DZB-demodulator
In juni '82 hebben we ons uitgebreid bezig gehouden met de vraag "wat is SSB?". Een zelfbouwontwerp voor een komplete SSB-ontvanger ging in dat nummer vergezeld van de nodige teoretische achtergrondinformatie. Daaraan aansluitend willen we nu eens een andere, met SSB nauw verwante, modulatievorm onder de loep nemen: de DSSC (double sideband suppressed carrier). In goed Nederlands heet dat "dubbelzijband met onderdrukte draaggolf" of kortweg DZB. Ook hier naast teorie ook praktijk en wel in de vorm van een geheel nieuw opgezette DZB-demodulator.
Over "gewone" amplitude-modulatie (AM) hoeven we het nauwelijks nog te hebben. Aan ontvangerszijde zijn de problemen daarbij zodanig beperkt dat zelfs een simpele diode-ontvanger "de was al kan doen". Maar hoewel AM bij omroepstations op de lange-, midden- en kortegolf onverminderd favoriet is, komen er met name in de telekommunikatietechniek nog tal van andere modulatie-vormen voor die het de ontvanger heel wat lastiger maken. Met een zeer bekende variant - SSB - hebben we ons verleden jaar al bezig gehouden, maar er zijn er nog meer.
Een toepassing van DZB die bijna niemand kent en waar toch bijna iedereen mee te maken heeft is het stereosignaal uit een FM-ontvanger. "Maar dat is toch FM oftewel frekwentie-modulatie", zult u zeggen. Dat is wel zo, maar als we het stereosignaal eens nader bekijken, wordt het duidelijk wat we bedoelen. Dat signaal bestaat namelijk uit een frekwentieband L+R, de piloottoon, twee L-R banden, alsmede een (hulp)draaggolf met een frekwentie van 38 kHz. Het L-R signaal is in DZB op deze hulpdraaggolf gemoduleerd. De 38 kHz draaggolf zelf wordt dus niet mee uitgezonden en moet derhalve in de ontvanger weer worden opgewekt. Alle genoemde signalen samen worden tenslotte in de zender weer als frekwentiemodulatie aan de "echte" draaggolf toegevoegd.
Teorie
Waarom DZB nooit echt is doorgebroken weet eigenlijk niemand met zekerheid te zeggen. Boze tongen beweren dat de enige reden daarvoor is dat de "SSB-lobby" destijds op het beslissende moment sterker was. Misschien was SSB toen ook wat beter ontwikkeld dan de dubbelzijbandtechniek, wie weet?
Wat het ekonomisch omspringen met het zendvermogen betreft, houdt DZB het midden tussen AM en SSB, zoals uit figuur 1 blijkt. We hebben deze plaatjes ook in het artikel "wat is SSB?" al laten zien, maar omwille van de duidelijkheid herhalen we ze hier nog maar even. Als een sinusvormig draaggolfsignaal met een eveneens sinusvormig signaal van bijvoorbeeld 1 kHz gemoduleerd wordt, dan ontstaan naast de draaggolffrekwentie twee "zijfrekwenties" (3999 kHz en 4001 kHz). We zullen ons niet in de wiskundige achtergronden van een en ander begeven, maar neemt u maar van ons aan dat het klopt.
Figuur 1 toont hoe een op die manier gemoduleerd signaal eruit ziet wanneer het met behulp van een spectrum-analyzer wordt bekeken. Zo'n analyzer geeft de amplitude of (zoals hier) het vermogen niet weer in relatie tot de tijd, maar in relatie tot de frekwentie. Wanneer men bedenkt dat het modulatiesignaal meestal niet uit een enkele frekwentie bestaat maar een mengsel is van een hele reeks frekwenties, dan wordt het duidelijk dat zich aan weerszijden van de draaggolf normaliter geen zijfrekwenties bevinden, maar zijbanden waarvan het spektrum overeenkomt met dat van het modulatiesignaal. Die beide zijbanden bevatten exakt dezelfde informatie. De draaggolf zelf bevat geen informatie, maar eist wel het leeuwendeel van de zendenergie voor zich op.
Figuur 1. Het frekwentiespektrum van een 4 MHz-draaggolf gemoduleerd met een 1 kHz signaal in AM (a), DZB (b) en SSB (c). Alle signalen zijn sinusvormig.
Als men bij de uitzending dus de draaggolf onderdrukt en de daardoor vrijkomende energie in een of beide zijbanden stopt, dan spreekt men van respektievelijk enkelzijband-(SSB) of dubbelzijband-modulatie (DZB). De voor- en nadelen van SSB weten we ondertussen. Bij DZB is het rendement van het in de zender verstookte vermogen minder dan bij SSB; wat dit aangaat is SSB dus duidelijk winnaar als men de beide systemen gaat vergelijken. Het rendement bij DZB is echter altijd nog twee maal zo groot dan bij "gewoon" AM. Daarbij komt dat met DZB in principe een 3 dB betere signaal/ruis-verhouding kan worden gehaald in de ontvanger, waardoor de minder grote efficiency ten opzichte van SSB bijna volledig wordt gekompenseerd. Een groot voordeel is bovendien dat bij DZB veel minder hinder wordt ondervonden van allerlei storing omdat er vergeleken met SSB altijd nog een "reserve-zijband" is.
Blokschema
Figuur 2 toont het blokschema van een DZB-ontvanger. Het omkaderde deel vormt de demodulator: het "moeilijkste" stuk van de ontvanger, waarmee we ons straks in het bijzonder willen gaan bezighouden.
Figuur 2. Blokschema van een DZB-ontvanger. De demodulator bestaat in principe uit twee mixers en een draaggolfregeneratieschakeling die de "sampler" van de tweede mixer triggert.
Maar laten we eerst figuur 2 in zijn geheel eens bekijken. Het ingangssignaal (hier 4 MHz) wordt om te beginnen versterkt en vervolgens gemengd met een oscillator-signaal. Deze oscillator heeft een iets hogere frekwentie dan het ingangssignaal en wordt tegelijk met de ingangskring mee afgestemd. Het kwa frekwentie konstante verschil-signaal tussen ingangs- en oscillatorsignaal (MF-signaal - 455 kHz) dat de mixer levert, wordt in de MF-versterker eerst verder versterkt en belandt vervolgens bij de DZB-demodulator.
In de demodulator wordt er eerst weer een keer gemengd, nu echter met een van de "sampler" afkomstig bloksignaal. Op deze manier ontstaat een laagfrekwent-signaal (10 kHz), waaruit met betrekkelijk eenvoudige middelen de (nu laagfrekwente) draaggolf kan worden teruggewonnen. Wordt deze draaggolf gemengd met het MF-signaal, dan staat aan de uitgang van die derde mixer het LF-signaal ter beschikking. De in figuur 2 aangegeven frekwenties hebben betrekking op het voorbeeld van figuur 1. Dat hier in plaats van oscillator, twee keer het woord "sampler" is vermeld, ligt aan het feit dat we hier niet met sinus- maar met bloksignalen werken. Veel doet het echter niet ter zake. De fijne kneepjes laten we voorlopig maar voor wat ze zijn; van belang is slechts hoe de draaggolf wordt teruggewonnen.
Wiskundig valt een en ander exakt te berekenen. Om waslijsten formules te vermijden, beperken we ons hier tot het resultaat die zo'n rekenpartij oplevert: Wanneer men twee sinusvormige signalen (zijbanden!) met elkaar vermenigvuldigt, dan ontstaat een draaggolf met de dubbele frekwentie, alsmede enkele andere produkten welke echter weggefilterd kunnen worden.
De praktijk
In figuur 3 is het demodulator-deel van het blokschema omgewerkt tot een praktische schakeling. Het gaat hierbij dus om een komplete DZB-demodulator die uit een willekeurig MF-signaal de modulatie tevoorschijn tovert.
Figuur 3. Daar de DZBdemodulator hoofdzakelijk, een laagfrekwent-aangelegenheid is, kan een flink deel met gewone opamps en CMOS-IC's worden gerealiseerd.
Het vermenigvuldigen van twee sinussignalen geschiedt normaliter met behulp van een vier-kwadrant-vermenigvuldiger (ringmodulator). Wij hebben het ons echter wat gemakkelijker gemaakt. Aangezien de vorm van het sinussignaal aan de uitgang echt niet voor een schoonheidsprijs in aanmerking hoeft te komen, is het ook mogelijk om digitaal te vermenigvuldigen. Daarvoor is alleen een EXOR-poort nodig, waarvan de ene ingang het oorspronkelijke signaal krijgt aangeboden en de andere hetzelfde signaal, maar dan in fase verschoven. Bij een faseverschuiving van 90°, verschijnt dan aan de uitgang van de EXOR een bloksignaal met een twee maal zo hoge frekwentie als het ingangssignaal. Een dergelijke fasevergelijkende EXOR-poort zou men dus kunnen betitelen als een soort digitale vier-kwadrant-vermenigvuldiger.
We zullen nu het totale schema van de DZB-demodulator stap voor stap doornemen.
De in het blokschema aangeduide funktie van tweede mixer neemt T2 voor zijn rekening. De bijbehorende "sampler" wordt gevormd door de rond Fi1 en FET T3 opgebouwde oscillator, alsmede schakelaar T4. Voor het filter kan men nagenoeg elk type 455 kHz bandfilter toepassen.
Kan men de eerste trap van de demodulator nog gevoeglijk een hoogfrekwent-aangelegenheid noemen, voor het resterende deel gaat die benaming niet op. Dat is alles puur laagfrekwent. Het "omlaaggemengde" MF-signaal belandt via buffer Al bij een potige versterker. Aldaar wordt het signaal zodanig versterkt dat op de uitgang van komparator A3 een "net" bloksignaal staat. De eerdergenoemde faseverschuiving verzorgt A4. Deze integrator is zo gedimensioneerd dat de faseverschuiving optreedt tussen ca. 10 en 30 kHz. Komparator A5 maakt ook van dat signaal weer een mooie blok.
Het schema verder volgend, wordt het duidelijk dat EXOR N1 fungeert als vier-kwadrantvermenigvuldiger. Wanneer men de erop volgende PLL-schakeling met IC5 even buiten beschouwing laat, dan wordt de frekwentie van het uitgangssignaal van N1 vervolgens door FF1 gedeeld tot exakt dezelfde waarde als de draaggolffrekwentie. Het laagdoorlaatfilter met R20/P3 en C19 kompenseert de door de PLL veroorzaakte 90° fasedraaiing (45° bij fVCO / 2). Komparator A6 vormt de laagfrekwent draaggolf om tot een bloksignaal.
De derde mixer bestaat in feite alleen uit T5. Via het laagdoorlaatfilter R12/C10 ligt aan de source van deze dual-gate MOSFET het laagfrekwent MF-signaal, terwijl aan gate 1 het signaal van de met FF2 en N2 ... N4 opgebouwde "sampler" wordt toegevoerd. Deze schakeling ziet er op het eerste gezicht misschien wat merkwaardig uit. Een nadere beschouwing leert dat het hierbij gaat om een monostabiele multivibrator, die door de laagfrekwente draaggolf wordt getriggerd. Wanneer er een positieve puls op pen 11 van FF2 verschijnt, dan is uitgang Q aanvankelijk "1". Aan het eind van de vertragingslijn N2 ... N4 verschijnt dan een puls bij het differentiërend netwerk C20/R21; de flip-flop wordt echter tegelijk gereset en wacht vervolgens op de volgende trigger-puls. Gedurende deze tijd gaat T5 dus geleiden; het "gewogen" signaal komt via buffer A7 terecht bij het aktieve laagdoorlaatfilter met A8 - en aan de uitgang (loper van P5) staat het laagfrekwent-signaal ter beschikking. De PLL-schakeling met IC5 heeft een tweeledige funktie. In de eerste plaats kan, zoals bekend, een bepaalde frekwentie er heel nauwkeurig mee worden "vastgehouden". In de tweede plaats wordt deze frekwentie niet aangetast door variaties in de stuurspanning van de VCO. Vooral dat laatste is een groot voordeel.
Aangezien in dit bereik de amplitude van de zijbandkomponenten slechts zeer gering is, kan de demodulator niet altijd zien of daar überhaupt een signaal aanwezig is dat van belang is. De piekjes zouden tenslotte ook stoor- of ruissignalen kunnen betreffen en daar de draaggolf zelf schittert door afwezigheid, heeft de demodulator dan geen enkel houvast. Dus bij geringe veldsterkte "buffert" de PLL als het ware de geregenereerde draaggolf, zodat die niet meteen verdwijnt als het signaal zwak wordt.
Uit de beschrijving van de afregeling wordt duidelijk dat wanneer de demodulator niet precies op een zender "inlockt", er een afgrijselijk gepiep en gefluit uit de luidspreker klinkt. Daarom dient men steeds twee maal af te stemmen: eerste "gewoon" met de reeds in de ontvanger aanwezige detektor en vervolgens "precies" met de hier beschreven demodulator. Wat men aan extra bedieningsorganen op de ontvanger nodig heeft, is beperkt tot een omschakelaar en een potmeter. Bij gebruik van deze demodulator bent u in ieder geval bij voorbaat verzekerd van een forse verbetering in de ontvangskwaliteit. Met name de door selektieve fading veroorzaakte vervorming wordt er op afdoende wijze mee bestreden; de vervorming maakt plaats voor een mild soort phasing-effekt.
Gebruik en afregeling
De DZB-demodulator kan in principe aan elke AM superheterodyne-ontvanger worden toegevoegd. Aangezien het bij de 2de mixer om een "harmonischen-mengtrap" gaat, kunnen MF-signalen met frekwenties tussen 455 kHz en 20 MHz worden verwerkt. Voor wat betreft de opbouw van een komplete ontvanger met deze demodulator, verwijzen we naar figuur 2. Aan de uitgang van de demodulator hoeft, zoals uit dat blokschema blijkt, alleen nog een LF-versterker te worden aangesloten. Overigens kan de demodulator vanzelfsprekend ook bij "gewone" AM-ontvangst worden gebruikt. De afregeling is probleemloos, temeer omdat er meegeluisterd kan worden. Om te beginnen wordt de LF-versterker aan de uitgang van A1 aangesloten. De ontvanger wordt afgestemd op een gewone AM-zender (met draaggolf!), zodat aan de uitgang van de MF-versterker dus signaal aanwezig is. De kern in het bandfilter Fil moet nu worden verdraaid tot de uit de luidspreker klinkende fluittoon zowat tegen de gehoorgrens (ca. 15 kHz) komt te liggen. Treedt er vervorming op, dan wil dat zeggen dat de mixer wordt overstuurd. Dan is het zaak om P1 zo in te stellen dat er net geen vervorming optreedt.
Voor de volgende stap in de afregeling wordt de LF-versterker op de gewone manier aangesloten - dus aan de loper van P5. P2 ... P5 worden in de middenstand gezet. P4 wordt nu verdraaid tot de PLL-schakeling "inlockt". Wannneer een zender wordt ontvangen (en dus modulatie aanwezig is) dan moet bij het inlocken de fluitttoon verdwijnen. Het kan nodig zijn om met P2 het bereik wat te verschuiven.
Bij de derde afregelstap wordt P3 eerst op maximum LF-signaal ingesteld, dat komt overeen met het punt waarop de draaggolf door het laagdoorlaatfilter P3/C19 exakt 45° in fase wordt verschoven. Daarna kan het uitgangsnivo met P5 aan de gevoeligheid van de LF-versterker worden aangepast. De hele afregelprocedure kan het beste een paar keer worden herhaald.