Dit hoofdstuk behandelt hoe informatie (spraak, tekst) via radiogolven wordt overgebracht. We bespreken de analoge modulatievormen AM, EZB, CW en FM, en de opbouw van zenders in blokschema's.
Modulatie is het "verpakken" van een laagfrequent signaal (LF, zoals spraak) in een hoogfrequent signaal (HF) zodat het via radio kan worden overgebracht. Zonder modulatie zou alleen de draaggolf worden uitgezonden zonder enige informatie erin. Het proces lijkt een beetje op het versturen van een brief: het informatiesignaal (de brief) wordt verpakt in de draaggolf (de envelop) zodat het kan worden verzonden.
Spraakfrequenties (300-3000 Hz) zijn veel te laag om direct via een antenne uit te zenden. Een antenne moet namelijk ongeveer even lang zijn als de golflengte van het signaal. Bij 1 kHz zou dat een antenne van 300 km vereisen! Door de spraak te moduleren op een hoge frequentie (bijv. 145 MHz) wordt de benodigde antenne slechts enkele tientallen centimeters lang.
Bij AM varieert de amplitude (de "hoogte" van de golf) van de draaggolf met de momentele waarde van het audiosignaal. Wiskundig gezien is AM het vermenigvuldigen van beide signalen. Als het audiosignaal hoog is, wordt de draaggolfamplitude groot; als het audiosignaal laag is, wordt de amplitude klein.
Als je de toppen van het AM-signaal verbindt, zie je de vorm van het oorspronkelijke audiosignaal. Deze kromme heet de omhullende. Aan de onderkant van het signaal zie je hetzelfde, maar dan gespiegeld. Samen vormen deze twee krommen de "envelop" die om het HF-signaal heen zit.
Een AM-signaal bestaat uit drie frequenties. Dit klinkt misschien verrassend, maar het is een wiskundig gevolg van het vermenigvuldigen van twee sinusvormige signalen. Een spectrumanalyzer (een meetinstrument dat frequenties zichtbaar maakt) toont dit duidelijk.
De zijbanden hebben elk maximaal de halve amplitude van de draaggolf. Beide zijbanden bevatten dezelfde informatie - ze zijn elkaars spiegelbeeld.
Voorbeeld: Bij spraak tot 3 kHz is de bandbreedte 2 × 3 kHz = 6 kHz. Dit betekent dat twee AM-zenders minstens 6 kHz uit elkaar moeten liggen om elkaar niet te storen.
Het gemiddelde vermogen van de periode bij de top van de omhullende. Omdat de amplitude bij AM voortdurend verandert, is het vermogen niet constant. PEP geeft het vermogen op het moment dat de omhullende zijn maximum bereikt.
Bij maximale modulatiediepte en 100 W draaggolf:
Dit is zeer inefficient: de draaggolf bevat geen informatie maar verbruikt wel 2/3 van het vermogen!
EZB is een efficiëntere variant van AM waarbij de draaggolf en één zijband worden onderdrukt. Aangezien beide zijbanden dezelfde informatie bevatten (ze zijn elkaars spiegelbeeld), is het verspilling om beide uit te zenden. De draaggolf bevat helemaal geen informatie, dus die kan ook weg.
| Afkorting | Engels | Betekenis | Gebruik |
|---|---|---|---|
| USB | Upper Sideband | Bovenzijband | Boven ~10 MHz |
| LSB | Lower Sideband | Onderzijband | Onder ~10 MHz |
De keuze voor USB of LSB is een afspraak onder amateurs. Technisch maakt het geen verschil, maar door deze conventie weet iedereen wat te verwachten op welke band.
25 W in plaats van 150 W voor dezelfde informatie (factor 6 besparing). Alle uitgezonden vermogen bevat nu nuttige informatie!
Ongeveer de helft (~2,7 kHz in plaats van 6 kHz), dus 2× zoveel stations mogelijk op dezelfde frequentieband
CW (Continuous Wave) is de oudste vorm van radiomodulatie: de draaggolf wordt aan- en uitgezet in het ritme van morsecode. De naam "Continuous Wave" is historisch: vroeger werden signalen opgewekt met vonken, die een chaotisch signaal produceerden. De "continue golf" was een verbetering waarbij een zuivere sinusvormige draaggolf werd gebruikt.
CW heeft onder zendamateurs nog steeds veel aanhangers. De zender is eenvoudig te bouwen met weinig onderdelen. Door de smalle bandbreedte kan met weinig vermogen toch grote afstanden worden overbrugd. Nadeel: je moet morsecode leren, wat typisch een half tot heel jaar dagelijks oefenen kost.
Bij FM varieert de frequentie van de draaggolf met het audiosignaal. De amplitude blijft constant. Als het audiosignaal hoog is, wordt de momentele frequentie hoger dan de draaggolf; als het audiosignaal laag is, wordt de frequentie lager. Je kunt dit vergelijken met een sirene die steeds hoger en lager wordt.
Bij FM ontstaan, net als bij AM, zijbanden. Maar bij FM zijn er veel meer zijbanden, op afstanden die veelvouden zijn van de modulatiefrequentie. Hoe verder van de draaggolf, hoe kleiner de amplitude wordt. De regel van Carson geeft een praktische benadering voor de benodigde bandbreedte:
Voorbeeld: Bij fi = 3 kHz en Δf = 3 kHz (m = 1):
B ≈ 2 × 3 × (1 + 1) = 12 kHz
Vergelijk met EZB: slechts 2,7 kHz bandbreedte! FM neemt dus veel meer frequentieruimte in beslag.
Een zender bestaat uit verschillende bouwblokken die elk een specifieke functie hebben. De eenvoudigste zender is gewoon een oscillator met een antenne eraan, maar dit geeft problemen met frequentiestabiliteit en vermogen. Daarom worden extra trappen toegevoegd.
| Blok | Functie |
|---|---|
| Oscillator | Wekt de draaggolffrequentie op. Moet zo min mogelijk belast worden voor goede stabiliteit. |
| Scheidingstrap | Beschermt oscillator tegen belastingvariaties (bijv. een vogel op de antenne zou anders de frequentie kunnen beinvloeden!) |
| Stuurtrap (driver) | Stuurt de eindtrap aan met voldoende vermogen |
| Eindtrap (vermogensversterker) | Levert het zendvermogen aan de antenne. Dit is de krachtigste trap in de zender. |
| VFO | Variable Frequency Oscillator - afstembare oscillator waarmee de zendfrequentie kan worden ingesteld |
Mengschakelingen maken som- en verschilfrequenties uit twee ingangssignalen. Dit is een fundamenteel principe dat overal in zenders en ontvangers wordt gebruikt, bijvoorbeeld om een signaal naar een andere frequentie te verschuiven.
EZB wordt meestal gemaakt via de filtermethode. Dit is een proces in twee stappen:
Bij FM wordt het AF-signaal toegevoerd aan de oscillator via een afstemdiode (varicap/capaciteitsdiode). Een halfgeleiderdiode in sperrichting gedraagt zich als een kleine condensator, waarvan de capaciteit afhangt van de aangelegde spanning. Door het audiosignaal aan de diode toe te voeren, verandert de capaciteit mee met het geluid, en daarmee verandert de frequentie van de LC-kring van de oscillator.
Elke zender maakt ongewenste frequenties (harmonischen). Vooral de eindtrap vervormt het signaal enigszins, en vervorming betekent harmonischen. Hoe hoger het rendement van een trap, hoe meer vervorming. Deze ongewenste frequenties kunnen andere radiodiensten storen en moeten worden onderdrukt met laagdoorlaatfilters.
Een veelgebruikt filter met de vorm van de Griekse letter π. Het bestaat uit een spoel met aan weerszijden een condensator. De spoel laat lage frequenties door maar blokkeert hoge; de condensatoren leiden hoge frequenties af naar aarde.
Het pi-filter heeft twee functies:
Als de impedanties goed zijn aangepast, "ziet" de eindtrap de antenne als de ideale belasting en wordt maximaal vermogen overgedragen.
In hoofdstuk 9 hebben we gezien dat versterkende elementen in verschillende klassen kunnen worden ingesteld. Klasse C heeft het hoogste rendement maar veroorzaakt ook de meeste vervorming. Dit is alleen acceptabel als de informatie niet in de amplitude zit.
| Modulatie | Klasse C mogelijk? | Reden |
|---|---|---|
| AM / EZB | Nee | Informatie zit in amplitude (zou vervormd worden door klasse C) |
| CW | Ja | Informatie zit in aan/uit, niet in amplitude |
| FM | Ja | Informatie zit in frequentie, amplitude is constant |