Sagedusmodulaator

Sagedusmodulaator on elektroonikalülitus või -seade, mis tekitab sagedusmodulatsiooni. See seade muudab kandesignaali sagedust vastavalt moduleeriva signaali amplituudile. Kui modulatsioon on lineaarne, siis on sageduse muutus võrdeline moduleeriva pinge muutusega.

Modulatsioon tähendab info- ja kommunikatsioonitehnoloogias info edastamiseks kasutatava signaali ‒ kandesignaali ‒ mingi parameetri muutmist ülekantava infosignaali muutumise taktis.

Sagedusmodulatsiooni (FM, frequency modulation) korral muudetakse kandevõnkumise sagedust pidevalt vastavalt infosignaali taseme muutusele; kasutusel näiteks ringhäälingusaadete edastamiseks meeterlainetel. Kandesignaali sagedust võib muuta näiteks pingega tüüritava ostsillaatoriga (VCO) või võnkeringi komponentide valikuga.

Joonis 1. Sagedusmodulatsioon

Kõrgsagedusostsillaatorid kasutavad tavaliselt kas LC- (induktiiv-mahtuvuslikku) võnkeringi või kristallostsillaatorit, et määrata kandelaine võnkumiste sagedust. Seda sagedust muudetakse vastavalt moduleerivale signaalile võnkeringi kogumahtuvuse või -induktiivsuse muutmisega. Praktilistes vooluringides kasutatakse reguleeritava elemendina tavaliselt mahtuvusdioodi, tuntud ka kui varikap või varaktor.

Varaktordioodiga modulaator

Pooljuhtdioodi siirdemahtuvus muutub koos dioodile antava vastupingega ja vastupingestatud dioodi võib kasutada ostsillaatori sageduse moduleerimiseks. Lihtne varikapiga moduleerimise skeem on näidatud joonisel 2. Selles elektriahelas transistor, mis juhib varikapiga modulaatorit, tekitab moduleeriva pinge V_m. Raadiosageduslik paispool (RFC) tekitab väga kõrge impedantsi (näivtakistuse) ostsillaatori sagedusel, nii et isoleerib transistorvõimendi väljundimpedantsi võnkeahelast ning laseb läbi moduleeriva signaali väikese sumbuvusega. Tähised C_C, L_C ja R määravad elektrilised kaod kristallil; C_h on kristalli korpuse paralleelmahtuvus ja C_b on alalisvoolu blokeeriv kondensaator.

Joonis 2. Lihtne varaktormodulaatori skeem

Joonisel 3 on näha helivõimendi ja varikapiga sagedusmodulaatorit. Kandesageduse määrab võnkering L1C1. Varikap D1 on ühendatud järjestikku kondensaatoriga C2, mis asub dioodi ja võnkeringi vahel. C2 väärtus on valitud väga suur, et töösageduse juures oleks selle reaktiivtakistus väga väike. on D1 praktiliselt vahetult ühendatud LC-ahelaga. Ahela kogumahtuvus on siis võrdne D1 ja C1 paralleelühendusega, mis paneb paika kandesageduse väärtuse.

Joonis 3. Helivõimendi ja varaktormodulaatoriga skeem

D1 mahtuvus sõltub valitud eelpinge suurusest ja moduleeriva signaali väärtusest. Joonisel 3 on pinge dioodil määratud pingejaguriga, mis koosneb takistitest R1 ja R2. Tavaliselt on üks nendest takistitest muuttakisti, et oleks võimalik kandesagedust muuta kitsas vahemikus. Moduleeriv signaal antakse läbi C3 ja RFC. C3 on alalisvoolu tõkestav kondensaator. RFC on paispool (drossel), mille reaktiivtakistus kandesagedusel on suur ja seetõttu takistab kandesignaali sattumist moduleeriva signaali ahelasse. Mikrofonist saadav moduleeriv signaal võimendatakse ja antakse modulaatorisse. Vastavalt dioodile antavale moduleerimispingele muutub ka dioodi mahtuvus ja seega ka kandesagedus. Kui pinge punktis A tõuseb, suureneb dioodi vastupinge, väheneb mahtuvust ja seega suureneb kandesignaali sagedus. Pinge langemisel punktis A väheneb vastupinge, mis omakorda suurendab mahtuvust ja seega kandesignaali sagedus väheneb.

Transistoriga reaktiivmodulaator

Joonis 4. Reaktiivmodulaator

Reaktiivmodulaatori (joonis 4) eesmärk on lisada süsteemi faasi muutev ahel, mis koosneb järjestikku ühendatud takistist R ja kondensaatorist C. Modulaatori aktiivelement ja RC-ahel on paralleelühenduses kandesagedust tekitava ostsillaatori LC-võnkeringiga. Kondensaatori C mahtuvtakistus ostsillaatori sagedusel (võnkesagedusel) on valitud 5 kuni 10 korda suurem kui järjestikühenduse takistus R. Antud juhul 100 pF väärtusega kondensaatoril on reaktiivtakistus 500 Ω sagedusel 3,5 MHz. R väärtuseks valitakse seetõttu 100 Ω. RC-ahel toimib nüüd puhtalt mahtuvusliku iseloomuga ahelana, milles vool edestab pinget 90° võrra. Seega vool, mis läbib C-d, edestab ostsillaatori signaali pinget 90° võrra. Sama voolutugevus läbib takistit R, kus toitepinge E ja vool I on samas faasis, seega pinge takistil edestab ostsillaatori pinget 90° võrra.

Kuna transistori kollektorivool (I_C) on samas faasis baasipingega (pinge, mis läbib takistit R), siis pinge takistil R edestab pinget ostsillaatoril 90° võrra ning ka vool edestab pinget ostsillaatoril 90° võrra. Elektrivool läbi transistori edestab pinget transistoril 90° võrra, mis tekitab näilise efekti, nagu transistor oleks kondensaator. Kui modulaatorisse anda helisignaal, siis see muudab kollektorivoolu väärtust. Kollektorivoolu muutus ostsillaatori pinge suhtes tekitab võrdväärse mahtuvusliku muutuse, mis omakorda muudab ostsillaatori sagedust.

Reaktiivahel näeb välja ostsillaatorile nagu mahtuvuslik ahel, mille suurus on

C_eq = (R∙C)/Z_in (faradit),

kus C_eq on võrdväärne mahtuvus, R – takistus, C – mahtuvus, Z_in – sisendimpedants.

Sagedusmodulaator digitaaltehnikas

Joonis 5. Binaarne FSK

Lisaks tavalisele analoogsignaalide moduleerimisele kasutatakse ka digitaalsignaalide moduleerimist, mida tuntakse kui sagedusmanipulatsiooni (lühend FSK (inglise keele sõnadest Frequency-Shift Keying). Lihtsaim on binaarne FSK, mis kasutab diskreetsete sageduste paari, et edastada binaarset informatsiooni: "1" infot kõrgel nivool ja "0" madalamal nivool (paus). FSK signaali ajaline muutus on näidatud joonisel 5.

Vaata ka

• Modulatsioon (ülekandetehnika)