Jak funguje přijímač?

Original page: http://www.ericbrasseur.org/receiv.html

Eric Brasseur

Jak se rozhlasovým přijímačům podaří komunikovat na velké vzdálenosti? Zde je popis použitého základního mechanismu. Princip přijímače je stejný bez ohledu na způsob komunikace; rádiové vlny, zvukové vlny, optické komunikace… Je to udes, když je signál přijímače velmi slabý nebo když je potřeba velmi vysoká spolehlivost.

  1. Úvod
  2. Poměr signál/šum
  3. Integrace
  4. Přesnost hodin
  5. Šířka pásma
  6. Útlum akumulátoru
  7. Super-heterodynní přijímač
  8. Běžné způsoby, jak zlepšit komunikaci
  9. Praktický příklad softwaru

 

1. Úvod

Předpokládejme, že mám malé zařízení schopné vydávat zvukový signál. Je to jen malá krabička, s reproduktorem a vypínačem. Po zapnutí přepínače zařízení vydává nepřetržitý zvukový signál. Když vypnete vypínač, zařízení ztichne. Toto zařízení je emitorem.

Za druhé, předpokládejme, že mám další malé zařízení schopné slyšet zvukový signál. Je to také malá krabička s mikrofonem a lampou. Když mikrofon uslyší zvukový signál, kontrolka svítí. Pokud mikrofon nezazní zvukový signál, kontrolka zůstane tmavá. Toto zařízení je přijímač.

Můžete hrát s těmito dvěma malými zařízeními, jak chcete:

Když zapnete emitorový spínač, začne svítit lampa přijímače. Když vypnete vypínač emitoru, lampa přijímače ztmavne. A tak dále.

Pokud byl přijímač postaven základním způsobem, bude vzdálenost, po kterou komunikace funguje, několik metrů nebo několik desítek metrů:

Pokud dáte přijímač, řekněte 50 metrů od emitoru, pak už nebude komunikace. Když zapnete spínač emitoru, lampa přijímače nezačne svítit. Zůstane temná.

Pokud ale postavíte přijímač na velkou vzdálenost, může být vzdálenost mnohem větší než 50 metrů:

Předpokládejme, že jste v hlučném městě. Umístil jste emitor někam a pak odešel. Ve vzdálenosti několika desítek metrů už vaše uši neslyší zvuk vysílače. Ale po 1 kilometru odjíždí dálkový přijímač stále slyší zvuk vysílače. Je úžasné, že komunikace funguje: když je přepínač emitoru stlačen; lampa přijímače začne svítit. A když je spínač vysílače vypnut, lampa přijímače ztmavne. Na 1 kilometr! To je kouzlo.

Má pouze jednu nevýhodu: komunikace je nyní poměrně pomalá. Když je spínač emitoru zatažen, musíte počkat 1 minutu, než začne svítit lampa přijímače. A když vypnete vypínač emitoru, musíte znovu počkat 1 minutu, než lampa přijímače ztmavne.

Díky této technologii je možná komunikace s kosmickými sondami vycházejícími mimo sluneční soustavu.

Naším cílem je nyní vysvětlit, jak tento malý zázrak funguje.

 

2. Poměr signál/šum

Předpokládejme, že vezmeme mikrofon a připojíme jej k osciloskopu vhodně naladěnému. (Pokud nemáte po ruce osciloskop, můžete použít počítač se zvukovou kartou a program pro záznam zvuku).

Emitor je umístěn několik centimetrů od mikrofonu.

Když je emitor vypnutý, osciloskop zobrazí přímku, žádný signál:

Když je emitor zapnutý, osciloskop ukáže sinusovou vlnu:

Takže neslyšící osoba bude schopna říct, kdy je emitor zapnutý nebo vypnutý. Pouhým pohledem na obrazovku osciloskopu.

Předpokládejme, že nyní umístíme emitor dvakrát z mikrofonu.

Když je emitor zapnutý, signál zobrazený osciloskopem bude dvakrát slabší:

Abychom stále jasně viděli signál, zvýšíme zesílení osciloskopu tak, aby znovu ukazovalo sinusovou vlnu ve správné velikosti:

Žádný problém. Čím více dáme emitor dále od mikrofonu, tím více žádáme osciloskop k zesílení signálu. Tímto způsobem signál zůstává jasně viditelný, bez ohledu na vzdálenost.

Ve skutečnosti to není pravda. Jakmile umístíme emitor, řekněme 5 metrů od mikrofonu a zesílení se stalo relativně důležitým, vidíme, jak se šum objevuje:

To je to, co ukazuje osciloskop, když je emitor vypnutý:

A to je to, co ukazuje, když je emitor zapnutý:

Emitor může být zapnutý nebo vypnutý, to nijak nezmění. Hluk zůstává stejný. Když je emitor zapnutý, sinusová vlna se jednoduše přidá k hluku.

Hluk je něco, čemu se nelze vyhnout. Ať už měříte cokoli, pokud to dostatečně zesílíte, dostanete vždy hluk. Ve skutečnosti to bylo od začátku, ale bylo to tak slabé, že jsme si toho nevšimli. Jakmile se to dostatečně zesílilo, stalo se to viditelným.

Vraťme emitor znovu dvakrát. Musíme zvýšit dvojnásobek zesílení. Nyní má šum stejnou amplitudu jako sinusová vlna:

Od této chvíle, kdy dáme emitor dále, už nebudeme zvyšovat amplifikaci. Protože šum vyplňuje obrazovku osciloskopu. Jakékoli zvýšení zesílení by bylo zbytečné: jednoduše by to vedlo k tomu, že by šum šel mimo hranice obrazovky osciloskopu.

To se objeví, když dáme emitor 10 metrů daleko:


To se objevuje, když dáme emitor 20 metrů daleko:


A to se objeví, když dáme emitor 40 metrů daleko:

 

Už nemůžeme vidět sinusovou vlnu. (Možná budete mít dojem, že uvidíte kousky sinusové vlny, ale je to jen iluze.)

Emitor může být zapnutý nebo vypnutý, osciloskop ukáže přesně to samé: šum.

Náš systém tedy již ve vzdálenosti 40 metrů nefunguje. Neslyšící osoba již nemůže osciloskopem říci, zda je emitor zapnutý nebo vypnutý.

Klíčem je intenzita signálu versus intenzita šumu. Proto používáme koncept poměru signál/šum.

Poměr signál/šum je číslo. Toto číslo získáte vydělením čísla míry intenzity signálu číslem míry intenzity šumu.

Příklady:

Když byl emitor ve vzdálenosti 5 metrů, intenzita signálu byla 1 a intenzita šumu byla 0,5. Poměr signál/šum byl tedy 2.

Když byl emitor ve vzdálenosti 10 metrů, intenzita signálu byla 1 a intenzita šumu byla 1. Poměr signál/šum byl tedy 1.

Když byl emitor ve vzdálenosti 40 metrů, intenzita signálu byla 0,25 a intenzita šumu byla 1. Poměr signál/šum byl tedy 0,25.

Když je emitor velmi blízko mikrofonu, je intenzita signálu 1 a intenzita šumu je určitě menší než 0,01. Poměr signál/šum je tedy větší než 100.

Můžeme říci toto:

  • Když je poměr signál/šum 1, signál je jasně rušen šumem, ale je stále viditelný.
  • Pokud je poměr signál/šum mnohem větší než 1, signál je velmi jasný, prakticky neexistuje žádný šum.
  • Pokud je poměr signál/šum mnohem menší než 1, je signál hlukem zcela skryt.

 

3. Integrace

Otázka tedy zní: Jaký je trik k určení přítomnosti signálu, když je poměr signál/šum mnohem menší než 1?

Odpověď: Musíte rozřezat, co obdržíte, na přesné kousky a vytvořit součet těchto kusů.

Takhle:

Použijme to, co jsme dostali, když poměr signál/šum byl 1. Měli jsme 4 periody sinusové vlny.


Odřízli jsme tyto 4 periody od sebe:


Pak jsme je dali jeden nad druhého a vydělali je:


Nakonec vydělíme čtyřem výsledkem této částky (jen proto, abychom ji upravili):


Jak vidíte, hluk je nyní dvakrát slabší. (Porovnejte s kterýmkoli ze čtyř období, které jsme sčítali.)

Zvýšili jsme poměr signál/šum o dva!

Jak přichází?

Zde je vysvětlení:

Když uděláte součet čtyř sinusových period, výsledkem je sinusová perioda čtyřikrát větší.


Je to proto, že když vynásobíte součet n přesných čísel, získáte výsledek, který je přesně nkrát větší.

 

 7 +  7 +  7 +  7 =  28

-5 + -5 + -5 + -5 = -20

Když uděláte součet čtyř period šumu, výsledek je pouze dvakrát větší.


Je to proto, že hluk je někdy pozitivní, někdy negativní, náhodně. Když přidáte náhodná kladná a záporná čísla dohromady, navzájem se „jedí“.

 

8 +  3 + -5 + -10 = -6
1 + -5 + 11 +  -8 = -1

Součet n sinusových period amplitudy a je sinusový interval amplitudy n . a

Součet n šumových “period” amplitudy a je šumová “perioda” amplitudy n . a.

Když jsme tedy sčítali čtyři období, sinusová vlna rostla čtyřikrát, ale hluk rostl pouze dvakrát. Poměr signál/šum byl tedy zvýšen o dva.

Když uděláme součet n period, poměr signál/šum se zvýší o faktor n.

Součet období je velmi důležitým objektem. Protože nám říká, zda byla sinusová vlna, nebo jestli tam nebyla. To nám například umožňuje přenášet morseový kód. Zde jsou výsledky 27 následných výsledků součtů vypočtených příjemcem:

nepřítomný nepřítomný nepřítomný nepřítomný nepřítomný nepřítomný nepřítomný tam nepřítomný nepřítomný nepřítomný nepřítomný nepřítomný nepřítomný nepřítomný nepřítomný

Přepsáno s větší čitelností, mezerou pro chybějící a podtržítko tam, to nám dává toto:

 _ _ _  __ __ __  _ _ _

Je to morseový kód pro S.O.S.

Stejným způsobem můžete přenášet moderní digitální kód.

Kosmická sonda Galileo je momentálně na oběžné dráze kolem planety Jupiter. Rádiový signál, který jsme dostali od sondy, byl rozdělen na jednu miliardu period každou desetinu sekundy. Všechna tato období jsou pečlivě sečtena, aby se vytvořil informační tok 10 bitů za sekundu. Tím se vytvoří jeden textový znak za sekundu. Sonda po znaku, slovo po slově, větě po větě, sonda předala popis toho, co viděla nebo změřila.

Intenzivnější sinusová vlna měří propracovanější systémy. Pokaždé, když se vypočítá součet, změří se velikost sinusové vlny a tato míra se přenese na cokoli. AM přijímače s dlouhými vlnami a krátkými vlnami, které můžete naslouchat v jakémkoli obchodě, fungují tímto způsobem. Vypočítáním několika tisíc částek za sekundu a odesláním výsledku do reproduktoru způsobí, že tento reproduktor reprodukuje určitý zvuk, hlas nebo hudbu.

Nyní můžete přestat číst tento text, pokud chcete, zbytek jsou technické detaily.

 

4. Přesnost hodin

Když je sinusová vlna v signálu viditelná, není obtížné vědět, kde snížit signál, aby se získala další perioda.

Několik období může být dokonce skrytých hlukem, stále víte, kde je třeba řezat pouhým pohledem na polohu ostatních období v jejich blízkosti. (To dělá PLL.)

Ale co když je sinusová vlna hlukem zcela skrytá? Kam bychom měli řezat?

Existuje pouze jedno řešení: spolehněte se na hodiny.

Pokud víme, že jedno období trvá miliontinu sekundy, uděláme hodiny, aby každé miliontiny sekundy udělali tik. Pokaždé, když uslyšíme klíště, slepě vyřízneme periodu z přijatého signálu. A když jsme nashromáždili dostatek období, jejich součet nám řekne, že uvnitř šumu byla nebo nebyla skrytá sinusová vlna.

OK. Ale ty hodiny musí mít určitou přesnost. Vezměme například následující signál:


Pokud hodiny běží perfektně, dostaneme následujících šestnáct úhledných kusů:


Pokud ale hodiny běží o 5% příliš rychle a periody se tak zkrátí pokaždé o 5% dříve, dostaneme to:


Porovnejte první období a desáté. Jsou si navzájem opakem. Pokud je vynásobíte, dostanete jako výsledek nulu. Součet všech období ve skutečnosti dá, možná ne přesně nulu, ale v každém případě něco velmi malého. Uvidíme, jak se vynoří krásné sinusové období.

Čím více období chceme snížit a shrnout, tím přesnější budou hodiny.

Pokud chceme sčítat stovky period, potřebujeme hodiny s přesností lepší než stotina. (To znamená, že po dalších 100 vteřinách se odchyluje méně než vteřina.)

Pozor: hovořili jsme o přesnosti hodin používaných přijímačem. Hodiny emitoru musí mít stejnou přesnost. Nepomohlo by to, aby přijímač přesně přerušil signál v periodě, pokud je signál vyslaný emitorem nespolehlivý. Obě hodiny musí být přesné.

 

5. Šířka pásma

Představte si, že máme přijímač, který vydělává částky, řekněme, 1000 period.

A rozhlasová frekvence, kterou má slyšet, je 10 000 000 Hz (10 MHz). To znamená, že každou sekundu se vypočítá 10 000 částek.

Bude dokonale slyšet emitor emitující při 10 000 000 Hz. Samozřejmě.

Uslyší také emitor emitující při 10,002 000 Hz. Téměř dokonale.

Ale il nebude slyšet emitor emitující při 10 500 000 Hz. Ze zřejmého důvodu uvedeného v kapitole 4. (Ve skutečnosti to může slyšet, pokud vysílá velmi silný signál, ale o tom nepřemýšlejte.)

Takže emitor při 10 500 000 Hz nebude rušit náš přijímač pracující při 10 000 000 Hz.

Můžeme tedy použít druhý přijímač přijímající při 10 500 000 Hz, abychom slyšeli tento emitor při 10 500 000 Hz.

Tento přijímač při 10 500 000 Hz nebude emitorem rušen při 10 000 000 Hz.

To je nádherné. Každý emitor přijímá signál emitovaný emitorem pomocí stejné frekvence, ale není rušen jiným emitorem využívajícím jinou frekvenci.

V případě, že přijímač může být naladěn, že bude moci vybrat, ke kterému emitor naslouchá. To může být naladěn k poslechu vysílače emitující na 10.000.000 Hz nebo poslouchat vysílače emitující při 10,500,000 Hz. Nebo jakékoliv jiné frekvenci. Je to jen otázka taktovací frekvenci.

Pracujeme na asi 10 MHz a my 10.000 částky za sekundu. Máme schopnost používat více frekvencí současně umožnit různé vysílače a přijímače pracovat na stejném místě bez rušivých navzájem. Ale pokud budeme používat frekvence mezi 9 MHz a 11 MHz, kolik odlišný párů přijímačů ans zářičů bude moci pracovat současně?

Odpověď závisí na několika věcech. Obvykle se vezme rozdíl ve frekvenci desetinásobku přenosové rychlosti. Přenášíme 10 000 informací za sekundu, takže se budeme spoléhat na rozdíl 100 000 Hz mezi každým párem emitor-přijímač. Takto: 9 000 000 Hz, 9 100 000 Hz, 9 200 000 Hz… až 11 000 000 Hz, díky čemuž spolu 20 emitorů a přijímačů spolu mluví, aniž by se navzájem rušily.

10 000 je šířka pásma. Je to počet elementů základních informací, které jsou přenášeny každou sekundu. To znamená, kolikrát za sekundu vypočítáte součet obdržených období.

Čím větší je šířka pásma,

  • čím více elementárních informací přenášíte každou sekundu.
  • čím méně jsou tyto informace přenášeny. Protože k tomu, abyste vydělali jednu částku, používáte méně období.
  • čím méně emitorů může spolupracovat uvnitř určitého frekvenčního okna.
  • čím méně přesné hodiny musí být uvnitř emitoru a přijímače. (Může se to zdát paradoxní, ale televizní modulátory VHF se vyrábějí snadněji než zvukové modulátory FM. Televizní obraz potřebuje k přenosu 20 milionů elementárních informací (jeden obrázek je vyroben ze 480 000 pixelů (600 řádků x 800 sloupců) a 25 obrázků musí být audio signál, naopak, potřebuje každou sekundu přenášet pouze 40 tisíc elementárních informací. Audio signál vyžaduje mnohem méně informací za sekundu! Jeden tedy umístí na dané frekvenční okno mnohem více zvukových kanálů. než televizní kanály, a proto je pro zvukové signály potřeba daleko přesnější hodiny.)

Tato metoda, která umožňuje vysílání několika emitorů současně, se nazývá „multiplexování frekvence“. Není to jediný. Dalším je „multiplexování času“: všichni emitory používají stejnou frekvenci (nebo vůbec nepoužívají žádnou frekvenci), ale doba emise je mezi nimi sdílena. Každý jeho tah. Tyto dvě metody mají své výhody a nevýhody, které z nich je pro danou aplikaci zvoleno, je věcí technické volby.

 

6. Útlum akumulátoru

Popis, který je uveden výše u přijímače, je dobrý, ale trochu teoretický. Ve skutečnosti běžné přijímače nefungují přesně tak.

Metodu, kterou jsme popsali, lze shrnout takto:

Na začátku série period je akumulátor nastaven na null. Poté se každé přijaté období přidá do akumulátoru. Byla přijata a přidána jedna perioda, nahlíží se na obsah akumulátoru. Pokud nakreslí sinusovou periodu, uvedeme, že signál byl zapnutý. Pokud to vydává čistý hluk, konstatujeme, že nebyl žádný signál. (Nebo změříme velikost sinus.)

Nejběžněji používanou metodou je tato metoda:

Akumulátor není nikdy nastaven na null. Každé přijaté období se k němu přidá, pak se obsah akumulátoru trochu zmenší (řekněme se násobí 0,999). Obsah akumulátoru je sledován nepřetržitě. Pokud nakreslí sinusovou periodu, prohlásíme, že signál je zapnutý. Pokud to vyzařuje čistý hluk nebo příliš malou sínusovou periodu, konstatujeme, že není signál. (Nebo změříme velikost sinus.)

Tato druhá metoda je méně matematicky správná, ale je fyzicky realističtější, plynulejší a snáze se používá.

První metoda má tři praktické nevýhody:

První metoda Druhá metoda
Vyžaduje dokonalé vzpomínky, které nejsou narušeny po n periodách. To lze provést pouze pomocí digitálních pamětí nebo se zpožděnými linkami. Vyžaduje pouze jednoduché součásti, jako je kytarová struna, ladička nebo kondenzátor a vlastní zařízení.
Když se podíváte na to, jak jsou přijímány frekvence odlišné od perfektní frekvence, získáte nepravidelné výsledky: frekvence mírně odlišná nebude vůbec přijata, ale trochu další km dále od perfektní frekvence bude uslyšeno trochu. Získáte plynulé chování: čím dál od dokonalé frekvence, tím méně je přijímáno.
Musíte vědět, kdy začíná řada period (pro digitální přenosy) a kdy končí. To vyžaduje obvody nebo algoritmy, aby bylo možné přijímač fázovat emitorem. Protože se na akumulátor dívá nepřetržitě, nemusíte se synchronizovat s emitorem.

První metoda byla charakterizována počtem n sčítaných period. Vše záleží na čísle n. Možná se divíte, co charakterizuje druhou metodu. Odpověď: číslo, o které se obsah akumulátoru při každém přidávání periody znásobuje. To je 0,999 v našem příkladu výše.

Nyní se podívejme na některé praktické aspekty této druhé metody:

Jednoduché elektronické přijímače, které používají základní obvod LC jako své srdce, fungují tak přirozeně. Obvod LC (jeden kondenzátor a jeden samostatně sevřený) pracují jako rezonátor: pokud přijímá čistý šum, bude jen trochu kmitat při nízké amplitudě. Pokud ale šum obsahuje signál, který má stejnou frekvenci jako rezonanční frekvence obvodu, obvod začne rezonovat a bude tedy kmitat při vyšší a vyšší amplitudě. Jakmile amplituda dosáhne určitého prahu, spustí se tranzistor a „se vytvoří záře lampy“. Obvod LC funguje jako paměť, která sčítá oscilace.

Mechanické přijímače fungují stejně. Časná rádiová příkazová zařízení používala malé ladicí vidlice, aby určila, zda byl přijat určitý zvukový signál: pokud tam byl zvukový signál, vhodná ladicí vidlička začala vibrovat tak silně, že by se jeho konec dotkl elektrického kontaktu.

Pokud chcete postavit nějaké mechanické zařízení pro vizualizaci toho, co se děje, zde jsou dva návrhy. Žádnou z nich jsem nezkoušel, takže pokud mi pošlete, pošlete mi své připomínky a doporučení.

  • Použijte kytaru s kovovými strunami (nebo zabalte nějaký tenký elektrický drát pár zákrutů uprostřed řetězce). Zajistěte jehlu velmi blízko středu struny. K vytvoření úplné elektrické smyčky mezi strunou a jehlou použijte více elektrického drátu, baterii a lampu. Když trochu zatlačíte na provázek, dotkne se jehly a lampa začne svítit. Poté zaměřte na kytaru jakýkoli zdroj hudby, který produkuje stejnou notu jako kytarový řetězec: jiný nástroj nebo elektronický laditelný zvukový generátor. Řetězec začne rezonovat, bude provádět rozsáhlé pohyby a bude se tedy dotýkat jehly, a tak začne lampa svítit… Pokud namíříte na kytaru signál s jinou frekvencí nebo jakýkoli šum, pak se nic nestane. Pokud namíříte směs jakéhokoli šumu a správné frekvence, pak bude lampa svítit… Můžete také nasadit jehlu a lampu na všechny kytarové struny a určit, jakou frekvenci bude každá lampa svítit. Tímto způsobem si můžete vybrat, která lampa bude svítit, vyzařováním správné frekvence. Můžete současně rozsvítit několik lamp tak, že pro každou zvolenou lampu vysíláte současně správnou frekvenci.
  • Postavte dvě stejná kyvadla (zejména délka lana musí být přesně stejná). Připevněte konec prvního kyvadla k jakémukoli těžkému předmětu a nechte jej kmitat. Vezměte konec druhého kyvadla mezi prsty. Podívejte se na první kyvadlo a nechte prsty jít tam a zpět přesně stejnou rychlostí, ale s velmi malou amplitudou. Pohyb prstů by neměl být znatelný. Kyvadlo mezi prsty začne kmitat a provádět širší a širší pohyby. Amplituda jeho pohybu bude velmi důležitá, určitě mnohem důležitější než amplituda pohybů vašich prstů… Nyní to udělejte znovu, ale změňte frekvenci prvního nebo druhého kyvadla tím, že lano bude delší nebo kratší. Tentokrát se nic neděje, když pohybujete druhým kyvadlem prsty. Trochu se pohybuje spolu s prsty, ale to je vše. Můžete se také pokusit posunout druhé kyvadlo libovolnými malými pohyby, nic se nestane, pokud tyto náhodné pohyby neobsahují trochu pohybu prvního kyvadla (se stejnou délkou lana jako druhé)… Můžete také zajistěte obě kyvadla a spojte je tenkým elastickým lanem. Pokud uděláte první kmitání, elastické lano přenese kmity do druhého kyvadla, které začne také kmitat a provádět širší a širší pohyby… za předpokladu, že obě délky lana kyvadla jsou stejné. Můžete dokonce použít několik kyvadel „emitor“ a „přijímač“ a všechny je spojit skrz zkřížené tenké elastické lana. Aby bylo možné oscilovat jedno dané kyvadlo přijímače, budete muset vypustit emitorové kyvadlo se stejnou délkou lana (frekvencí). (Tenká elastická lana nejsou nutná, pokud předmět, ke kterému jsou kyvadla uzamčena, není příliš těžký a je povoleno provádět malé pohyby.)

 

7. Super-heterodynní přijímač

Superhetrodynový přijímač je nejrozšířenějším typem rozhlasového přijímače. Funguje to na matematickém triku:

Když se množit sinusoida pomocí sinusoida s mírně odlišnou frekvencí, dostanete výsledek, který je součtem dvou dalších sine vln:

Dvě sinusové vlny uvnitř výsledku mají frekvence, které jsou vyšší a nižší než frekvence sinusových vln, které byly vícenásobných.

Nejnižší frekvence je rovna rozdílu mezi frekvencemi dvou počátečních sinusových vln. V případě, že první frekvence byl 1.000.000 Hz a druhý byl 999,000 Hz, pak se sinusová vlna bude mít frekvenci 1000 Hz.

Že sinusoida s nejnižším kmitočtem je ten budeme používat. Sinusoida s nejvyšší frekvencí se odfiltruje.

Co je to, že nízké frekvence dobré? Spousta věcí:

  • Předpokládejme, že jste dostávají signál, který je součtem dvou frekvencích. Řekněme, že 10,000,000 Hz a 10,010,000 Hz. Ale vy jen chcete měřit intenzitu 10000000 Hz signálu. Problém je, tyto dvě frekvence jsou blízko sebe: je pouze 0,1% rozdíl mezi nimi. Z tohoto důvodu je velmi obtížné filtrovat pryč 10,010,000 Hz a udržet 10,000,000 Hz. Řešením je znásobit přijímaný signál o frekvenci 9,999,000 Hz. Frekvence, s 10.000.000 Hz přinese nízkou frekvenci 1000 Hz, frekvence v Hz 10,010,000 získá nízkou frekvenci 11.000 Hz. Mezi těmito dvěma nízkých frekvencích máte nyní rozdíl 1,000%! Je velmi snadné filtrovat 11.000 Hz pryč a udržet 1000 Hz, a to i s rudimentární filtrem. Měřením intenzity té 1000 Hz signál dostanete intenzitu 10000,
  • Dobré filtrační a zesilovací systémy jsou jemné stavět. Pokud kromě toho, že musí být laditelné na různých frekvencích, to stane se nemožný úkol. Se super-heterodyne systému získáte jednoduché řešení: sestavení filtrační systém pro jednu frekvenci, řekněme 100.000 Hz a násobit přijímaný signál o laditelnou frekvencí před jeho odesláním do tohoto filtru. Chcete dostávat signál na 100.000.000 Hz? Násobit signál z antena podle sinusoidy na 99,900,000 Hz… Chcete dostávat signál na 98,000,000 Hz? Násobit signál z antena podle sinusoidy na 97,900,000 Hz… A tak dále. Filtrační systém bude mít vždy vypořádat se signálem při 100000 Hz.
  • Předpokládejme, že chcete používat frekvenční modulaci, FM. Z první ruky, nelze použít součet doby, jako je uvedené v kapitole 3, aby se signál objeví ven hluku. To vypadá nemožné, protože frekvence musí být stabilní. FM je, samozřejmě, není stabilní. Řešením je super-heterodynní systém. Pokud například chcete přijímat signál, který se pohybuje mezi 100,100,000 Hz a 99,900,000 Hz, stačí vynásobit Antena signálu stabilní sinusové vlny na 99,800,000 Hz a dostanete nízký signál mezi 300.000 a 100.000 Hz Hz. Stejně jako ukázal výše, nežádoucí hluk a signály lze snadno filtrovat pryč, pak je frekvence slabým signálem bude měřit standardními metodami.

Zde máte krátký program v BASIC, který čerpá dva sine vlny a výsledek jejich množení:

screen 1

frequency1 = .2
frequency2 = .24

FOR t = 0 TO 254 STEP .1

sine1 = SIN(t * frequency1)
 sine2 = SIN(t * frequency2)
 sinem = sine1 * sine2
 PSET (t, sine1 * 10 + 10)
 PSET (t, sine2 * 10 + 50)
 PSET (t, sinem * 10 + 100)

NEXT t

 

8. Běžné způsoby, jak zlepšit komunikaci

8.1 Směrovost emitoru

K emitoru je přidáno zařízení, aby co nejvíce signálu směřovalo k přijímači. Takže v zbytečných směrech není plýtvání. To je to, co děláte, když dáte ruce kolem úst, když chcete křičet na někoho daleko nebo v hlučném prostředí.

Nejznámějším zařízením je parabolická anténa, existuje však řada dalších způsobů, jak dosáhnout směrovosti. Například sady společných antén spojených dohromady skrz dráty s přesně vypočítanou délkou.

Čím větší je anténa, tím větší směrovost získáte.

Čím větší je vlnová délka vysílaného signálu, tím větší je anténa, kterou budete potřebovat k dosažení stejné směrovosti.

 

8.2 Směrovost přijímače

Zařízení je přidáno k přijímači, aby ho poslouchalo co nejvíce jen signálem přicházejícím ze směru emitoru. To je to, co děláte, když dáte ruce zpět do uší, abyste lépe slyšeli slabý zvuk. Nejznámějším zařízením je opět parabolická anténa, existuje však řada dalších způsobů, jak dosáhnout směrovosti. Jako použití několika antén a přidání jejich signálů. Čím větší zařízení, tím větší směrovost získáte.

Parabolická anténa působí pro rádiové vlny stejně jako solární trouba, která působí na sluneční světlo a soustředí to, co přijímá v jednom daném bodě.

Úvahy o velikosti antény, směrovosti a vlnové délce jsou stejné jako u výše uvedeného bodu 8.1.

 

8.3 Snížení vnitřního šumu přijímače

Můžete si jistě představit, že to, že přijímač pracuje v hlučném prostředí, snižuje jeho výkonnost. Přijímač však také vytváří vlastní „interní šum“: každá elektronická součást uvnitř přijímače vydává šum. Proto musí být tyto komponenty pečlivě vybrány nebo vyrobeny, aby produkovaly méně možný hluk.

Metalové rezistory jsou preferovány před uhlíkovými rezistory, tranzistory FET jsou preferovány před bipolárními tranzistory atd.

Aby se ještě více snížilo zbývající množství šumu a nelze jej fyzicky provést jiným způsobem, musí se přijímač ochladit. Může být ponořen do tekutého dusíku nebo dokonce tekutého hélia. To platí bez ohledu na typ komunikačního systému, který používáte: rádiové vlny, světlo, světelná koryto z optických vláken, zvuk, elektrické signály prostřednictvím vodičů, dokonce i mezihvězdné gravitační vlny…

Uvnitř jednoduché součásti, jako je rezistor, je hluk jednoduše způsoben pohybem elektronů uvnitř rezistoru. Čím je rezistor teplejší, tím rychleji se elektrony pohybují, tím více šumu. Čím vyšší je impedance, tím vyšší je šumové napětí (to je kompenzováno skutečností, že šum je omezen vyšší impedancí).

Pokud chcete slyšet přímo takový hluk, vložte si ucho do prázdné sklenice. Nebo obě uši (uvnitř dvou samostatných sklenic, nikoli uvnitř stejné sklenice).

 

8.4 Zvýšení emitovaného výkonu

Čím hlasitěji křičíte, tím dál vás může slyšet…

Zde jsou některá data pro amatérskou elektroniku. Pojďme mluvit o základní přímé anténě.

Anténu můžete považovat za chování jako jednoduchý elektrický odpor připojený k zemi (obrázek níže). Má však dva rozdíly se společným elektrickým odporem:

  • Když elektřina je poslat žlab to, energie elektrického signálu není přeměňuje v teplo. Místo toho je přeměněna na rádiové vlny, které budou cestovat daleko. Stejně jako reproduktor vytváří zvukové vlny.
  • Impedance antény závisí na tom, je to dlouhý a na frekvenci signálu, který odešlete koryto ji. Možná za to, že v případě připojení uprostřed hustého kovového anténa o délce jedné poloviny vlnové délky (vlnová délka = 300000000/frekvence), předloží impedanci 75. (Pro jiné délky, impedance antény bude „komplex“, není tak jednoduché, jako odpor).Jinými slovy: odesílání signál do antény je stejná jako jeho odesláním do odporem 75.

an antenna is like a 75 ohm resistor

Proto existují dva způsoby, jak zvýšit vysílané energie:

  • Zvýšení elektrického napětí signálu poslat do antény. Stejně jako LED lampa by svítit více či reproduktor by dal hlasitější zvuk, bude anténa vysílat silnější rádiových vln.
  • Prodloužení délky antény. To není snadný úkol, protože tam bude „interferenční vzory“ a případně komplexní impedance, které je třeba řešit.

Jeden poslední připomínka: nezapomeňte, že v případě, že frekvence generátoru musí být umístěna v určité vzdálenosti od antény, je třeba využít dobře definované typy elektrických drátů k jejich propojení. Koaxiální vodič nebo kroucené páry. A co víc, že koaxiální vodič nebo že twisted pair by v ideálním případě mají impedanci blízkou výstupní impedance generátoru a impedanci antény. Tři impedance by měla být stejná (neobtěžujte moc, prakticky funguje to často velmi dobře s docela jinou impedancí). To je důvod, proč, když si koupíte TV kabel je psáno 75 na něm. Další běžné impedance jsou 50 a 100, Impedance koaxiálního kabelu znamená, že pokud pošlete signál jakékoliv frekvence koryto kabel nekonečné délky se bude chovat za generátorem jako odpor této impedance. Symetrický, je-li signál přichází koryto koaxiální kabel nebo kroucený pár, bude to, jako kdyby to přišlo koryto odpor této impedance. Pokud jeden ze tří impedance není totéž, pak dostanete duchy a signály opět staví na nohy částečně. Koaxiální kabely a kroucené páry mají tři hlavní zvláštnosti: nenarušují signál (to může oslabit, ale to bude mít stejný tvar), nemají úniku rádiové vlny kolem (to by znečišťují okolí a oslabovat signál uvnitř kabelu) a jsou citlivá na vnější hluk (iv případě, že kabel šel koryto pokoj s rádiem zářiči, elektrickými jiskrami nebo cokoliv, signál zůstává čistý). Například můžete přenášet signály RS/232 nebo dokonce signály obrazovky VGA na stovky metrů za předpokladu, že to provedete skrz takové dráty.

 

8.5 Zvýšení přijaté energie

Elektronika uvnitř přijímače pracuje na základě signálu přijatého „sluchadlem“: mikrofonem, anténou, detektorem světla nebo čímkoli jiným. Čím silnější je výkon signálu vydaného „sluchadlem“, tím snazší bude práce s elektronikou. To je triviální.

Na kvalitě „sluchadla“ záleží, ale také na jeho povrchu, trochu jako na směrovost. Čím větší je anténa, tím silnější bude signál, který vysílá. (V případě všesměrové antény se zvyšuje šum i užitečný signál.)

Nejzávažnějším důvodem, proč by měl být přijímaný signál co nejsilnější, je, aby byl silnější než vnitřní šum produkovaný elektronikou přijímače.

Není nutné snažit se co nejvíce přijímat sílu. Musíte jen učinit hlasitější než vnitřní hluk elektroniky.

V případě základního přímého antény, zvýšit přijímaný výkon tím, že anténu delší. Možná za to, že tlustý kovový anténa o délce jedné poloviny vlnové délky frekvence obdržel má impedanci 75 (vlnová délka = 300,000,000/frekvence). To znamená, že můžete zvážit signál přichází koryto odpor 75. Máte-li zdvojnásobit délku antény, jste na polovinu odpor, a tak dostanete dvakrát více energie. (Elektrické napětí signálu zůstane stejný, ale budete moci spolehnout na silnější proud.) Ale jakmile se anténa bude trvat déle, než je polovina vlnové délky, dostanete interferenční obrazce a laloky. A anténa, která není dobře vypočítá bude mít komplexní impedance.

Přijímací anténa převádí rádiové vlny na elektrický signál, stejně jako mikrofon přemění zvukové vlny na elektrický signál.

 

9. Praktický příklad softwaru

Následující program simuluje fungování emitoru i přijímače. Signál je vysílán, dorazí na přijímač oslabený a se spoustou šumu, přesto přijímač dokáže ukázat, že tam byl vyslaný signál nebo ne.

Když je program spuštěn, stisknutím tlačítka 0 nebo 1 na klávesnici zapněte nebo vypněte vysílaný signál. Pak se podívejte na výsledek součtu, který se objeví ve spodní části obrazovky (počkejte). Pokud byl signál zapnutý, bude nakreslena perioda sinusové vlny. Pokud to bylo vypnuto, bude vykreslen jen slabý šum.

Abyste mohli tento program spustit, potřebujete počítač se systémem (nebo emulací) DOS nebo Windows. Obsahují výkonný interpret jazyka BASIC, který je schopen tento program spustit. Stačí vybrat program myší, zkopírovat jej, vložit do jednoduchého textového editoru a poté jej uložit pod jménem, které chcete (s příponou .BAS). Spusťte interpret BASIC (QBASIC.EXE), načtěte program a spusťte jej.

SCREEN 1        'switch to 320 x 200 graphical output screen

LOCATE 1, 1: PRINT "Signal emitted (press 0 or 1):"
LOCATE 8, 1: PRINT "Signal weakened, noise added:"
LOCATE 15, 1: PRINT "Result of last sum of 1000 periods:"

t = 0           'time
x = 0           'horizontal display position on screen
i = 0           'sweep inside receiver memory
p = 0           'number of periods received
s = 0           'signal to transmit

DIM r(16)       'receiver memory: 16 registers

DO

    i$ = INKEY$                                 'key pressed?
    IF i$ = "0" THEN s = 0                      'signal to transmit
    IF i$ = "1" THEN s = 1

    m = s * SIN(t * 2 * 3.1415627# / 16)        'modulated signal
    LINE (x, 20)-(x, 40), 0                     'erase old pixel
    PSET (x, m * 10 + 30)                       'display modulated signal
    t = t + 1
   
    n = RND - RND                               'noise

    r = n * .9 + m * .1                         'received signal
    LINE (x, 80)-(x, 100), 0                    'erase old pixel
    PSET (x, r * 10 + 90)                       'display received signal

    x = x + 1: IF x = 320 THEN x = 0            'display sweep

    r(i) = r(i) + r                             'add to register
    i = i + 1: IF i = 17 THEN i = 1: p = p + 1  'registers sweep

    IF p = 1000 THEN                            '1000 periods
       FOR a = 1 TO 16
	  LINE (a + 140, 135)-(a + 140, 165), 0   'erase old pixel
	  PSET (a + 140, r(a) / 10 + 150)         'display register value
	  r(a) = 0                                'reset register
       NEXT a
       BEEP                                     'beep sound
       p = 0                                    'start new 1000 periods
    END IF

LOOP

Následující program je mnohem jednodušší. Funguje to stejně jako algoritmy, které implementuji uvnitř mikrokontrolérů. Můžete jej porovnat s výše uvedeným programem, abyste jasně pochopili, jak to funguje. Upozorňujeme, že se používají pouze dva registry a používá se pouze znaménko signálu.

CLS

LOCATE 1, 1: PRINT "Signal emitted (press 0 or 1): no"
LOCATE 15, 1: PRINT "Result of last sum of 1000 periods: nothing"

t = 0           'time
i = 0           'sweep inside receiver memory
p = 0           'number of periods received
s = 0           'signal to transmit

DIM r(2)        'receiver memory: 2 registers

DO

    i$ = INKEY$                                 'key pressed?
    IF i$ = "0" THEN                            'signal to transmit
       s = 0
       LOCATE 1, 1: PRINT "Signal emitted (press 0 or 1): no "
    END IF
    IF i$ = "1" THEN
       s = 1
       LOCATE 1, 1: PRINT "Signal emitted (press 0 or 1): yes"
    END IF

    m = s * SIN(t * 2 * 3.1415627# / 16)        'modulated signal
    t = t + 1
   
    n = RND - RND                               'noise

    r = n * .9 + m * .1                         'received signal

    IF i = 1 OR i = 2 OR i = 3 OR i = 4 THEN r(1) = r(1) + SGN(r)
    IF i = 5 OR i = 6 OR i = 7 OR i = 8 THEN r(2) = r(2) + SGN(r)
    IF i = 9 OR i = 10 OR i = 11 OR i = 12 THEN r(1) = r(1) - SGN(r)
    IF i = 13 OR i = 14 OR i = 15 OR i = 16 THEN r(2) = r(2) - SGN(r)

    i = i + 1
    IF i = 17 THEN
       i = 1
       p = p + 1
    END IF

    IF p = 1000 THEN                            '1000 periods
       result = r(1) * r(1) + r(2) * r(2)
       IF result > 100000 THEN
	  LOCATE 15, 1: PRINT "Result of last sum of 1000 periods: signal!"
       ELSE
	  LOCATE 15, 1: PRINT "Result of last sum of 1000 periods: nothing "
       END IF
       BEEP                                     'beep sound
       p = 0                                    'start new 1000 periods
       r(1) = 0
       r(2) = 0
    END IF

LOOP

 

Vezměte prosím na vědomí dvě věci týkající se tohoto druhého programu:

  • V reálných podmínkách je vždy dána fázový rozdíl mezi přijímaným signálem a hodinami přijímačů. Algoritmus Přijímač používá program není narušen touto skutečností. Je to díky tomu, čtverec registrů je sečtené.
  • Někdy se tento program může říct, že přijímá signál ačkoli není tam žádný signál je emitován. Nech to běžet dostatečně dlouhé časové období, a to zvláštní fenomén se bude dít. Ve skutečnosti každý přijímač nese tuto nevýhodu. Je to jen otázka pravděpodobnosti. Vše závisí na dané číslo 10000 uvnitř programu. Použijete-li menší počet přijímač bude schopen detekovat slabší signály, ale bude to mnohem častěji říkají, že je to signál, pokud není přítomen žádný signál vůbec. Pokud použijete větší množství přijímač bude dělat méně chyb, ale bohužel to bude detekovat pouze silné signály. Záleží jen na vás vybrat si mezi citlivostí a spolehlivostí přijímače. Chcete-li zvýšit oba pak si budou muset stavět „dražší“ přijímače. (Atomové bomby se chovají tímto způsobem taky:.. Armáda Nepředstírám, že ty bomby nemůže explodovat spontánně Ale dost výzkum a peníze byly investovány tak, aby pravděpodobnost spontánní explozi být velmi málo)

Díky Chris Price za upozornění na chybu.

Eric Brasseur – 1. ledna 1997