V prvním díle jsme si představili koncept a zapojení FM vysílače s I-Q modulátorem. Nyní se podíváme na to, jak vysílač správně nastavit před uvedením do provozu, a jak uvnitř vlastně funguje.

Vyvážení I-Q modulátoru je třeba provést vždy, když se:

• zařízení po sestavení poprvé uvede do chodu
• podstatně změní frekvence oscilátoru nebo úroveň jeho signálu
• i mírně změní napájecí napětí z důvodu použití jiného napájecího zdroje
• použije jiná zvuková karta
• použije jiný oscilátor.

Vyvážení I-Q modulátoru s použitím spektrálního analyzátoru

Před vlastním vyvažováním nastavíme program tak, aby generoval vhodný zkušební signál. Osvědčilo se generovat slabě modulovaný signál na nosné cca 10 kHz. Více poví následující obrázek:

Vyvažování se provádí v poli Calibration.

Potlačení signálu oscilátoru

Mohou nastat dva případy. Buď používáte zapojení pro neupravenou zvukovou kartu, tedy takovou, která nepřenáší stejnosměrnou složku na výstup. V tom případě musí být políčko "DC coupled DAC" nezaškrtnuté a vyvážení s ohledem na potlačení frekvence oscilátoru nelze v programu provést. Dobré potlačení však v tomto případě zajišťuje přímo obvod I-Q modulátoru. Pro upravenou zvukovou kartu, která přenáší stejnosměrnou složku, je naopak nezbytné políčko "DC coupled DAC" zaškrtnout a pomocí hodnot offsetů signál oscilátoru co nejvíce potlačit. Prvotní nastavení by se mělo provést tak, aby stejnosměrné napětí na výstupech zvukové karty bylo 1,7 V. Následně se oběma hodnotami střídavě po malých krocích laboruje tak dlouho, dokud se daří úroveň signálu oscilátoru snižovat.

Potlačení nežádoucího postranního pásma

Následně lze přistoupit ke snižování úrovně nežádoucího postranního pásma, a to střídavým nastavováním prvků "L to R gain ratio" a "L to R phase offset". Bez ohledu na označení L a R samozřejmě v tomto případě pracujeme se signály I a Q. Následující obrázky by měly napovědět více.

Výstupní signál před vyvážením. Je vidět nežádoucí postranní pásmo (vlevo) a signál z oscilátoru (uprostřed) není dostatečně potlačen.

Výstupní signál po vyvážení.

Jako poslední krok nastavte Carrier frequency zpět na 0 Hz (v případě neupravené zvukovky na několik desítek Hz). Tím se všechny zbylé složky "naskládají" doprostřed.

Vyvážení I-Q modulátoru bez spektrálního analyzátoru

Kdekdo by řekl, že bez spektrálního analyzátoru by se do toho nikdo neměl vůbec pouštět. A je na tom kus pravdy. Jenže spektrák nepatří zrovna k běžnému vybavení domácího bastlíře. Výhodu má ten, kdo studuje na nějaké škole elektro obor. Tam něco šikovného obvykle mají a budou jen rádi, když na to mimo výuku nebude sedat prach. A když se k ničemu takovému nedostaneme? Tak nastražte uši. Nejdřív si tedy vysílání nalaďte na přijímači a nastavte program tímto způsobem:

Co jsme tím provedli? Ve vzdálenosti 1500 Hz napravo od kmitočtu oscilátoru bude naše nosná, představující požadované postranní pásmo. Nalevo bude parazitní nosná, představující nežádoucí postranní pásmo. To samozřejmě bez spektráku neuvidíme, ale v přijímači to bude slyšet. Přijímá-li FM přijímač dvě nosné, které jsou jen pár kHz od sebe, bude pískat, a to rozdílem těchto dvou nosných, v našem případě 3 kHz. Nebude to samozřejmě čistý sinus, ale to není podstatné. Cílem je vyvážit I-Q modulátor takovým způsobem, abychom toto pískání neslyšeli. Pak bude jedno z postranních pásem dobře potlačené. Vyvážení provedeme střídavým nastavováním prvků "L to R gain ratio" a "L to R phase offset" v poli Calibration. Ještě připomínám, že během vyvažování je vhodné mít anténní vstup přijímače připojený koaxiálním kabelem na výstup I-Q modulátoru.

Poznámka pro případ použití upravené zvukové karty: Metodu vyvážení bez spektrálního analyzátoru nelze dost dobře použít k nastavení DC offsetů a tedy k potlačení signálu oscilátoru. Znamenalo by to podle sluchu hledat správnou kombinaci nastavení pro čtyři různé ovládací prvky, a tam už si moc neumím představit úspěch. DC offsety je tedy potřeba předem nastavit s pomocí voltmetru tak, aby na dvojici vstupů I-Q modulátoru BBIP a BBIN bylo shodné napětí, to samé i pro dvojici vstupů BBQP a BBQN.

Výstupní signál před vyvážením. Dvě nosné (z nichž jedna je nežádoucí) s blízkou frekvencí a podobnou úrovní způsobují pískání v reprodukci FM přijímače.

Výstupní signál po vyvážení. V přijímači by mělo být slyšet pouze ticho.

Jako poslední krok nastavte Carrier frequency zpět na 0 Hz (v případě neupravené zvukovky na několik desítek Hz).

Princip generování signálů I a Q

Existuje spousta pramenů, které popisují podstatu signálů I-Q. My na to půjdeme jinak a ukážeme si to na tak krásném stroji, jakým je parní lokomotiva. Fakt si tentokrát nedělám legraci.

Základní popis funkce říká něco v tom smyslu, že pohyb pístu se přenáší pomocí mechanických rozvodů na kolo. Pára tlačí na píst střídavě z jedné a z druhé strany, píst se pohybuje sem a tam, kolo se točí a my jedeme. Tak, a co když lokomotiva zastaví zrovna v tak nevhodné pozici, že píst bude přesně v krajní poloze? Vždyť pak už se lokomotiva nebude moci rozjet, při rozjezdu se mechanické rozvody "šprajcnou", a vůbec, na kterou stranu by se vlastně lokomotiva měla rozjet, když píst je v krajní poloze a tlačit na něj tudíž můžeme jen jedním směrem? Jak v takové situaci zvolit směr jízdy?

Jo počkat, on tu vlastně je na opačné straně lokomotivy ještě jeden píst. A co je zajímavé, když je jeden píst v krajní poloze, druhý je uprostřed. Upevnění mechanických rozvodů ke kolům je na jedné straně dvojkolí o čtvrt otáčky jinde než na druhé straně. Čtvrt otáčky, to je 90 stupňů. Písty tedy představují signály I a Q! Ale to znamená, že signály I-Q mají oproti jednoduchému signálu jednu podstatnou vlastnost navíc, a tou je jednoznačnost. Z pohybu jednoho pístu nejsme schopni poznat, na kterou stranu se kolo otáčí, z pohybu dvou pístů, které jsou ve vzájemném, dopředu známém fázovém posunu, to jsme schopni zjistit s naprostou jistotou. Aha, tak proto lze směšovačem na bázi I-Q modulátoru vytvořit jedno postranní pásmo namísto obvyklých dvou.

Použití více pístů a vzájemný fázový posuv tedy u parní lokomotivy umožňuje to, co by s jedním pístem (jedním řídicím signálem) nebylo možné. Plynulý rozjezd z nulových otáček z jakékoli polohy, a reverzace - jednoznačné navolení směru otáčení. Mimochodem, tehdejší konstruktéři by se asi divili, že nejpoužívanější motor v dopravě o 100 let později už tyhle základní věci umět nebude...

Tak a teď budeme frekvenčně modulovat parní lokomotivu, přesněji její dvojkolí. Pro kladnou výchylku modulačního (MPX) signálu budeme otáčet doprava, pro zápornou výchylku doleva. Čím větší výchylka MPX signálu, tím rychleji se kolo daným směrem otáčí. Protíná-li modulační signál nulu, kolo stojí. Z okamžité polohy pístů rovnou odečítáme signály I a Q. Nebudeme daleko od pravdy, když řekneme, že přesně toto leze ze zvukové karty u našeho experimentálního vysílače. Už je to jasné? :)

Všimněte si, jak se pozná rozdíl ve směru otáčení kola, tedy rozdíl mezi kladnou a zápornou frekvencí. Jednou signál I předbíhá Q, jindy je tomu naopak. Pokud bychom chtěli vyšší nosnou frekvenci než nulovou, lze to řešit přičtením stejnosměrné složky k MPX signálu.

Celý proces FM modulace, který jsme si ukázali výše, lze ve zjednodušeném vyjádření zapsat třemi řádky:

p = p + mpx * k

i = sin (p)

q = cos (p)

kde
mpx je aktuální vzorek MPX signálu,
k je konstanta určující "citlivost" FM modulátoru, tedy frekvenční zdvih,
p je fáze v radiánech,
i je aktuální vzorek výstupního signálu I,
q je aktuální vzorek výstupního signálu Q.

Výše uvedené 3 řádky se volají 192tisíckrát za sekundu, tedy dle vzorkovací frekvence.

Takhle to dobře funguje pro nízké modulační frekvence ve vztahu ke vzorkovací frekvenci. Čili řekněme pro monofonní vysílání. V MPX signálu se ale normálně vyskytují frekvence až do skoro 60 kHz (pilot, rozdílový kanál, RDS). Aby to fungovalo pořád dobře, je třeba ještě před modulací provést drobnou korekci MPX signálu pomocí filtru, který vyšší frekvence poněkud potlačí. Charakteristika korekčního filtru kopíruje funkci sin(x)/x. Proč to tak je? Protože vzorky vypočteného MPX signálu se typicky vztahují k aktuálnímu okamžiku, tedy nekonečně úzkému intervalu. Uvedený proces FM modulace ovšem tento nekonečně úzký interval roztáhne na celou vzorkovací periodu. Následkem toho dochází k zesílení vyšších modulačních frekvencí, což je nežádoucí např. z hlediska zachování dobré separace mezi levým a pravým zvukovým kanálem. Velikost korekce je -3,9 dB na polovině vzorkovací frekvence, a spolu s frekvencí klesá až na 0 dB.

Závěr

Pokud nám nechybí patřičné vybavení, dokázali jsme s minimální námahou a minimálním počtem součástek sestavit překvapivě kvalitní FM vysílač, který je v některých parametrech srovnatelný s profesionální vysílací technikou. Většinu práce za nás odvede PC.

A jak dál? Srovnám-li celkový výsledek s vloženým úsilím, pak tento vysílač (z hlediska principu) vychází asi nejlépe ze všech, které jsem kdy měl na stole. Pro praktický provoz by potřeboval několik vylepšení, která už jsme ostatně zmínili: přidat zesilovač výkonu a filtr vyšších harmonických, a fixní krystalový oscilátor nahradit nastavitelným zdrojem nosného kmitočtu. Pořád je sice provoz závislý na PC (který k vysílání obvykle stejně potřebujeme), ale vysílač se stane široce použitelným.

Posledním krokem by mohlo být nahrazení PC nějakým obvodem DSP a D/A převodníkem se symetrickými výstupy, nebo rovnou malým jednodeskovým počítačem s vhodným audio kodekem. Tím by vznikl zcela samostatný a velmi kvalitní FM vysílač.

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