Erre a kis áramköri megoldásra meglehetősen sokan misztikumként tekintenek. Pedig egyáltalán nem bonyolult megérteni, hogyan is működik és miért könnyű vele dolgozni. Néhány hete nagy munkában vagyok, aminek szerves eleme egy Tayloe-detektor.

A következő írás elnagyoltnak tűnhet, mivel az elektronika megannyi területén száguldunk át a közérthetőség érdekében hasonlatokkal, szemléltető példákkal tiporva el a fizika és a matematika rejtett szépségeit, így aki a lineáris rendszerek elméleti bontogatására, Laplace-transzformációra, Fourier-analízisre vagy valami komplex vektorelméletre számít, az most csalódni fog, viszont akit érdekel, hogy miért működik tök jó rádióként egy olcsó IC, az jó eséllyel megérti a modern vevők alapjait.

Történt, hogy a kétezres évek derekán berobbant a rádióamatőrök életébe az FST3253-mal épített első KIT, a hihetetlenül egyszerűnek tűnő SoftRock. Tony Parks (KB9YIG) készülékének bemenetén nem tekercsek, rezgőkörök és megannyi létra volt, hanem egyetlen IC, ami mindent tudott a rövidhullámú tartományban. Ráadásul az adórész sem volt bonyolultabb. A központi elem a Tayloe-detektor, amit most – kicsit kitekintve a környezetére is – körbejárunk.

A SoftRock-40 vevője 2005-ből.

A kvadratúradetektorok az elmúlt évtizedben váltak nagyon népszerű építőelemeivé a rádióknak, aminek oka hármas: egyfelől felnőttek, könnyen programozhatóvá váltak a mikrovezérlők a jelfeldolgozás feladatához, másfelől olcsóvá és elterjedté váltak a nagy sebességű, általános célú integrált áramkörök. A legfontosabb talán mégis az, hogy a programozható DDS-ek térhódításával levetkőzte a technika azt, hogy amit nyert a vámon, elvesztette a réven: az egyszerű RF részek ellenpólusaként jelentkező bonyolult oszcillátorok eltűntek, amikor egyszerűbb lett a vezérléséhez szükséges két fázisú jelet széles tartományban előállítani.

A speciális keverőt sokan Taylor-nak hívják, de nem az. Nevét Daniel Richard Tayloe-ról (N7VE Dan) kapta, aki 1998-ban nyújtott be szabadalmi kérvényt az eljárásra. Egészen pontosan a Tayloe Product Detectorra, magyarul Tayloe-féle szorzódetektor vagy produktdetektorra.

A Tayloe-detektor egy nagyon egyszerű, mégis jó hatásfokú keverő. A lényege, hogy az antennáról érkező nagyfrekvenciás jelet nem hagyományos módon, különbséget véve keveri le közép- vagy hangfrekvenciára, hanem egy gyors kapcsolóként négy ütemben vesz mintát belőle. Úgy kell elképzelni, mint egy nagyon gyors forgókapcsolót, ami a bejövő jelet egymás után négy kimenetre kapcsolgatja. Ezek a mintavételek egymáshoz képest negyed periódussal el vannak tolva, vagyis 0, 90, 180 és 270 fokos fázishelyzetet képviselnek. Ebből a négy mintából két jel áll elő, az I és a Q jel. Az azért fontos, mert ebből az adatsorból a vevő később szoftveresen bármilyen demodulációt meg tud valósítani. A két jel együtt ugyanis már nemcsak azt mutatja meg, hogy mekkora a vett jel, hanem azt is, hogy az fázisban merre mozdul el.

Joggal vetődik fel a laikusoktól származó kérdés, hogy a négy jelből hogy lesz kettő. Nincs semmi ördöngősség, a négy minta valójában két ellentétes párt alkot. A 0 fokos és a 180 fokos minta ugyanannak az iránynak a két ellentétes fele, ez az I, vagyis az in phase komponens. A 90 és a 270 fokos jel szintén két ellentétes pólusa ugyanannak a jelnek, ez a Q, vagyis a 90 fokkal eltolt quadrature komponens. Mondhatjuk úgy, hogy azért kell a négy fázis, hogy a két végleges jelnek, tengelynek legyen egyértelmű pozitív és negatív oldala is.

Itt jön a képbe a kapcsolásokra jellemző műveleti erősítő, aminek környezetében szűrőként is funkciónáló RC tagok vannak. Az opák feladata, hogy az ellentétes jelpárok különbségéből előállítja a két végleges, egyértelmű alapsávi jelet: az I-t és a Q-t. A műveleti erősítőnek ugyanis itt a különbségképző, vagyis differenciális működését használjuk ki.

Ez leegyszerűsítve azt jelenti, hogy megvizsgálja, hogy a két mintának egymáshoz képest mekkora a különbsége, és ebből eldönti, hogy a változó értékek között mikor kell egyértelműen azt mondania, hogy most van jel, vagy most nincs. Tehát nem azt nézi, hogy a minta éppen hol lebeg, hanem azt, hogy a párjához képest merre és mennyivel tér el.

A beérkező jel lebeghet ahol akar, bizonytalan, inog, ingadozik, ő el tudja az ellentétes fázisú párjával vett különbségből dönteni, hogy kell-e jelet adni vagy sem a kimenetre. Majdnem olyan, mintha digitalizálna (khmm..). A differenciális erősítő nem az egyes minták földhöz viszonyított pillanatnyi szintjét, hanem az ellentétes fázisú mintapárok amplitúdói között lévő teljes különbséget erősíti fel, ezért a közös eltolódások és ingadozások nagyrészt kiesnek, a kimeneten megjelenő hasznos I és Q jel pedig egyértelművé válik.

Szóval most ott tartunk, hogy van I és Q jelünk. De mit tudunk ezzel csinálni?

Az I és Q együtt már nemcsak egy hangjel, hanem a beérkező rádiójel teljes alapsávi leírása. Ez talán kicsit erős kijelentésnek tűnik, de figyelj. Ha ez megvan, a vevő szoftveresen szinte bármilyen demodulációt elő tud állítani. Az I és Q jelből a jelfeldolgozó processzor már tudja, hogy mekkora a jel, milyen a fázisa, merre fordul a fázisa, milyen gyorsan változik és a vivőhöz képest feljebb vagy lejjebb van-e. Az I/Q jel úgy képzelhető el, mint egy forgó mutató két vetülete, a rádiójel nyers, teljes koordinátalenyomata. Erről a rendszerről nagyon régen itt írtam, ám már a jel nagyságánál is eljutunk oda, hogy képbe jön a kőkemény matek. Éppen ezért kicsit egyszerűsítek a magyarázaton és nagyobb léptékben próbálom felvázolni az egészet.

Tehát egyetlen hagyományos jelből a vevő főleg csak azt látja, hogy a hullám éppen erősebb vagy gyengébb. Az I és Q jel viszont olyan, mintha ugyanazt a hullámot két, egymáshoz képest más (negyed periódussal eltolt ;) ) nézőpontból figyelnénk. Így a processzor matematikai megoldásokkal már sokkal több információt tud kinyerni. Ebből tudja kiszámítani például, hogy a jel amplitúdója változik-e, ami az AM vétel alapja, vagy hogy a jel frekvenciája vagy fázisa változik-e, ami az FM vételhez kell. SSB-nél pedig az I és Q jel segítségével el tudja választani egymástól az alsó és a felső oldalsávot. Egy jellel is működhet a detektor, de akkor például nem tudjuk már azt sem, hogy a jelünk a vivőnél feljebb vagy lejjebb van – lásd a kezdőknek szóló sorozat vételtechnika alapjait taglaló részét, amit itt írtam. Na de ne térjünk el a témától.

Metafóraként az I/Q jelpár olyan, mint amikor nem egyetlen árnyékból próbálod kitalálni egy tárgy mozgását, hanem két, egymáshoz képest eltolt nézőpontból látod a tárgyat. Így már nemcsak azt tudod, hogy van jel, hanem azt is, hogyan változik. Ebből pedig esetünkben pontosan kiválasztható az üzemmód.

Nyilván a pontos műveleti eredményekhez fontos, hogy az I és Q jel pontosan 90 fokkal eltolt és egyforma erősségű legyen, ezért van sok szoftverben lehetőség a fázis kompenzációjára.

Amúgy a kapcsoló vezérléséhez is két jel kell, ezért érkezik az oszcillátor frekvenciája két ágon, egymáshoz képest 90 fokban eltolt jellel, ami az ilyen SDR-ek másik jellegzetessége. Ez régebben egy frekvenciaosztó kapupárból jött ki, manapság már programozható DDS-ek kimenetei vannak erre beállítva.