עקרונות תקשורת רדיו

התקשורת אלחוטית ובתוכה תקשורת הרדיו הופיעו ביחד עם גילוי האלקטרון והמצאת שפופרת קרן קתודה, במאה ה-19. ראשית, הועברו אותות הרדיו על ידי אותות הטלגרף (קוד מורס) רק לאחר מספר שנים התחילו להשתמש באפנון גלים. ניסוי זה מדגים את עקרונות תקשורת הרדיו, נבחן לדוגמא כיצד מידע קולי מועבר על ידי תחנות רדיו רבות במקביל והמאזין בוחר את התחנה הרצויה לו, כיצד פועלת אנטנה קולטת ובמה תלויה עצמת האות המקלט.

רקע תיאורטי

העקרונות הבסיסיים של תקשורת הרדיו הם מודולציה (איפנון) ודמודולציה (גילוי). מודולציה היא קידוד של מידע על גבי גל נושא, בפועל, זהו שינוי של אחת מתכונות גל הנושא כמו, אמפליטודה, תדר או פאזה. איור 1 ממחיש שתי צורות איפנון כאשר שינוי אמפליטודת גל הנושא בהתאם לאמפליטודת האות המשודר הוא אפנון משרעת - AM (Amplitude modulation) (איור 1-3) . איור 1-4 מציג דרך נוספת לאיפנון, על ידי שינוי בתדר הגל בהתאם לאות המועבר, שיטה זו נקראת איפנון תדר- FM Frequency modulation)).

איור 1 - המחשת צורות אפנון

בשידור רדיו, בתחנה המשדרת מבוצע אפנון לתדר גבוה בהתאם למידע הקולי שרוצים לשדר. התחנה המשדרת מטמיעה את המידע בגלים אלקטרומגנטיים, המתפשטים במרחב. מקלט הרדיו קולט את הגלים המאופננים באמצעות אנטנה. המאזין מבצע דמודולוציה לגלים האלקטרומגנטיים, הוא יכול להאזין למידע הקולי שמאופנן בהם באמצעות המרה של הגלים לגלי קול. התהליך מתחיל בתחנה המשדרת, שם משתמשים במיקרופון כדי להפוך את האות הקולי לאות חשמלי. האות החשמלי הזה הוא המתח המשמש לאפנון המשרעת או התדר של הגל הנושא בתדר גבוה (ציור 1). המתח המאופנן עובר לאנטנה המשדרת והיא הופכת אותם למקור לגלים אלקטרומגנטיים. האות נקלט באנטנה הקולטת, המאזין מכוון את מעגל התהודה של המקלט לתדר התחנה הרצויה. בגלל אפקט התהודה, האות של התחנה המבוקשת גדול במתחו יחסית לתחנות האחרות. אות זה מגבירים ומבצעים עליו מיצוי האות (דמודולציה). האות החשמלי המתקבל כעת מוגבר פעם נוספת ומועבר לרמקול. כעת כל הנותר הוא להקשיב לתכנית של התחנה הנבחרת או לחפש תחנה אחרת. תרשים 2 מתאים למקלט הפשוט ביותר - מקלט הגברה ישיר.

איור 2 - עקרונות תקשורת רדיו

מדוע צריך להמיר את גלי הקול לגלים אלקטרומגנטים ואי אפשר ישירות להעביר לאנטנה מתח חשמלי בתדר של קול נשמע לצורכי שידור? ראשית, תדרי הקול הנשמע מתאימים לגלים באורך גל ארוך מאוד. וכדי שהשידור יהיה אפקטיבי גודל האנטנה חייב להיות בסדר הגודל של אורך הגל אותו משדרים. לכן שידור ישיר של גלים אלקטרומגנטיים בתחום השמע (נמוכים מאד) פשוט בלתי אפשרי. הסיבה השנייה היא שאם כל התחנות היו משדרות גלים בתדרי השמע, לא היינו יכולים לבחור את תחנת השידור הרצויה. ע"י שימוש באפנון, לכל תחנה יש תדר נושא ייחודי וכך תחנות שונות לא מפריעות אחת לשניה. מכיוון שהתדרים גבוהים, הרי שניתן באותו אזור להקצות לתחנות רבות תדרי נושא.

מערכת הניסוי

מערכת הניסוי היא למעשה מקלט רדיו המכיל מעגל קליטה המתבסס על תופעת התהודה. מעגל תהודה מגיב בצורה חזקה לאות חשמלי הנמצא בתדירות העצמית של המעגל הנקראת תדירות התהודה. במעגל $RLC$ תדר התהודה של המעגל, $\omega_0$ , נקבע לפי נוסחת תומסון $\omega_0={1 \over \sqrt{(LC)}}$, כאשר $L$ הוא השראות המעגל ו-$C$ הוא הקיבול. ברירה התחנה הרצויה נעשה כאשר תדר התחנה מתאים לתדר התהודה של מעגל הקליטה, כך שהאות המשודר מוגבר ביחס לשאר התחנות. במעגל ישנו סליל עם ליבת ברזל המשמש כאנטנה, וורקטור (varactor) דיודה מוליכה-למחצה, שקיבולה תלוי במתח הנופל עליה, ראו איור 3. כוונון התדירות העצמית של מעגל האנטנה מבוצע באמצעות שינוי גודל המתח הישר הנופל על הוורקטור, ובכך שינוי בקיבול במעגל. את האות במעגל הקליטה (מתח AC על הוורקטור), לאחר הגברה דרך סקופ, מודדים באמצעות ממיר AC/DC וחיישן מתח (Voltage sensor).

איור 3 - מערכת הניסוי

בעזרת מעגל הקליטה ניתן לצפות על מסך האוסצילוסקופ באותות של תחנות שונות המשדרות גלי רדיו. כניסת ה- Ch1 של הסקופ מחוברת במקביל למעגל הקליטה (איור 3). על המסך יראה מתח בתדר גבוה המאופנן בהתאם לאותות הקוליים המשודרים. על האות מבצעים דמודולציה והגברה, ומעבירים אותו לרמקול. תהליך הדמודולציה נעשה על ידי העברת האות המאופנן דרך דיודה כך שיעבור אות בכיוון אחד בלבד ולאחריו מעגל RC הממצע את האות, בצורה כזו ניתן לקבל את המעטפת שיצרה את האיפנון.

אחרי המתח בתדירות נמוכה שמתקבל לאחר דמודולציה ניתן לעקוב על מסך הסקופ (בכניסה Ch2 של הסקופ) בו זמנית עם האות בתדר גבוה (בכניסה Ch1 של הסקופ).

הגלים האלקטרומגנטיים הנקלטים באנטנה הינם גלים רוחביים כלומר וקטורי השדה המגנטי והחשמלי מאונכים לכיוון התפשטות הגל, לכן השטף הנכנס דרך האנטנה תלוי בכיוונה של האנטנה ביחס לכיוונה של התחנה המשדרת. האות באנטנת הקליטה מקסימלי כאשר צירה מאונך לכיוון לתחנה המשדרת, וניתן לבחון את השינויים בעצמת האות על ידי סיבובה סביב הציר האנכי.

מהלך הניסוי

כיול סקאלת הקיבול של הווארקטור

כאמור ברירת תחנה לקליטה נעשה על ידי שינוי קיבול הווארקטור באמצעות מתח המופעל עליו. בחלק זה של הניסוי נכייל את סקאלת הקיבול על מנת למצוא את תדירות התהודה המתאימה לכל מתח שמופעל על הוורקטור.

את המתח הישר המופעל על הוואקטור נוציא ממחולל האותות (Signal generator) שבממשק Data studio, יש לבחור במתח DC אותו תשנו ידנית בטווח של $0-5 V$. בכיול לא נשתמש בגלים האלקטרומגנטים הנכנסים לאנטנה אלא נשתמש במחולל אותות חיצוני עם מד תדירות דיגיטלי מובנה בתוכו. הכא"מ בסליל של מעגל הקליטה גדל בצורה חדה, כאשר תדר המחולל משתווה לתדר התהודה של המקלט. את תדירות התהודה נמצא בקלות, כאשר נחבר את מעגל הקליטה לכניסת סקופ, ונחפש את תדירות בה האות המתקבל במסך הסקופ הוא מקסימאלי.

מצאו פולינום ממעלה שלישית המתאר את תלות התדירות במתח על הווארקטור.

קבלת פנורמת תחנות הרדיו

על מנת לקבל את פנורמת תחנות הרדיו הניתנות לקליטה בתדרים בתחום הכיול, נפעיל, דרך הממשק, מתח ישר על הווארקטור המשתנה בצורת positive ramp up, ונמדוד את המתח במעגל הקליטה באמצעות חיישן מתח המחובר לוולטמטר AC/DC (Hewlett-Packard 400Eׁׁׁ). הוולטמטר מקבל מתח AC ומוציא את ערך ה-RMS של האות.

בשינוי המתח בצורת positive ramp up בחרו אמפליטודה של 5V, שמשמעותה שהמתח ישתנה בטווח של $0-5 V$. עליכם למצוא את תדירות שינוי המתח המתאימה למדידה זו וכן את רגישות המדידה המתאימה. שימו לב שסקאלת ההגברה בסקופ יכולה אף היא לשנות את ערכי המתח המתקבל.

בעזרת פולינום הכיול המירו את המתח הישר שהפעלתם על הווראקטור לתדר ומצאו את פנורמת התחנות בה תראה עוצמת האות הנקלט כפונקציה של תדר התחנה.

כוונו את המקלט כך שתחנה כלשהי תיקלט באופן ברור. עתה, עקבו על-גבי מסך הסקופ אחר אותות לפני ואחרי תהליך הדמודולציה.

מדידת עוצמת הקליטה כפונקציה של זווית האנטנה

האנטנה קבועה על גבי צירו של חיישן תנועה סיבובית (Rotary motion sensor), כך שניתן למדוד את עצמת האות כפונקציה של זווית האנטנה. קבעו את רגישות חיישן הסיבוב ל-high, שמשמעותה דיוק של 0.25 מעלה. בכל תחילת מדידה זווית האנטנה תהיה 0 מעלות.

הציגו את תלות עצמת האות בזווית האנטנה בקורדינטות פולריות. העזרו ב Calculator לשם המרת הנתונים לקורדינאטות אלו. שימו לב לכך שזווית הסיבוב צריכה להתקבל במעלות.