Hoofdstuk 6: Draadloze communicatie

Transcriptie

1 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 1 Hoofdsuk 6: Draadloze communicaie 1: Principewerking He is de bedoeling in di hoofdsuk de elemenaire principes van draadloze communicaie e besuderen. De draadloze overdrach van informaie van een zender naar een onvanger gebeur me behulp van elekro-magneische golven. Hierbij maken we onderscheid ussen lich en de zogenaamde radiogolven die allebei elekro-magneische golven (EMG) zijn. 1.1: Draadloze communicaie me behulp van lich De opselling besaa ui een lamp of lichgevende diode (LED= Ligh Emiing Diode) in serie me een schakelaar S, een voorschakelweersand en een spanningsbron. He lich da uigezonden word door de lamp of de LED word opgevangen door een foovolaïsche cel welke belas word door een volmeer of een oscilloscoop. + - S volmeer zender Figuur 6.1: Zender en onvanger onvanger De lamp of de LED vorm elekrische energie om o elekro-magneische energie onder de vorm van elekro-magneische golven (lichgolven). Aan de onvangerzijde is er een foovolaïsche cel die de onvangen elekro-magneische energie erug omze naar elekrische energie. Di laase kunnen we dan opmeen m.b.v. een volmeer of een oscilloscoop. Merk op da he gebruiken van een foovolaïsche cel (die een spanningsbron is indien er lich op inval) in de onvanger nie de enige mogelijkheid is. He is ook mogelijk een foodiode e gebruiken. Een foodiode is een in sper gepolariseerde diode die geleid indien er lich op inval. He is dan wel nodig om in serie me die foodiode een gelijkspaningsbron e plaasen.

2 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 2 Meer informaie over foovolaïsche cellen en foodiodes vind u in Paragraaf 5.3 en Paragraaf 5.2 in he vierde hoofdsuk van deze cursus. Meer uigebreide informaie kun u onder meer vinden in he boek Inleiding o de indusriële elekronica van R. Devos en K. Eerlingen. 1.2: Draadloze communicaie me behulp van radiogolven Indien we opische vezels buien beschouwing laen, is he duidelijk da de draadloze communicaie die hierboven beschreven is, slechs oelaa over een kore afsand e communiceren. Indien over lange afsanden gecommuniceerd wil worden, zal gebruik gemaak worden van radiogolven. Een eerse prakische oepassing welke we hierin zien is de draadloze elegrafie me behulp van de morsecode. De opselling is weergegeven in Figuur 6.2. S gelijkricher + - Generaor v C () v C () BPF R V Figuur 6.2: Zendinsallaie en onvangsinsallaie De zendinsallaie besaa enerzijds ui een DC-voeding die een wisselspanningsgeneraor van elekrische energie voorzie. Inderdaad, de DC-voeding kan me behulp van een schakelaar S aan- en afgeschakeld worden. De generaor genereer (indien S gesloen is) een elekrisch signaal v C () = V C cos( C ). Hierbij is C = 2 f C. De frequenie f C is bijvoorbeeld 1 MHz en V C is bijvoorbeeld 2000 V. De zendanenne ze de elekrische energie afkomsig van de generaor om in elekromagneische golven die de eher in gesuurd worden. De elekromagneische golven worden dus uigezonden indien de schakelaar S gesloen is. Deze elekromagneische golven hebben dezelfde frequenie f C. Aan de onvangszijde is er de onvangsanenne die elekro-magneische golven onvang en omze naar een elekrisch signaal. Di elekrisch signaal heef eveneens een zelfde frequenie f C en we noeren he als v C ().

3 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 3 De ampliude van he signaal v C () is wel vele malen kleiner dan de ampliude van v C (). Hierbij is he gewoonlijk zo da de ampliude van v C () kleiner word naarmae de onvanger verder verwijderd is van de zender. Nu is he zo da de onvangsanenne meesal signalen van meerdere zenders egelijk onvang. Nu is de onvanger slechs in één van deze zenders geïneresseerd. De andere zenders hun signalen worden daarom weggefilerd me behulp van een banddoorlaafiler. Na de anenne volg bijgevolg een banddoorlaafiler BPF (Band Pass Filer) die uigevoerd kan worden als een parallel-rlc-kring. De capacieiswaarde C is regelbaar zoda de resonaniefrequenie van de RLC-kring afgesemd kan worden op de frequenie f C welke de gewense zender uisuur. Na de banddoorlaafiler volg er een gelijkricher. De gelijkricher besaa ui de serieschakeling van een diode en een condensaor (enkelzijdige gelijkricher me afvlakcondensaor). De spanning v C () word dus gelijkgerich en de gelijkgeriche spanning saa over de condensaor. Deze spanning over die condensaor is dan ook de uigangsspanning die over de weersand R saa. Deze spanning kan gemeen worden me behulp van een volmeer of een oscilloscoop. Als alles goed gaa, is de spanning over deze weersand een consane waarde (voldoende hoog) en gevolge van he sluien van de schakelaar S aan de zenderzijde. De spanning over deze weersand is nul en gevolge van he openen van de schakelaar S aan de zenderzijde. Op die manier is de spanning over de weersand een reproducie van he rime volgens welke men de schakelaar S aan de zenderzijde gesloen en geopend heef. Indien nu de weersand R een beeper voorsel, dan hoor men hoe men aan de zenderzijde de schakelaar S gesloen en geopend heef. Di kan een manier zijn om de morsecode hoorbaar e maken. He is dan ook de manier om draadloze elegrafie mogelijk e maken. We besluien me de opmerking da in de gelijkricher aan de onvangszijde gebruik gemaak word van een Schoky-diode of een Ge-punconac-diode. De diode moe namelijk voldoende snel kunnen schakelen om de hoogfrequene spanning v C () (bijvoorbeeld 1 MHz) e kunnen gelijkrichen. Meer uileg over deze snelle diodes vind u in Paragraaf 2.3 en Paragraaf 2.4 in he vierde hoofdsuk van deze cursus. 1.3: He frequeniespecrum In de voorgaande paragraaf is besproken hoe morsecode draadloos versuurd en onvangen kan worden. In ons voorbeeld gebeurde di me behulp van een draaggolffrequenie van 1 MHz. Doch verschillende zenders, die elk hun eigen berich

4 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 4 in morsecode doorsuren, gebruiken elk een verschillende frequenie eneinde elkaar nie e soren. He is bovendien zo da langs draadloze weg nie enkel morsecode doorgesuurd kan worden. He in de voorgaande paragraaf beschreven principe kan uigebreid worden zoda allerlei ypes informaie zoals onder meer audio- en videosignalen draadloos versuurd kunnen worden. Voor verschillende ypes versuurde daa, worden er andere frequenies gebruik. Zo versuur een radiozender radiogolven me een oaal andere frequenie dan een elevisiezender. Vanui deze vasselling is he mogelijk he frequeniespecrum in e delen in een aanal frequeniegebieden die elk hun eigen oepassingen bieden. Naargelang hun oepassingen en hun kenmerken krijgen de frequenies van de EMG, die o een bepaald frequeniegebied behoren, een verschillende benaming. Een beknop overzich is e vinden in de ondersaande abel. Frequeniegebied Frequenie Golflenge Toepassing LF (low frequencies) 30 o 300 khz 1 km o 10 km langegolf radio-omroep, ijdsignalen, luchvaar- en scheepvaarnavigaie MF 0,3 o 3 MHz 100 m o 1 km middengolf (medium frequencies) HF (high frequencies) VHF (very high frequencies) UHF (ulra high frequencies) SHF (super high frequencies) EHF (exremely high frequencies) radio-omroep 3 o 30 MHz 10 m o 100 m radio-omroep, scheepvaarcommunicaie, radio-amaeurs 30 o 300 MHz 1 m o 10 m elevisie, FM-omroep, mobiele communicaie 0,3 o 3 GHz 0,1 m o 1 m elevisie, sraalverbindingen 3 o 30 GHz 10 mm o 100 mm sraalverbindingen, saelie-elevisie, radar 30 o 300 GHz 1 mm o 10 mm navigaieradar

5 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 5 De frequenies welke beschreven zijn in de bovensaande abel srekken zich ui van (ongeveer) 30 khz o 300 GHz. Lagere frequenies zijn mogelijk en gevolge van amosferische verschijnselen. Boven de 300 GHz reffen we achereenvolgens he zichbare lich en allerlei sralingen (zoals X- of Röngensralen) aan. Meer gedeailleerde informaie in verband me he frequeniespecrum vind u in Bijlage 6 verder in de cursus. Bij he besuderen van de bovensaande abel zie u da er voor elk frequeniegebied ook grenzen vermeld zijn in verband me de voorkomende golflenges. Ui de fysica ween we da er voor EMG (en dus ook voor radiogolven) een verband besaa ussen de frequenie f (in Hz) en hun golflenge (in m). In he luchledige (en ook in luch) planen EMG zich voor me een snelheid van ongeveer m/s. De golflenge is de afsand afgelegd gedurende 1 periode. Di beeken da de golflenge = / f. Hierbij is de golflenge uigedruk in meer en de frequenie in Herz. 1.4: Vragen en geleide oefeningen Na wa ingegaan e zijn op de werkingsprincipes die aan de basis liggen van de draadloze communicaie, volgen hier een aanal echnische vraagjes en een aanal echnische opmerkingen Beschrijf bondig de mees gebruike anenneypes (de dipoolanenne en de Marconianenne). Theoreisch werk elke zendanenne ne zo goed als onvangsanenne en omgekeerd. Hoe kan een zender een onvanger bereiken aan de andere kan van de aardbol? Is de propagaiesnelheid van radiogolven alijd gelijk aan deze van he lich? Wa is een BPF (band pass filer)? Teken de verhouding van de uigangsspanning o de ingangsspanning als funcie van de frequenie. Definieer de cenrale frequenie van een BPF. Welke funcie heef een BPF in een onvanger? Produceer de onvangsanenne alleen een signaal me frequenie f C (de frequenie van he signaal van de gewense zender)? Toon aan da een parallel RLC-kring kan fungeren als een BPF. Hierbij is de cenrale frequenie van de BPF de resonaniefrequenie van de RLC-kring. Ga hierbij ui van he verloop van de kringimpedanie in funcie van de frequenie. Teken een

6 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 6 vecordiagram me de zelfinduciesroom i L, de condensaorsroom i C en de oale sroom i T. He afsemmen van een zender beeken da we de gewense zender (frequenie) moeen seleceren ui de alloze andere zenders. Di beeken da we door een andere L of C e kiezen de resonaniefrequenie van de keen gelijk maken aan de f C van de zender welke we wensen e onvangen. In de prakijk is he meesal de C die variabel is en nie de zelfinducie L (zo is bijvoorbeeld L = 200 H en is C regelbaar ussen 50 pf en 450 pf). He is ensloe belangrijk om op e merken da er in een volwassen onvanger meerdere banddoorlaafilers noodzakelijk zijn. De verklaring zul u onder meer vinden in de cursussen Telecommunicaie en Zenders en onvangers in he derde en vierde jaar elekronica. 2: Overdrach van analoge informaie 2.1: Inleiding Hoe fungeer een microfoon? Hoe fungeer een hoofdelefoon of luidspreker? Wa gebeur er indien men een microfoon en een hoofdelefoon me elkaar verbind? Di laase kan gebeuren me of zonder ussengeschakelde verserker. Zoals uigelegd in he vijfde hoofdsuk, produceer de microfoon een AC-spanning die op elk ogenblik een elekrische veraling is van he geluid. Di AC-signaal willen we draadloos overbrengen naar een afgelegen plaas. Een zendanenne ze deze ACspanning om naar een elekromagneische golf. Deze elekromagneische golf word door een onvangsanenne onvangen en omgevormd o een AC-spanning. Indien we daar deze AC-spanning aanbieden aan een luidspreker, dan zal deze laase he originele geluid reproduceren. Di is he grondprincipe van de radio. Via een zelfde werkwijze kan een camera een beeld omvormen o een AC-spanning. Via een zendanenne word deze spanning omgevormd o een elekromagneische golf die de eher in gesuurd word. Een onvangsanenne onvang die en ze ze erug om naar een AC-spanning die een monior voed. Deze monior reproduceer he originele beeld. Di is he werkingsprincipe van de elevisie. Vanzelfsprekend zijn de door de microfoon of camera geproduceerde AC-spanningen (deze spanningen worden vaak korweg de informaie genoemd) doorgaans verre van sinusoïdaal. In feie kan de informaie aanzien worden als de som van een variërend aanal (gelijkijdig opredende) sinusoïden me diverse ampliudes en frequenies. Meer uigewerke uileg is e vinden in de cursus Toepasbare Analyse van Dr. R. Rousseau.

7 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 7 Nieegensaande de gegevens ui de vorige alinea, doe men eenvoudigheidshalve vaak alsof de informaie op elk ogenblik slechs 1 zuivere sinus beva. Deze vereenvoudiging doe nies af van de werkelijke werkingsprincipes van radioschakelingen. Meesal noemen we de informaie (dus he AC-signaal da ui een microfoon of videocamera kom) v m (). We sellen v m () = V m cos( m ). Ui he bovensaande blijk da we zowel V m als m als veranderlijk moeen beschouwen. 2.2: Spraak, geluid en videosignalen Langs draadloze weg is he zowel mogelijk om spraak, geluid als videosignalen e versuren. In deze paragraaf leggen we he verschil ui ussen deze verschillende ypes daa. Spraak besaa doorgaans ui een som van vele rillingen me uieenlopende ampliudes en frequenies. Spraak is goed versaanbaar bij weergave van alle frequenies van 300 Hz o 3000 Hz. Verklaar di! He radiosyseem moe dan ook zorgen voor de overbrenging van sinussen v m () = V m cos( m ) (f m = m /2 ) waarbij f m alle waarden ussen 300 Hz en 3000 Hz kan aannemen. In he geval van spraak, heef men bijgevolg van bandbreede B van 1 decade of 1000%. Men spreek ook soms van een bandbreede B = 3000 Hz 300 Hz = 2700 Hz. Geluid besaa doorgaans ui een som van vele rillingen me zeer uieenlopende ampliudes en frequenies. We bekomen een geluidsoverdrach van zeer goede kwaliei als wij alle frequenies van 20 Hz o 20 khz kunnen doorgeven. Verklaar di! Ons radiosyseem moe dan ook zorgen voor de overbrenging van sinussen v m () = V m cos( m ) waarbij f m alle waarden ussen 20 Hz en Hz kan aannemen. In he geval van geluid heef men een bandbreede B van 3 decaden. Videosignalen eisen een veel groere bandbreede dan spraak of geluid. Bij sandaard TV-signalen worden alle frequenies van 0 Hz o ongeveer 5 MHz weergegeven. Voor beelden me een zeer hoge resoluie gaa men zelfs o 20 MHz en meer. 2.3: Rechsreekse uizending van de informaie: foue aanpak Uigaande van Figuur 6.2 en de uileg in Paragraaf 2.1, zou men voor de draadloze overdrach van geluidssignalen de ondersaande Figuur 6.3 kunnen voorsellen (bij videosignalen kan men zich een gelijkaardige opselling inbeelden). De zenderzijde besaa ui een microfoon die he geluidssignaal omvorm o een elekrisch signaal v m () = V m cos( m ) van dezelfde frequenie. Di signaal word verserk me een verserkingsfacor A V. Di verserke signaal word aangelegd aan de

8 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 8 zendanenne die di elekrisch signaal omvorm o elekromagneische golven me dezelfde pulsaie (frequenie). V CC EMG V CC A V A V A V V m cos( m ) v m () = V m cos( m ) V m cos( m ) Figuur 6.3: Rechsreeks doorgesuurde informaie De elekromagneische golven planen zich voor doorheen de eher en bereiken de onvangsanenne. De elekromagneisch golven worden door de onvangsanenne omgevormd o een elekrisch signaal V m cos( m ). Hierbij is V m een flink suk kleiner dan A V V m. Daarom is er aan de onvangszijde eveneens een verserker die V m cos( m ) erug verserk. Di verserke signaal (me nog seeds dezelfde frequenie als he geluidssignaal bij de microfoon) word nu aangelegd aan een luidspreker. Die luidspreker ze een elekrisch signaal om in een geluidssignaal. Di beeken da de luidspreker he geluidssignaal erug produceer die onvangen is door de microfoon aan de zenderzijde (dezelfde frequenie). Hoewel de bovensaande uileg en Figuur 6.3 vanui een puur heoreisch sandpun zou kunnen werken, is he in de prakijk echer uigesloen he zo e bouwen. He is in de realiei gewoonweg nie realiseerbaar. Waarom nie? Deze aanpak werk nie om meerdere redenen. We sippen hier gewoon een aanal iems aan. Werk ze zelf ui. Hoe zi he me de afmeingen van de anennes? Als men werk bij een lage pulsaie m moeen de afmeingen van de anennes veel e groo zijn. Er zijn ook propagaiemoeilijkheden en er is een gebrek aan seleciviei ussen de verschillende zenders. 3: He modulaieprincipe Zoals gezegd, geef de aanpak beschreven in de voorgaande paragraaf geen voldoening. Inderdaad, he informaiesignaal (microfoon- of videocamerasignaal) v m ()

9 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 9 kan nie rechsreeks uigezonden worden. Een dergelijk signaal beva erzelfderijd veel e lage frequenies en veel e hoge frequenies. Di beeken da he signaal een veel e groe bandbreede (1000% of meer) heef. In Paragraaf 2.2 hebben we inderdaad gezien da spraak een bandbreede heef van 1 decade erwijl geluid een bandbreede heef van 3 decaden. Videosignalen hebben een nog groere bandbreede. Een hoogfrequen signaal (frequenie zeker groer dan 10 khz) me smalle bandbreede (1 enkele sinus me hoge frequenie f C, of desnoods een aanal sinussen me frequenies die hoogsens enkele % van f C afwijken) kan daarenegen wel me goed gevolg uigezonden en onvangen worden. We zullen bijgevolg alleen een hoogfrequen signaal v C () = V C cos( C ) uizenden. In eerse insanie is v C () een zuivere (onvervormde) sinus. Vervolgens gaan we he over e brengen informaiesignaal v m () uisluiend aanwenden om er he hoogfrequene signaal v C () mee e vervormen. Di vervormen noem men moduleren. De modulaie gebeur op een dusdanige manier da he bekomen hoogfrequene signaal een soor afdruk is van he over e brengen informaiesignaal v m (). Hoe di precies in zijn werk gaa zien we laer. Houd wel in uw gedachen da v C () de hoogfrequene draaggolf is. De noaie v C () was reeds eerder gebruik om he spanningsverloop over een condensaor C aan e duiden. Hier is de beekenis van de spanning v C () dus oaal anders. Ook verderop in de cursus zal he u ui de conex duidelijk moeen worden wa me een spanning genoeerd als v C () bedoeld is. 3.1: De zendinsallaie V m cos( m ) Modulaor v g () EMG Generaor V C cos( C ) Figuur 6.4: Zendinsallaie De zendinsallaie is voorgeseld in de ondersaande figuur. Herken de generaor die de draaggolf V C cos( C ) genereer. Herken de microfoon die he informaiesignaal v m () genereer. Herken de modulaor die he informaiesignaal V m cos( m ) en de draaggolf

10 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 10 V C cos( C ) combineer o v g (). Di gemoduleerde signaal v g () (da ne zoals v C () hoogfrequen is) word via de anenne omgevormd o elekro-magneische golven. Die elekro-magneische golven planen zich dan voor doorheen de eher. 3.2: De onvangsinsallaie Tensloe is er nog de onvangsinsallaie voorgeseld in de volgende figuur. EMG L BPF C Deecor Laagfreq. verserker v m () Figuur 6.5: Onvangsinsallaie Herken bij Figuur 6.5 de onvangsanenne, de BPF, de deecor of demodulaor, evenueel een laagfrequenie-verserker en ensloe de luidspreker. Op de onvangsanenne onsaa er een AC-spanning die dezelfde frequenie en golfvorm heef als he uigezonden signaal v g (). Di signaal is enkel kleiner geworden.o.v. he originele gemoduleerde signaal v g (). Zoals seeds is er na de anenne een BPF die oelaa 1 enkele zender e seleceren. Ook na die BPF is er een signaal die dezelfde frequenie en golfvorm heef als he originele uigezonden en gemoduleerde signaal. Na de BPF moe er een schakeling volgen die he gemoduleerde signaal erug omvorm o v m (). Dus he gemoduleerde hoogfrequene signaal v g () moe omgevormd worden o he laagfrequene en breedbandige informaiesignaal v m (). De schakeling die hiervoor zorg is de demodulaor of deecor. Tensloe word di signaal v m () (na een evenuele verserking) aan de luidspreker of video-monior aangelegd. Di beeken da deze elemenen he eerder door de microfoon of camera opgevangen geluid of beeld zullen reproduceren. 3.3: Opmerkingen en vragen In wezen is he hoogfrequen signaal v C () = V C cos( C ) een hulpsignaal da (via de aangebrache vervorming of modulaie ) dien om he informaiesignaal v m () van de zender naar de onvanger over e dragen. Daarom word de hoogfrequene v C ()

11 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 11 vaak de draaggolf of drager genoemd. In he Engels spreek men van carrier waar de index c vandaan kom. Op basis van de uileg op de voorgaande bladzijden zou he duidelijk moeen zijn waarom een dergelijke carrier gebruik word. De schakeling die (aan de zenderzijde) de me v m () evenredige vervorming van v C () veroorzaak noem men de modulaor. Deze modulaor zorg voor he zogenaamde modulaieproces of korweg voor he moduleren. He over e brengen informaiesignaal v m () word vaak he modulaiesignaal of korweg de modulaie genoemd. Van deze benaming is de index m afkomsig. De demodulaor of deecor (in de onvanger) zorg voor de demodulaie of deecie van de volgens v m () gemoduleerde v C (). Eerder is al uigelegd wa di proces precies inhoud. 4: Sooren modulaie In de huidige paragraaf is he de bedoeling een overzich e geven van de besaande sooren modulaie waaronder ampliudemodulaie, frequeniemodulaie en fasemodulaie. Een diepgaander sudie van ampliudemodulaie vind u in Paragraaf 5. We verrekken van de hoogfrequene draaggolf v C () = V C cos( C + C ) (f C = C /2 ). De over e brengen informaie (bijvoorbeeld een audio- of een videosignaal) sellen we voor als v m () = V m cos( m ). Doorgaans is v m () een laagfrequene breedbandige ACspanning. He is de bedoeling om onze drager v C () e moduleren zodanig da op onze drager een duidelijke afdruk van v m () onsaa. Op die manier word een gemoduleerde draaggolf bekomen. Deze word uigezonden en erug onvangen. Ui he onvangen signaal kan de deecor opnieuw he originele signaal v m () reproduceren. De drager v C () = V C cos( C + C ) heef drie parameers die evenredig me v m () kunnen variëren. Di is enerzijds de ampliude V C, de pulsaie C en ensloe de fase C. In deze drie gevallen word achereenvolgens ampliudemodulaie (AM), frequeniemodulaie (FM) en fasemodulaie (PM) bekomen. De ondersaande figuur illusreer AM en FM. v m ()

12 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 12 v C () v AM () = v g () v FM () = v g () Figuur 6.6: AM en FM 4.1: Ampliudemodulaie Zoals op Figuur 6.6 e zien is, heef he ampliude gemoduleerde signaal v AM () geen consane ampliude. De ampliude van v AM () varieer lineair mee me v m (). Indien v m () groer en posiiever word, dan neem de ampliude van v AM () oe. Indien v m () negaief word, dan neem de ampliude van v AM () af en opziche van de ampliude die v AM () had erwijl v m () nul was (zie Figuur 6.6). Aangezien dus de ampliude van v AM () evenredig is me de grooe van v m (), verloop de omhullende van v AM () precies volgens he over e brengen laagfrequene signaal v m ().

13 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 13 Di beeken da he hoogfrequene signaal v AM () (da uigezonden word en verzwak onvangen word) een perfece afdruk beva van he over e brengen informaiesignaal v m (). Di beeken da he mogelijk is om in de onvanger vanui v AM () he signaal v m () e reproduceren. Hiermee is dus de gewense draadloze overdrach van v m () gerealiseerd. De overdrach via AM-modulaie is nie beperk o sinusvormige signalen zoals di he geval was in Figuur 6.6. Da is maar goed ook, wan audio- of videosignalen zijn zelden of nooi perfec sinusoïdaal zijn. Di is in Figuur 6.7 geïllusreerd me behulp van een willekeurig gekozen signaal v m (). v m () v AM () Op de bovensaande figuur blijk duidelijk da de frequenie van v AM () consan blijf en gelijk is aan de frequenie van de carrier v C (). Wel varieer de ampliude. 4.2: Frequeniemodulaie Figuur 6.7: Ampliude gemoduleerd signaal To nu oe hebben we hoofdzakelijk ampliudemodulaie besproken. Maar zoals op Figuur 6.6 e zien is, besaa er ook de mogelijkheid een signaal v FM () e bekomen. He is duidelijk da de ampliude van v FM () consan is. Wa echer nie consan is, da is de frequenie van v FM (). Di beeken da de frequenie van de carrier gewijzigd word. Die wijziging gebeur proporioneel me de ogenblikkelijke waarde van v m ().

14 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 14 Inderdaad, als v m () groer word, dan word C groer. Als v m () kleiner word, dan word C kleiner. In de huidige cursus worden enkel AM-modulaie en AM-demodulaie besudeerd. Meer informaie in verband me frequeniemodulaie kun u erug vinden in de cursussen die in he derde en vierde jaar gedoceerd worden. 4.3: Fasemodulaie Een sinusgolf word gekenmerk door drie parameers, de ampliude, de frequenie en de fase. Di beeken da we algemeen schrijven v C () = V C cos( C + C ). We hebben al gezien da he mogelijk is om V C en C afhankelijk e maken van de ogenblikkelijke grooe van v m (). He is eveneens mogelijk om C afhankelijk e maken van de grooe van v m (). Di noem men fasemodulaie. Fasemodulaie word afgekor als PM welke afkomsig is van de Engelsalige benaming Phase Modulaion. He is mogelijk om aan e onen da fasemodulaie een speciale vorm is van frequeniemodulaie. Hiervoor verwijzen we echer naar cursussen die gedoceerd worden in he derde en he vierde jaar. In de huidige cursus worden enkel AM-modulaie en AM-demodulaie besudeerd. Meer informaie in verband me fasemodulaie kun u erug vinden in de cursussen die in he derde en vierde jaar gedoceerd worden. 5: Ampliudemodulaie In de voorgaande paragraaf hebben we een overzich gegeven van een aanal modulaieechnieken. Daarbij hebben we ampliudemodulaie nie enkel vermeld maar ook kor uigelegd. In de huidige paragraaf zullen we een suk dieper ingaan op de werking van ampliudemodulaie. 5.1: Inleiding Bij ampliudemodulaie word de ampliude van een hoogfrequen signaal gewijzigd in funcie van de over e brengen informaie. He hoogfrequen signaal, ook draaggolf (carrier) genoemd, is alijd een sinusvormig signaal en word in de verdere uiwerking voorgeseld door v C () = V C cos( C ) ( C = 0 genomen). Hierbij is f C = C /2 de zendfrequenie. De over e brengen informaie word he modulerend of laagfrequen signaal genoemd. Di signaal kan een willekeurige vorm hebben. Om echer de verdere uiwerking e vereenvoudigen, zullen we uigaan van een modulerend signaal da maar één oon beva: v m () = V m cos( m ).

15 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 15 Hierbij is he belangrijk da m << C. 5.2: Analyische uiwerking He AM-signaal me een draaggolf v C () = V C cos( C ) en een modulerend signaal v m () = V m cos( m ), kan wiskundig als volg voorgeseld worden: V AM () = (V C + V m cos( m )) cos( C ). De ampliude van de draaggolf moe immers afhankelijk gemaak worden van he modulerend signaal. Een verdere uiwerking van de bovensaande formule geef de volgende uidrukkingen: V AM () = V C (1 + m cos( m )) cos( C ) V AM () = V C cos( C ) + (m/2) V C cos( C - m ) + (m/2) V C cos( C + m ). Hierbij is m = V m /V C de modulaiediepe. De drie bovensaande uidrukkingen van v AM () zijn alle drie ideniek. De eerse wee zijn handig indien we he signaal V AM () willen uiekenen in he ijdsdomein en de derde uidrukking is handig indien we he signaal willen voorsellen in he frequeniedomein. Ga zelf na wa de drie ermen in de derde uidrukking van v AM () voorsellen. Vul alle frequenies in als de zendfrequenie f C bijvoorbeeld 1 MHz is en he over e brengen microfoonsignaal een sinus is me een frequenie f m = 1 khz. De frequenies (f C - f m ) en (f C + f m ) worden respecievelijk de onderse en de bovense zijfrequenies genoemd. Wanneer he modulerend signaal een complex signaal is, dan spreken we van zijbanden in plaas van zijfrequenies. He signaal v AM () beva een draaggolf, een onderse zijfrequenie en een bovense zijfrequenie. Merk hierbij wel op da de nuige informaie nie in de draaggolf zi, maar in elk van de zijbanden. He is bij de uizending mogelijk om de draaggolf e onderdrukken en dus enkel de zijbanden ui e zenden. Di beeken een belangrijke energiebesparing. He is ook mogelijk om enkel de onderse zijband of enkel de bovense zijband ui e zenden. Op die manier vereis de uizending nog minder energie. Wa bedoel men me DSB-, SSB-, LSB- en USB-uizendingen? DSB is de Engelsalige afkoring van double side band. Bij een DSB-uizending worden beide zijbanden uigesuurd samen me de draaggolf. Indien enkel de wee

16 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 16 zijbanden uigesuurd worden (dus zonder draaggolf), dan spreek men van double side band wih suppressed carrier. Bij een SSB-uizending (single side band) word slechs één zijband uigezonden. Is die ene zijband die uigezonden word de onderse zijband, dan spreek men van LSB (lower side band). Is die ene zijband die uigezonden word de bovense zijband, dan spreek men van USB (upper side band). In de huidige cursus beperken we ons weliswaar o ampliude gemoduleerde signalen waarbij zowel de draaggolf alsook de beide zijbanden uigezonden worden. 5.3: De modulaiediepe In de analyische uiwerking kwam he begrip modulaiediepe voor. De modulaiediepe m is per definiie gelijk aan de verhouding van de ampliude van he modulerend signaal o de ampliude van de draaggolf: m = V m /V C. De modulaiediepe word ook vaak procenueel uigedruk: %m = ( V m /V C ). 100%. Er kunnen zich nu drie gevallen voordoen. In he eerse geval is de modulaiediepe kleiner dan 100%, in he weede geval is de modulaiediepe precies 100% en in he derde geval is de modulaiediepe groer dan 100%. Indien de modulaiediepe kleiner is dan 100%, dan is de ampliude van he AMsignaal seeds groer dan nul. In di geval reed er geen vervorming op. Hieronder in Figuur 6.8 is he ijdsverloop van v AM () weergegeven samen me he bijhorende frequeniespecrum. He frequeniespecrum beva de frequenies f C, f C - f m en f C + f m. Bemerk wel da he frequeniespecrum in Figuur 6.8 nie op maa geekend is. In realiei is f m << f C waardoor f C f m en f C + f m erg dich bij f C gelegen zijn. V AM () v AM (f) f C - f m f C f C + f m f Figuur 6.8: Tijdsverloop en frequeniespecrum (m < 100%)

17 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 17 Een dergelijk ijdsverloop kan opgemeen worden me behulp van een oscilloscoop. He frequeniespecrum kan opgemeen worden me behulp van een specrum-analyser. Indien de modulaiediepe gelijk is aan 100%, dan krijgen we als ijdsverloop en als frequeniespecrum de volgende Figuur 6.9. V AM () V AM (f) 6 db f C - f m f C f C + f m f Figuur 6.9: Tijdsverloop en frequeniespecrum (m = 100%) De ampliude van he AM-signaal varieer ussen 0 en 2V C. He frequeniespecrum beva de frequenies f C, f C - f m en f C + f m. Zoals verder word aangeoond, bedraag he verschil in signaalserke ussen de draaggolf en één zijband precies 6 db. Er reed nog ne geen vervorming op. Meer uileg in verband me he gebruik van de decibel (db) vind u in Bijlage 5. Een verschil in signaalserke van 6 db ussen de draaggolf en één zijband beeken da de ampliude van de draaggolf dubbel zo groo is als de ampliude van een zijfrequenie. Inderdaad, seunende op de resulaen bekomen in Paragraaf 5.2 geld me m = 1 da v AM () = V C cos( C ) + (V C /2) cos( C - m ) + (V C /2) cos( C + m ). Indien de modulaiediepe groer is dan 100%, dan krijgen we als ijdsverloop en als frequeniespecrum de volgende Figuur v AM () v AM (f) f C 2f m f C - f m f C f C + f m f C + 2f m f Figuur 6.10: Tijdsverloop en frequeniespecrum (m > 100%) Zoals duidelijk is op de Figuur 6.10 blijf he AM-signaal nul gedurende een zeker ijdsinerval. Hierdoor onsaan er naas de wee gewense zijfrequenies f C f m en f C + f m ook nog andere frequeniecomponenen. Inderdaad, he hier geekende

18 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 18 frequeniespecrum beva nie enkel de frequenies f C, f C - f m en f C + f m, maar ook de frequenies f C 2 f m, f C + 2 f m, f C - 3 f m, f C + 3 f m enzovoor. Er zal een serke vervorming opreden van he signaal. Bovendien kan die vervorming soringen veroorzaken bij andere zenders. Een modulaiediepe groer dan 100% is dus absoluu nie oegelaen. Hoe zal men de modulaiediepe m prakisch kiezen? Waarom? Wa doe men indien v m () voordurend varieer? 6: AM-deecoren Uigaande van he onvangen gemoduleerde HF-signaal v AM (), moe de modulaor of deecor in de onvanger he oorspronkelijke informaiesignaal v m () reproduceren. Me andere woorden, de informaie verva in v AM () moe eruggewonnen worden Er zijn wee belangrijke ypes AM-deecoren, de diodedeecor en de synchroondeecor. 6.1: De diodedeecor De diodedeecor is de mees eenvoudige schakeling waarmee een AM-signaal kan gedemoduleerd worden. Ze is voorgeseld in de ondersaande figuur. i D () v D () v AM () L C D C v C () R v m () Figuur 6.11: De diodedeecor De eigenschappen van deze diodedeecor zijn afhankelijk van de grooe van he ingangssignaal. Bij kleine ingangsampliudes werk de diode in he kwadraisch gedeele van de spanning-sroom-karakerisiek. Bij voldoende groe ingangsampliudes werk de diode veel meer in he lineaire gedeele van de spanning-sroom-karakerisiek.

19 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 19 i D Figuur 6.12: Diodekarakerisiek v D kwadraisch lineair Indien de diode in he kwadraische gedeele gebruik word, dan spreken we van een kwadraische deecor. Indien de diode in he lineaire gedeele gebruik word, spreken we van een omhullende deecor. Dus zowel de kwadraische deecor als de omhullende deecor zijn allebei een diodedeecor. 6.2: De kwadraische deecor Bij een kwadraische deecor (dus de deecor van Figuur 6.11 me een klein ingangssignaal) word he AM-signaal aangelegd aan een nie-lineair elemen. We verondersellen hierbij da he verband ussen he ingangssignaal en he uigangssignaal weergegeven word door een weedegraadsvergelijking: V O () = k O + k 1 v i () + k 2 v i 2 (). Wanneer we v i () gelijksellen aan V C (1 + m cos( m )) cos( C ), dan vinden we, na uiwerking, da he signaal v O () de pulsaies C, C - m, C + m, 2 C, 2( C - m ) 2( C + m ), 2 C - m, 2 C + m, m en 2 m beva. De laagfrequene componenen in v O () zijn: - de nuige componen: k 2 (m/2) (V C ) 2 cos( m ) - de vervormingscomponen: k 2 (m/2) 2 (V C ) 2 cos(2 m ). De hoogfrequene componenen in v O () worden weg gefilerd me behulp van een laagdoorlaafiler. Di beeken da enkel de laagfrequene componenen overblijven. Ui deze berekeningen blijk da he gedemoduleerde signaal seeds aanzienlijk vervormd is. Die vervorming neem bovendien oe naarmae de modulaiediepe groer word. Di alles heef o gevolg da de kwadraische deecor weinig gebruik word. Wanneer we een diodedeecor als AM-demodulaor willen gebruiken, dan zullen we er seeds voor zorgen da de ampliudes van he ingangssignaal voldoende groo zijn

20 Elekronica: Tweede kandidauur indusrieel ingenieur 20 om in he lineaire gebied van de sroom-spanningskarakerisiek e werken. Mis een juise dimensionering van de RC-kring, word de vervorming dan veel meer beperk. Hiervoor verwijzen we echer naar de uileg die hoor bij de omhullende deecor. 6.3: De omhullende deecor Een omhullende deecor (dus de deecor in Figuur 6.11 me een voldoende groe ingangsampliude) werk op een analoge manier als een enkelzijdige gelijkricher me afvlakcondensaor en belasingsweersand. Indien v AM () > v C () + v D (), dan laad de condensaor zich op. Di gebeur me een ijdsconsane R d C. Hierbij is R d de dynamische weersand van de diode D in doorlaariching. He is van belang da R d C kleiner is dan 1/f C wa beeken da C nie al e groo gekozen mag worden. Indien v AM () < v C () + v D (), dan sper de diode D en onlaad de condensaor C zich me een ijdsconsane RC. Hierbij is RC >> R d C. Di laad- en onlaadverschijnsel heef o gevolg da de uigangsspanning (welke gelijk is aan de spanning over de condensaor, dus v C ()) een goede benadering kan zijn van de omhullende van he ingangssignaal. Di beeken da de uigangsspanning een goede benadering is van v m (). De uigangsspanning is bijgevolg van de vorm weergegeven in de ondersaande Figuur U zie op Figuur 6.13 de exace omhullende in sreeplijn. v AM () is in dunne volle lijn geekend. U zie ensloe de uigang van de deecor v C () in dikke lijn geekend. Di is een goede benadering is van de exace onhullende in sreeplijn. Houd in gedachen da v C () hier de spanning voorsel over de condensaor C en da v C () hier nie de draaggolf is. Figuur 6.13: Uigangsspanning bij omhullende deecor 6.4: Opmerkingen bij de omhullende deecor Nu is he nie zo vanzelfsprekend een mooie figuur als Figuur 6.13 e bekomen. Hiervoor moe er aan een aanal voorwaarden voldaan zijn. Inderdaad, de vervorming