Cílem tohoto příspěvku, který bude z důvodu rozsáhlosti rozdělen do dvou dílů, je představit další z netradičních způsobů generování FM signálu. Netradičních v tom smyslu, že se zcela vyhneme analogovému způsobu FM modulace, nepoužijeme žádné varikapy ani cívky. Modulaci provedeme přímo v PC, budeme mít nad jejími parametry plnou kontrolu, a FM modulovaný signál získáme na výstupu zvukové karty. Následně pomocí jednoduchého zapojení změníme frekvenci nosné z 0 Hz na 100 MHz. Hned v prvním díle si popíšeme funkční experimentální vysílač.

Blokové schéma

Náš vysílač se bude skládat z běžného PC se zvukovou kartou, I-Q modulátoru a oscilátoru s fixním kmitočtem, který určí výslednou vysílací frekvenci. Jak už bylo naznačeno, oscilátor nebude místem, kde provedeme FM modulaci. FM modulovaný signál nám poskytne již výstup zvukové karty. Zvuková karta samozřejmě neumí produkovat signál přímo na vysílací frekvenci, takže použijeme nosnou frekvenci nižší, v našem případě přímo nulovou (0 Hz). Zdá se to nemožné? Nebojte, půjde to. Abychom se s FM modulovaným signálem nakonec dostali na 100 MHz, použijeme I-Q modulátor s připojeným oscilátorem.

Zvuková karta by ideálně měla umět přehrávat při vzorkovací frekvenci 192 kHz. To už dnes umí docela dost zvukovek, včetně některých integrovaných. Je třeba hledat, studovat dokumentaci, případně i samotný obvod audio kodeku. Při nižší vzorkovací frekvenci nelze přenášet stereo ani RDS a je omezen maximální zdvih (a tím i hlasitost vysílání). Plnohodnotné FM vysílání zabírá šířku pásma více než ±100 kHz, takže i se zvukovkou, která umí vzorkovací frekvenci 192 kHz, jsme dost na hraně, šířka pásma je omezena na přibližně ±90 kHz. Kvalita zvuku z hlediska zkreslení a přeslechů mezi levým a pravým kanálem tedy zhruba odpovídá starším autorádiím s mezifrekvenčními filtry 150 nebo 180 kHz. Na druhou stranu je takové omezení šířky pásma extrémně přínosné z hlediska spektrální čistoty vysílaného signálu. Při limitu modulačního výkonu 0 nebo i 3 dBr je tato šířka naprosto dostačující.

Dále tu máme I-Q modulátor. Překvapivě se nejedná o implantát do dutiny lebeční (doufám, že něco takového bude vynalezeno do voleb). Zkratka I-Q v našem případě pochází z anglických výrazů In-phase a Quadrature. Označuje dvě podoby téhož signálu, které jsou vůči sobě fázově posunuté o 90 stupňů. O výhodách a vlastnostech I-Q signálů si řekneme více v příštím díle. Zatím si uvedeme jen několik zajímavostí.

Aby nedošlo k nedorozumění, bylo by vhodnější nazývat I-Q modulátor spíše I-Q směšovačem. Ačkoli z obecného pohledu tento prvek provádí modulaci (typu SSB), fakticky pracuje s již modulovaným signálem, který jen "posadí" na jinou frekvenci. Takže ještě jinak a jasněji: I-Q modulátor neprovádí FM modulaci, tu děláme v PC. Pro naše účely je I-Q modulátor jen trochu lepší směšovač. Trochu lepší proto, že na rozdíl od běžného směšovače produkuje jen jedno postranní pásmo. A to je první klíčová vlastnost. V neposlední řadě, u signálu I-Q jsme schopni rozlišit kladnou a zápornou frekvenci. To je další klíčová vlastnost, dosti související s tou první. Pak není problém generovat FM modulovaný signál s nosnou frekvencí přesně 0 Hz. A to je s ohledem na omezenou šířku pásma zvukové karty naprosto optimální řešení. Výhodné je to i proto, že při nulové nosné se ve finále nežádoucí složky "schovají" přímo pod užitečný signál a neruší nikde okolo. Z hlediska nežádoucího vyzařování má tedy náš vysílač výborné parametry.

Celý digitálně modulovaný FM vysílač vypadá v základním uspořádání takto:

Vlevo je externí zvuková karta, tato je schopná přehrávání vzorkovací frekvencí 192 kHz. Její výstupní signály levého a pravého zvukového kanálu představují signály I a Q. Oscilátor a I-Q modulátor je vpravo dole. K němu je rovnou připojena anténa a už to hraje.

Ovládací software

Na PC musí samozřejmě běžet aplikace, která bude zajišťovat zpracování zvukového signálu i samotný proces FM modulace. Vypadat to může třeba takhle:

Aplikace je volně ke stažení zde: piraiqtx.zip

Tento prográmek z naší dílny umí několik pěkných věcí. Jako zdroj modulace lze použít buď vnitřní generátor sinusového signálu nebo vstup zvukové karty. Pro napojení přímo na přehrávací či odbavovací software lze s úspěchem použít některý z volně dostupných virtuálních audio kabelů (Virtual Audio Cable driver - VAC). Volitelně lze zapnout stereo kodér a RDS kodér. Program zobrazuje všechny běžné vlastnosti vstupního signálu, MPX signálu i modulovaného signálu. Výstup na zvukovou kartu je ve formě signálu I-Q, jeho parametry lze jemně doladit, o čemž ještě bude řeč.

Před prvním použitím je třeba v poli Output Settings vybrat příslušný výstup zvukové karty, který hodláme zneužít pro vytvoření signálů I a Q. Program neprovádí kontrolu, zda zvuková karta podporuje zvolenou vzorkovací frekvenci. V poli Modulation Source se vybere příslušný zdroj modulace. Tlačítkem Start se to celé uvede do chodu. Veškerá nastavení se ukládají automaticky při ukončení programu. Pokud si s tím chcete jen pohrát, stačí vám vlastně jen samotný program. Nic sice neuslyšíte, ale v dolní části lze pozorovat různé průběhy a hodnoty. Program byl vytvořen poměrně narychlo, takže pokud narazíte na nějaký problém, klidně napište komentář.

Provedení vysílače

Experimentální vysílač neobsahuje příliš mnoho součástek a je tudíž proveden metodou "3D" montáže na univerzální desce plošných spojů.

Hlavní součást, I-Q modulátor TRF370417, je umístěna zespodu:

Blokové schéma obvodu TRF370417 je na následujícím obrázku:

Takhle to vypadá celkem jednoduše. Do vstupu LO je třeba zavést signál s kmitočtem nosné vlny ze stabilního oscilátoru. Obvod si z tohoto signálu vyrobí dva signály o stejné frekvenci, ale s fází vzájemně posunutou o 90 stupňů. Každý z těchto signálů jde do samostatného směšovače, kde se analogově násobí se vstupním signálem I, resp. Q. Výstupy obou směšovačů se sečtou, zesílí a hurá do antény.

Všechny vstupy jsou vyvedeny jako symetrické (neinvertující P a invertující N). Pro základní funkci stačí zapojit vždy jen jeden z nich. V případě vstupů I a Q však musí být přivedeno stejnosměrné předpětí na všechny vstupy. Toto napětí je dle doporučení výrobce 1,7 V.

Funkci obvodu není třeba nějak podrobně zkoumat, protože stačí vycházet ze schématu zapojení a dále uvedených instrukcí. Několik nástrah tu však přece jen číhá. Už jste si asi všimli, že obvod je v titěrném pouzdru QFN, navíc ještě s nutností připájet i spodní zemní plochu (exposed pad) kvůli chlazení a vf uzemnění. To se dá celkem dobře zvládnout, pokud spolu s obvodem zakoupíte i univerzální prokovenou desku pro pouzdro QFN24. Další podmínkou je horkovzdušná páječka. Používám postup, kdy všechny pájecí plochy na desce rovnoměrně pocínuji klasickou páječkou. Umístím obvod tak, aby vývody přesně seděly na pájecích plochách. Připnu to dřevěným kolíčkem na prádlo, mezi jeho čelist a samotný obvod umístím něco kovového (krátký distanční sloupek), aby byl k obvodu lepší přístup a aby kolíček příliš rychle nezuhelnatěl pod horkým vzduchem. Pak na to foukám při teplotě asi 320 °C tak dlouho, dokud si obvod viditelně "nesedne" přímo na desku. Může se stát, že některý vývod zůstane nepropojený nebo se propojí to, co nemá. Proto se vytlačený cín kolem obvodu odstraní páječkou a odsávací licnou, případně se na vývody nanese cín a jeho přebytky či zkraty se též odsají. Ač se to nezdá, při správné přípravě je připájení pouzdra QFN poměrně rychlé a snadné. Nepoužívejte trafopáječku a dávejte pozor na elektrostatický výboj, obvod je dost choulostivý.

Další problém je cena obvodu. U Farnella za pětistovku. Ano, bohužel. Ani jinde není levnější. Zde žádná rada neexistuje. Když to vezmeme z jiného konce, mít za tu cenu digitálně modulovaný FM vysílač není zas takové peklo.

Třetí nevýhoda je poměrně značný napájecí proud. Obvod žere asi 200 mA při 5 V. To je 1 W ztrátového výkonu. Pokud stavíme vysílač s výkonem 10 W nebo více, tak je to asi jedno. Pro nějaké úsporné mobilní zařízení to ale není. Důvodem značné spotřeby je skutečnost, že obvod umí pracovat až do 6 GHz, a pokud se i při tak vysoké frekvenci má chovat lineárně a má odevzdat nějaký výkon, tak to prostě nejde jinak než to krmit pořádným proudem.

Když se podíváme na nabídku výrobců součástek, tak toho moc na výběr není. Dnes se už skoro nedělají vf obvody pro relativně nízké frekvence několika stovek MHz. Za vyzkoušení by určitě stál ještě obvod LTC5599, ten má velmi příznivou spotřebu (30 mA) a je o něco levnější (300 Kč), na druhou stranu vyžaduje nastavení přes datovou SPI sběrnici, takže pro potenciální finální vysílač dobrá volba, pro experimentování ovšem zbytečný opruz.

Schéma zapojení

K popisovanému vysílači byla navržena dvě schémata zapojení. První z nich je určeno pro běžnou (neupravenou) zvukovou kartu. Běžná zvukovka totiž nepřenáší stejnosměrnou složku z DA převodníku na výstup. Vždy je tam v cestě nějaký kondenzátor, takže nejnižší přenášená frekvence je většinou kolem 20 Hz (dle typu). Tato skutečnost v sobě skrývá určitou nepříjemnost, protože pro okamžitou frekvenci nosné v rozsahu -20 až 20 Hz, tedy ve chvílích bez modulace, kdy není přítomen zvukový signál, nám nosná prostě "vypadne". Jakmile je nosná v uvedeném rozsahu, signál mizí. V rámci experimentování to tolik nevadí. V programu se prostě frekvence nosné namísto 0 Hz nastaví třeba na 30 Hz a je vymalováno. Při běžném poslechu pak není ten propad příliš patrný.

Schéma zapojení pro běžnou (neupravenou) zvukovou kartu.

Pro skutečně plnohodnotný zážitek je vhodné zvukovou kartu upravit tak, aby od DA převodníku na výstup nebyl v cestě žádný oddělovací kondenzátor. U výše zobrazené externí zvukové karty stačilo zkratovat vývody čtyř elektrolytických kondenzátorů za DA převodníkem. Protože převodník má symetrický výstup a pak je tam nějaký operační zesilovač, stejnosměrná složka se na něm v klidovém stavu odečte a na výstupu je 0 V jako před úpravou. Úprava tudíž v tomto případě neznamená žádné omezení v použití zvukovky. U "obyčejných" zvukovek, které uvnitř nemají zdroj záporného napětí pro výstupní zesilovač, však po takové úpravě bude v klidovém stavu na výstupu polovina napájecího napětí, tedy patrně 2,5 V. Pro náš vysílač to žádná nepříjemnost není, však my tam nějaké stejnosměrné napětí potřebujeme a jeho hodnotu si nastavíme v programu (to si povíme příště), pro jiné aplikace to ale může být problém.

Schéma zapojení pro upravenou zvukovou kartu, která přenáší z DA převodníku na výstup i stejnosměrnou složku. Její přesnou hodnotu, a tím i dokonalé vyvážení I-Q modulátoru, lze nastavit v ovládacím programu.

V zapojení je použit krystalový oscilátor (SPXO) jako zdroj kmitočtu nosné, v tomto případě konkrétně typ O100M000000L010 od Farnella. Je to z důvodu jednoduchosti. Experimentální vysílač tedy nelze přeladit, jeho vysílací frekvence je daná výstupní frekvencí oscilátoru, která je nejčastěji 100 MHz (výjimečně se dá sehnat i jiná, v rozsahu 87,5 až 108 MHz). Ve finálním vysílači by bylo potřeba tento oscilátor nahradit nejlépe obvodem generátoru taktovací frekvence s malou hodnotou jitteru. Takové obvody se hojně používají ve výpočetní technice. Zapojení takového obvodu je triviální, ale už je potřeba tam po datové sběrnici poslat požadovanou vysílací frekvenci. Další možnost je vzít jiný FM vysílač a jeho signál (bez modulace) zavést do I-Q modulátoru. Doporučený výkon do vstupu LOP je 4 dBm, tedy zhruba 2 mW.

Vzhledem k tomu, že krystalový oscilátor či jakýkoli jiný zdroj nosného kmitočtu vyzařuje ze zapojení do okolí, je vždy třeba umístit přijímač do větší vzdálenosti nebo jeho anténní vstup propojit koaxiálním kabelem přímo s výstupem z I-Q modulátoru. Jinak může člověk narazit na problém, proč to nehraje, ačkoli je vše v pořádku - ale modulovaný a nemodulovaný signál se vzájemně překrývají.

Bod s označením "1.7 V" slouží pouze pro kontrolu. Stejnosměrné napětí v tomto místě by mělo mít uvedenou hodnotu.

Kondenzátory 10p a 1n je třeba umístit co nejblíže vývodům napájení obvodu TRF370417. Tyto kondenzátory musí být v provedení SMD.

Ačkoli ve schématu není zakreslen stabilizátor napětí, lze vřele doporučit použití stabilizátoru 7805 umístěného přímo na desce vysílače.

Jak to hraje

Pro monofonní vysílání jsou nároky mnohem menší než pro vysílání stereofonní. To asi není novinka. V tomto případě to znamená, že monofonní vysílání lze smysluplně realizovat i při vzorkovací frekvenci menší než 192 kHz a při ne zcela vyváženém I-Q modulátoru. Mono prostě hraje bez problémů, a stále se všemi výhodami digitální modulace, což jsou zejména dokonalé basy a alespoň rámcový přehled nad technickými parametry modulace.

Stereo je trochu tvrdší oříšek. Úspěch spočívá v perfektním vyvážení I-Q modulátoru, jinak jsou na pozadí slyšet různé pazvuky a rušení. Smyslem vyvážení je eliminace fixní frekvence oscilátoru ve výstupním signálu a co nejlepší potlačení druhého, nežádoucího postranního pásma (též známého jako "zrcadlové"). Frekvence oscilátoru se potlačí správným nastavením stejnosměrného předpětí na vstupech I a Q. Nežádoucí postranní pásmo se potlačí nastavením fázového posuvu mezi kanály I a Q a nastavením poměru napětí v těchto kanálech. Ačkoli by I-Q modulátor jako integrovaný obvod měl být vyvážen již z fabriky, nic není dokonalé a namísto ponechání standardních hodnot je lepší si s vyvážením pohrát. V příštím díle si to ukážeme názorně.

Výstupní spektrum potom nevypadá vůbec špatně:

Kromě vyšších harmonických není ve výstupním spektru nic.
Sranda je, že oproti zvyklostem není na vyšších harmonických větší zdvih, tyto harmonické tedy negeneruje obvod TRF370417, ale pocházejí z krystalového oscilátoru (SPXO).

Šířka pásma zabraná běžným vysíláním nepřekračuje 240 kHz pro pokles 70 dB. To by hravě prošlo všemi normami.

Výstupní výkon se během experimentů nacházel v rozsahu 0,2 až 0,5 mW. S ohledem na odstup od nežádoucích složek jej nelze významně snížit a s ohledem na linearitu jej nelze ani příliš zvýšit (lze však samozřejmě zapojit zesilovací stupně o libovolném výstupním výkonu). Jako zajímavost lze uvést, že výstupní výkon vysílače se ovládá nastavením hlasitosti výstupu zvukové karty. Též i ovládacím prvkem "Output swing" přímo v programu. Na výstupech zvukové karty by rozkmit signálů neměl přesahovat 400 mVpp, což lze zkontrolovat osciloskopem.

V příštím díle se také podíváme, jak pomocí ovládacího programu vyvážit I-Q modulátor, což je nutná podmínka bezproblémového provozu a kvalitního zvuku. Předesílám, že spektrální analyzátor je velká výhoda, ale jde to i bez něho, jen to není tak komfortní.

Všechny články:

FM vysílač s I-Q modulátorem: 1. díl - PC jako digitální FM modulátor
FM vysílač s I-Q modulátorem: 2. díl - Vyvážení I-Q modulátoru, princip funkce, závěr