Приёмники прямого преобразования АМ и ЧМ сигналов

Радио 1981, №7-8

Для приёма телеграфных и однополосных сигналов радиолюбители-коротковолновики в последние годы часто используют так называемые приёмники прямого преобразования. В отличие от супергетеродинов, в них нет тракта ПЧ и детектора - имеется лишь преобразователь частоты, переносящий спектр принимаемого сигнала высокой частоты непосредственно в область звуковых частот (иначе говоря, фильтрация и основное усиление сигнала происходят на низких частотах). Благодаря этому приёмник прямого преобразования оказывается намного проще супергетеродинного как в изготовлении, так и в налаживании. Высокие чувствительность и селективность, свойственные супергетеродинам, легко получаются при использовании современных малошумящнх транзисторов (уровень создаваемых ими шумов, приведённый ко входу усилителя НЧ, может составлять 0,1...0,2 мкВ) и достаточно простых, но эффективных фильтров нижних частот (ФНЧ). К этому добавляется «естественная» селективность человеческого слуха, телефонов (громкоговорителей), чувствительность которых падает с ростом частоты. Указанные достоинства приёмников прямого преобразования все чаще привлекают к себе внимание конструкторов радиовещательной аппаратуры.

Однако обычный приёмник прямого преобразования не может демодулировать AM и ЧМ сигналы. Дело в том, что его смеситель не детектирует принятых колебаний, а преобразует их частоту. Поэтому при настройке, например, на частоту радиостанции, ведущей передачу с AM, вначале слышен свист (биения несущей с колебаниями гетеродина), тон которого понижается по мере уменьшения разности частот сигнала и гетеродина. Разобрать передачу в этих условиях почти невозможно. При более точной настройке тон биений с частотой F становится очень низким, неслышимым, однако передачи сопровождается периодическими изменениями громкости с частотой 2F. Происходит это оттого, что фазе колебаний гетеродина непрерывно изменяется относительно фазы принятого сигнала. При совпадении фаз громкость передачи нормальная, при разности их 90° или 270° - она падает до нуля, при сдвиге на 180° - сигнал возникает вновь, но полярность его меняется на обратную. Дело здесь в биениях двух боковых полос AM сигнала, которые, будучи преобразованы в звуковую частоту, то складываются, то вычитаются на выходе смесителя.

При частотной модуляции частота сигнала изменяется в такт со звуковыми колебаниями в пределах от fс-Δf до fс+Δf (fс - частота несущей, Δf - девиация частоты передатчика). Частота биений F на выходе смесителя приёмника прямого преобразования в этом случае даже при точной настройке не остаётся постоянной - она изменяется от 0 до Δf. - поэтому разобрать передачу вообще невозможно.

Хорошее качество приёма AM и ЧМ сигналов получается при синхронизации колебания гетеродина с несущей частотой сигнала, что можно сделать несколькими способами. Проще всего - использовать явление захвата колебаний гетеродина несущей сигнала. Для этого часть напряжения сигнала из входной цепи или с выхода усилителя ВЧ вводят в контур гетеродина. Полосу захвата определяют по формуле 2Δfз=fcUc/QUг (fс - частота сигнала, совпадающая с частотой гетеродина, Uc - вводимое напряжение сигнала, Q - добротность контура гетеродина, Uг - напряжение на нём). Устанавливать её (регулируя вводимое в контур напряжение сигнала) следует минимально необходимой для уверенной синхронизации (примерно 200...400 Гц). Это повышает помехоустойчивость приёмника, уменьшая вероятность проникания помех через цепь синхронизации. При добротности контура Q = 35, напряжении Uг = 0,1 В и полосе захвата 2Δfз = 400 Гц напряжение синхронизации в диапазоне СВ (на частоте 1400 кГц) составляет около 1 мВ, в диапазоне KB (14 МГц) - около 100 мкВ.

Более сложные и совершенные синхронные приёмники содержат систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Описанию таких приёмников были посвящены статьи [1,2].

Существуют и другие способы приёма модулированных сигналов с помощью приёмника прямого преобразования Предложены они давно, но, вероятно, из-за малой известности распространения пока не получили. Цель настоящей статьи - привлечь внимание энтузиастов народной лаборатории к асинхронным приёмникам с тем, чтобы на практике решить проблему их применения в любительской радиосвязи и для радиовещательного приёма.

Рис. 1

Простейший способ детектирования AM колебаний в приёмнике прямого преобразования сводится к тому, что его расстраивают на 2...3 кГц относительно несущей, а на выходе включают двухполупериодный детектор, как показано на рис. 1. Здесь U1 - смеситель, G1 - гетеродин, Z1 - ФНЧ, А1 - усилитель НЧ. На выходе последнего образуется сигнал биений частоты 2...3 кГц. модулированный по амплитуде передаваемой информацией. Через разделительный конденсатор С1 этот сигнал поступает на детектор (V1 - V4). На его выходе выделяется пульсирующее с удвоенной частотой биений напряжение, огибающая которого изменяется по закону модуляции принимаемого сигнала. В результате в головных телефонах слышны и радиопередача, и непрерывный свист с удвоенной частотой биений (4...6 кГц), несколько ослабленный блокировочным конденсатором С2. Избавиться от этой помехи можно, включив между выходом детектора и телефонами ФНЧ с частотой среза около 3 кГц.

Приёмник по рассмотренной функциональной схеме (по существу, супергетеродин с очень низкой - равной частоте биений - ПЧ) пригоден дли экспериментов, но не годится для радиовещательного приёма, так как из-за большой расстройки, которая не может быть менее 1,6 кГц, полоса пропускания тракта не совпадает со спектром сигнала, а это ухудшает помехоустойчивость и приводит к искажениям. Задача приёма AM сигналов, как теперь ясно, состоит в том. чтобы выделить огибающую при очень низкой, лежащей в звуковом диапазоне, частоте «несущей», причём колебания последней необходимо подавить. Такое возможно в приёмнике с двумя так называемыми квадратурными каналами НЧ, сигналы в которых сдвинуты по фазе на 90°. В этом случае после двухполупериодного детектирования квадратурных сигналов получатся одинаковые пульсирующие (также с удвоенной частотой) напряжения, но сами пульсации окажутся противофазными (при удвоении частоты фазовый сдвиг также удваивается), и от них можно избавиться простым суммированием продетектированных сигналов.

Рис. 2

Структурная схема такого приёмника AM сигналов приведена на рис. 2 [3]. Он содержит две смесителя - U1 и U2. Напряжение гетеродина G1 подводится к ним через высокочастотный фазовращатель U3, создающий сдвиг фаз 90°. В каждом канале приёмника имеется ФНЧ (Z1 и Z2), усилитель НЧ (A1 и А2) и двухполупериодный детектор - квадратор (двухполупериодный детектор, работающий в режиме квадратичного детектирования, выполняет операцию возведения в квадрат, поэтому его ещё называют квадратором) U4 и U5. Сигналы с выходов детекторов поступают в суммирующее устройство U6.

Рис. 3

Часть приёмника, состоящую из детекторов U4, U5 и сумматора U6, можно выполнить по схеме, показанной на рис. 3. Балансируют детекторы (добиваются подавления биений частотой F = fc-fг) подстроечными резисторами R1 и R2. Продетектированные сигналы складываются в первичной обмотке трансформатора Т1, который при желании можно заменить ОУ.

Степень подавления сигнала частотой 2F зависит от балансировка каналов и погрешности установки фазового сдвига. При разбалансе усиления в каналах +-1 % и ошибке в установке фазового сдвига +-1° оно достигает 40 дБ. Такое подавление достаточно для радиосвязи и радиовещательного приёма а условиях слабых сигналов или помех Для высококачественного же приёма оно должно быть не менее 60 дБ, что, естественно, требует уменьшения погрешности регулировки на порядок.

Простейший способ приёма ЧМ сигналов по существу, не отличается от описанного для AM сигналов (см. рис. 1). Разница лишь в том, что ёмкость разделительного конденсаторе С1 в данном случае должна быть небольшой (чтобы обеспечить дифференцирование сигнала перед детектированием). При этом условии продетектированное напряжение будет пропорционально частоте биений между принимаемым сигналом и колебаниями гетеродина. Подобный способ приёма ЧМ сигналов использован в известных устройствах с низкой ПЧ и детектором, работающим по принципу счётчика импульсов |4| Недостаток способа - наличие низкочастотного зеркального канала, что расширяет полосу приёмника вдвое по сравнению с необходимой.

Рис. 4

Асинхронный приёмник ЧМ сигналов с квадратурными каналами [5] содержит ту же входную часть, что и устройство для приёма AM колебаний, но сигналы с выходов усилителей НЧ А1 и А2 подаются на устройство обработки, структурная схема которого изображена на рис. 4. Оно состоит из дифференцирующих цепей U7 и U8, перемножителей U9, U10 и вычитающего устройства A3 (нумерация элементов схемы продолжает начатую на рис. 2). Полосу пропускания фильтров Z1, Z2 берут в этом случае соответствующей максимальной девиации Δf_max ЧМ сигнала (50 кГц - в радиовещании и 6...12 кГц - в радиосвязи) или несколько большей. Постоянную времени дифференцирующих цепей выбирают из тех же соображений: RC=(0,5....0,7)/ 2πΔf_max. В качестве перемножителей можно использовать кольцевые диодные смесители или интегральные микросхемы, в качестве вычитающего устройства - дифференциальный усилитель.

Рассмотрим работу приёмника. Предположим, что сигнал S2 отстаёт от сигнала S1, на 90°. В этом случае продифференцированный сигнал S'2 совпадает по фазе с сигналом S1, а его амплитуда пропорциональна частоте F. На выходе перемножителя U10 появляются положительное напряжение, пропорциональное этой частоте, и её вторая гармоники. Аналогичные процессы протекают и в перемножителе U9, но так как продифференцированный сигнал и сигнал S2 противофазны, на его выходе появляется напряжение отрицательной полярности. В вычитающем устройстве A3 вторые гармоники взаимно компенсируются. Изменение знака расстройки частоты сигнала относительно частоты колебаний гетеродине изменяет фазу сигнала S2 на 180° при fc>fг фаза сигнала S2 равна -90° (в смесителе U2 частота и фаза колебаний гетеродина вычитаются соответственно из частоты и фазы сигнала), а при fc<fг составляет +90°. При этом, естественно, изменяется полярность напряжений на выходах перемножителей, а следовательно, и знак выходного напряжения.

Рис. 5

Дискриминационная кривая приёмника (зависимость выходного напряжения от расстройки) показана на рис. 5. Её «нуль» соответствует точной настройке гетеродина на частоту несущей сигнала. Обеспечить хорошее подавление биений с частотой F и её гармоник в рассматриваемом приёмнике легче, так как помеха может прослушиваться лишь при F<Fв (эта область на рис. 5 заштрихована), когда выходное напряжение меньше максимального в число раз, рваное Δf_max/Fв. Во столько же раз возрастает и подавление помехи по сравнению с приёмником AM сигналов при одинаковой точности балансировки.

Асинхронные приёмники прямого преобразования с квадратурными каналами имеют определённые преимущества по сравнению с супергетеродинами. В них, например, легко достигается высокая селективность - эффект, эквивалентный применению трёх контурного ФСС в тракте ПЧ супергетеродина, обеспечивается простым П-образным ФНЧ, состоящим из одной катушки и двух конденсаторов. Если же для фильтрации применить активные RC-фильтры, то число катушек в приёмнике вообще можно свести к минимуму. Главное же достоинство таких приёмников а том, что всё усиление и вся обработка сигнала происходят на низких частотах, где можно широко использовать интегральные микросхемы, не принимая каких-либо особых мер по экранированию и развязке каскадов. К недостаткам следует отнести некоторую сложность схем (впрочем, идут же на двойное усложнение тракта в стереофонических системах!) и, возможно, несколько худшее, чем при традиционных способах, качество приёма при недостаточно тщательной балансировке каналов.

В заключение интересно отметить, что добавление к приёмнику AM сигналов (рис. 2) устройства, выполненного по структурной схеме на рис. 4, превращает его в устройство для приёма сигналов как с AM, так и с ЧМ, а введение дополнительного низкочастотного фазовращателя - в однополосный приёмник [6].

В. Поляков, г. Москва

ЛИТЕРАТУРА

1. Любарский С. Синхронный AM детектор. - Радио. 1979, М 10. с. 31.
2. Поляков В. ЧМ детектор с ФАПЧ приёмника прямого преобразования - Радио, 1978, № 11, с. 41.
3. Патент США: класс 329.50, № 3792364 от 12.02. 1974 г.
4. Терентьев Р. Транзисторный УКВ блок. - Радио. 1971, № 2, с. 47.
5. Патент Великобритании: класс Н3А. № 1173977 от 23.11.1966 г.
6. Патент США: класс 329.50, № 2943193 от 13.06.1960 г.