طراحی و ساخت فرستنده رادیویی

ايجاد شرايط لازم جهت انتقال سيگنال‌هاي صدا بين دو نقطه جغرافيايي يك دستاورد مهم بشريت در قرن بيستم به‌حساب مي‌آيد. در اين فرآيند پردازشهاي مختلف شامل مدولاسيون و تقويت‌كردن و ... در فرستنده انجام مي‌شود تا سيگنال باند پايه توانايي انتقال از طريق كانال را داشته باشد. مراحل متفاوت و معكوس در گيرنده صورت مي‌گيرد تا عليرغم حضور نويز، تداخل و اغتشاش سيگنال مشابه سيگنال مبداء در مقصد بازسازي گردد.

اولين نسل از فرستنده‌هاي راديويي با استفاده از ترانس مدولاسيون و با بكارگيري عناصر تقويت كننده لامپي تريود، تترود و پنتود عمليات پياده‌سازي مدولاسيون AM‌ را محقق نمودند. پيشرفتهاي بعدي روش تحقق AM را با استفاده از روشهاي PDM و PSM‌ ممكن ساخت كه در مقايسه با روشهاي اوليه مزاياي مناسبي را ارائه مي‌كردند.ازجمله فرستنده‌هايي که در آنها از روش PWM استفاده شده، مي‌توان به فرستنده‌های Harris ,نوتل , تلفنکن و فرستنده‌های ساخت جهاد دانشگاهی خواجه نصيرالدين طوسي اشاره کرد .

بزرگترين مشکل در فرستنده‌های AM نسل اول وجود ترانس‌های مدولاسيون و راکتور است، که اين اشکال در فرستنده‌های PWM وجود ندارد. چون طبقه مدولاتور به صورت کليد عمل مي‌کند، تغيير اجزا مدار, در عمل مدولاسيون اثر نخواهد گذاشت و همچنين ديگر عمل مدولاسيون به خطی بودن مشخصه ترانزيستور يا لامپ بستگی ندارد. عمر لامپ در حالت PWM  به مقدار قابل ملاحظه‌ای افزوده مي‌شود.

از جهت ديگر با استفاده از روش PWM چون تعداد طبقات لامپی کمتر است مخارج مربوط به تعميرات و نگهداری در اين فرستنده‌ها کمتر است.

با پيشرفت الکترونيک و ساخت قطعات سوئيچينگ سريع (Power Mosfet ) تکنولوژی ساخت فرستنده‌های راديويي دستخوش تغيير قرار گرفت. به عنوان مثال فرستنده‌های راديويي جهاد از جمله اين فرستنده‌ها هستند. در اين نوع فرستنده‌ها با بهره‌گيری از قطعات نيمه‌هادی و بدون استفاده از لامپهای خلاء طول عمر بيشتری را نسبت به فرستنده های لامپي به خود اختصاص دادند. در اين فرستنده‌ها عمل تقويت صوت و RF با استفاده از نيمه‌هادی‌های Power Mosfet و بيس PWM انجام مي‌پذيرد. ترکيب اين فرستنده به صورت ماژولار بوده و توان خروجی فرستنده از جمع شدن توان تک‌تک آنها تامين مي‌شود، که اين روش مزيت‌های بسياری دارد .

PWM (Pulse Duration (Width) Modulation)

در مدولاسيون عرض پالس (PDM or PWM) دامنه پالس‌ها ثابت و عرض آن‌ها متغيير است. عرض هر پالس با مقدار لحظه‌ای سيگنال مدوله کننده متناسب است. PWM‌ در زمينه‌هاي مختلف آنالوگ و ديجيتال كاربرد دارد . به عنوان مثال در مخابرات و انتقال ديتا ، انتقال و تقويت توان ، تنظيم ولتاژ و افكت‌هاي صوتي.

اما از مهمترين استفاده‌هاي PWM‌ در جهت تقويت و انتقال سيگنال بدون تلفات و حضور نويز است و همچنين كنترل توان در فركانس‌هاي بالا به وسيله اين روش و سوئيچ‌هاي نيمه‌هادي قابل اجراست . در فرستنده‌هاي راديويي پرقدرت ، با دو مفهوم  مجزا Pulse Width Moulator و Pulse Width Modulatin  روبرو هستيم. در فرستنده‌های راديويي پر قدرت از PWM جهت تقويت صوت به علت حضور نويز و همچنين در مدولاتور نهايي برای ضرب کردن دو سيگنال PDM (صوت) و RF استفاده مي‌شود. فرستنده‌های راديويي PDM که شامل مدولاتورهای صوتی سطح بالا و تقويت‌کننده‌هايي با کلاس‌های استاندارد C,D وS و همچنين دارای مدولاتور‌های نهايي RF هستند بسيار کارآمد هستند. در اين فرستنده‌ها از ترانسفورمرهای مدولاسيون استفاده نمي‌شود که اين يک مزيت بسيار مهم نسبت به ساير فرستنده های AM در کلاس‌های تقويت‌کننده A و AB هست.

در سيستم PDM قطعات مدولاتور لامپ‌ها, ماسفت‌ها و ترانزيستورها در کلاس D و S  در دو وضعيت قطع(بدون جريان) و اشباع (افت ولتاژ خيلی کم) در فرکانس fpdm کار مي‌کنند. از اين رو تلفات توان, خرابي قطعات (عمر زياد قطعات), هزينه‌های نگهداری و تعميرات کاهش، بازده و توان فرستنده‌ها افزايش خواهد يافت. همچنين با حضور انواع نيمه‌هادی‌ها و روش PDM، فرستنده‌‌های لامپي با هزينه‌های بسياری که داشتند جای خود را به نسل جديد فرستنده‌ها با تکنولوژی تماماً نيمه‌هادی مي‌دهند.

از جمله اقدامات جهاد دانشگاهی خواجه نصيرالدين طوسی مي‌توان به ساخت اين نوع فرستنده‌‌ها در سال‌های اخير با نام فرستنده‌های جهاد اشاره کرد. و همچنين قابل ذکر است با استفاده از اين متدها مي‌توان قدم در عرصه ديجيتالی شدن فرستنده‌ها و پردازش ديجيتال و ساخت جديدترين فرستنده‌ها که [1]DRM هستند گذاشت.

PWM در فرستنده‌هاي راديويي:

 اساس كار مدولاتور‌هاي PWM و بيان مفهوم Pulse Width Moulator

 به طور مجزا حالت‌های ON /OFF مدولاسيون PWM برای کنترل وضعيت سوئيچ‌ها که متقابلاً کنترل ولتاژ اعمالی و يا جريان عبوری از بار را بر عهده دارند، استفاده مي‌شوند. مزيت عمده اين سيستم‌ها اين است که سوئيچ‌ها چه در حالت خاموش هيچ جريانی عبور نمي‌دهند و چه در حالت روشن بودن افت ولتاژی روی آنها نمي‌افتد. بنابراين هيچ توان تلف شده‌ای در سوئيچ‌های نيمه‌هادی نخواهيم داشت.

 برای اين کاربرد مي‌توان از تقويت‌کننده‌های کلاس D وS نام برد که از Power Mosfet ها به عنوان سوئيچ استفاده مي‌کنند. از اين روش جهت تقويت PDM و کرير در فرستنده‌های راديويی پرقدرت استفاده مي‌کنند(از اواسط دهه 80). به عنوان مثال جهت تقويت سيگنال RF از يک پل تمام موج که کليدهای آن Power Mosfet  است استفاده مي‌گردد(شکل 7). با توجه به شکل مشخص است که اگر کليدهای 1و 4 به صورت همزمان وصل گردد, جريان مدار از سمت تغذيه, کليد 1, بار و کليد 4 به زمين برقرار مي‌گردد. حال اگر کليدهای او4 قطع و کليدهای 2و3 وصل شوند، جريان مدار اين بار از طريق کليد 3, بار و کليد 2 به زمين برقرار مي‌شود. در هر دو وضعيت جريان و ولتاژ دو سر بار معکوس مي‌گردد. حال اگر عمل کليد‌زنی به صورت متناوب و با فرکانس RF انجام گردد يا به عبارت ديگر RF را به گيت ماسفت‌ها اعمال کنيم، در آن صورت دو سر بار يک موج مربعی با دامنه  و با فرکانس RF  خواهيم داشت.

عملاً نحوه عملکرد لامپ‌ها, ماسفت‌ها و ترانزيستورها که در مدولاتورها استفاده مي‌شوند به صورت زير تبيين مي‌شود. مدار پايه شکل 8 را در نظر مي‌گيريم. وقتی که کليد بسته است جريان از طريق مقاومت R1 و سلف L1 مسير خود را مي‌بندد و خازن C1 که قبلاً در لحظه باز بودن کليد شارژ شده است، دشارژ خواهد شد.

جريان جاری در سلف باعث ذخيره شدن انرژی و ايجاد يک ميدان مغناطيسي در سلف خواهد شد. حال اگر کليد باز شود جريان سلف L1 به سرعت قطع خواهد شد و ميدان مغناطيسي ايجاد شده در سلف به سرعت از بين خواهد رفت. در خلاف جهت حالت قبل جريان ديگری ايجاد خواهد شد که در نتيجه يک ولتاژ معکوس روی سلف مي افتد. و اين ولتاژ به سرعت افزايش مي‌يابد (ولتاژ القايي) تا اينکه به ولتاژ تغذيه برسد.

در اين لحظه ديود D1 شروع به هدايت مي‌کند و نخواهد گذاشت ولتاژ از اين حد بيشتر شود. جريان ايجاد شده توسط ولتاژ معکوس از طريق هدايت ديود به منبع تغذيه برخواهد گشت (اين جريان را در مدارهای اصلي توسط ديود دمپر(Damper) برای جلوگيری از برگشت به منبع تغذيه حذف مي‌کنند). وقتی که سوئيچ دوباره ON شود اين سيکل دوباره تکرار خواهد شد. پريودی از زمان که سوئيچ بسته(ON) است زمان روشن بودن مدولاتور است. اطلاعات در حالت روشن بودن مدولاتور انتقال مي‌يابد و در عرض پالس تاثير مي‌گذارد.

در فرستنده‌هاي جهاد تقويت صوت در كلاس S صورت مي‌گيرد، پالس PWM با دامنه صفر تا 15v ابتدا به يك طبقه راه‌انداز اعمال مي‌شود و سپس به گيت سوئيچ Q اعمال مي‌شود. اين سوئيچ در واقع از دو ماسفت موازي تشكيل شده است. با قطع و وصل شدن اين سوئيچ در ورودي فيلتر صوتي موج PWM تقويت‌شده‌اي با دامنه صفر تا VDC خواهيم داشت(شكل12).

شبكه فيلتر يك فيلتر صوتي پايين گذر است كه پالس تقويت‌شده در طبقه قبل از اين فيلتر عبور كرده و تنها مولفه فركانس پايين سيگنال PWM يا در واقع صوت تقويت شده باقي مي‌ماند.

حالا در طبقه مدولاتور نهايي براي ضرب دو سيگنال صوت و RF از يك اينورتر تمام پل(كلاسD) استفاده شده است كه گيت‌هاي آن با فركانس كرير تحريك مي‌شود، تغذيه اينورتر نيز همان سيگنال صوت تقويت شده خروجي فيلتر صوتي است. در نتيجه خروجي اين مدار حاصلضرب سيگنال صوت و RF است كه همان سيگنال AM‌  مي‌باشد با اين تفاوت كه مولفه RF به علت تقويت با مدولاتور پالس پالسي است نه سينوسي. به همين دليل به اين مدار مدولاتور AM مي‌گوييم. خروجي مدولاتور قدرت AM سيگنال فيلتر نشده است كه در طبقات بعد فيلتر خواهد شد.(شكل13و14)

توليد يك PWM‌ پايه و بيان مفهوم  Pulse Width Modulatin:

يکی از روش‌های ساده توليد PWM استفاده از يک مقايسه‌کننده تفاضلی و يک مولد موج دندانه‌اره‌ای است. خروجی مقايسه‌کننده تفاضلی بر اساس اينکه ولتاژ‌های اعمالی به ورودی‌های آن چگونه باشد High ياLow  خواهد بود. با توجه به شکل 10 سيگنال دندانه‌اره‌ای را به پايه Inverting (-)  و سيگنال Audio را به پايه  Noninverting (+)  مقايسه‌کننده اعمال شده است.

مقايسه‌کننده به اين صورت عمل مي‌کند که هنگامی که سطح ولتاژ سيگنال اعمال شده به پايه مثبت نسبت به پايه منفی بيشتر باشد خروجی مقايسه‌کننده High يا 1 ديجيتال و هنگامی که سطح ولتاژ سيگنال اعمال شده به پايه منفی نسبت به سطح ولتاژ پايه مثبت بيشتر باشد خروجی مقايسه‌کننده صفر(Low) خواهد بود. فرض مي‌کنيم خروجی مولد دندانه‌اره‌ای 10vp-p باشد و به پايه (-) مقايسه‌کننده اعمال شود بنابراين ورودی منفی بين +5 و -5 ولت (10vp-p)تغيير مي‌کند.

اگر سيگنال اعمال شده به ورودی (+) مقايسه‌کننده صفر ولت باشد, خروجی مقايسه‌کننده به طور دقيق يک موج مربعی با  Duty Cycle , 50% خواهد بود(شکل10-1). حال اگر ولتاژ ورودی پايه (+) را 1v (DC) قرار دهيم و تغيير ديگری نداشته باشيم خروجی مقايسه‌کننده مانند شکل(10-2) خواهد بود, که مدت زمان High بودن خروجی نسبت به مدت زمان Low بودن خروجی بيشتر است, چون بخش بيشتری از سيگنال دندانه‌اره‌ای زير +1v است و ورودی مثبت در اين بخش‌ها مقدار بزرگتری نسبت به ورودی منفی دارد.

همچنين مي‌توان با اعمال يک سطح DC زمان High  و Low بودن را تغيير داد. که از اين مورد در جاهايي که سيگنال اصلی دارای مقادير يا پيک‌های منفي هستند, برای جلوگيری از Over lab شدن پالسهای High و Low به صورت دستی مي‌توان اين مقدار DC را اعمال کرد.

حال در صورت اعمال يك سيگنال سينوسي به ورودي (+)، در خروجي يك پالس با پهناي متغيير كه وابسته به پهناي موج مثلثي براي لحظه‌اي كه ورودي (+) بزرگتر از ورودي (-) مي‌شود، خواهيم داشت(شكل 10-3). در ساخت سيگنال دندانه ‌اره‌اي و استفاده از مقايسه‌كننده ملاحظاتي در جهت داشتن پالس PWM مطلوب در نظر گرفته‌ خواهد شد . فركانس سوئيچينگ (براي تعيين فركانس مولد موج مثلثي) بايد حداقل 4 برابر بزرگتر از فركانس سيگنال ورودي كه مي‌خواهيم مدوله كنيم، باشد. بنابراين با اطمينان از اينكه فركانس سوئيچينگ يا نمونه‌برداري بيشتر است، احتمال وقوع پديده Aliasing[2]‌ را كاهش خواهيم داد. از طرف ديگر اگر فركانس سوئيچينگ خيلي زياد باشد طراحي مولد پالس دندانه‌اره‌اي و تقويت‌كننده‌ها بسيار سخت خواهد شد، چون بايد براي اين فركانس جهت بازيابي سيگنال اصلي، فيلتر‌هايي با پهناي باند خيلي وسيع طراحي كرد. پس فركانس سوئيچينگ يا در واقع فركانس موج مثلثي را در مدولاسيون PWM چيزي بين 50KHz تا 100KHz‌ در نظر مي‌گيرند.

 

فرستنده راديويي مدل :

فرستنده راديويي مدل شده فرستنده‌اي AM‌ به روش PWM‌  با مونيتورينگ ميكروكنترلري است كه با  پيگيري دو هدف زير در مدت پنج ماه با مطالعه روش‌هاي مختلف پياده سازي روش PWM و مونيتورينگ در فرستنده‌هاي مختلف راديويي پرقدرت، طي مراحل مختلف طراحي و پياده‌سازي شد.

هدف1 :  مشاهده سيگنال‌هاي مختلف كه در فرستنده‌هاي پرقدرت به علت وجود حساسيت كاري آنها و High ولتاژ بودن براي كارآموزان و مبتديان در محيط فرستنده‌هاي راديويي به سادگي امكانپذير نيست.

هدف2 : از جهت ديگر به منظور آموزش و يادگيري مباحث پايه در كلاس‌هاي تئوريك و وجود يك نمونه ساده براي تبيين دو روش  مدولاسيون ( PWMوAM) مي‌تواند ، نمونه خوبي باشد. كه اين امكان به صورت يك پانل آزمايشي داراي LCD ، ميتر ، فيش‌هاي سيگنال‌گيري (Test point) و كليد‌هاي ايجاد عيب فراهم شده است . به عنوان مثال در صورت وجود  عيب در چرخه توليد PWM  يا RF‌ و يا ولتاژ‌هاي تغذيه و يا حذف يكي از پارامتر‌هاي اصلي مدولاسيون، علاوه بر آلارم و اعلام خطا از طريق LCD‌ اين خطا قابل مشاهده خواهد بود كه در صورت وجود آن نقص در خروجي نهايي آن طبقه ، يا طبقات بعدي و در نهايت خروجي آنتن چه اتفاقي بر سر سيگنال‌هاي موجود رخ خواهد داد.

اين فرستنده شامل چهار ماژول اصلي PWM ، RF ، نمونه‌گير‌ها و ميكروكنترلر است. در ماژول PWM ابتدا يك پالس 100KHz (فركانس نمونه‌برداري) توسط يك مولتي‌ويبراتور آستابل توليد مي‌شود. اين پالس مربعي به يك انتگرال‌گير ساده ميلر(OpAmp 741) با مي‌نيمم فركانس كار 7KHz اعمال مي‌شود و در خروجي موج مثلثي خواهيم داشت. موج مثلثي به همراه يك مقدار Offset DC‌ كه قابل تنظيـم بيـن +12v تا -12v است به ورودي منفي و سيگنال صوتي ورودي (ميكروفن يا فانكشن) پس از دو مرحله پيش تقويت به ورودي مثبت يك مقايسه‌كننده آنالوگ ولتاژ ، سرعت بالا (LM710) با زمان پاسخ 40ns اعمال مي‌شود. در خروجي مقايسه‌كننده پالس PWM با Duty Cycle  متناسب با دامنه سيگنال ورودي خواهيم داشت. اين خروجي در ماژول RF پس از تقويت تا سطح ولتاژ  و عبور از فيلتر پايين‌گذر جهت بازيابي سيگنال اصلي به ورودي مدولاتور داده مي‌شود. در اين فرستنده به علت عدم وجود منبع تغذيه‌اي با ولتاژ و جريان بالا براي درايو ‌كردن ماسفتهاي قدرت  و همچنين عدم دسترسي به ماسفتهاي ولتاژ پايين به ناچار از ضرب‌كننده آنالوگ با يك كانال ورودي غير‌خطي استفاده شده است كه به دنبال اين قضيه از قدرت خروجي فرستنده كاسته شده ، اما به دليل مدل بودن فرستنده خواسته ما را برطرف مي‌كند. ورودي ديگر ضرب كننده، اسيلاتور كريستالي بهينه شده كلاپ با فركانس 1MHz است . خروجي مدولاتور سيگنال AM است كه پس از عبور فيلتر تنظيم‌شده جهت حذف هارمونيكهاي اضافي و مدارات تطبيق امپدانس به آنتن اعمال مي‌شود.

سيگنال‌هاي Rf ، PWM و ولتاژ‌هاي تغذيه پس از نمونه‌گيري توسط نمونه‌گير‌ها وارد سه كانال ورودي مبدل آنالوگ به ديجيتال (ADC808) مي‌شوند و پس از تبديل مقدار آنالوگ به ديجيتال توسط ADC ، و قرار گرفتن اطلاعات ديجيتال بروي خطوط ديتا ميكروكنترلر 8051 ، ميكروكنترلر عمل مقايسه با مقادير نرمال و اسكن پارامتر‌هاي ذكر شده را انجام مي‌دهد و در صورت وجود شرايط غيرعادي تعريف شده پس از فعال شدن آلارم ، نوع پارامتر معيوب را بروي LCD‌ نمايش مي‌دهد. همچنين اين قابليت را دارد كه در صورت تعريف، علاوه بر عمل مونيتورينگ عمليات تصميم‌گيري را انجام دهد .

[1] . Digital Radio Mondiale

[2] در صورتي كه فركانس نمونه‌برداري از دو برابر فركانس سيگنال اصلي كمتر باشد  باندهاي جانبي باهم تداخل دارند كه در صورت بازيابي و يا فيلتر‌كردن باعث ايجاد اعوجاج خواهد شد كه اين اعوجاج را Aliasing مي‌نامند.