Vergeten modulatie- en versterkermethodes
Een stukje historie komt weer tot leven en oude modulatie- en versterker-methodes worden weer herontdekt en hergebruikt in moderne data netwerken.
Het komt regelmatig voor, dat technieken die soms tientallen jaren niet gebruikt zijn, weer gebruikt worden. In dat geval zijn ze vaak in een nieuw jasje gestoken of worden gebruikt voor andere toepassingen dan voorheen. Piet PA0PRG behandelt in dit artikel een aantal oude modulatiemethodes, die weer volop in de belangstelling staan.
Historie
De eerste zender werd het hoogfrequent opgewekt door middel van een vonkbrug. Toen de radiobuis was uitgevonden werd het mogelijk om een echte oscillator te bouwen. De morse code die toen gebruikelijk was bij het semen met licht bleek ook hier zeer geschikt voor het overbrengen van informatie. Bij ons staat dit bekend als CW (Continuous Wave). De juiste benaming is echter ICW (Interupted Continuous Wave).
Toen het mogelijk werd spraak over te brengen via een draad (de telefoon) bestond ook de behoefte dit draadloos te doen. Men had ontdekt dat draadlengte maal antennestroom de ontvangststerkte bepaalde bij het ontvangende station. Niets 'staande golf' of nog meer van die onzin!
Op de 'tankkring' werd een aftakking gezocht voor de, maximale antennestroom. Met een hittedraadmeter werd de antennestroom gemeten en regelmatig brandde dan ook het meetdraadje door vanwege overbelasting. Ook toen werd door de (zend)amateur al naar het uiterste gezocht! Door de veldsterkte te varieren kon spraak worden overgebracht.
In eerste instantie werd dit gedaan door een koolmicrofoon in serie op te nemen met de antennedraad. Amplitude Modulatie was geboren! Let wel, de gebruikte frequentie was zeer laag. Later zouden we dit ook 'de lange Golf' gaan noemen.
Amplitude modulatie
Een amplitude modulator kan worden gezien als een mengschakeling. Er gaan twee signalen, het RF en Audio, in en er komen 4 signalen, te weten de twee oorspronkelijke en de som en verschil, weer uit. Door de antennekring wordt het audio weggefilterd zodat het RF en de som en verschil overblijft.
Het RF noemen we de draaggolf en de som en verschil de zijbanden. Het totale spectrum is dus gelijk aan 2 maal de audio bandbreedte. Bij 100% modulatie hebben de zijbanden gezamenlijk evenveel vermogen als de draaggolf. Sommige verslagen gaat men uit van inputvermogen. Het audio vermogen moet dan gelijk zijn aan de helft van de draaggolf input.
Heising AM modulator
Dit is de eerste en tevens meest bekende AM modulator. Er zijn 3 schema varianten.
1. De originele Heising modulator (figuur 1). Deze was het eerst in gebruik en is zeer inefficient. De HF versterker stond wel in klasse 'C', echter de audio versterker stond in klasse 'A'. De AF versterker werkt als een shunt regelaar. 100% modulatie was niet mogelijk en het rendement was slechts 25%.
Fig. 1.
2. Klassiek transformator gekoppelde modulator (figuur 2). Deze is bij ons het meest bekend. Rendement is beter dan 60%. De RF versterker staat in klasse 'C'. Tegenwoordig wordt bij de modern ontwerpen voor de audioversterker een z.g. geschakelde versterker gebruikt wat een nog hoger rendement oplevert. Nadeel is dat de stroom van de RF versterker door de modulatietransformator vloeit waardoor de tratokern in verzadiging kan geraken. Bij buizen versterkers staat er flinke hoogspanning op de trafo welke doorslag kan veroorzaken.
Fig. 2.
3. Transformator gekoppelde Heising modulator (figuur 3). Is een variant op de punt 2. Heeft niet het nadeel dat de stroom van de RF versterker door de modulatietrafo vloeit. De audio vervorming kan nu echter optreden in de smoorspoel. Bij buizenversterkers staat er geen hoogspanning op de modulatietrafo.
Fig. 3.
Ampliphase modulatie
Ampliphase is een modulatie systeem bedacht in 1930 door de Franse ingenieur Henri Chireix en wordt ook wel out phasing modulatie' genoemd. De draaggolf wordt gesplitst in 2 draaggolven met een onderling fase verschil van 135 graden. Zie figuur 4. Deze draaggolven worden in tegenfase gemoduleerd door de audio. Het faseverschil tussen beide draaggolven varieert tussen de 180 en 90 graden. Zie vector diagram figuur 5.
Fig. 4.
Fig. 5.
Het betreft dus fase modulatie. Twee identieke eindversterkers worden met deze draaggolven aangestuurd en uiteindelijk worden de signalen d.m.v. 90 graden fasedraai netwerken (wat dezelfde werking heeft als een kwartgolf voedingslijn) bij elkaar opgeteld volgens figuur 6.
Fig. 6.
V1 en V2 zijn hier de beide eindversterkers en Rcl is de antenne. De reden van de 135 graden is, dat er volgens een gradencirkel word gemoduleerd en niet volgens een rechte lijn. Er moet dus een correctie plaatsvinden. Het voordeel van dit systeem is, dat de eindversterkers en stuurtrappen in klasse 'C' kunnen werken. Dit omdat vervorming hier geen rol speelt; met een veel hoger rendement tot gevolg. Alleen bij geen modulatie of zachte modulatie zakt het rendement. Echter dat is zeer ongebruikelijk bij radiostations waar AM modulatie in de eerste instantie voor was bedoeld.
Als fase modulator werd figuur 7 gebruikt. Het betreft een afgestemde kring met lage Q factor waar door V2 een condensator meer of minder aan parallel wordt geschakeld. Met 1 zo'n schakeling werd vaak niet genoeg fase draaiing verkregen dus werden er meestal 3 stuks per tak achter elkaar gezet. Alleen bij kortegolf zenders waar frequentie verdrievoudiging werd toegepast werd wel volstaan met 1 fase modulator per tak.
Fig. 7.
Figuur 8 is een voorbeeld van een 5 kW AM korte golf omroepzender. De draaggolf wordt eerst gesplitst in twee signalen met onderling fase verschil van 180 graden. Per tak wordt door de 'Phase Shifter' deze met 22,5 graden terug gedraaid, zodat de fase tussen de twee takken op 135 graden uitkomt. De verder bier besproken onderdelen zijn gemakkelijk te herkennen.
Fig. 8.
Doherty Lineaire versterker
Vaak wordt er gesproken over 'Doherty modulator' of 'load modulation Amplifier. Echter dit zijn verkeerde begrippen daar het een systeem van versterken en niet van moduleren is. Toen William H. Doherty zijn twee buis 'carrier en Piek hoog efficientie versterkersysteern in 1936 introduceerde namen niet veel ingenieurs hem serieus.
Hij was werkzaam bij Bell Compagnie in Amerika en zocht naar een methode om op efficiente wijze meer vermogen uit zijn lopende golf versterker te krijgen. In 1936 werd zijn systeem gepatenteerd.
Het systeem bestaat uit een carrier en piek versterker, zie figuur 9. De piek versterker staat in klasse 'C' dus normaal gesproken afgeknepen en de carrier versterker in klas Vaak wordt bij kleine signalen zijn instelling verschoven naar klasse 'AB. De piek versterker hangt direct aan de (antenne)uitgang en de carrier versterker via een kwartgolf voedingslijn. Normaal gesproken staat de piek versterker afgeknepen, heeft dus een hoge uitgang impedantie en kan dan ook worden beschouwd als niet aanwezig.
Fig. 9.
De carrier versterker levert het vermogen. Wanner bij grote signalen de piek versterker wordt open gestuurd zal zijn uitgang impedantie dalen waardoor de load impedantie op de uitgang van de carrier versterker t.g.v. de kwartgolf transformatie toeneemt. In deze hoger wordende impedantie kan de carrier versterker Been vermogen meer leveren en wordt dan ook de spanning versterker. De piek versterker wordt de stroom versterker.
Continental uit Texas heeft lange tijd dit versterkersysteem in zijn middengolfzenders toegepast en later op slimme manier uitgebreid met anode-schermrooster (AG2) modulatie. De kwartgolf transmissielijnen bestonden uit een spoel en condensator die 90 graden fasedraaiing gaven en dus het zelfde effect hadden. Radio Veronica heeft lange tijd gebruik gemaakt van de Continental 316 zender. Figuur 10 is een versimpeld schema hiervan.
Fig. 10.
Bij data transmissie op 900 MHz en 2400 MHz heeft men de grote uitstuurbaarheid en lineariteit van het Doherty systeem ontdekt. Voorbeelden hiervan vormen de figuren 11, 12 en 13. Om de bandbreedte wat te vergroten worden er extra stukjes transmissielijn toegevoegd, wat bij die frequentie op de printplaat is te etsen.
Fig. 11.
Fig. 12.
Fig. 13.
BPSK, QAM en QPSK
Bij seriele (draadloze) data transmissie is data zonder clock slechts een serie eentjes en nulletjes. Er moet dus een clockfrequentie te herleiden zijn.
Bij mijn eerste computer (Kim 1) en de latere Commodore 64 was het mogelijk om programma's op cassette te zetten. De eerste telefoonmodems waar je de telefoonhoorn op moest drukken, maar ook packetradio gebruikt dezelfde wijze van verzenden. De clockfrequentie bedroeg 2400 Hz en wanner de data wisselde van 1 naar 0 of van 0 naar 1 wordt de fase van het clocksignaal 180 graden in fase gedraaid.
Vroeger noemden wij dit de kansascity modulator, ook bekend onder het AX25 protocol (figuur 14).
Fig. 14.
Van het clocksignaal is een sinus en cosinus te herleiden die onderling 90 graden faseverschil hebben.
Wanner de een door nul gaat is de ander op zijn maximum. Het geheel is niet zo nieuw daar het verzenden van de kleur informatie bij de kleuren TV op dezelfde wijze gaat (kleur draaggolf 4,43MHz).
Door deze draaggolven zowel in fase als amplitude te moduleren kan er tegelijkertijd meer informatie worden verzonden. Figuur 15 geeft een voorbeeld van '16 QAM'. Dit is de verzendwijze van digitenne en digitale TV en radio via satelliet.
Fig. 15.
Bij fase verschuiving ontstond bij de kleuren TV kleur verschuiving. Ook bij QAM is lineaire versterking zonder faseverschuiving van groot belang.
De Doherty versterker, een ontwerp uit 1936, blijkt hieraan uitstekend te voldoen. Ook in de door u gebruikte draadloze router kan zeer goed een Doherty versterker zijn toegepast.
Piet Rens, PA0PRG.