Гетеродинный прием

Автор: В.Т. Поляков

Все статьи на CQHAM.RU
Все статьи категории "В помощь радиолюбителю"

Гетеродинные приемники больше известны под другим названием: приемники прямого преобразования.

В радиолюбительской практике они появились сравнительно недавно, с начала 70-х годов, и быстро завоевали широкую популярность благодаря исключительной простоте и хорошему качеству работы. Введя это новое, а на самом деле очень старое название, мы лишь восстанавливаем историческую справедливость и определяем место гетеродинных приемников среди множества известных в настоящее время радиоприемных устройств. Настоящая обзорная статья посвящена этому недавно возродившемуся и быстро развивающемуся классу радиоприемников.

Немного истории

Гетеродинный приемник был изобретен и запатентован в 1901 г. Николой Тесла, задолго до появления электронной лампы и спустя всего несколько лет после первых опытов по радиосвязи. Тогда использовались искровые передатчики и детекторные приемники на основе когерера – стеклянной трубочки с выводами, заполненной железными опилками. Под воздействием поля приходящей волны между опилками возникали микроскопические разряды, образовывались проводящие "мостики" и сопротивление когерера резко уменьшалось, что и приводило к срабатыванию реле приемника. В опытах было замечено, что чувствительность приемника к слабым сигналам возрастает, если с приемником связан собственный генератор, пусть даже маломощный, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала. Собственный генератор назвали гетеродином, а приемник – гетеродинным.

Расцвет гетеродинных приемников наступил с переходом на излучение незатухающих колебаний и с изобретением кристаллического детектора (1906...1908 гг.), где множество нестабильных контактов между опилками было заменено одним контактом между кристаллом полупроводника и металлическим острием. Принципиально кристаллический детектор не отличался от полупроводникового диода наших дней. Незатухающие колебания в антенном контуре передатчика в те годы получали с помощью дугового разряда, имеющего падающий участок вольтамперной характеристики, т.е. вносящего в контур отрицательное сопротивление, поддерживающее радиочастотные (РЧ) колебания. На сверхдлинных волнах широко использовались и электромашинные генераторы.

Воссоздадим в современных обозначениях схему телеграфной радиолинии тех лет (рис.1). Телеграфный ключ S1 замыкал цепь питания генератора РЧ G1. В процессе приема в цепь детектора включались либо реле (чувствительность при этом была низкая), либо телефонные трубки В1. Но в телефонах слышался лишь треск искровых разрядов или шипение дуги передатчика, модулирующее сигнал.

Рис.1. Схема радиотелеграфной линии

В гетеродинном приемнике (рис.2) на детектор действовали уже два сигнала – входной и гетеродинный, значительно больший по амплитуде. Если частота гетеродина G2 немного (на 0,4...1 кГц) отличалась от частоты передатчика G1, на выходе детектора VD1 появлялось напряжение биений с разностной частотой. Оно было существенно больше напряжения продетектированного сигнала, что повышало и чувствительность, и громкость приема. Телеграфные сигналы звучали в телефонах привычным теперь тоном "морзянки".

Рис.2. Схема гетеродинного приемника

Увлечение сверхдлинными волнами (до 20-х годов считалось, что чем длиннее волна, тем "дальнобойнее" связь) породило не только мощные электромашинные РЧ генераторы, но и гетеродинные приемники с синхронным механическим выпрямителем – колесом Гольдшмидта [1], изобретенном, кстати, тоже Николой Тесла. В них детектор VD1 (рис.1) заменен механическими контактами, замыкаемыми при вращении колеса с частотой, близкой к частоте сигнала. При этом, если моменты замыкания контактов попадают на положительные полуволны сигнала, на выходе приемника выделяется положительная постоянная составляющая напряжения, если же на отрицательные – то соответственно отрицательная.

Так происходит синхронное детектирование. Но строго синхронизировать частоты вращения вала генератора в передатчике и колеса с контактами в приемнике трудно, чаще всего они отличались, тогда в телефонах прослушивался тон биений, равный разности частот сигнала и коммутации контактов. Механический коммутатор был идеальным смесителем гетеродинного приемника, поскольку он вообще не детектировал сигнал, а лишь преобразовывал его по частоте.

Полтора десятилетия гетеродинный прием безраздельно царил в радиотехнике. В эпоху его расцвета появляются радиолампы – диод и триод, ламповый генератор, автодинный приемник и супергетеродин. Само название супергетеродинный приемник получил от гетеродинного, поскольку в нем был применен еще один, дополнительный, или "супер", гетеродин для преобразования РЧ сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ).

С 20-х годов для передачи телефонных сигналов стали широко использовать амплитудную модуляцию (АМ), а для приема – ламповые приемники. Приемники прямого усиления содержали 1...2 каскада усиления РЧ, ламповый детектор и несколько каскадов усиления звуковой частоты (ЗЧ). Позиции приемников прямого усиления значительно укрепил регенератор. Благодаря обратной связи увеличивалась и чувствительность, и селективность приемника прямого усиления.

Широкое распространение регенератора позволило выявить несколько аспектов его использования. Рассмотрим их на примере простейшего регенератора (рис.3).

Рис.3. Схема регенеративного приемника

Колебания принимаемого сигнала из антенны поступают в единственный контур L2C1 и затем детектируются в сеточной цепи лампы с помощью элементов R1C2 (гридлика). В анодной цепи лампы кроме продетектированного сигнала (который выделяется на нагрузке R2 и поступает в УЗЧ) существуют и радиочастотные колебания. Через катушку обратной связи они снова поступают в контур и компенсируют потери в нем. Увеличивая связь катушек L3 и L2, можно очень близко подойти к порогу самовозбуждения собственных колебаний. При этом значительно возрастают чувствительность и селективность приемника, но сужается полоса пропускания контура. Вполне реальна, например, эквивалентная добротность контура до нескольких тысяч, что соответствует полосе пропускания в несколько килогерц даже на КВ:

2Df  = f0/Q,

где: 2DF – полоса пропускания, f0 – частота настройки, Q – эквивалентная добротность.

Однако скаты резонансной кривой одного контура оказывались пологими, всего 6 дБ на октаву расстройки, да и стабильность регенератора была низка – он то терял чувствительность и селективность при уменьшении обратной связи, то самовозбуждался при ее увеличении.

Возможны и другие режимы работы описанного устройства. При обратной связи больше критической возникает самовозбуждение, а в сеточной цепи лампы выделяются биения между собственными колебаниями и колебаниями сигнала. Установив частоту биений в звуковом диапазоне, можно с успехом принимать телеграфные сигналы. Регенератор в этом режиме называли уже по-другому – автодинным приемником, подчеркивая этим тот факт, что происходил гетеродинный прием с использованием собственных автоколебаний. В англоязычной литературе автодин так и назывался – self-heterodyne receiver.

Еще более тщательной регулировкой обратной связи вблизи порога возбуждения можно добиться малой амплитуды собственных колебаний в контуре регенератора, при этом возникала возможность режима синхронного приема АМ сигналов, а приемник назывался теперь синхродином. Суть синхронного приема состоит в следующем: при точной настройке приемника на частоту несущей АМ сигнала, собственные колебания захватываются ею и становятся синхронными и синфазными с несущей. Прием АМ сигналов при этом улучшается, так как при подъеме несущей за счет собственных колебаний возрастает уровень продетектированного сигнала, улучшается селективность, уменьшаются помехи и искажения. Полосу захвата можно найти из соотношения:

2Dfзахв = (f0/Q0)(a1/a2),

где: Q0 – конструктивная добротность контура, а1 – амплитуда несущей сигнала, а2 – амплитуда собственных колебаний.

Видно, что для увеличения полосы захвата приходилось уменьшать и амплитуду возбуждения и собственную добротность контура. Гетеродинные приемники, в которых собственные колебания происходили одинаково с принимаемыми, иногда называли гомодинными.

Все описанные приемники не выдержали конкуренции с супергетеродином и были прочно забыты. Причина в следующем: они (как и показанный на рис.2 простейший гетеродинный приемник) не только преобразовывали сигнал по частоте, но и детектировали его. С таким же успехом детектировались и сигналы мешающих, соседних по частоте станций, что резко снижало селективность приемника, а селективности одного-двух радиочастотных контуров было явно недостаточно при возрастающем количестве станций и помех в эфире.

Тридцатые годы характерны созданием многоламповых супергетеродинных приемников, основное усиление и селективность в которых обеспечивает тракт ПЧ с несколькими каскадами усиления и многочисленными контурами. Обычно "суперы" проектировались для приема АМ сигналов, а для приема телеграфных сигналов на биениях служил второй, или "телеграфный" гетеродин, возбуждавшийся на частоте, близкой к промежуточной. Часто его колебания просто подмешивали к сигналу, подаваемому на амплитудный детектор, теряя тем самым дополнительную селективность, обеспечиваемую УЗЧ, и ухудшая качество сигнала из-за его прямого детектирования.

Впоследствии широкое распостранение однополосной модуляции заставило ввести в супергетеродин второй детектор смесительного, или мультипликативного типа, а по сути дела, обычный смеситель, преобразующий сигнал ПЧ на звуковые частоты.

Безраздельное господство супергетеродинных приемников привело к тому, что к 50-м годам радиоспециалисты и радиолюбители пребывали в уверенности, что существуют лишь два больших класса радиоприемных устройств: приемники прямого усиления и супергетеродины. Первые обладали существенными недостатками (малая чувствительность и селективность, необходимость перестройки нескольких контуров, неравномерность параметров по диапазону и т.д.), вторые эти недостатки устраняли, но... взамен имели собственные (наличие зеркального канала, интерференционные свисты, необходимость сопряжения контуров и т.д.). Впрочем, все это хорошо изложено в любых книгах и учебниках по радиотехнике.

Класс гетеродинных приемников

Гетеродинный прием возродили радиолюбители, использующие при работе в эфире в основном телеграф и однополосную модуляцию. С конца 60-х годов стали появляться сообщения о хороших результатах приема на гетеродинные приемники при чрезвычайно простых схемных решениях. Немало способствовала тому и новая элементная база, ведь создать УЗЧ с чувствительностью в доли микровольта на лампах практически невозможно, а на транзисторах и ИМС – относительно несложно. Название, к сожалению, появилось новое – приемник прямого преобразования, direct conversion receiver, DCR, чем подчеркивался факт прямого, без предварительного переноса на ПЧ, преобразования РЧ в звуковую – именно преобразования, а не детектирования. Этим гетеродинные приемники радикально отличаются от приемников прямого усиления, что и позволяет выделить их в отдельный класс. Из других, менее точных названий использовались: гомодинный приемник, синхродин и супергетеродин с нулевой ПЧ.

Для количественной оценки преимуществ гетеродинного приема начнем с "азов". Проанализируем работу детекторного приемника, показанного на рис.1. Пусть входной незатухающий сигнал имеет вид:

            u = a1cosw1t.

Вольтамперную характеристику детектора i (u) (рис.4) можно представить рядом:

            i = Su + Tu2 + . . .

Рис.4. Вольтамперная характеристика детектора

Коэффициент S называют крутизной характеристики (величина, обратная внутреннему сопротивлению диода в рабочей точке), а Т - кривизной. При малой амплитуде сигнала высшими членами ряда можно пренебречь, поскольку

            u4 << u3 << u2.

Детектор в этом случае оказывается квадратичным. Подставляя значение u в выражение для i, получаем:

i = Sa1cosw1t + Ta12/2 + (Ta12/2)cos2w1t.

Естественно, что компоненты тока с радиочастотами w1 и 2w1 на нагрузку (реле, телефоны) не действуют. Для их замыкания параллельно нагрузке включают блокировочный конденсатор. Остается член

            Ta12/2,

соответствующий компоненте постоянного, продетектированного тока. Его величина пропорциональна квадрату амплитуды входного сигнала. Сопротивление нагрузки из условия согласования (отдачи в нагрузку максимальной мощности) выбирается приблизительно равным внутреннему сопротивлению детектора Ri=1/S. Тогда полезное напряжение на нагрузке:

            u0 = (T/2S)a12.

Чтобы проиллюстрировать расчет, найдем крутизну и кривизну характеристики для современного диода Д2 по вольтамперной зависимости, приводимой в справочниках:

            S » 1 мА/В,    Т » 6 мА/В2,

и рассчитаем выходное напряжение детектора в зависимости от амплитуды входного РЧ сигнала (таблица 1).

Из таблицы видно, что чувствительность приемника очень низка и даже чувствительный УЗЧ, подключенный к его выходу, не спасает положения. Даже при чувствительности УЗЧ в единицы микровольт на входе приемника необходимы милливольтовые сигналы.

Таблица 1

а1

100 мВ

30 мВ

10 мВ

3 мВ

1 мВ

u0

30 мВ

3 мВ

300 мкВ

30 мкВ

3 мкВ

В гетеродинном приемнике на детектор действуют уже два сигнала (см. рис.2) – входной и гетеродинный:

            u = a1cosw1t + a2cosw2t

Полезное напряжение на выходе детектора оказывается следующим:

            u0 = (T/2S)a12 + (T/2S)a22 + (T/S)a1a2cos(w1 - w2)t.

В этом выражении оставлены лишь члены, соответствующие постоянному току или низким частотам (при желании читатель может самостоятельно проделать все выкладки). Первый член соответствует продетектированному напряжению сигнала, второй – гетеродина, а третий – биениям между колебаниями сигнала и гетеродина. Этот последний член зависит от амплитуды сигнала а1 уже не квадратично, а линейно, что в корне меняет дело. При достаточной амплитуде гетеродинного напряжения а2 (0,1...0,15 В) коэффициент передачи сигнала биений близок к единице и напряжение биений в нагрузке почти равно напряжению РЧ сигнала. Дальнейшее повышение амплитуды гетеродина почти не повышает коэффициента передачи (больше единицы в этом пассивном элементе он быть не может).

Итак, полезным эффектом в гетеродинном приемнике оказывается не детектирование, а преобразование сигнала по частоте с выделением низкой ЗЧ биений:

            W = w1 - w2

Но тогда зачем нужны первые два члена в последнем выражении для u0? А они и не нужны, более того, вредны. Ведь продетектированный ток не содержит информации о частоте сигнала и, следовательно, последетекторные фильтры оказываются неэффективными. Продетектированный ток устраняется при использовании балансного смесителя, на один вход которого подается напряжение сигнала, на другой – гетеродина.

Теперь элемент, где происходит преобразование РЧ в ЗЧ, уже никак нельзя назвать детектором. Это смеситель, или преобразователь частоты. Более того, если он хотя бы в малой степени будет детектировать сигнал, помехоустойчивость гетеродинного приема ухудшится – ведь детектируются и мешающие сигналы с частотой, отличной от частоты сигнала.

Идеальный смеситель осуществляет операцию перемножения входного и гетеродинного сигналов:

u1u2 = (a1cosw1t)´(a2cosw2t) = (a1a2/2)cos(w1 + w2)t + (a1a2/2)cos(w1 w2)t.

Суммарная частота отфильтровывается на выходе смесителя, и выделяется полезное напряжение:

            u0 = (a1a2/2)cos(w1 w2)t = (a1a2/2)cosWt.

Как видим, оно содержит лишь колебания разностных частот и его амплитуда пропорциональна амплитуде сигнала. Спектр РЧ принимаемых сигналов линейно переносится в область ЗЧ и фильтрация на ЗЧ так же эффективна, как на РЧ в приемниках прямого усиления и на ПЧ в супергетеродине.

К сожалению, этот факт очень поздно осознали и радиоспециалисты, и радиолюбители. Добавление гетеродинного напряжения к сигналу на обычном детекторе (рис.2, 3) позволяет поднять чувствительность, получить тональный прием телеграфа, но не избавляет от прямого детектирования мешающих сигналов. Именно поэтому ушли в прошлое автодины, синхродины и гомодины 20-х годов.

Выдающийся радиоинженер Е.Г.Момот еще до войны, разрабатывая технику синхронного приема и "избирательного детектирования", указал на полезность и необходимость балансных смесителей. Но в те годы применение двух ламп в балансной схеме вместо одной считалось довольно сложным и дорогим решением. До сих пор еще встречаются разработки гетеродинных приемников, где смеситель выполнен на одном диоде или транзисторе по небалансной схеме, хотя получение высоких параметров в таких приемниках принципиально невозможно.

Таким образом, общим признаком гетеродинных приемников является линейное преобразование принимаемой РЧ в низкую, звуковую. Можно выделить ряд разновидностей гетеродинных приемников, использующих различные методы обработки сигнала и предназначенных для приема сигналов с разными видами модуляции. Общая таблица радиоприемных устройств, классифицированных по принципу действия, приведена на рис.5.

Рис.5. Классификация приемных устройств по принципу действия

  • АМ - амплитудно-модулированный;
  • Тлг - телеграфный (незатухающие колебания);
  • ЧМ - частотно-модулированный;
  • ФМ - фазомодулированный;
  • ОБП - однополосный.

Все гетеродинные приемники делятся на два больших подкласса: синхронные, в которых предусмотрены средтва синхронизации колебаний гетеродина с несущей принимаемого сигнала, и асинхронные, где таких средств нет.

Остановимся сначала на последних.

Пример практической конструкции гетеродинного приемника

Структурная схема простейшего двухполосного асинхронного приемника показана на рис.6.

Он содержит преселектор Z1, смеситель U1, гетеродин G1, ФНЧ Z2 и УЗЧ А1, нагруженный на телефоны или громкоговоритель В1. В задачу преселектора входит ослабление сильных внедиапазонных мешающих сигналов и побочных каналов приема. Их у гетеродинного приемника немного – прием возможен, главным образом, на гармониках гетеродина. Если диапазон перестройки приемника невелик (как в случае узких любительских КВ диапазонов), преселектор по диапазону не перестраивается. Минимальные потери сигнала при хорошей селективности обеспечивают полосовые фильтры.

Рис.6. Структурная схема двухполосного асинхронного приемника

Смеситель гетеродинного приемника не должен детектировать входные сигналы, пропускать гетеродинное напряжение на вход приемника и создавать излишний шум. Перечисленным требованиям в большей степени удовлетворяют смесители на встречно-параллельных диодах [5] и полевых транзисторах [6]. ФНЧ Z2 обеспечивает основную селекцию приемника по соседнему каналу. Хорошие результаты дают LC фильтры, хотя они и трудоемки в изготовлении.

Активные RC фильтры имеют повышенный уровень шума и поэтому мало пригодны для установки на выходе смесителя связного приемника, но с успехом могут включаться между каскадами УЗЧ. К селективности ФНЧ добавляется селективность УЗЧ, ослабляющего верхние частоты, и естественная селективность человеческого уха, теряющего чувствительность на верхних частотах. УЗЧ гетеродинного приемника обеспечивает основное усиление сигнала (до 100000...1000000). На современных транзисторах и ИМС получить такое усиление при уровне шума, приведенного ко входу, порядка долей микровольта большой проблемы не составляет.

Иллюстрируя изложенное, приведем простейшую схему гетеродинного приемника на любительские КВ диапазоны (рис.7). Он содержит входной неперестраиваемый двухконтурный фильтр L1C1L2C2, смеситель на встречно-параллельных диодах VD1, VD2 и гетеродин, выполненный по схеме индуктивной трехточки на полевом транзисторе VT2. ФНЧ приемника с частотой среза около 3 кГц образован элементами L4C3C4. Для обеспечения минимальных потерь сигнала необходимо сквозное согласование сопротивлений антенны, входного фильтра, смесителя, ФНЧ и УЗЧ. Оптимальное значение сопротивлений, обеспечивающее достаточно близкий к единице коэффициент передачи смесителя и невысокий уровень его шума, лежит в диапазоне 3...10 кОм.

Здесь учтены следующие факторы: при низких значениях сопротивления для повышения коэффициента передачи смесителя приходится увеличивать уровень гетеродинного напряжения, что увеличивает как шум диодов, так и шум гетеродина. Излишнее повышение сопротивления хоть и повышает чувствительность, но несколько снижает помехоустойчивость. Кроме того, труднее выполнить ФНЧ с высоким характеристическим сопротивлением. Как компромисс, значение последнего выбрано около 3 кОм, а нагрузка ФНЧ несколько выше, что дает небольшой подъем АЧХ в области частот 2...3 кГц, улучшающий разборчивость речи. Согласование с антенной достигается подбором положения отвода катушки L2, сделанного от 1/5...1/6 общего ее числа витков.

Рис.7. Схема любительского приемника на любительские КВ диапазоны

УЗЧ приемника выполнен на малошумящем полевом транзисторе VT1 и операционном усилителе DA1. Транзистор и резистор его нагрузки R3 подбирают до получения на стоке примерно половины напряжения питания. Необходимое усиление устанавливают резистором R4 в цепи ООС. Кроме указанного подойдут и другие типы ОУ с соответствующими цепями коррекции. Для громкоговорящего приема на выходе можно включить составной эмиттерный повторитель, выполненный на комплементарной паре транзисторов. Данные катушек и контурных конденсаторов приемника приведены в табл.2.

Таблица 2

Диапазон, м

Число витков

С1, пФ

С2 и С6, пФ

L1 и L3

L2

160

46

23

320

1500

80

32

16

150

760

40

23

12

82

390

20

16

8

39

200

15

13

7

27

150

10

11

6

20

91

Катушки намотаны на цилиндрических каркасах диаметром 6 мм и снабжены подстроечниками М4 из магнитодиэлектрика. Для катушек диапазонов 160 и 80 м можно взять провод ПЭЛШО 0,1...0,15, для катушек других диапазонов - ПЭЛШО 0,25...0,35. Катушка ФНЧ L4 намотана на кольцевом магнитопроводе К16х8х4 из феррита 2000НМ и содержит 360 витков провода ПЭЛШО 0,1 или ПЭЛ 0,1...0,15.

Для компенсации реактивного сопротивления антенн произвольной длины конденсатор С1 желательно сделать подстроечным. Конденсатор настройки С7 должен иметь максимальную емкость, составляющую 6...12% от емкости конденсатора С6. Конструктивное выполнение приемника может быть различным: с навесным монтажом на металлическом коробчатом шасси, на печатной плате, в корпусе портативного приемника и т.д. Эти вопросы освещались в литературе [2,3].

Какие же сигналы может принимать данный приемник? Только те, которые и используются в современной любительской связи, – телеграфные и однополосные. Кривая селективности приемника симметрична относительно удвоенной частоты гетеродина (рис.8). Форма ее скатов определяется АЧХ ФНЧ, а провал в центре обусловлен ослаблением ЗЧ ниже 300 Гц разделительными конденсаторами в УЗЧ. При приеме телеграфного сигнала можно настраиваться как ниже, так и выше его частоты, а при приеме однополосного сигнала частота настройки f0 = 2fг должна совпадать с частотой подавленной несущей.

Рис.8. Кривая селективности гетеродинного приемника

Наличие двух полос приема – верхней (ВБП) и нижней (НБП) – большой недостаток простого гетеродинного приемника: ведь неиспользуемая полоса приема является потенциальным источником помех.

Однополосный прием

В супергетеродинных приемниках с мультипликативным детектором (смесителем) и телеграфным гетеродином для получения однополосного приема используются кварцевые и электромеханические фильтры в тракте ПЧ. В гетеродинных приемниках такой возможности нет, а селективности входного фильтра далеко недостаточно. Но здесь можно применитьметоды фазовой селекции, известные весьма давно [1...4]. Суть их сводится к следующему. В гетеродинном приемнике устанавливают два смесителя U1 и U2 (рис.9), на которые подается напряжение гетеродина G1 со сдвигом фаз 90о (если гетеродин работает на половинной частоте сигнала, то 45о).

Рис.9. Схема гетеродинного приемника для однополосного приема

На выходах смесителей образуются сигналы биений, также сдвинутые по фазе друг относительно друга на 90о, причем если происходит прием ВБП, то фаза сигнала во втором канале отстает, а если НБП, то опережает фазу сигнала в первом канале. Если теперь фазу сигнала во втором канале дополнительно сдвинуть на 90о с помощью НЧ фазовращателя U4, то на выходах каналов сигналы будут синфазны и сложатся при приеме в ВБП; при приеме же в НБП они будут противофазны и скомпенсируют друг друга. Переключение выводов одного из фазовращателя (ВЧ U3 или НЧ U4) приводит к подавлению ВБП и выделению НБП. Сведения о практических реализациях фазокомпенсационных однополосных смесителей можно найти в [2, 3].

В связи с трудностями достижения одинаковых амплитуд и точных фазовых сдвигов в каналах, особенно в НЧ фазовращателе, работающем в десятикратной полосе ЗЧ, подавление нежелательной боковой полосы в простых устройствах получается обычно не более чем в 100 раз, или на 40 дБ.

Имеются малоизвестные разработки, сулящие существенное улучшение подавления боковой полосы фазокомпенсационным методом [7, 8]. Прежде чем перейти к сложному для понимания принципу действия предложенного НЧ фазовращателя, рассмотрим простейший случай (рис.10).

Рис.10. Пояснение принципа работы фазовращателя

Сигналы с выходов квадратурных смесителей u1 и u2 подведены к простейшему фазовому RC звену (рис.10а), возбуждаемому их разностью (вектор АВ на диаграммах рис.10б, 10в, точка 0 соответствует потенциалу общего провода). Напряжение на емкости uC опережает на 90о напряжение на сопротивлении uR, результирующее выходное напряжение (вектор ОС) получается максимальным при приеме ВБП и обращается в нуль при приеме НБП, если частота биений совпадает с собственной частотой звена F = 1/2pRC. Но при изменении ЗЧ биений напряжение uC уменьшается с частотой, а uR увеличивается (конец вектора ОС движется вдоль окружности, показанной штриховой линией), поэтому полное подавление НБП возможно лишь для одной частоты звукового спектра.

Ситуация меняется, если использовать четырехфазный смеситель или два квадратурных смесителя с симметричными выходами (рис.11), в каждом звене фазовращателя установить четыре одинаковые цепочки, а число звеньев увеличить до 4...6, настроив их на разные частоты. Каждая пара напряжений u1u2, u2u3 и т.д. будет преобразовываться так же, как показано на рис.10, и на выходах первого звена фазовращателя снова появится четырехфазная система напряжений u`1...u`4 большей амплитуды в случае приема ВБП и малой при приеме НБП.

Рис.11. Четырехфазный фазовращатель и векторные диаграммы

Нуль коэффициента передачи, т.е. максимум подавления, будет на собственной частоте звена F1. Второе звено обеспечивает нуль на соседней частоте F2 и т.д. Эксперимент, проведенный с 5- и 6-звенными фазовращателями, подтвердил, что можно получить подавление более 50 дБ в "связной" полосе ЗЧ 300...3000 Гц и около 40 дБ в "радиовещательной" полосе 80...6500 Гц. Кривая селективности однополосного гетеродинного приемника с данным фазовращателем показана на рис.12. Точки "бесконечного" подавления соответствуют собственным частотам звеньев.

Рис.12. Кривая селективности однополосного гетеродинного приемника

Благодаря взаимной компенсации фазовых и амплитудных дисбалансов отдельных цепочек в фазовращателе можно использовать элементы с допуском +/–5%. Несмотря на большое количество резисторов и конденсаторов, габариты и стоимость фазовращателя меньше, чем ЭМФ, и, тем более, кварцевых фильтров. Правда, фазовращатель должен нагружаться на высокое входное сопротивление установленного за ним усилителя и вносит заметные потери, что ограничивает его использование в высокочувствительных связных гетеродинных приемниках. Тем не менее, он с успехом может применяться в однополосных радиовещательных приемниках. Но таких ведь еще нет, удивится читатель! Пока нет, и чтобы разобраться, почему, обратимся к теперешнему состоянию радиовещания на ДВ, СВ и КВ.

Парадокы АМ

Телефонные передатчики с АМ сравнительно недолго просуществовали в технике радиосвязи. Оказалась очевидной малая эффективность АМ и она сравнительно скоро была вытеснена однополосной модуляцией. Этого не произошло в радиовещании из-за огромного парка АМ приемников, уже находящихся в эксплуатации. Кроме того, с переходом на однополосную модуляцию резко возрастают требования к стабильности частоты гетеродинов приемников: ведь допустимое отклонение частоты настройки однополосного связного приемника может составлять не более 100...150 Гц, а для качественного приема однополосных музыкальных передач требования еще жестче –1...1,5 Гц.

Тем временем ситуация, сложившаяся в АМ диапазонах, становится уже нетерпимой. Во-первых, из-за энергетических соображений. Амплитуда боковых частот АМ сигнала при модуляции чистым тоном составляет m/2, а мощность каждой боковой (m2/4) (рис.13).

Рис.13. Распределение мощности между несущей и боковыми частотами при АМ

Учитывая, что во избежание перемодуляции на пиках программы коэффициент модуляции m устанавливается около 0,3 (30%), а в среднем за счет пауз и тихих звуков он еще меньше, получаем, что более 96% мощности передатчика тратится на излучение несущей. А нужна она лишь для работы АМ детекторов в приемниках, хоть и простых, но довольно неудачных устройств, одинаково реагирующих на полезные сигналы и помехи.

На долю полезных, несущих информацию составляющих АМ сигнала остается лишь менее 4% излучаемой мощности. Отсюда следует, что 25-киловатный однополосный передатчик может вещать лучше, чем 500-киловаттная АМ радиостанция, было бы чем его слушать! Во-вторых, при установленной сетке частот радиостанций через 9 кГц на ДВ и СВ и через 5 кГц на КВ боковые полосы соседних по частоте станций сильно перекрываются и создают взаимные помехи. Интерференция несущих прослушивается как свист с частотой 5 или 9 кГц. Таким образом, отказ от излучения несущих и сокращение излучаемого каждой станцией спектра вдвое принес бы огромные выгоды и значительно повысил бы качество радиовещания.

Исследования показали, что оптимальным по помехозащищенности будет излучение двух независимых боковых полос на одной частично или полностью подавленной несущей, как показано на рис.14 (римскими цифрами обозначены различные программы). Разнос несущих при такой системе радиовещания увеличивается вдвое. Для сравнения с существующим положением попробуйте сами нарисовать спектры излучения нескольких соседних по частоте АМ станций при излучаемой ими полосе ЗЧ 50...10000 Гц и разносе несущих 5 или 9 кГц.

Рис.14. Диаграмма излучения двух независимых боковых частот при частично подавленной несущей

Перейти на однополосное радиовещание можно, лишь заменив парк приемников однополосными, позволяющими принимать как существующие АМ, так и будущие однополосные сигналы. Процесс, вероятно, будет длительным, и Международный консультативный комитет по радиосвязи (МККР) в Женеве рекомендует осуществить его в течение 10...15 лет.

Каким же должен быть приемник? Если копировать структурные схемы связных приемников, получается и сложно, и дорого. Кварцевый или электромеханический фильтр ПЧ должен разделять боковые полосы принимаемого сигнала, а ведь при низшей звуковой частоте 50 Гц промежуток между ними составляет всего 100 Гц. Следовательно, крутизна хотя бы одного ската фильтра должна достигать 400...500 дБ/кГц – цифра нереальная.

Выходом из положения была бы разработка предлагаемого ниже гетеродинного приемника с фазокомпенсационным подавлением одной боковой полосы и НЧ фазовращателем по схеме рис.11, который несложно выполнить в виде гибридной ИМС. Подобные приемники уже разработаны [9], и при промышленном производстве все их элементы можно объединить в одну ИМС. Что же касается стабильности частоты гетеродина то и здесь может помочь цифровая техника.

Следует отказаться от плавно перестраиваемого гетеродина и перейти к цифровому синтезу сетки частот через 9 кГц на ДВ, СВ и через 5 кГц на КВ. Одновременно легко осуществить и цифровую индикацию частоты настройки. Стабильность опорного кварцевого генератора может быть лучше 10–6, пример тому – широко распостраненные электронные часы, уходящие на несколько секунд за несколько месяцев. Нестабильность частоты синтезатора составит при этом менее 1 Гц на ДВ и СВ и до нескольких герц на КВ. ИМС синтезатора, которой у радиолюбителей еще нет, не намного сложнее МС часов, в огромных количествах выпускаемых промышленностью и доступных по стоимости.

Структурная схема гетеродинного радиовещательного приемника показана на рис.15. Он содержит преселектор Z1, УРЧ А1, служащий скорее для развязки цифровой части приемника от антенны, чем для усиления, четырехфазный смеситель U1 с синтезатором частоты D1 и индикатором частоты настройки Н1, НЧ фазовращатель U2, ФНЧ Z2 и УЗЧ А2. Оконечный усилитель ЗЧ А3 может быть встроенным или отдельным, общим для всего бытового радиокомплекса. Органом настройки приемника U3 может быть обычная ручка, связанная с потенциометром или оптоэлектронным формирователем импульсов, тастатура с памятью или автоматическое сканирующее устройство.

Рис.15. Структурная схема гетеродинного радиовещательного приемника

Смена боковых полос приема осуществляется переключателем входов НЧ фазовращателя или электронным коммутатором, изменяющим чередование фаз гетеродинного напряжения. Для перестройки преселектора или контура магнитной антенны можно использовать варикапы, а управляющее напряжение взять от потенциометра настройки или ЦАП, встроенного в синтезатор. Другим решением может быть переключение контурных конденсаторов преселектора цифровыми ключами, управляемыми кодом частоты настройки. Разумеется, все функции управления, памяти и индикации частот настройки, формирования гетеродинного напряжения можно поручить встроенному микропроцессору. Система АРУ приемника U4 может работать от звукового сигнала, подобно регуляторам уровня записи магнитофонов.

Разработку любительского варианта предложенного приемника можно вести уже сейчас, на имеющейся элементной базе. Быстродействие микросхем серии 176, например, достаточно для диапазона СВ, тем более ДВ. Даже при приеме существующих АМ сигналов приемник даст определенные преимущества: у него отсутствуют нелинейные искажения, вносимые обычным детектором огибающей, а возможность выбора любой из боковых полос во многих случаях позволит устранить взаимные помехи между станциями. Сравнительно простой ФНЧ Z2 обеспечит селективность, трудно достижимую в АМ супергетеродинах даже высшего класса.

И еще одно важное достоинство: при селективном замирания АМ сигнала уровень несущей может оказаться ниже уровня боковых полос, что в обычном приемнике вызывает большие искажения, делающие сигнал неразборчивым. Поскольку несущая для работы предложенного приемника не нужна, нелинейные искажения при селективном фединге в нем возникать не будут, может изменяться лишь тембр звучания.

Чтобы завершить обзор уже известных гетеродинных приемников, кратко разберем еще некоторые их разновидности.

Синхронный прием

Двухполосный асинхронный гетеродинный приемник не пригоден для приема АМ сигнала, поскольку даже при точной настройке фаза гетеродина будет изменяться относительно фазы сигнала. Когда колебания гетеродина синфазны с несущей, обе боковые полосы, преобразуясь на ЗЧ, складываются на выходе смесителя. Когда же колебания гетеродина находятся в квадратуре (сдвинуты на 90 градусов) относительно несущей, преобразованные на ЗЧ колебания боковых полос противофазны и компенсируют друг друга – сигнал ЗЧ пропадает. Поэтому в двухполосном приемнике необходимы средства синхронизации колебаний гетеродина с несущей.

Использование прямого захвата неэффективно, да к тому же открывает путь для помех со стороны других станций. Наилучшей из известных систем синхронизации является фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). В ней колебания сигнала и гетеродина (рис.16) поступают на смеситель (фазовый детектор) U1, его выходной сигнал фильтруется (Z1), усиливается (А1) усилителем постоянного тока (УПТ) и подается на варикап V1, управляющий частотой гетеродина G1. При захвате сигнала устанавливается точное равенство частот сигнала и гетеродина и их относительный фазовый сдвиг около 90о.

Рис.16. Система фазовой автоподстройки частоты

Структурная схема петли ФАПЧ очень похожа на схему простейшего гетеродинного приемника, с той лишь разницей, что все ее элементы должны пропускать постоянную составляющую сигнала с выхода смесителя. Неизбежные при этом "дрейф" и "уход нуля" не позволяют получить от приемника с ФАПЧ такой же чувствительности, как у асинхронных гетеродинных приемников. Тем не менее, на основе системы ФАПЧ удается построить ряд приемников, пригодных для демодуляции ЧМ, ФМ и АМ сигналов (см., например, [10]), причем по ряду параметров (качество приема, простота схемы) они превосходят традиционные, а по некоторым (чувствительность, стабильность настройки) уступают им.

Приемник с ФАПЧ по схеме рис.16 может демодулировать ФМ сигнал с небольшим индексом модуляции, если постоянная времени RC фильтра Z2 достаточна велика и система ФАПЧ отслеживает лишь среднее значение частоты сигнала, не успевая реагировать на модуляцию Уменьшение постоянной времени фильтра Z2 делает приемник пригодным для демодуляции ФМ с большим индексом и ЧМ сигналов, при этом гетеродин достаточно точно отслеживает все изменения частоты входного сигнала, а управляющее напряжение на варикапе повторяет модулирующий сигнал ЗЧ. Подобные приемники описаны в книге [11], неоднократно повторялись радиолюбителями и даже выпускались промышленностью в виде радиоконструктора (УКВ тюнер "Старт-7104").

Синхронный прием АМ сигналов взможен при установке второго смесителя и ВЧ фазовращателя (рис.17). Гетеродинные напряжения на оба смесителя U1 и U2 подаются со сдвигом фазы 90 градусов, так же как и в схеме рис.9. Квадратурные сигналы ЗЧ фильтруются ФНЧ Z2 и Z3, усиливаются (А1, А2), один из сигналов служит выходным, а другой используется в системе ФАПЧ с элементами Z4 и V1. Усилитель А2 здесь должен быть УПТ. С его выхода можно снять и переменное демодулированное напряжение при ФМ входного сигнала.

Рис.17. Структурная схема устройства для синхронного приема АМ сигналов

Кстати, в ряде разрабатываемых систем стереофонического вещания на СВ используют АМ несущей суммарным сигналом двух стереоканалов и ФМ разностным; данный приемник может демодулировать сразу оба сигнала. Практическая конструкция одного из простейших синхронных приемников описана в [9].

Перспективы развития гетеродинных приемников

Синхронный приемник может обеспечить отличное качество демодуляции, повышенную селективность и помехоустойчивость без использования синтезатора частот в гетеродинной части. Здесь непочатое поле деятельности для радиолюбителей. Но есть и другие возможности гетеродинного приема АМ и ЧМ сигналов [12]. Если в структурной схеме рис.17 исключить элементы петли ФАПЧ Z4 и V1, а фильтры Z2, Z3 и усилители ЗЧ A1, A2 сделать одинаковыми, получим асинхронный гетеродинный приемник с квадратурными каналами. Напряжение ЗЧ в каналах описывается выражениями:

            u1 = acosW и  u2 = asinWt,

где W – разностная частота биений между несущей сигнала и колебаниями гетеродина.

Произведя над ними операцию:

            u0 = u12 + u22,

получаем:

            u0 = a2cos2Wt  + a2sin2Wt = a2,

т.е. квадратично продетектированный входной сигнал. Такой обобщенный АМ детектор содержит два квадратора и сумматор (рис.18, нумерация элементов продолжает нумерацию на рис.17).

Рис18. АМ детектор с двумя квадраторами и сумматором

На выходе детектора можно установить корректор (типа двухстороннего диодного ограничителя), уменьшающий квадратичные искажения. Подобный приемник по качеству детектирования едва ли будет лучше синхронного, зато не требует точной установки и автоподстройки частоты гетеродина. Он может найти применение в той аппаратуре радиосвязи, где еще используется АМ, например авиационной.

Для детектирования ЧМ нужен другой алгоритм обработки квадратурных напряжений u1 и u2. Он состоит в следующем:

            u0 = u1u2¢– u1¢u2,

где штрих обозначает дифференцирование по времени. Подставляя значения u1 и u2, получаем:

            u0 = a2W

т.е. напряжение, пропорциональное расстройке частот несущей и гетеродина, причем полярность его меняется при изменении знака расстройки.

Структурная схема устройства, реализующего этот алгоритм, и его дискриминационная характеристика показаны на рис.19. Устройство содержит две дифференцирующие RC цепочки, два перемножителя и операционный усилитель, выделяющий разность перемноженных сигналов.

Рис.19. Устройство для детектирования ЧМ сигналов

Зависимость выходного напряжения от амплитуды можно устранить системой АРУ, а управляющее напряжение для нее получить с помощью устройства, изображенного на рис.18. Приемник с таким детектором ЧМ сигнала может найти применение в системах УКВ связи. Главное его достоинство по сравнению с супергетеродином – отсутствие зеркального и многих других побочных каналов приема. В то же время малое количество контуров позволяет широко применять ИС с большой степенью интеграции.

Появилось сообщение о разработке в Англии такого приемника на двух заказных ИС с площадью кристаллов всего около 6 мм2 [13]. На одной ИС был выполнен УРЧ, смесители и гетеродин с фазовращателем и синтезатором частоты на основе системы ФАПЧ, работающей по сигналу опорного кварцевого гетеродина, а на другой ИС - вся низкочастотная часть приемника с активными фильтрами, усилителями и демодулятором. По чувствительности и другим параметрам приемник не уступал супергетеродинам с ограничителем и частотным детектором, а при малых отношениях сигнал/шум даже превосходил их.

Итак, мы видим, что гетеродинные приемники могут выполнять все те же, без исключения функции, что и супергетеродинные. При желании гетеродинную технику можно использовать и на ПЧ супергетеродина, улучшив одни параметры приемника за счет дополнительной фильтрации и усиления по ПЧ и ухудшив другие за счет появления побочных каналов приема. Особый интерес представляет использование гетеродинной техники на высокой (40...70 МГц) ПЧ широкодиапазонного (например, 10 кГц...30 МГц) инфрадина. Такая комбинация обеспечивает хорошее подавление зеркального канала и минимум комбинационных помех.

Одним из главных достоинств гетеродинного приема остается возможность широкого использования интегральной техники, ведь НЧ элементы легче и лучше других объединяются в ИС. Об этом писалось еще в [2], но к сожалению, успехи микроэлектроники мало зависят от деятельности радиолюбителей.

Новые уникальные возможности в технике гетеродинного приема открывают микропроцессоры, причем речь идет не только о потребительских удобствах типа тастатурной настройки и памяти частот, а о самой обработке сигналов. Суть ее в очень общем виде сводится к следующему: сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП и поступает в цифровой процессор с целью фильтрации, демодуляции и т.п. Цифровые фильтры могут иметь характеристики, недостижимые в аналоговых устройствах, например идеально прямоугольную "АЧХ".

Цифровая фильтрация уже применяется в радиолокации, системах космической связи и других сложных радиосистемах. Возможности ее применения на РЧ или ПЧ ограничены быстродействием процессора, ведь частота взятия отсчетов должна быть по крайней мере вдвое выше верхней частоты спектра сигнала. В гетеродинном приемнике частоты сигнала после смесителя понижены до предела, поэтому частота отсчетов в связном приемнике может составить 6...8 кГц, а в радиовещательном – до нескольких десятков килогерц.

Кроме фильтрации, микропроцессор может выполнить операции по фазокомпенсационному подавлению боковой полосы (причем с высокой точностью), детектированию АМ, ЧМ или ФМ в соответствии с описанными алгоритмами, выработки на выходе соответствующих ЦАП сигналов ошибки для петли ФАПЧ, управления для систем АРУ и т.д. Поскольку гетеродин (синтезатор частоты) и четырехфазный смеситель приемника тоже выполняются на элементах цифровой техники, аналоговым остаются лишь преселектор, УРЧ, простейшие ФНЧ на выходах смесителя и усилители в квадратурных каналах перед АЦП основного процессора.

Литература

  1. Момот Е.Г. Проблемы и техника синхронного радиоприема. –М.: Связьиздат, 1961.
  2. Поляков В.Т. Приемники прямого преобразования для любительской связи. –М.: ДОСААФ, 1981.
  3. Поляков В.Т. Трансиверы прямого преобразования. –М.: ДОСААФ, 1984.
  4. Павлов Б.А. Синхронный прием. –М.: Энергия, 1977.
  5. Поляков В. Смеситель приемника прямого преобразования. Радио, 1976, №12, с.18...20.
  6. Поляков В., Степанов Б. Смеситель гетеродинного приемника. Радио, 1983, №4, с.19...20.
  7. Villard O. Casсade cоnnection of 90-degrees phase-self networks. PIRE, March, 1952.
  8. Gschwindt A. Die moderne Phasenmethode-Multiphasennetzwerk. Funkamateur, 1975, № 6, s.291-293.
  9. Поляков В. Синхронный АМ приемник. Радио, 1984, №8, с.31...34.
  10. Поляков В. ЧМ детектор с ФАПЧ приемника прямого преобразования. Радио, 1978, №11, с.41...43.
  11. Поляков В.Т. Радиовещательные ЧМ приемники с фазовой автоподстройкой. –М.: Радио и связь, 1983.
  12. Поляков В. Приемники прямого преобразования АМ и ЧМ сигналов. - Радио, №7-8, 1981, с.28...29.
  13. Vance I. An integrated circuit v.h.f. radio receiver. The Radio and Electronic Engineer, vol. 50, No. 4, pp. 158-164, April 1980.

В. Т. Поляков.  "Радиоежегодник", 1988 год


Просмотрено: 58477 раз(а) Обновлено 02.07.2006 в 14:23
Автор - В.Т. Поляков
Обсуждение этой статьи
01.10.2016 21:44 Спасибо и поклон профессионалу и любителю. Ностальгия пробила до ...  --  HAM
24.02.2011 09:25 Замечательная статья профессионала. Спасибо....  --  ВладГор
18.11.2010 19:35 Спасибо огромное!!!!!! мне как раз нужен был доклад в институт по...  --  _veDma_
06.03.2007 09:28 Замечательная публикация побольшебы таких...  --  Саша
04.08.2006 17:17 Честь и слава уважаемому Владимиру Тимофеичу! Русский ученый и ав...  --  RX3APL
08.07.2006 15:43 Да..... когда-то это работало, и не плохо, Отец только гонял-гете...  --  RA2FGK
05.07.2006 11:28 А я любительский эфир впервые услышал на самодельный приемник с ...  --  Александр, EU1M...
04.07.2006 01:41 Fero, Вы и здесь за свою песню.... Видать крепко Вас задевает пря...  --  Юрий UR5VEB...
03.07.2006 20:14 Старые песни о главном....  --  Fero
03.07.2006 19:18 Сейчас уже понятно, что за гетеродинным и синхронным приемом - бу...  --  Марат RU9WG...
03.07.2006 10:01 Владимир, спасибо! У Шуриков и Алексеев, видимо, всё уже есть. Та...  --  Александр RZ6FE...
03.07.2006 00:58 прям реферат какойто :)...  --  Алексей


Все статьи на CQHAM.RU
Экспорт статей с сервера CQHAM.RU

     << Назад