Г.Тяпичев
«Как построить УКВ радиостанцию». Глава 2.
Частотная модуляция и УКВ ЧМ
детекторы
Традиционный ЧМ детектор – детектор
отношений
Простые ЧМ детекторы из любительской
практики
Частотный детектор с обратной связью
Микросхемы для УКВ и связи с ЧМ
Применение микросхемы К174ХА34 (TDA7021)
Демодулятор для цифровой радиосвязи
Глава 2. Блоки
детекторов
Частотная
модуляция и УКВ ЧМ детекторы
В
последние годы, в связи с появлением во всем мире большого числа УКВ
ретрансляторов и возможностью проводить на УКВ радиосвязи с использованием
установленной на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) УКВ аппаратуры,
радиолюбителями очень большое внимание стало уделяться УКВ радиосвязи с
использованием частотной модуляции (ЧМ).
Кратко
рассмотрим некоторые из основных особенностей этого вида связи.
Радиолюбители
всегда стремились к достижению высокого качества приема радиосигналов, которое
позволяет полностью использовать возможности современной звуковоспроизводящей
аппаратуры. Высокое качество необходимо в первую очередь для безошибочной и
четкой работы цифровой приемной аппаратуры.
Радиоприемник
на диапазонах длинных (ДВ), средних (СВ) и коротких
волн (КВ) уже не может служить источником высококачественных сигналов.
Действительно, частотный интервал между несущими различных радиостанций в
диапазонах ДВ и СВ составляет 9 кГц, а на КВ – 5
кГц. Полоса воспроизводимых приемником звуковых частот не превосходит в этих
условиях 3—4 кГц. Далее, прием в диапазонах с амплитудной модуляцией (АМ) в
сильной степени подвержен влиянию помех естественного и искусственного
происхождения и создает помехи соседним станциям. Даже при оптимальных условиях
приема уровень шума, сопровождающего передачу, редко опускается ниже --
40 дБ. Все это привело к тому, что для проведения высококачественных
радиосвязей диапазоны ДВ, СВ и КВ в настоящее время
практически не используются. Исключение составляет лишь проведение местных
связей при ограниченной полосе звуковых частот. Исходя из приведенных
соображений, наилучшие условия для радиосвязи могут обеспечить УКВ диапазоны.
Техника
радиовещания на УКВ с частотной модуляцией (ЧМ) начала развиваться еще в 30-е годы прошлого столетия. При
этом были обнаружены высокая
помехоустойчивость и высокое качество сигнала при радиосвязях на УКВ с
частотной модуляцией (ЧМ). Частотная модуляция относится к широкополосным видам
модуляции, при которых излучаемая передатчиком полоса частот намного превышает
полосу частот модулирующего, звукового сигнала. Происходит как бы «обмен»
полосы на отношение сигнал-шум, которое может достигать на выходе ЧМ детектора
от – 70 до – 80 дБ. В связи с этим максимальную девиацию частоты
радиовещательных передатчиков устанавливают равной 50 кГц (в Российской
Федерации) или 75 кГц (в США). Полоса частот, занимаемая станцией в эфире,
получается более 100 кГц, поэтому вещание и радиосвязь с ЧМ ведется только на
УКВ. Ширина первого радиовещательного УКВ диапазона в РФ (65,8—73МГц) втрое
превосходит суммарную ширину участков, отведенных для радиовещания в диапазонах
ДВ, СВ и КВ.
Радиус
действия УКВ ЧМ передатчиков обычно не превосходит 70—100 км, т.к.
ультракороткие волны слабо огибают земную поверхность, а также препятствия,
встречающиеся на пути их распространения. Даже в зоне «радиовидимости»
встречаются области глубокой «тени» со слабой напряженностью поля. Тем не менее УКВ радиовещание и радиосвязь полностью оправдано в
городах и густонаселенных местностях, где построена густая сеть УКВ
радиостанций или ретрансляторов. Эпизодически возможен и дальний прием УКВ
станций, обусловленный отражением
радиоволн в тропосфере от ионизированных слоев или другими причинами.
Одновременно
с количественным развитием сети УКВ вещания и радиосвязи исторически происходил
и качественный процесс – непрерывное совершенствование техники УКВ приема. Классическая структурная схема современного
супергетеродинного приемника, включающая УВЧ, преобразователь частоты, УПЧ с
большим коэффициентом усиления, ограничитель, частотный детектор (ЧД) и УНЧ,
существует без заметных изменений и сегодня. Очень большие изменения произошли
в элементной базе – лампы уступили место транзисторам, а затем и
интегральным микросхемам.
Работающие
в области УКВ связи промышленные фирмы и радиолюбители постоянно ведут работу
по улучшению качества работы и помехоустойчивости приемников с ЧМ. Были
значительно улучшены и усовершенствованы практически все из перечисленных элементов структурной
схемы приемника. Были созданы малошумящие высокочастотные каскады с большим
динамическим диапазоном, тракты ПЧ с монолитными пьезокерамическими фильтрами,
УНЧ с большой выходной мощностью и пренебрежимо малыми частотными и нелинейными
искажениями. В наименьшей степени этот процесс затронул «классический»
частотный дискриминатор (ЧД) или детектор отношений.
Открытие
принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) явилось главным
усовершенствованием техники УКВ ЧМ связи в последние годы. ФАПЧ позволила
реализовать на практике большие возможности техника синхронного приема, что
стало обеспечивать надежную синхронизацию гетеродина приемника.
Система
ФАПЧ включает фазовый детектор, фильтр нижних частот, усилитель и управляемый
напряжением гетеродин. В процессе работы
фазовый детектор вырабатывает сигнал ошибки слежения. Этот сигнал, пройдя через
фильтр и усилитель, подстраивает частоту
гетеродина под частоту сигнала до точного их совпадения. Если частота входного
сигнала модулирована, то управляющее напряжение изменяется в такт с модуляцией,
т.е. является продетектированным сигналом.
В
настоящее время системы ФАПЧ нашли применение в самых разных областях техники:
в синтезаторах частоты для выделения нужной гармоники из сложного спектра, в
различных следящих системах, в цепях синхронизации телевизионных приемников.
Что касается систем связи, то выделение несущих, тактовых и синхронизирующих
частот осуществляется чаще всего системами ФАПЧ.
Еще
одним важным моментом в развитии любительской УКВ ЧМ радиосвязи стало
применение синхронно-фазовых детекторов (СФД). Теоретическими работами было
показано, что СФД в случае сравнительно
узкополосных (типа радиовещательных) ЧМ сигналов практически реализуют
потенциальную, т.е. предельно возможную помехоустойчивость ЧМ приемника.
В
радиолюбительских УКВ приемниках СФД, обладая высокой чувствительностью и
селективностью, позволяет значительно упростить тракт ПЧ, а, как известно,
многоконтурный тракт ПЧ является также источником заметных искажений сигнала. В
ряде случае можно вообще отказаться от супергетеродинной схемы приемника и перейти
к очень простой схеме приемника прямого преобразования. Принципы построения УКВ
радиоприемников прямого преобразования подробно рассмотрены
В. Т. Поляковым в его замечательной книге «Трансиверы прямого
преобразования» [5]. Данная книга не ставит своей целью рассматривать принципы
приемников прямого преобразования.
В этой книге очень кратко
будет сказано и о других видах модуляции.
Традиционный ЧМ детектор –
детектор отношений
Детектор ЧМ сигналов должен
обладать высокой линейностью характеристики. На рис. 2.1 показана
идеальная (штриховая линия) и реальная характеристики обычного детектора ЧМ
сигналов. Характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения от
частоты входного сигнала.
Рис. 2.1.
Характеристика реального ЧМ детектора
Основными внешними
факторами, ухудшающими качество принимаемых ЧМ сигналов, являются импульсные
помехи от промышленных источников и сигналы с амплитудной модуляцией. Поэтому
одним из основных требований детектирования ЧМ сигналов является обязательное
наличие перед ЧМ детектором специального ограничителя амплитуды принимаемого
сигнала.
Первыми из наиболее удачных
ЧМ детекторов был (и пока еще используется) так называемый детектор отношений. В некоторых источниках можно встретить для
этого же детектора такие названия как дискриминатор
или дробный детектор.
Работа большинства
детекторов ЧМ сигнала основана на преобразовании изменений частоты в изменения
фазового сдвига. Детектор отношений, принципиальная электрическая схема
которого представлена на рис. 2.2, как раз и работает по этому
принципу. Схеме этого детектора уже
много лет подряд отдают предпочтение из-за свойства подавлять в значительной
степени амплитудную модуляцию (АМ) входного
сигнала, а это значит, что использовать детектор отношений можно без установки
предварительного ограничителя амплитуды. Кроме того, детектор отношений
позволяет без особых затруднений получить напряжение АРУ.
Рис. 2.2. Схема детектора отношений
Сигнал промежуточной
частоты (ПЧ), усиленный каскадом усиления на транзисторе VT1, в детекторе отношений подается на двухконтурный
полосовой фильтр L1C4 и L3C5, настроенный на среднюю частоту полосы пропускания
тракта ПЧ. Благодаря индуктивной связи контуров напряжения на них сдвинуты по
фазе на 90°. Катушка L2 сильно связана с первым контуром полосового фильтра,
поэтому напряжение на ней находится в
фазе с напряжением на контуре L1C4. Напряжения
на катушках задействованных контуров (или, как их иногда называют,
фазосдвигающем трансформаторе детектора) находятся в сложной зависимости друг
от друга. При изменении частоты входного
сигнала от
среднего значения резонансной частоты сдвиг фаз между напряжениями на контурах L1C4 и L3C5 изменяется в соответствии с фазовой
характеристикой вторичного контура L3C4.
К диодам детектора VD1 и VD2 подводятся
высокочастотные напряжения, изменяющиеся при изменениях входной частоты.
Поскольку диоды по отношению к выходу детектора включены навстречу друг другу,
суммарное продетектированное напряжение оказывается
пропорциональным разности высокочастотных напряжений, приложенных к диодам. В
результате при равенстве частоты сигнала средней резонансной частоте контура L3C5 напряжение на
выходе детектора равно нулю, а при отклонениях частоты появляется выходное
напряжение той или другой полярности.
Сложная конструкция из
резисторов R7 и R8, а также и конденсатора С9
создает цепочку автоматического
смещения, поддерживающую на диодах VD1 и VD2 постоянное запирающее напряжение, пропорциональное
амплитуде сигнала. При быстрых ее изменениях изменяется и шунтирующее действие
диодов на контур L3C5, поскольку напряжение смещения из-за большой
постоянной времени R7C6R8 не успевает
следить за изменениями амплитуды сигнала. Таким образом
достигается подавление амплитудной модуляции (АМ) на 20—25 дБ.
Детектор отношений может
быть легко изготовлен и настроен в домашних условиях. На рис. 2.3
схематически показана конструкция контурных катушек фазовращающего
трансформатора, применяющаяся в телевизионных приемниках для детектирования
звуковых сигналов.
Рис. 2.3. Схематическое изображение
конструкции катушек
Катушка L1 наматывается
виток к витку на пластмассовом каркасе, имеющем два подстроечных
сердечника (деталь 1) с резьбой М4х0,75. Расстояние между этими катушками
должно быть порядка 8…12мм. Катушка L3 имеет
отвод ровно от середины. Катушка L2 наматывается
сверху, на витки катушки L1. Изоляцией
может служить полоска из бумаги. Для частоты 6,5МГц катушка L1 имеет 36 витков, катушка L3 – (18+18) витков, катушка L2 – 12 витков. Для намотки катушек можно использовать
провод в эмалевой изоляции диаметром 0,15…0,2 мм. Намотка катушки L3 выполняется следующим образом.
1. Отмеряется кусок провода (с некоторым запасом),
достаточный для намотки 18 витков на заданном каркасе. Отрезаются два таких
куска.
2. Эти два одинаковых куска провода следует свить в
жгутик и этот жгутик намотать на каркас виток к витку. Это будет катушка L3.
3. Омметром определить начало и конец провода №1 и
провода №2.
4. Конец провода №1 соединить с началом провода №2 – это
соединение будет представлять собой среднюю точку катушки L3. К началу провода №1 и концу провода №2 затем
подсоединяется конденсатор С5 и диоды VD1 и VD2.
Концы каждой из катушек
крепятся к каркасу несколькими витками капроновых ниток, после чего катушки
следует покрыть лаком или клеем.
Чтобы подобный детектор
использовать на другой частоте, то количество витков можно пересчитать,
используя принцип обратной пропорциональности. Но лучшим вариантом для
определения параметров контурных катушек для любых диапазонов может служить
компьютерная программа INDUKTIV. Эту
программу можно скачать в Интернете с моего сайта,
расположенного по адресу: http://r3xb.nm.ru .
И еще …
Работу детектора отношений
(рис. 2.2) можно пояснить и несколько по-другому. Диоды детектора VD1 и VD2 совместно с
симметричной контурной катушкой L3 образуют
балансный смеситель, или фазовый детектор (ФД), на один диод которого подано
напряжение с одной фазой, а на другой – с фазой противоположной. Как
известно, балансный смеситель выполняет операцию перемножения входных сигналов,
и его выходное напряжение
оказывается зависящим от изменений частоты входящего сигнала. Если
учесть, что при больших девиациях частоты выходное напряжение уменьшается в
соответствии с амплитудно-частотной характеристикой контура, то получим
характеристику детектора, линейную лишь
при малых девиациях частоты.
Простые ЧМ детекторы из
любительской практики
Из приведенного выше
описания принципа работы детектора отношений видно, что контур L1C4 (см.
рис. 2.2) непосредственного участия в работе детектора не принимает и
служит лишь источником входного сигнала. Это действительно так, и существует
большое число схем детекторов ЧМ сигналов лишь с одним контуром, питаемые от низкоомного источника сигнала, например, апериодического усилителя
или эмиттерного повторителя.
Рис. 2.4. ЧД на полевом транзисторе
Преобразователем сигналов в
частотном детекторе необязательно должен быть фазовый детектор, выполненный на
диодах. Хорошие результаты получаются и при использовании других элементов,
например, полевого транзистора. В двух схемах частотного детектора, показанных
на рис. 2.4, входной сигнал подводится к стоку транзистора, а
фазосдвигающий контур соединен с затвором. Контур L2C2 в первой
схеме возбуждается через паразитную емкость сток-затвор, которая является
междуэлектродной емкостью транзистора. В контуре L2C2 будут
возникать колебания, сдвинутые по фазе на 90° по отношению к сигналу на входе.
Коэффициент включения контура L1С1 на
рис. 2.4,а составляет примерно
0,2…0,3.
В схеме на рис. 2.4,б показан аналогичный детектор, но без контура L1C1 на входе.
Коэффициент передачи этого варианта детектора будет несколько меньше из-за
включения нагрузочного резистора R1. Если тот или
иной из детекторов, схемы которых изображены на рис. 2.4 должен будет
работать на низкой частоте, то емкости сток-затвор для нормальной работы
детектора может быть недостаточно. При этом следует сток и затвор соединить
конденсатором с емкостью 25… 100 пкФ.
Представленные на
рис. 2.4 схемы обязательно должны иметь на входе ограничение сигнала.
Частотный детектор с обратной
связью
Решить вопрос уменьшения нелинейных искажений при частотном
детектировании и с одновременным некоторым увеличением помехоустойчивости
успешно решается путем применения обратной связи (ОС) по частоте в самом
частотном детекторе. Частотно модулированный сигнал (ЧМ), проходя через тракт
ПЧ, почти неизбежно приобретает сопутствующую амплитудную модуляцию.
Частотный детектор с ОС
обладает рядом интересных особенностей. По сравнению с обычным
ЧД увеличивается ширина дискриминационной характеристики и возрастает
подавление АМ. На рис. 2.5 представлена принципиальная электрическая схема
частотного детектора с обратной связью для частоты 10,7 МГц, подробно описанная
в [6].
Рис. 2.5. Принципиальная схема ЧД с обратной
связью
Управляющим элементом в
детекторе служит полевой транзистор VT1.
Через конденсатор С1 входное напряжение поступает к
стоку транзистора VT1, а через конденсатор С2 –
на фазосдвигающий контур L1VD2D3. Сдвинутое по
фазе напряжение с контура поступает на затвор транзистора VT1 и изменяет его проводимость. Продетектированный
сигнал после фильтрации элементами R1 и C3 подается на вход выходного усилителя на транзисторе VT2. Этот транзистор усиливает низкочастотный сигнал,
часть которого через резистор R4 поступает на
варикапы VD2 и VD3. Когда частота настройки контура равна частоте входного сигнала, то
напряжение на стоке и затворе транзистора VT1 сдвинуты по фазе точно на 90°, и напряжение на
выходе равно нулю. При отклонении частоты входного сигнала от частоты
настройки контура сдвиг фазы меняется и на выходе детектора появляется
модулирующее напряжение.
При отсутствии ОС детектор
имеет частотную характеристику, показанную на рис. 2.6,а, а с ОС – на рис. 2.6,б. В первом случае линейный участок
амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) имеет протяженность 500 кГц, а во
втором – 1, 5 МГц.
Рис. 2.6. Характеристики ЧМ детектора с ОС
У этого детектора есть одна особенность. При перемене полярности
управляющего напряжения на варикапе ОС по частоте в детекторе из отрицательной
превращается в положительную. Дискриминационная
характеристика становится круче, а ширина ее уменьшается. Таким способом можно
сконструировать ЧД на частоту, например 10,7 МГц с шириной дискриминационной
характеристики 20 кГц. Это может найти применение в приемниках для связи с
узкополосной ЧМ.
В детекторе желательно
применить полевой транзистор с напряжением отсечки, близким к нулю. Этому
условию удовлетворяют полевые транзисторы с изолированным затвором типа КП305Ж
и КП305Д. В противном случае на затвор надо подать постоянное смещение и
подобрать его так, чтобы сопротивление канала транзистора в отсутствие входного
сигнала составляло не менее нескольких кОм.
Практически смещение подбирается при
работе детектора по максимуму его коэффициента передачи.
Продетектированный сигнал усиливается однокаскадным усилителем
постоянного тока (УПТ), выполненным на транзисторе VD2. Кремниевый диод VD1, установленный в цепи истока, служит
для получения начального смещения рабочей точки транзистора около 0,3 В.
Усиленный сигнал НЧ управляет емкостью варикапов фазосдвигающего
контура, уменьшая расстройку последнего относительно
мгновенной частоты сигнала. Одновременно управляющий сигнал является и выходным
сигналом всего детектора.
Настройка детектора
начинается с настройки контура L1VD2VD3 на частоту
ПЧ 10,7 МГц. Это можно сделать, регулируя положение сердечника
катушки L1 или изменяя в некоторых пределах напряжение питания
транзистора VТ2 или, наконец, изменяя
сопротивление резистора R4. В двух
последних случаях изменяется напряжение смещения на варикапах, а,
следовательно, и их емкость. Катушка намотана проводом ПЭЛШО 0,35 на каркасе
без сердечника диаметром 8 мм и содержит 23 витка. Сначала, разорвав цепь между
конденсатором С3 и резистором R2, присоединяют
вольтметр (желательно с «нулем» в середине шкалы) параллельно конденсатору С3.
Регулируя емкость подстроечного конденсатора С2 добиваются максимальной ширины и линейности характеристики
собственно ЧД (без ОС), подавая на вход модулированный ЧМ сигнал. Затем
восстанавливают соединение цепи и снимают характеристики детектора с ОС, тоже
путем подачи на вход модулированного ЧМ сигнала.
Мною включено в книгу
описание этого детектора в расчете на то, что эта схема заинтересует любителей
экспериментов. Дело в том, что схема таит в себе большие возможности, используя
эту схему можно создать приемник с очень высокими параметрами. С аналогичными
целями в следуещем разделе привожу схему еще одного
очень интересного варианта ЧМ детектора.
УКВ приемник с ФАПЧ
Ниже приведено описание
схемы простого УКВ ЧМ приемника, детектор которого построен на принципе Фазовой
АвтоПодстройки Частоты (ФАПЧ). Применение методов
ФАПЧ позволяет создать высокочувствительные ЧМ детекторы с очень хорошим
качеством сигнала.
Данный приемник
предлагается использовать в качестве высококачественного ЧМ детектора в
самодельных супергетеродинных приемниках, а также можно использовать как простой приемник для высококачественного приема
местных УКВ вещательных радиостанций. Приемник можно оформить в виде приставки
к имеющемуся УНЧ, проигрывателю, или смонтировать его вместе с УНЧ и блоком
питания в корпусе громкоговорителя. Приемник может работать с любым УНЧ,
имеющим чувствительность не хуже 30 мВ и входным сопротивлением не ниже 30 кОм.
Чувствительность приемника с антенного входа достигает 100 мкВ, допустимый
диапазон входных сигналов – 43 дБ. Потребляемый ток при напряжении питания
12В не превосходит 6 мА.
Принципиальная схема приемника,
для варианта применения его в качестве домашней радиоточки, приведена на
рис. 2.7. Сигнал, принимаемый антенной, выделяется входным контуром L1C3, настроенным
на среднюю частоту диапазона 65,8 – 73 МГц, и усиливается апериодическим
УВЧ, выполненным на транзисторе VT1.
Рис. 2.7. Принципиальная схема УКВ приемника с ФАПЧ
Если схему использовать в
качестве ЧМ детектора более сложного радиоприемника, то транзисторный каскад на
VT1 должен быть последним каскадом усилителя ПЧ.
Идея создания этой схемы
почерпнута мною из книги [6]. Из-за отсутствия примененных в первоисточнике
микросхем, пришлось попробовать применение самых доступных транзисторов. В
итоге все получилось нормально, приемник даже на самых простых радиокомпонентах
принимал местные УКВ станции с очень хорошим качеством.
Некоторые особенности
схемы.
Применение в схеме
приемника УВЧ уменьшает наводки
гетеродинного напряжения на входную цепь и препятствует излучению сигнала
гетеродина антенной. Это устраняет помехи другим радиовещательным или
телевизионным приемникам. Усиленный в УВЧ входной сигнал поступает на базу токозадающего транзистора VT2. На дифференциальной паре транзисторов VT3 и VT4 собран
двухтактный гетеродин, причем контур гетеродина включен между базами
транзисторов, а ОС подается с коллекторов через конденсаторы небольшой емкости
С7 и С8. Гетеродин перестраивается в диапазоне 65,8 –
73 МГц варикапами VD1 и VD2. Функции органа настройки выполняет переменный
резистор R14, который работает в цепи,
состоящей из диодов VD3 и VD4, а также резистора R13 и конденсатора С12.
Дифференциальная пара
транзисторов VT3 и VT4 является также одновременно балансным смесителем и
усилителем постоянного тока (УПТ). Управляющий сигнал снимается с
коллектора транзистора VT4 и через резистор R12 поступает на управляющий вход пары варикапов,
замыкая, таким образом, петлю ФАПЧ.
В данном приемнике
применена система ФАПЧ с интегрирующим фильтром, образованным резистором R12 и емкостью пары варикапов, включенных для
постоянного тока параллельно. Частота среза этого фильтра достаточно высока
(более 60 кГц), поэтому никаких проблем с устойчивостью петли не возникает.
Более того, при сильных сигналах происходит непосредственный захват колебаний
гетеродина сигналом, что уменьшает фазовый сдвиг в петле на высоких частотах и
делает систему стабильной. Для облегчения прямого захвата сопротивления
коллекторных нагрузок (R8 и R10) дифференциальной пары транзисторов выбраны разными. Поэтому оказываются разными коллекторные напряжения
транзисторов и емкости их коллекторных переходов. Благодаря
емкостной асимметрии входной сигнал попадает в контур гетеродина сдвинутым по
фазе на 90°. При этом
действие прямого захвата складывается с действием петли ФАПЧ, облегчая синхронизацию гетеродина.
Использованные в схеме
радиодетали:
q
Катушка L1 содержит 7 витков провода ПЭЛ-0,6, намотана без
каркаса на оправке диаметром 5 мм, длина намотки 15мм;
q
Катушка L2 содержит 10 витков провода ПЭЛ-0,8, намотана на
каркасе диаметром 7 мм, без подстроечного сердечника,
отвод от середины, длина катушки 18мм;
q
Варикап КВС 111Б.
Все остальные детали – детали общего
применения, без особенностей.
Налаживание приемника
начинается с проверки режимов транзистора. На схеме указаны в трех местах
величины напряжений, которые следует проверить. Если измененные значения
напряжений отличаются от указанных на схеме более, чем
на 10 … 15 %, следует подобрать резисторы R1и R3. Затем, присоединив антенну, следует принять
радиостанции УКВ диапазона и настроить контур гетеродина так, чтобы в диапазон
настройки приемника попали все интересующие вас станции. Входной контур
подстраивают конденсатором C3 (типа КПК-М)
по наибольшей полосе удержания при приеме какой-либо станции. Уровень сигнала
на входе при настройке должен быть малым, что достигается уменьшением связи с
антенной.
Для того,
чтобы приемник хорошо и качественно работал, следует подобрать уровень сигналов
на его входе. Это можно сделать, изменяя положение отвода катушки L1. При слабом сигнале на входе приемника полоса
удержания получается недостаточной, а на пиках модуляции сигнала прослушиваются
искажения в виде хрипов. Они вызваны перескоками фазы при срывах слежения во
время максимальных отклонений частоты сигнала. При чрезмерно сильном сигнале на
входе приемника возрастает уровень шума, а в промежутках между станциями эфир
кажется «забитым» шумами и помехами. При входном сигнале свыше 15 мВ появляются
искажения, вызванные прямым детектированием сигнала.
Транзисторы VТ3 и VТ4 по своим
основным параметрам не должны отличаться один от другого более, чем на 10 %. Коэффициенты передачи тока этих транзисторов
могут быть в пределах 50 … 80, а транзистора VТ2 – 80 … 120.
Опыт показал, что в
качестве варикапов вполне можно использовать Д901Г или Д901Д, включенными точно так же, как показано на схеме.
Микросхемы для УКВ и
связи с ЧМ
Фирмы, производящие
радиокомпоненты, постоянно работают над обновлением состава и улучшением
качества микросхем, предназначенных для УКВ радиосвязи, в том числе и с
использованием частотной модуляции. Приведу только очень короткий перечень
микросхем серии К174 и их аналогов, которые уже длительное время перестали быть
дефицитом.
q
К174УР3 (аналог TBA 120) – имеет в своем составе усилитель-ограничитель, ЧМ-детектор, предварительный УНЧ, напряжение питания (Еп) равно 6В;
q
К174ХА5 (6) (TDA1047) – многофункциональная ИС для ЧМ тракта
радиоприемника;
q
К174ХА12 (NE561) – ИС фазовой автоподстройки частоты до 30 МГц;
q
К174ХА20 (TDA200-2) – смеситель и гетеродин метрового диапазона
волн с предусилителем сигнала ПЧ для селектора
каналов;
q
К174ХА26 (MC3359) – преобразователь частоты ,
УПЧ, ЧМ детектор, предварительный УНЧ и система бесшумной настройки;
q
К174ХА34 (TDA7021) – радиоприемник для приема и обработки ЧМ
сигналов, предварительный УНЧ, Еп = 3В.
Кроме этого незначительного перечня
существуют огромное количество микросхем
с подобными назначениями других производителей, существует масса
микросхем для выполнения различного рода синтезаторов частот и много, много
иных …
Далее я приведу описание приемного
устройства, выполненного на микросхеме К174ХА34 (TDA7021).
Применение микросхемы К174ХА34 (TDA7021)
На этой микросхеме можно
собрать УКВ ЧМ радиоприемник с отличным качеством сигнала, на который можно
будет принимать не только местные, но и достаточно удаленные радиостанции. Но
сначала я приведу пример того, как эту микросхему можно применить для создания
не простейшего, а довольно сложного связного радиоприемника.
Принципиальная
электрическая схема устройства, представляющего собой усилитель ПЧ, частотный
детектор с ФАПЧ и предварительный усилитель НЧ представлена на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Приемник на К174ХА34
Питание микросхемы
осуществляется с помощью простого стабилизатора, выполненного на транзисторе VT1. В данном варианте применен стабилитрон из числа
тех, что имелись на тот момент у автора. Главное заключается в том, чтобы
подобрать резистор R2 такой величины, чтобы на этом
резисторе был погашен весь избыток напряжения, и чтобы на микросхему было
подано не более +3,5В.
Контур гетеродина
включается между источником питания и выводом 5 микросхемы. К выводам 12 и 13
микросхемы через конденсаторы С8 и С9 включается
контур входного сигнала L2C5. На этот контур через катушку связи подается сигнал
от предварительного усилителя промежуточной частоты.
Выход сигнала к усилителю
низкой частоты производится от вывода 14 микросхемы через конденсатор С11 и
переменный резистор R1.
В этом варианте катушка L1 имеет 8 витков провода ПЭЛ-0,5, намотана на каркасе
диаметром 3мм и имеет длину 9мм. Катушка L2 имеет 8 витков провода ПЭЛ-0,5, намотана на каркасе
диаметром 4мм, длина катушки 10мм.
Катушка связи L3 имеет 3 витка
провода ПЭЛ-0,3, намотана виток к витку поверх катушки L3, у заземленного конца.
Настройка устройства может
быть выполнена следующим образом. Контур L2C5 отсоединить
от конденсаторов С8 и С9. Свободный вывод конденсатора
С9 соединить с корпусом, а через конденсатор С8 подать
на вывод 12 микросхемы ЧМ сигнал необходимой частоты. Подстройкой конденсатором
С7 следует добиться появления отдетектированного
НЧ сигнала на выходе резистора R1. В случае
необходимости нужно установить параллельно R1 дополнительный конденсатор или изменить число витков
катушки L1.
После настройки контура
гетеродина, подключается входной контур L2С5 и он
настраивается по максимуму сигнала на выходе. При этом сигнал с нужной частотой
подается на катушку L3 через конденсатор очень малой
емкости.
Если рассматривать это
устройство как полноценный УКВ радиоприемник, то этот приемник будет иметь
следующие параметры:
- Hапpяжение
питания, В ……………………. ……. 3 … 3,5В стаб.;
- Чyвствительность
(не хyже), мкВ/м ........................ 5;
- Ток потpебления пpи Uпит=9 В (не более), мА
….. 6;
- Возможные частоты КВ,
МГц ………………………60 … 120;
- Сопpотивление
нагpyзки (не менее), Ом ................. 8;
- Hапpяжение
на выходе, мВ ....................................... 500;
-
Отношение сигнал/шyм (не
менее), дБ .................... 40.
Коротко о детекторах для SSB
Однополосная радиосвязь (SSB) является уже длительное время основным видом
любительской телефонной радиосвязи на коротких волнах (КВ).
На УКВ однополосная связь применяется в тех случаях, когда нужно организовать
канал безошибочной высокоскоростной цифровой связи.
Декодирование и прием
сигналов SSB осуществляется специальными
детекторами смесительного типа, в состав которого непременно должен входить так
называемый «телеграфный гетеродин». Этот гетеродин представляет собой генератор
электромагнитных колебаний, частота которых равна промежуточной частоте данного
приемника.
На рис. 2.9 приведена
одна из возможных схем линейного смесительного SSB детектора, выполненного на диодах по мостовой схеме.
Рис. 2.9. Схема детектора для SSB
На вход 1 детектора
поступают сигналы с частотой ПЧ (например, 500 кГц), а на вход 2 подаются
сигналы от гетеродина. На выходе получаем сигнал звуковой частоты отличного
качества. Переменный резистор R4 служит для
подавления остатков нежелательных продуктов смешивания сигналов, что
способствует значительному улучшению качества сигнала. Конденсаторы С1 и С2
совместно с дросселем низкой частоты Др.1 составляют
фильтр низких частот, что избавляет сигнал от нежелательных высоких частот.
На рис. 2.10
представлена еще одна из возможных схем детектора SSB сигнала. Смеситель выполнен на полевом транзисторе, а
гетеродин – на цифровых микросхемах.
Рис. 2.10. Схема детектора на полевом
транзисторе
Усиленный транзистором VT1 сигнал промежуточной частоты выделяется в контуре L1C3. Далее, через
конденсатор С5 сигнал ПЧ попадает на сток транзистора VT2, к затвору которого поступают импульсы от кварцевого
генератора, выполненного на цифровой микросхеме DD1. Прямоугольные импульсы положительной полярности,
поступающие через конденсатор С7, открывают транзистор
VT2 и происходит процесс детектирования сигналов ПЧ.
Подобная схема применена в одном из вариантов трансивера В.В.Дроздова.
Существует большое
количество различных схем для детекторов SSB, которые можно найти в литературе по любительской
радиосвязи.
Демодулятор
для цифровой радиосвязи
Что такое «модем»?
В течение последних двух
десятилетий среди радиолюбителей большой популярностью стали пользоваться
различные цифровые виды связи, в которых для получения из поступающего в
приемник высокочастотного сигнала, также как и в других видах связи, нужно
выделить полезную информацию. Этот процесс выделения полезной информации в
цифровых видах связи подобен детектированию, но происходит несколько иначе.
Дело в том, что в цифровых видах связи сигнал промодулирован
сразу двумя (или более) звуковыми частотами в определенной временной
последовательности. Процесс выделения полезной информации в цифровых видах
связи носит название демодуляция.
Некоторые виды цифровой
радиосвязи используют для получения необходимой информации НЧ сигналы с выхода
радиоприемника. В этих случаях на выход УНЧ радиоприемника подключается
специальное устройство, называемое «модем».
Слово «модем» по своему составу является сложным словом и состоит из двух
составляющих – слова «модулятор» и «демодулятор».
В данном случае на выход
радиоприемника подключается устройство, называемое демодулятор, который служит для преобразования звуковых
(аналоговых) сигналов с выхода радиоприемника в цифровые сигналы, которые
проходят дальнейшую обработку в компьютере, в результате чего превращаются либо
в текстовую информацию в виде строк текста, либо в информацию графическую –
картинки.
Описание конструкции и
схемы модема MODEM22 можно найти в моей книге «Компьютер на любительской
радиостанции» [7] или в Интернете на сайте http://r3xb.nm.ru .
Многочисленные тесты модема
MODEM22 и его аналогов показали, что этот модем является на
сегодняшний день ЛУЧШИМ среди других любительских разработок, превосходит
известные мне любительские модемы, выполненные с применением детекторов на
микросхемах 564ГГ1 и 155АГ1, по качеству приема сигналов и по простоте
настройки во много раз.
Чтобы уяснить роль
демодулятора в работе системы цифровой связи рассмотрим рис. 2.11.
Рис. 2.11. Блок- схема модема
На рис. 2.11
представлена блок-схема модема, все детали различных узлов модема рассчитаны на
его работу со средней частотой около 1100 Гц. Модем работает на звуковых
(аудио) частотах и совмещает в себе две основных составных части —
передающую часть (модулятор) и приемную часть (демодулятор). Модулятор, в свою
очередь, включает в себя устройство для включения и выключения передатчика и
собственно модулятор — устройство для подачи на варикап задающего
генератора радиопередатчика с частотной модуляцией (либо на микрофонный вход
SSB передатчика) посылок от тонального генератора (U1). Демодулятор включает в
себя полосовой фильтр на операционных усилителях (U2), специальный частотный
детектор (U3) и выходной узел (U4). Предполагается изготовление каждого из
узлов модема на отдельной плате, что позволит в дальнейшем безболезненно
заменять неудачно выполненные узлы.
Демодулятор – часть
модема
Поскольку в этой главе
книги мы рассматриваем блоки детектора, т.е. устройства декодирующие, то
ограничимся пока очень кратким обзором работы
демодулятора. Принципы работы модулятора будут рассмотрены в главе 7 при знакомстве с устройствами,
управляющими частотой задающего генератора.
Итак, на вход демодулятора
(напоминаю, что мы рассматриваем работу демодулятора, входящего в состав модема
MODEM22) подается сигнал с выхода УНЧ радиоприемника.
Внутри демодулятора сигнал разветвляется на два фильтра, каждый из которых
носит название канал А и канал Б и выделяет одну из
необходимых звуковых частот. Для вида цифровой связи, который называется
«телетайп» (радиолюбительское обозначение RTTY) нужны две рабочие звуковые частоты, отличающиеся
одна от другой на величину 170 Герц. Предположим, что в нашем случае один из
фильтров настроен на частоту 1200 Гц, а второй – на частоту 1030 Гц. Сами
величины частот могут быть и другими, но отличие между ними должно иметь
величину ровно 170 Гц.
На рис. 2.12 показана
схема разделения сигнала на два отдельных канала (фильтра).
Рис. 2.12. Схема разделения сигнала на два
канала
На рис. 2.13 показана
принципиальная электрическая схема одного из фильтров. Каждый из фильтров
состоит из двух каскадов на операционных усилителях К140УД6.
Рис. 2.13. Принципиальная электрическая схема
полосового фильтра одного из каналов
С выхода каждого из фильтров сигнал поступает
на соответствующие входы детекторного каскада, схема которого изображена на
рис. 2.14. Детектирование сигналов выполняется диодными мостиками, каскады
на транзисторах управляют свечением индикаторов. Назначение детектора –
превратить аналоговый (звуковой) сигнал в сигнал цифровой.
Рис. 2.14. Схема детектора
Детектор имеет два выхода,
сигналы с которых поступают на соответствующие входы выходного устройства,
схема которого изображена на рис. 2.15.
Рис. 2.15. Принципиальная схема выходного
согласующего устройства
Устройство, схема которого
изображена на рис. 2.15, усиливает продетектированный
сигнал и подает его на последовательный порт RS-232 компьютера. Всю дальнейшую работу с цифровым
сигналом выполняет компьютер.
Подробнее о всех видах любительской цифровой радиосвязи смотрите в
книге [7] или в Интернете на сайте http://r3xb.nm.ru .
В качестве дополнения …
В этой главе неоднократно
упоминалось о том, что частотный детектор (ЧМ) очень часто требует ограничения
по амплитуде поступающего на этот детектор сигнала ПЧ. Я специально не стал
уделять много внимания теме ограничителей амплитуды, потому что современные
микросхемы, в составе которых имеется ЧМ детектор, уже имеют встроенные
ограничители.
Но могут возникнуть
ситуации, когда ограничение амплитуды может потребоваться малоопытному
читателю. Ведь для демодулятора цифровой связи тоже зачастую бывает
нужен ограничитель амплитуды сигнала. Поэтому далее предлагаю две простейших
схемы амплитудных ограничителей, которые изображены на рис. 2.16 и
рис. 2.17.
Рис. 2.16. Простейший ограничитель амплитуды
Рис. 2.17. Динамический ограничитель
Простейший ограничитель можно использовать на
выходе УНЧ радиоприемника, перед модемом для цифровой связи. В некоторых
случаях, при большом уровне помех импульсного характера, это подключение может
дать хорошие результаты.
Динамический ограничитель
амплитуды можно подключать на входе перед ЧМ детектором или между отдельными
(последними) каскадами усиления ПЧ.