V předchozí části jsme si vytyčili cíl našeho snažení a trochu jsme se prokousali teorií. Nyní si k tomu přidáme i praktické zapojení a ověříme jeho vlastnosti. Předesílám, že tento článek není zamýšlen jako konstrukční návod, do takové podoby celý projekt zatím nebyl dotažen.

Schéma zapojení

Schéma zapojení mentálního vysílače. Doufám, že nikdo nebude tvrdit, že je to moc složité.

Zvukový signál či signál MPX vstupuje do A/D převodníku obvodu IO1. Vnitřní program tohoto mikrokontroléru převádí aktuální vzorek vstupního signálu na příslušnou hodnotu okamžité frekvence nosné. Hodnota je odeslána prostřednictvím signálových vodičů CLK, DATA a LE do obvodu IO2, který obsahuje PLL, oscilátor i výstupní zesilovač. Výstupní signál je vyzářen anténou. Pro skutečné vysílání by ještě před anténou měl být filtr vyšších harmonických, který zde byl vynechán.

Vysílací frekvence je nastavena přímo v programu v IO1, pro jednoduchost nebyly použity žádné ovládací či zobrazovací prvky.

Praktické provedení

Experimentální FM vysílač s digitální modulací byl zhotoven na univerzální desce plošných spojů pro pouzdro TSSOP. Řídicí mikrokontrolér IO1 je umístěn zvlášť. Pro účely ověření vlastností to takhle stačí, jinak je to samozřejmě čuňárna, protože obvod IO2 ADF7012 vnitřně pracuje na frekvenci blízké 1 GHz, čili je velmi žádoucí použití smd součástek a kvalitní návrh desky plošných spojů.

Popis použitých součástek

IO1 - PIC12F1840

Neptejte se, proč jsem jako řídicí mikrokontrolér použil zrovna tenhle slabý a jednoduchý model. Nejspíš to bylo z lenosti, aby to bylo rychle hotové. Obvod obsahuje 10bitový A/D převodník, frekvence instrukčního cyklu je 8 MHz, použit je vnitřní oscilátor. Signál synchronizace (její důvod bude popsán dále) z IO2, který má frekvenci 1,3824 MHz (polovina pracovní frekvence fázového detektoru IO2), je napojen na vnitřní čítač, který po 12 periodách vyvolá přerušení, přečte se vzorek z A/D převodníku, pošle se do IO2 a zase se čeká na přerušení. Vzorkovací frekvence je tedy 115,2 kHz. To není příliš, ale vyšší vzorkovací frekvenci už by IO1 vlastně ani nezvládl. Po zapnutí napájení se ještě provede inicializace IO2. Nic víc už to nedělá.

IO2 - ADF7012

Tento zajímavý obvod z produkce firmy Analog Devices je primárně určen pro přenos dat v pásmech ISM. To jsou takové ty různé ovladače na vrata od garáže, bezdrátové teploměry a podobné hračky. Je toho dnes tolik, že zejména pásmo 433 MHz je pěkně zapráskané a dosah zařízení je snižován rušením od jiných zařízení. Použít tento obvod pro rozhlasové FM vysílání by asi výrobce nenapadlo ani v nejhorším snu, jenže když se podíváte do specifikace, tak tam není vidět nic, co by takové využití vylučovalo. Výhoda je v tom, že obvod obsahuje i oscilátor VCO, je poměrně levný a dostupný, a je v pouzdru, které se dá ještě relativně snadno pájet. Samozřejmě existuje celá řada jiných Fractional-N PLL obvodů, ale vždycky tam některá z vyjmenovaných klíčových výhod chybí.

ADF7012 je kompletní vysílač pro datové přenosy podporující modulace FSK, ASK a OOK. Je důležité všimnout si, jak v tomto obvodu ta modulace FSK funguje. FSK je obecně typ modulace, kdy je každému stavu datového signálu přiřazena jiná nosná frekvence. Při typickém dvoustavovém signálu (nuly a jedničky) se potom střídají dvě frekvence. Obvod ADF7012 už je přímo navržen tak, aby tato modulace probíhala uvnitř pásma PLL. Na základě stavu přivedeného datového signálu se střídají hodnoty frekvence nastavené v PLL. My samozřejmě žádná data tímto způsobem přenášet nebudeme, příslušný datový vstup je trvale uzemněn, využijeme však toho, že obvod je hlediska dynamických parametrů vhodný pro náš účel.

Výstupní frekvence může být v rozsahu 75 MHz až 1 GHz. Samotný integrovaný oscilátor je schopen pracovat v rozsahu od 400 MHz do 1 GHz. Je tu však i volitelná dělička. Abychom se dostali do pásma FM rozhlasu, tedy do rozsahu 87,5 až 108,0 MHz, vydělí se frekvence VCO číslem 8. Čili VCO ve skutečnosti pracuje v rozsahu 700 až 864 MHz. Jelikož je však dělička přímo součástí VCO a je tedy uvnitř smyčky PLL, nemusí nás při nastavení PLL skutečná pracovní frekvence VCO zajímat. Střední pracovní frekvence VCO se určí pomocí externí cívky (na schématu je to L1). Od této střední frekvence je možné VCO přeladit samozřejmě v omezeném rozsahu, naštěstí to vychází tak akorát na přeladění přes celé pásmo FM rozhlasu, čemuž se ještě musí trochu pomoci nastavením některých registrů obvodu.

Pro modulaci využijeme registr, který byl původně určen ke korekci vysílací frekvence. Ten lze plnit hodnotami v rozmezí -2048 až 2047, při zvolené pracovní frekvenci fázového detektoru 2,7648 MHz odpovídá jeden krok změně frekvence o 0,084 kHz, při frekvenčním zdvihu 75 kHz je tedy celkové rozlišení asi 11 bitů a s tím související odstup signálu od šumu asi 70 dB, což je pro FM vysílání běžná hodnota. Výstupní výkon vf signálu je nastavitelný v rozsahu 0,025 až 20 mW.

Při prvních testech se objevil podivný problém - ono to v modulaci praská jako když se přehrává gramofonová deska, a to jen když se posílají okamžité hodnoty nosné, což z hlediska použitelnosti obvodu ADF7012 vypadá velmi bledě. No ještě než jsem to rozšlápnul, kouknul jsem znova do datasheetu. Nějakou kombinací náhody a intuice mě napadlo posílání hodnot synchronizovat s frekvencí fázového detektoru, pomocí vývodu MUXOUT a příslušného nastavení. Takže každý vzorek se posílá přibližně ve stejné fázi signálu fázového detektoru, a to takové, kdy to nepraská a neprská. No a bingo, už to chodí. Proto je ve schématu ještě navíc vodič označený jako Synchronizace. Lze předpokládat, že taková úprava by při použití jiných PLL obvodů nebyla potřebná, neboť příslušná synchronizace bude zřejmě zajištěna přímo uvnitř obvodu. Zde to plyne ze skutečnosti, že ADF7012 používáme způsobem, pro který nebyl navržen.

Kvalita zvuku a výstupní spektrum

Co se týká zkreslení, podání basů či výšek, zvuk je naprosto bezchybný. Co se do vysílače pustí, přesně to z něj vyleze. V tomto ohledu je zapojení srovnatelné s plně digitálním vysílačem (DDS). Oproti DDSce už se ale samozřejmě projevuje analogová podstata oscilátoru, která je zvýrazněna ledabylým provedením na univerzální desce plošných spojů. Takže nějaký slabý šum tam při stereu slyšet je. Z části je také způsoben samotnou činností PLL a nelze jej tudíž zcela odstranit.

Spektrum výstupního signálu při modulaci sinusovým signálem 15 kHz se zdvihem 36 kHz.

Výstupní spektrum při modulování stereofonním MPX signálem se zdvihem 75 kHz ukazuje, že zřejmě není problém vejít se do spektrální masky definované doporučením REC 54-01 E pro rozhlasové FM vysílače. Vzorkovací frekvence by však samozřejmě měla být vyšší než 115,2 kHz, jak tomu bylo v našem případě. Ve vzdálenosti 115,2 kHz nalevo i napravo od nosné jsou velmi dobře patrné neodfiltrované zbytky z okolí vzorkovací frekvence, jako by tam byly další dvě modulované nosné, a dosti kazí celkový dojem.

Na průběhu frekvenční charakteristiky filtru PLL z programu ADIsimPLL je vidět překmit nad 0 dB (červeně). Ten tam být musí, jak jsme si řekli minule.

Ta křivka je důležitá, protože zároveň určuje frekvenční charakteristiku pro modulační signál, která by měla být plochá. Na frekvenční charakteristiku má dále vliv útlumové zkreslení vznikající při vzorkování. Vzorkování vždy způsobuje útlum na vyšších frekvencích, a to tím více, čím delší jsou intervaly vzorkování. V našem případě dochází ke dvěma konverzím (A/D a následně D/A) a celkový útlum je několik dB na frekvenci 50 kHz. Vhodným navýšením vzorkovací frekvence a mezní frekvence filtru by dokonce bylo možné dosáhnout stavu, kdy se oba vlivy na frekvenční charakteristiku vzájemně kompenzují. Takový stav ovšem zase není optimální z pohledu spektrální čistoty, kvůli které je naopak výhodnější mezní frekvenci filtru co možná nejvíce snížit.

Pro praktické použití by tedy bylo třeba zejména použít výkonnější mikrokontrolér, který by umožnil vyšší vzorkovací frekvenci a implemenentaci jednoduchého korekčního filtru pro vyrovnání frekvenční charakteristiky MPX signálu. Bez této korekce není při stereo vysílání příliš dobrá separace mezi levým a pravým zvukovým kanálem, navíc je silně frekvenčně závislá, takže stereo obraz je zdeformovaný.

Závěr

Princip digitální modulace uvnitř pásma PLL se ukázal jako životaschopný, což je zásluha hlavně moderních součástek, které jsou výborně navržené a přitom levné a dostupné. Celkový počet součástek je značně minimalizován, stejně jako nutnost nastavování. Na rozdíl od DDS se jedná o řešení vhodné pro amatérské konstrukce vysílačů malého výkonu, jako alternativa k vysílačům s přímou modulací, oproti kterým nabízí jednodušší zapojení, lepší podání basů a garantovaný frekvenční zdvih, který se nemění ani při změně vysílací frekvence. Na rozdíl od komerčně prodávaných vysílačů malého dosahu je zde lepší spektrální čistota a vstupní signál do vysílače může být i MPX, včetně RDS. Co by mohlo někomu vadit, to je absence určité "krásy", kterou přináší stavba klasického FM vysílače. V pouzdrech integrovaných obvodů je nahňácáno nejméně sto tisíc tranzistorů, přitom někdo může říci, že jeden tranzistor, který bude zapojen jako kvalitní LC oscilátor, udělá podobný výsledek, a nic se nemusí programovat. Je to svým způsobem pravda, každý už si musí vybrat sám.