Nadajnik FM stereo na BA1404

[borabora]

Z dekady na dekadę pojawiają się nowe rozwiązania w audio, co niejako wymusza na konsumentach zakup nowego sprzętu. Obecnie nie ma co narzekać bo słuchanie muzyki czy innego przekazu audio jest tanie i wygodne. Liczne niegdyś przenośne oraz stacjonarne źródła dźwięku zostały zredukowane do smartfona a interfejs BT wyeliminował przewodowe połączenia z głośnikami czy słuchawkami. Starszy sprzęt stał się niekompatybilny ze współczesnymi standardami, bo np. mało kto używa obecnie kaset magnetofonowych czy nawet płyt CD i niejednokrotnie sprzęt dobrej klasy stoi przez to bezczynnie. 
Na szczęście elektronika jest w stanie dostarczyć sposobów jak sobie z tym poradzić. Jednym z nich jest użycie transmisji FM jako "adaptera" umożliwiającego połączenie w prawie dowolnego źródła dźwięku. W takim systemie audio po jednej stronie mamy źródło dźwięku oraz nadajnik FM, po drugiej stronie starszy sprzęt wyposażony w radio FM.

Projekt elektroniczny, który prezentuję jest takim nadajnikiem, umożliwiającym transmisję stereo. Bazuje on na dosyć wiekowym już układzie scalonym BA1404, który powstał gdzieś na początku lat 90-tych, albo i nawet wcześniej, w japońskiej firmie ROHM. Układy te, choć może już nie oryginalne, obecnie są tanie i łatwo dostępne na chińskich portalach z elektroniką, co powinno zachęcić do poeksperymentowania zainteresowanych z układami radiowymi.

Na początek trochę informacji o tym, jak wygląda transmisja stereo w modulacji FM (CCIR). Rysunek poniżej przedstawia schemat blokowy nadajnika FM stereo oraz wykres widma sygnału przed modulatorem radiowym. Na wejściu mamy sygnał audio stereo, czyli rozdzielony na kanał lewy (L) i prawy (R).
Następnie oba kanały są sumowane (L+R) i odejmowane (L-R) w wyniku czego powstają dwa sygnały. Są one następnie poddawane preemfazie, czyli technice wzmacniania wyższych częstotliwości, aby poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR). Dokonuje się tego w prosty sposób z udziałem filtrów RC, o stałej czasowej różnej dla regionów świata; u nas stała czasowa wynosi 50 mikrosekund. 

Oba sygnały będące sumą i różnicą L i R wędrują następnie do modulatora FM, z tym, że sygnał różnicowy poddawany jest dodatkowemu zabiegowi w modulatorze DSB-SC (Double-Sideband Suppressed-Carrier). Wskutek tego powstaje sygnał modulowany amplitudowo, ale ze stłumioną (usuniętą) nośną, która nosi nazwę pilota. Pozostają tylko dwie wstęgi boczne (górna i dolna) na niesłyszalnej dla ucha ludzkiego części pasma.
Istotna jest tutaj funkcja pilota - sygnału o stałej i stabilnej częstotliwości, którego wytworzenie wymaga zastosowania rezonatora kwarcowego, o czym będzie więcej w dalszej części.

Sens tego wszystkiego jest dobrze ukazany na wykresie widmowym (rysunek b), w postaci trzech komponentów. 
Począwszy od początku wykresu mamy widmo sygnału akustycznego, będącego sumą L i R. Korzystają z niego odbiorniki FM w trybie mono. Następnie, na częstotliwości 19 kHz jest widoczny pik w postaci sygnału pilota. Dalej na prawo widoczne są dwie wstęgi boczne leżące symetrycznie względem f=38 kHz, z których korzystają odbiorniki stereo. Bardzo istotna jest tutaj "strzałka" na częstotliwości 19 kHz, dzięki której modulator DSB-SC jest w stanie wytworzyć dwie wstęgi boczne potrzebne do uzyskania przekazu stereo. 

Przechodząc do praktyki mamy układ BA1404, którego blokowy schemat wewnętrzny wygląda tak:

 

Porównując oba rysunki, można rozpoznać każdy z bloków funkcjonalnych począwszy od wejść kanałów L i R, poprzez multiplekser, który zawiera modulator DSB, sumatory, generator podnośnej 38 kHz, kończąc na modulatorze FM. Więcej szczegółów można znaleźć w dokumentacji układu.
Z istotniejszych parametrów to wyjątkowo niskie napięcie zasilania 1..2 V oraz pobierany prąd  około 3 mA, co kwalifikuje go do zasilania bateryjnego (1x 1,5V lub NiMH 1,2V).

Układ nadajnika zmontowałem na płytce z laminatu zaprojektowanej w KiCad i wyposażyłem go w złącza wejścia audio Jack 3,5 stereo, złącze zasilania DC, włącznik zasilania oraz diodę LED sygnalizującą podłączenie zasilania. Ponieważ założyłem możliwość zasilania szerokim zakresem napieć, zastosowałem liniowy stabilizator napięcia LM317, obniżający go do około 1,25 V. Przy tak małym prądzie mógłby wystarczyć stabilizator parametryczny na rezystorze i dwóch, trzech szeregowych diodach 1N4148, ale akurat mam dużo LM317 i umożliwia poeksperymentowanie z różnymi wartościami napięcia zasilania.

Schemat układu prezentuję poniżej i oprócz obwodu zasilania jest to typowa aplikacja układu BA1404, którą można znaleźć w nocie katalogowej. 

Opis szczegółowy można podzielić na trzy sekcje: wejście, multiplekser, obwód radiowy (RF).

Filtry górnoprzepustowe R1/C4 i R2/C5 pełnią funkcję preemfazy. Bez tych kondensatorów dźwięk w odbiorniku będzie pozbawiony wysokich tonów (stłumiony).
Następnie sygnał audio trafia na wejścia (piny 1 i 18) poprzez kondensatory C6/C9 odcinające składową stałą.

Koder stereo i generator sygnału pilota (Piny 13, 14, 16, 17) to "serce" układu, które odpowiada za stworzenie sygnału MPX (Multipleksowego).
Potencjometr POT1 100k służy do ustalenia balansu pomiędzy kanałami prawym i lewym.
Do pinów 5 i 6 podłączony jest rezonator kwarcowy 38 kHz, najistotniejszy element zewnętrzny tej sekcji. Dzięki niemu wbudowany oscylator wytwarza stabilną podnośną 38 kHz (dla sygnału L-R) oraz – po podzieleniu przez 2 – sygnału pilota 19 kHz. Uwaga: Bez tego kwarcu nadajnik będzie pracował, ale tylko w trybie mono.
W multiplekserze następuje zmieszanie sygnału pilota 19 kHz z sygnałem różnicowym.
Z dostępnością kwarcu o tak nietypowej częstotliwości bywa różnie, ale podobnie jak BA1404 jest do znalezienia na chińskich platformach sprzedażowych. Jest on w obudowie podobnej do znanego rezonatora "zegarkowego" 32768 Hz. W wyniku trudności ze zdobyciem tego rezonatora hobbyści stosowali czasem zamiast niego proste generatory RC, jaka była jego stabilność można się domyślić

Na wyjściu sygnału MPX (Pin 14) pojawia się gotowy, złożony sygnał stereofoniczny (L+R, pilot 19 kHz oraz zmodulowany L-R). Sygnał MPX wędruje następnie z pinu 14 do pinu 12 (wejście modulatora) poprzez kondensator sprzęgający. Wartość tego kondensatora wpływa na separację kanałów – zbyt mała pojemność obetnie niskie częstotliwości, co pogorszy efekt stereo.

Następnie sekcja Radiowa - Modulator FM i Oscylator (Piny 9, 10, 12). Tutaj sygnał mowy/muzyki zamieniany jest na falę radiową o wysokiej częstotliwości.
Obwód LC (Piny 9 i 10) składa się z cewki L2 i kondensatora C21 (często trymera) stanowiących obwód rezonansowy. To one decydują o częstotliwości nadawania (np. 100 MHz). 
W swojej konstrukcji zrezygnowałem z trymera i zastosowałem cewkę i kondensator o nieregulowanych parametrach. Cewki są najbardziej kłopotliwym elementem, bo bez przyrządów i doświadczenia nie wiadomo jak się do nich zabrać ale tutaj sprawa jest wyjątkowo prosta - wystarczy kawałek drutu emaliowanego o średnicy 0,5 mm. Na średnicy około 5 mm nawinąłem 5 zwojów, i to wszystko. Z kondensatorem 10 pF dało to częstotliwość około 106 MHz.
Obwód wyjściowy układu BA1404 posiada generator RF w układzie Collpitsa i posiada on niewielką moc wyjściową, wystarczającą jednak do zagłuszenia lokalnie ewentualnej stacji nadającej akurat na tej samej częstotliwości (spokojnie, wszystko legalnie, to "zagłuszanie" odbywa się w promieniu maks kilku metrów od anteny nadajnika). Do wyjścia obwodu RF (pin 7) poprzez C25 podłączona jest antena. Wystarczy kawałek drutu o długości ok. 75 cm dla pasma 100 MHz.

  

Przykładowe elementy wykorzystane w projekcie do nabycia w Botland:

• LM317
• Gniazdo DC
• Laminat jednostronny FR4

Jak widać, zaletą układu BA1404, pomimo że jest to układ radiowy analogowy, jest minimalna liczba elementów wymagana do jego uruchomienia.
Z tej prostoty niestety wynika spora wada, jaką jest nieduża stabilność częstotliwości. Ponieważ w nadajniku użyty jest oscylator LC, każda zmiana temperatury lub dotknięcie cewki powoduje "płynięcie" stacji. Nowoczesne układy radiowe (jak te w smartfonach) używają syntezy PLL, która wytwarza częstotliwość cyfrowo.

Efekty działania układu widoczne są na materiałach filmowych, które zamieszczam poniżej. Oprócz demonstracji samej transmisji FM, jest test stereo a także demonstracja lokalnego "zagłuszenia" stacji FM.
Konfiguracja układu testowego: 
- część nadawcza: laptop (jako źródło audio) > nadajnik > antena
- część odbiorcza: odbiornik FM stereo (cyfrowy) > wzmacniacz mocy stereo > głośniki stereo.

Test stereo

Demonstracja lokalnego "zagłuszenia" stacji (pomimo bardzo niskiej mocy układu)

Demonstacja audio

 

Edytowano 7 stycznia przez borabora

[orb777]

Świetnie panie. Człowiek trochę zazdrości takich umiejętności, chociaż zazdrość piękności szkodzi, dlatemuuu lepiej pogratulować!

Edytowano 8 stycznia przez orb777

[jaszczurtd]

Piękna sprawa  Jakieś 20 lat temu robiłem proste nadajniki na pojedynczym tranzystorze, jarając się jak w radyjku obok cokolwiek usłyszałem, nie marząc nawet o takim układzie (bo dostęp do części, i informacji na ich temat był... różny)  To były czasy. Fajny projekt!

[borabora]

Dzięki za pozytywne komentarze  radio analogowe wciąż działa, ma się dobrze, więc warto próbować takich prostych konstrukcji bo dają one satysfakcję i pozwalają zrozumieć co nieco z trudnej dziedziny jaką jest radio.

Co do projektu, dodam jeszcze, że na schemacie w obwodzie LM317 R3 ma rezystancję 330 omów ale ostatecznie zastąpiłem go zworą. Na wyjściu dostałem 1,25V i z takim napięciem układ pracuje bardzo dobrze.

[Stachu1]

Zamierzam zbudować odbiornik radiowy na Arduino w najbliższym czasie 

[Admys]

Dwa słowa nt stłumionej podnośnej 38 kHz i pilota 19 kHz. W sygnale MPX występuje tylko ten drugi, a 38 kHz odtwarza się w dekoderze przez podwojenie sygnału pilota. Mój pierwszy dekoder na tranzystorach i diodach germanowych zbudowałem na przełomie lat 1969/70, czyli przeszło 55 lat temu. Standard chyba się nie zmienił. Na fot. literatura tematu, z której wówczas korzystałem.

[jaszczurtd]

14 godzin temu, Admys napisał:

Dwa słowa nt stłumionej podnośnej 38 kHz i pilota 19 kHz. W sygnale MPX występuje tylko ten drugi, a 38 kHz odtwarza się w dekoderze przez podwojenie sygnału pilota. Mój pierwszy dekoder na tranzystorach i diodach germanowych zbudowałem na przełomie lat 1969/70, czyli przeszło 55 lat temu. Standard chyba się nie zmienił.

Nie, nie zmienił się (aż dziw że trzyma się w takiej formie do dziś, i tak skutecznie opiera się wszechobecnej cyfryzacji).

W dzisiejszych czasach całą obróbkę sygnału MPX robi się cyfrowo, i dzięki temu nie trzeba żadnych obwodów rezonansowych itp. Też, kto by o tym pomyślał kilkadziesiąt lat temu, że całe radio dzięki temu będzie można zmieścić w układzie o wielkości 4x4mm (np. takie RDA5807M)...