I.P.S.I.A. Di BOCCHIGLIERO Radioricevitori ---- Materia: Telecomunicazioni. prof. Ing. Zumpano Luigi

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1 I.P.S.I.A. Di BOCCHIGLIERO a.s. 2010/2011 -classe III- Materia: Telecomunicazioni ---- Radioricevitori ---- alunni Valente Francesco Claudio e Serafini Rossella prof. Ing. Zumpano Luigi

2 I radioricevitori I ricevitori sono quei dispositivi che hanno la funzione di ricevere e rilevare l'energia emessa da una sorgente sonora, trasformata opportunamente in segnale elettromagnetico. Essi sono preposti a captare l'onda elettromagnetica modulata, ad amplificarla e a demodularla. Poiché nelle trasmissioni radiofoniche il mezzo di trasmissione è l'aria, risulta gravoso realizzare un sistema capace di soddisfare molti utenti, ai quali giunge un segnale che varia in rapporti ampiamente diversi. Bisogna tener conto, quindi, oltre che delle caratteristiche del mezzo, che sono fortemente variabili e spesso imprevedibili, anche della variabilità delle distanze tra i trasmettitori e i vari ricevitori e del fatto che si devono poter ricevere segnali provenienti da più emittenti che lavorano a frequenze e potenze diverse. I parametri che caratterizzano un ricevitore sono: la sensibilità, la selettività e la fedeltà. La sensibilità è l'ampiezza minima del segnale ricevuto sull'antenna, capace di fornire in uscita sull'altoparlante un segnale utile; viene espressa in µv o µv/m (intensità del campo elettrico in antenna). Tale parametro è legato a diversi fattori, quali la frequenza di lavoro, il rumore di fondo, i disturbi atmosferici, ecc.; ad esempio, i valori tipici per un ricevitore commerciale sono: Sensibilità OM 150 µv/m, Sensibilità OL 350 µv/m, Sensibilità FM 5 µv. Ovviamente minore è il valore e migliore è il ricevitore. Per selettività si intende la capacità del ricevitore di discriminare fra i vari segnali captati dall'antenna solo quello della trasmittente che si desidera ascoltare. Tale proprietà è legata al progetto dei vari circuiti risonanti e filtri di banda presenti nel ricevitore, in particolare nelle sezioni a radiofrequenza (RF) e a frequenza intermedia (FI). La fedeltà è la capacità del ricevitore di riprodurre indistorti tutti gli inviluppi di modulazione del segnale captato dall'antenna. Ciò implica che il ricevitore debba rispondere alla stessa maniera sia per segnali modulanti a frequenze basse (decine di Hz) sia per quelli modulati a frequenze più elevate (migliaia di Hz). La fedeltà è anche influenzata dall'altoparlante e dalle caratteristiche acustiche dell'ambiente in cui è posto il ricevitore. Alunni: Valente e Serafini classe III anno scolastico 2010/ 2011 pag 2 di pag 9

3 Il primo tipo di ricevitore realizzato fu quello a galena, costituito da un'antenna ricevente, un circuito accordato e un rivelatore a cristallo (rivelatore a galena). Con la scoperta dei tubi catodici, e in particolare del triodo, si migliorò notevolmente la sensibilità dell'apparecchio, riuscendo ad amplificare il piccolo segnale captato dall'antenna e a rivelarlo in modo più efficiente. Infine, quando le stazioni emittenti cominciarono a divenire numerose, diventò indispensabile dotare il ricevitore di selettività. La selezione dei canali da parte del ricevitore veniva effettuata attraverso circuiti risonanti di cui si faceva variare la capacità o l'induttanza per accordarli sulla frequenza del segnale da ricevere. Siccome i livelli del segnale in ricezione erano molto bassi, tali circuiti risonanti erano usati come carico per una serie di amplificatori. Il livello di uscita degli amplificatori selettivi (1 volt) doveva essere tale da fare funzionare correttamente il rivelatore a diodi, che serviva per separare il segnale di informazione dalla portante; il segnale così ottenuto era amplificato in tensione e in potenza, prima di essere inviato a comandare il trasduttore di uscita (altoparlante, cuffia, ecc.). Tale ricevitore era detto ad amplificazione diretta e presentava alcuni inconvenienti sia di carattere pratico, dovuti all'allineamento di più circuiti risonanti sulla stessa frequenza di lavoro, sia di carattere tecnico, perché variando gli elementi del circuito risonante variava anche il fattore di bontà dei circuiti e con esso la selettività. Inoltre, come tutti gli amplificatori selettivi, per evitare l'innesco di oscillazioni indesiderate, dovevano essere neutralizzati, il che era impossibile da effettuare su tutta la gamma di ricezione. Per evitare problemi di instabilità bisognava diminuire di molto il guadagno, con la conseguenza di dover utilizzare un numero elevato di stadi amplificatori selettivi. Questo tipo di ricevitore fu sostituito dapprima dai ricevitori a reazione, che sfruttavano il fenomeno della reazione positiva per aumentare l'amplificazione in maniera controllata, anche se era sempre presente il pericolo di innesco di oscillazioni, poi dal ricevitore supereterodina, oggi il più usato per la ricezione radio delle onde lunghe, medie, corte e per la ricezione televisiva. L'idea che sta alla base di questo tipo di ricevitore è quella di riportare tutti i canali ricevibili in un canale prefissato, tramite un'operazione di conversione di frequenza. Alunni: Valente e Serafini classe III anno scolastico 2010/ 2011 pag 3 di pag 9

4 selettivo (A) selettivo (A) 1 volt demodulatore AM banda base di tensione (A) finale di potenza (B) Schema a blocchi di un ricevitore ad amplificazione diretta. Radioricevitore AM Lo schema a blocchi di un radioricevitore a modulazione di ampiezza del tipo supereterodina è costituito, oltre che da uno stadio di alimentazione per i componenti attivi, da un gruppo a radiofrequenza formato da antenna, circuiti risonanti di preselezione, a radiofrequenza e circuito convertitore (miscelatore e oscillatore); segue un filtro a frequenza intermedia, uno o più stadi amplificatori selettivi, il circuito rivelatore, lo stadio di bassa frequenza ed infine l'attuatore di uscita. L'ingresso del ricevitore AM è costituito da un circuito risonante ad accordo variabile, accoppiato ad un'antenna che può essere o di ferrite, più usata, oppure a stilo. L'accordo di tale circuito deve consentire la ricezione di tutte le portanti nella gamma 500 K Hz 1600 K Hz circa. L'antenna a ferrite è formata da un nucleo a sezione circolare o piatta realizzato con materiale ceramico ferroso che ha la caratteristica di avere un'elevata permeabilità magnetica, quindi di poter convogliare al suo interno la maggior parte delle onde elettromagnetiche presenti nella zona. tensione di CAG c.c. CAG filtro passa-basso circuito di preselezione amplificato rselettivo RF convertitore f i = f o mescolatore oscillatore filtro F1 selettivo F1 alimentatore selettivo F1 rivelatore AM corrente continua pre b.f.(a) controllo toni e volume finale di potenza (B) Schema funzionale di un radioricevitore supereterodina AM. Alunni: Valente e Serafini classe III anno scolastico 2010/ 2011 pag 4 di pag 9

5 Il segnale captato dall'antenna e selezionato dal circuito di preselezione è inviato a uno stadio a RF. L' a RF consente di aumentare il rapporto S/N. Può essere del tipo selettivo, cioè con il circuito di carico di tipo risonante ad accordo variabile o del tipo aperiodico con accoppiamento RC. Nel primo tipo viene migliorata anche la selettività, cioè la capacità di discriminare tra tutti i segnali captati dall'antenna solo quello della trasmittente che si desidera ricevere; nel secondo tipo si conserva il vantaggio di migliorare la sensibilità del ricevitore. In questo stadio è solitamente presente il CAG (Controllo Automatico di Guadagno) realizzato mediante una tensione di controllo che agisce sulla polarizzazione dell' per regolarne il guadagno in modo da avere un ascolto medio uniforme per segnali forti o deboli ricevuti sull'antenna. Segue lo stadio convertitore di frequenza, costituito da un mescolatore e un oscillatore locale (detto eterodina). In questa parte di ricevitore avviene la conversione di frequenza, ossia quell'operazione che consente di trasferire l'informazione di bassa frequenza, presente intorno alla portante a RF captata dall'antenna, su un'altra frequenza portante, detta frequenza intermedia. Ciò capita ogni volta che due segnali a frequenza diversa si mescolano in un componente non lineare. Nel caso dei ricevitori, il convertitore di frequenza lavora in discesa, cioè viene scelta come frequenza intermedia utile il termine f i =, grazie ad un filtro di banda LC in uscita al mescolatore. Poiché il segnale è modulato, esso si presenterà con le sue componenti laterali + f m e f m sull'antenna; a seguito della conversione di frequenza, fra i tanti termini prodotti dalla mescolanza con, si otterranno anche nuova frequenza portante ( + f m )= f m f m componentelaterale sinistra ( f m )= + f m + f m componentelaterale destra Il termine a frequenza f i risulterà dunque modulato anch'esso in ampiezza, con l'informazione trasportata da e sarà selezionato dal filtro di uscita del convertitore, accordato su f i =. Anche la componente a frequenza + contiene la stessa informazione di bassa frequenza, ma ovviamente, nel caso del ricevitore, è scelta come frequenza intermedia quella differenza f i =, dal momento che il funzionamento degli amplificatori selettivi è tanto più critico quanto maggiore è la frequenza di lavoro. L'altra caratteristica fondamentale della frequenza intermedia è quella Alunni: Valente e Serafini classe III anno scolastico 2010/ 2011 pag 5 di pag 9

6 di essere sempre la stessa per ogni frequenza sintonizzata, di modo che i successivi amplificatori risultino più facilmente accordabili e progettati per la migliore amplificazione e selettività. Criteri di scelta della frequenza intermedia La scelta del valore di f i è determinata da una serie di considerazioni. In primo luogo c'è da notare che f i potrebbe essere ottenuta indifferentemente da f i = oppure f i = a seconda che > o <. La scelta ricade sulla prima soluzione per evitare che, quando si vogliono sintonizzare portanti di frequenza bassa, l'oscillatore debba fornire una frequenza anch'essa di valore troppo basso e paragonabile addirittura alle frequenze acustiche. Si voglia, ad esempio, ricevere una portante =510 K Hz con una frequenza intermedia f i =500 K Hz ; scegliendo la soluzione f i = sarebbe necessaria una frequenza di oscillazione = f i = =10 K Hz che è un valore che rientra nelle frequenze acustiche (20 20 K Hz). Sicuramente, il valore di f i non sarà scelto oltre 1600 K Hz per problemi di amplificazione selettiva, per questo dovrà risultare al di sotto dei 500 K Hz. Se da una parte un valore basso di f i risulterebbe migliore per il progetto degli amplificatori selettivi a f i, dall'altra bisogna considerare un inconveniente che la conversione di frequenza porta con sé: l'interferenza per frequenza immagine. La frequenza immagine è una particolare frequenza che differisce dalla portante del doppio della frequenza intermedia: f imm = +2 f i 2f i 500 f o f imm f(khz) 1600 L'importanza di tale frequenza sta nel fatto che un ricevitore può captare contemporaneamente la e la +2 f 1 e se i circuiti d'ingresso, come spesso accade, non sono a elevato Q, le lasciano passare al convertitore, con il risultato di ritrovarle entrambe sullo stesso valore di frequenza intermedia. Alunni: Valente e Serafini classe III anno scolastico 2010/ 2011 pag 6 di pag 9

7 2f i f imm f... Circuito di preselezione 2f i mescolatore f o oscillatore f o f o 2f i = f i... Infatti, se al mescolatore giunge la frequenza e la dell'oscillatore, in uscita si otterrà ; se passa anche la f imm = +2 f i, con lo stesso valore dell'oscillatore si avrà in uscita al mescolatore ( +2 f i )= 2 f i 2 f i = f i quindi entrambi i segnali sono convertiti alla stessa f i. Se la f imm contiene un'informazione di bassa frequenza, questa passerà a frequenza intermedia e si sovrapporrà a quella della portante, con la conseguenza di dare luogo a interferenze. Per ovviare a ciò, è necessario interporre tra il circuito di preselezione e lo stadio convertitore un a RF selettivo, in modo da attenuare maggiormente la frequenza immagine. Nei ricevitori di ottima qualità, per eliminare del tutto il problema della f imm, si utilizza una doppia conversione di frequenza. 2f i f imm f f i1 = f o1 f i1 f i2 = f o2 f i1 Circuito di preselezione 1 Mescolatore filtro1 a f i1 2 Mescolatore filtro 2 a f i2 =470kHz f o1 f o2 1 2 oscillatore oscillatore Schema di un convertitore con doppia conversione di frequenza Alunni: Valente e Serafini classe III anno scolastico 2010/ 2011 pag 7 di pag 9

8 Lo stadio per la conversione di frequenza nei ricevitori a componenti discreti è realizzato in due versioni che prevedono o il circuito mescolatore e l'oscillatore locale distinti, oppure un solo dispositivo elettronico che effettua entrambe le operazioni. Si può notare il funzionamento da oscillatore Meissner e che da una presa intermedia del circuito secondario il segnale è iniettato sull'emettitore del transistore convertitore tramite un condensatore di iniezione. In entrambi i circuiti sul collettore è presente un filtro accordato alla f i che permetterà di scegliere e trasferire agli stadi successivi solo il giusto valore di frequenza scelto con la relativa banda di modulazione (10 K Hz). V CC f i All ' selettivo a f i Antenna a ferrite f o C V o Stadio convertitore autooscillante. Nei ricevitori portatili, alimentati da 6 o 9 volt, la potenza di uscita è poco inferiore al watt, mentre in quelli da tavolo alimentati a 220 V è di solito variabile da 5 watt fino al centinaio di watt. Nei ricevitori migliori è previsto, nel pre, anche un controllo manuale dei toni, per consentire l'ascolto dei suoni più piacevole e per migliorare l'intelligibilità negli ambienti poco validi acusticamente. L'altoparlante converte l'energia elettrica ricevuta dal finale di potenza in energia acustica. Il tipo più usato è quello magnetodinamico e il suo funzionamento si basa sulle forze che nascono su una bobina percorsa da corrente quando è immersa in un campo magnetico costante prodotto da un magnete permanente. Alla bobina è collegata meccanicamente la membrana dell'altoparlante che vibra generando una pressione sonora proporzionale alla corrente che circola nella bobina stessa. Per i radioricevitori si rende indispensabile un controllo automatico del guadagno Alunni: Valente e Serafini classe III anno scolastico 2010/ 2011 pag 8 di pag 9

9 (CAG) degli stadi amplificatori selettivi a FI e a RF, al fine di permettere un ascolto medio uniforme per tutti i segnali ricevuti sull'antenna, dal momento che questi presentano livelli disuguali a causa delle potenze diverse di uscita dei trasmettitori e delle distanze variabili rispetto ai ricevitori. Occorre dunque che il ricevitore sia in grado di variare il guadagno degli stadi amplificatori a RF e a FI, in modo da fornire al demodulatore un segnale di ampiezza massima quasi costante. La componente continua necessaria per realizzare il CAG viene prelevata sul gruppo RC del rivelatore AM; in questo punto, infatti, è presente il segnale di b.f. che si sviluppa su una componente continua proporzionale all'ampiezza della portante. Per prelevare solo la componente continua occorrerà, però, eliminare sia il segnale b.f. sia l'ondulazione a RF mediante un filtro passa-basso, quindi il segnale ottenuto, eventualmente amplificato in continua, determinerà il grado di retroazione negativo voluto sugli amplificatori selettivi a RF e a FI. Alunni: Valente e Serafini classe III anno scolastico 2010/ 2011 pag 9 di pag 9