το μετρητή VU. Εφαρμόστε σήμα 1KHz και πλάτους 0.6Vp-p από τη γεννήτρια ακουστικού σήματος τόσο στο δεξί όσο και στο αριστερό κανάλι. Καθόσον τα R19 και R36 είναι περίπου στο μέσο της κλίμακάς τους, ρυθμίστε τα τρίμερ του VU-meter για να λάβετε ένδειξη 0db τόσο στο δεξί όσο και στο αριστερό κανάλι του VU-meter. Το LED που θα επιλέξετε να αντιπροσωπεύει τα 0db επιφύεται στην προσωπική σας επιλογή. Εμείς προτείνουμε το τέταρτο από το τέλος, αν επιλέξετε να χρησιμοποιοίσετε το VU-meter με LED που σας έχουμε προτείνει παραπάνω.

Ρύθμιση της στάθμης του κύριου και του δευτερεύοντος καναλιού
Εικόνα 4. Σήμα μόνο στο δεξί (R) κανάλι: Χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της στάθμης του κύριου και του δευτερεύοντος καναλιού στη σωστή αναλογία.

Αυτό ήταν, τελειώσατε! Η γεννήτρια FM-Στέρεο είναι τώρα έτοιμη για χρήση. 

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το πώς να ρυθμίσετε τη γεννήτρια FM-Στέρεο, ανατρέξτε στον οδηγό μετρήσεων για γεννήτριες FM-Stereo.

Σχετικά με αυτό το άρθρο

Το παραπάνω διδακτικό άρθρο αποτελεί μέρος σημειώσεων από παραδόσεις μαθημάτων του κ. Γ. Αδαμίδη, σε μαθητές που σπουδάζουν ηλεκτρονικά στη δευτεροβάθμια και στη τριτοβάθμια τεχνική εκπαίδευση. Η γεννήτρια FM-Stereo που περιγράφεται εδώ κατασκευάστηκε με απόλυτη επιτυχία το Γενάρη του 2013 και χρησιμοποιείται σε εμπορικούς ραδιοφωνικούς σταθμούς FM, στο Ηράκλειο της Κρήτης. 

Εάν έχετε κάποιες νέες ιδέες, προτάσεις ή διορθώσεις, παρακαλούμε αναρτήστε τα σχόλια σας ή επικοινωνήστε μαζί μ