\главная\начинающему\...

КВ приемник мирового уровня –это очень просто

Глава7. От одиночного преобразования — к двойному!...

“С”: Ну как, пришли в себя? Продолжим наш рассказ? ,

“А”: Но я, в общих чертах, уже всё рассказал, дорогой Спец!

“С”: Не совсем, друг мой!... Мы не отметили ещё один момент, который характерен для преселекторов, перестраиваемых с помощью конденсаторов переменной емкости, а это ведь присуще именно Супергетеродину Армстронга, не так ли?

“Н”: Ну конечно, я тоже видел, что из себя представляет конденсатор переменной емкости! Аматор показывал мне сдвоенный и строенный конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком. И объяснил, зачем это сделано.

“А”: Да, уважаемый Спец! Я рассказал Незнайкину, что путем механического вращения, осуществляемого посредством ручки настройки и системы шкивов, ротор, представляющий собой ось с укрепленными на ней пластинами перемещается относительно неподвижных пластин статора, чем достигается изменение емкости. А сдвоенными или строенными эти конденсаторы делаются, например, для того, чтобы можно было реализовать, скажем, такую структурную схему супергетеродина (рис. 7.1).

Он (я имею в виду представленный супергетеродин) представляет собой современный радиоприемник, в котором имеется еще и предварительный усилитель высокой частоты, на выходе которого применен второй селектор частоты. А конструктивно и преселектор Z₁ и селектор Z, перестраиваются одновременно, посредством двух секций конденсатора переменной емкости, а третья секция входит в состав гетеродина...

“С”: Дорогой Аматор, ты совершенно верно нарисовал структурную схему достаточно сложного радиовещательного приемника, так называемого, “высокого класса”. Но поверь, СОВРЕМЕННЫМ этот приемник не является уже более ПОЛУВЕКА! То что ты нарисовал — это уровень радиотехники ТРИДЦАТЫХ ГОДОВ!

“А”: Как ... ведь транзисторные приемники 60-х—70-х годов выпуска, причем самые дорогие, строились именно по этой схеме?!

“С”: Да, строились! Причем до самого недавнего времени! Пока эти самые “современные советские приемники высшего класса” не оказались, образно говоря, на “помойке” мирового рынка! Не помогли ни транзисторы, ни микросхемы! Но мы с вами, друзья мои, люди дела. Поэтому продолжим наш рассказ...

“А”: Сделайте это лучше Вы, Спец!

“С”: Ну и ладно!... Но прежде о том самом моменте преселекторов... Как будет меняться форма “колокола” во время перестройки конденсатора от минимальной до максимальной емкости?

“А”: Поскольку: Q равно корень квадратный из L деленное на С и всё это деленное на R, то в связи с тем, что соотношение L деленное на С — возрастает при перестройке конденсатора от C_mаx до C_min, добротность тоже должна возрастать и колокол должен ... вытягиваться вверх!

“С”: Это теоретически совершенно верно, однако практика подтверждает существование обратной зависимости — по мере повышения частоты в пределах диапазона, колокол становится ниже, как это и показано на рис. 7.2!

“А”: Но почему?

“С”: Дело в том, что в упрощенную формулу не входят, например, такие параметры, как КОНСТРУКТИВНАЯ ДОБРОТНОСТЬ. Ведь индуктивность характеризуется именно ей! Так с ростом частоты конструктивная добротность L падает. Увеличивается и сопротивление R.

“Н”: А вот этого я уже никак не понимаю! Почему может меняться R?

“С”: Из-за, так называемого, СКИН—ЭФФЕКТА. Этот эффект заключается в том, что с ростом частоты, токи высокой частоты распространяются только по поверхности проводника. Иначе говоря, происходит высокочастотное перераспределение плотности тока по сечению провода, которым намотана L. Это эквивалентно уменьшению сечения проводника, что адекватно возрастанию R! Но главным следствием является следующий факт — избирательность по соседнему каналу (у рассмотренных вариантов супергетеродина) в пределах диапазона не является постоянной величиной! Информация для размышления: у рассмотренных супергетеродинов избирательность по соседнему каналу составляет 42—46 дБ, а по зеркальному каналу не более чем 32—40 дБ! Это совершенно не соответствует современным мировым стандартам!

“А”: Хорошо, но что нового тогда дала радиотехника 40-х и последующих годов?

“С”: Прежде всего, схемы построенные с использованием МНОГОКРАТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ!

Следует сказать и о том, что в тридцатые годы загруженность эфира была значительно ниже, чем сегодня. И тем не менее к концу тридцатых были найдены методы, с помощью которых стало возможным то, что ранее считалось просто недостижимым!

Одним из принципиально новых путей, которых удалось достичь, используя возможности ДВОЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ, является способ кардинального повышения селективности (избирательности) тракта высокой частоты (радиочастоты). Речь идет о предложенном в мае 1941 года советским инженером Юзвинским методе, именуемом с той поры “цепью Юзвинского”. Вот она на рис. 7.3).

“А”: Это следует понимать так, что на выходе восстанавливается все та же частота сигнала?

“С”: Вот именно! Но обрати внимание, что в “цепи Юзвинского” частота гетеродина fгет ВСЕГДА НИЖЕ чем частота сигнала f сигн!

И вот почему:

fпр. = f сигн. - f гет.

После второго преобразования:

f сигн.2 = f пр. + f гет. = ( fсигн. – f гет ) + f гет. = f сигн .

Понятно, в чем “изюминка”?

“А”: Получается, что селективность “цепи Юзвинского” эквивалентна применению колебательного контура с добротностью, равной МНОГИМ ТЫСЯЧАМ?

“С”: Ну конечно же! Представь себе, что f_np = 465 кГц, например. Тогда и полоса пропускания будет соответствующей! То есть порядка 10 кГц! УПЧ A1 способен без труда повысить амплитуду сигнала f в сотни раз! А затем второй смеситель U₂ восстанавливает частоту сигнала ВЧ (РЧ), который далее можно подать на вход обычного “супера”! Избирательность по соседнему каналу при этом достигает уже не десятков, а ТЫСЯЧ РАЗ!

“А”: Но я не видел ни одной схемы радиовещательного приемника, в которой использовалась бы такая цепь!

“С”: А в отечественных разработках бытовой радиотехники это решение и не использовалось! Да и в радиолюбительских конструкциях подобное встречалось не более двух раз!

“А”: А “за бугром”?

“С”: А “за бугром” и техника, и люди серьезные. Там в массовые или, будем говорить, в серийные радиоприемники разнообразные методы двойного преобразования частоты прочно вошли уже в начале 70-х годов! Да и “цепь Юзвинского” получила достаточно широкое распространение.

Да вот, к примеру, в интереснейшем, профессиональном журнале “Электроника” (№ 4 за 1975 г.) владелец известной во всем мире немецкой радиотехнической фирмы ROHDE & SCHWARZ Inc. сам господин Роде, опубликовал большую программную статью под названием “Улучшение технических характеристик современных приемников”. В ней, фактически, была дана совершенно новая концепция построения супергетеродинов! В этой статье, между прочим, по ходу дела приводятся и примеры оптимального построения “цепи Юзвинского”. Как обычной, так и ДВОЙНОЙ!

Но в статье Роде “цепь Юзвинского” играет уже чисто вспомогательную роль! Концепция, предложенная фирмой, совершенно иная. Именно эта концепция и может считаться “уровнем радиоприемной техники середины семидесятых”!

“Н”: Имеется в виду ВСЯ радиоприемная техника?

“С”: Ни в коем случае! Нас ведь, в конечном счете, интересуют не . стационарные, а мобильные, ПЕРЕНОСНЫЕ приемники, собственный вес которых не должен превышать 15 кг!

“А”: Теперь я понимаю ваше замечание о том, что можно считать современным приемником, а что нет!

“С”: Да, мы говорим сейчас именно об уровне семидесятых!... Прежде, чем двинуться дальше, я все же приведу структурную схему радиоприемника, о котором говорил г-н Роде (рис. 7.4)!

Ну вот, друзья мои... Вопросы, замечания имеются?

“А”: Вопросов у меня лично так много, что я просто не знаю с которого начать!?...

“С”: Как всегда, начинай с самого начала, то есть с Z₁!

“Н”: Boт кaк paз к Z₁ претензий не имею! Но следующий узелок обозначен, как R! Что это такое и зачем он нужен?

“С”: Ну что же, как сказал однажды персонаж какого-то авантюрного романа: “пришла пора расплачиваться за все!” Я в данном случае имею в виду расплату за то, что мы до сих пор не затрагивали вопроса о, так называемой, РЕАЛЬНОЙ (или МНОГОСИГНАЛЬНОЙ) СЕЛЕКТИВНОСТИ!

“А”: Лучше позже, чем никогда!

“С”: Ты прав, мой друг, ты прав!... Итак, реальная или многосигнальная селективность — это способность приемника выделять слабый сигнал в присутствии мощных мешающих сигналов, лежащих ВНЕ полосы пропускания приемника!

Источником помех от этих сигналов является смеситель... РЕАЛЬНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ!... Поскольку, если бы операция перемножения напряжений сигнала и гетеродина выполнялась абсолютно точно, то никаких помех от внеполосных сигналов не возникало бы вообще! В этом случае РЕАЛЬНАЯ селективность приемника совпадала бы с ОДНОСИГНАЛЬНОЙ, которая определяется, как...

“А”: ...как ослабление сигнала при расстройке приемника относительно некоторой частоты, которую мы считаем за частоту настройки f₀!

“С”: Как жаль, что реальные смесители неидеальны! Они, во-первых, детектируют входной сигнал, что порождает, так называемые, ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ПОМЕХИ!

Во-вторых, смешивают РАЗЛИЧНЫЕ входные сигналы между собой. Это можно себе представить так, будто один из сигналов БЕРЕТ НА СЕБЯ функцию гетеродинного сигнала для другого! Эти помехи получили наименование ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ!

Если немодулированная по амплитуде помеха достаточно велика, то ее сигнал может продетектироваться в смесителе, создавая на его нелинейных элементах (диодах, транзисторах и т.д.) постоянное смещение. Коэффициент передачи смесителя при этом — падает, а шумы — возрастают! Это явление называют ЗАБИТИЕМ!

Есть еще такая разновидность помех, как ШУМОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ. При воздействии сильного ВНЕПОЛОСТНОГО сигнала увеличивается общий уровень шумов приемника. Шумовая модуляция зависит от того, насколько чистый спектр имеет сигнал собственного гетеродина приемника!

“А”: То есть следует самым тщательным образом “вылизывать” форму ;. сигнала гетеродина?

“С”: Именно так! Поскольку, хотя и незначительно, тепловой шум по амплитуде и фазе МОДУЛИРУЕТ напряжение гетеродина. При этом, ЧЕМ ВЫШЕ ДОБРОТНОСТЬ КОНТУРА гетеродина, тем меньше амплитуда его спектрального “мусора”!

А вот еще один неприятный случай! Представьте себе, что вблизи от вашей частоты настройки находится мощный сигнал AM-станции, содержащий и несущую, и боковые полосы. При детектировании его на выходе смесителя выделяются частоты модуляции. Причем, вращением ручки настройки (то есть изменением частоты гетеродина) отстроиться от помехи НЕВОЗМОЖНО! Приемник работает в режиме ПРЯМОГО детектирования, т.е. — как детекторный!

ПЕРЕКРЕСТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ поясняется тем, что мощная помеха детектируется в высокочастотных каскадах! При этом продетектированный сигнал ИЗМЕНЯЕТ их коэффициент передачи, модулируя полезный сигнал.

Что касается ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ помех, то они возникают при условии, что два ВНЕПОЛОСНЫХ сигнала f_впl и f_вп2 удовлетворяют следующему условию:

2f_впl — f_вп2 = f (частоте, попадающей в полосу пропускания приемника).

“А”: Уважаемый Спец, то что мы с Незнайкиным сейчас узнали, настолько нас обеспокоило, что может стоит составить своего рода “рецепт” как бороться со всем этим безобразием?

“С”: Я не против... Значит, во-первых... Шумовая модуляция. Основной способ борьбы с ней — это, как уже было подмечено, усердие и терпение при проектировании и изготовлении гетеродина! Во-вторых, перекрестные и интермодуляционные помехи... Ряд авторов-профессионалов предлагают рассмотреть следующую номограмму, характеризующую ЗАВИСИМОСТЬ УРОВНЯ ПОМЕХ ОТ НАПРЯЖЕНИЙ СИГНАЛОВ (рис. 7.5).

Здесь на горизонтали отложены напряжения полезных и мешающих сигналов на ВХОДЕ ПРИЕМНИКА, а по вертикали — напряжения сигналов на ВЫХОДЕ, приведенные ко входу. Т.е. поделенные на полный коэффициент усиления приемника — К₀. Тогда прямая 1 соответствует полезному сигналу и имеет единичный наклон, поскольку напряжение сигнала на входе совпадает с приведенным выходным напряжением. Естественно, что такая зависимость будет наблюдаться в области не слишком больших сигналов.

Тогда, сняв реальную характеристику (амплитудную) радиочастотного тракта приемника, можно определить и уровень забития. Это произойдет, когда входное напряжение будет таким, что реальная характеристика ОТКЛОНЯЕТСЯ на 3 дБ от прямой 1.

“А”: А в чем на этой номограмме выражены уровни сигналов?

“С”: Уровни сигналов могут выражаться в микровольтах или децибелах. Используются также ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ единицы измерения: дБмкв — т.е. отношение НАПРЯЖЕНИЯ сигнала к одному микровольту, выраженное в децибелах, иначе — 20 lg(U_Cигн/l мкв), и дБм — т.е. отношение МОЩНОСТИ сигнала к одному миливатту, также ( в децибелах — 10 1g(P_cигн/l мвт).

На рис. 7.5 приведены ТРИ шкалы, что облегчает перевод одних единиц в другие. Нижняя шкала (дБм) соответствует верхним только в том случае, если rbx приемника равно 75 Ом! Для входного сопротивления 50 Ом к значениям шкалы дБм следует добавлять 2 дБ.

Если в смесителе присутствует нелинейность, из-за наличия в ВАХ (вольт-амперной характеристике) квадратичных членов возникают, как говорилось, перекрестные помехи. Причем, напряжение перекрестной помехи на выходе пропорционально КВАДРАТУ входного напряжения! Этот факт и характеризует линия 2! По графику всегда можно найти К_ам как расстояние по горизонтали между прямыми 1 и 2 при заданном уровне полезного сигнала.

“А”: Получается, что на нашем рисунке определено значение К_ам при уровне полезного сигнала 1 мкВ! Найденное значение будет соответствовать случаю 100 процентной модулированной помехи!

“С”: Верно! Но если брать коэффициент модуляции 30 процентов, то найденное значение надо увеличить в 3,3 раза, т.е. на 10 дБ.

Из номограммы также видно, что К_ам...

“Н”: Простите, а что такое К_ам?

“С”: К_ам - это КОЭФФИЦИЕНТ ПОДАВЛЕНИЯ амплитудной модуляции, который сильно зависит от выбранного уровня сигнала! Если в одинаковой степени уменьшать уровень и полезного сигнала, и помехи на входе, то при этом К_ам — ВОЗРАСТАЕТ! Отсюда следует важнейший вывод! Можно даже сказать более образно — краеугольный камень в проектировании радиоприемников:

ПРИ ЛЮБОМ ТИПЕ СМЕСИТЕЛЯ УВЕЛИЧЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СО ВХОДА СМЕСИТЕЛЯ ОДНОВРЕМЕННО УВЕЛИЧИВАЕТ РЕАЛЬНУЮ СЕЛЕКТИВНОСТЬ!

Вот почему в структурной схеме приемника Роде применен аттенюатор!

“А”: Если я правильно понял, уменьшая напряжение ВСЕХ сигналов на входе — и полезных, и мешающих в два раза (6 дБ), мы уменьшаем полезный сигнал на выходе тоже в два раза. А перекрестная помеха на выходе при этом УМЕНЬШАЕТСЯ В ЧЕТЫРЕ РАЗА!?

“С”: Ты всегда все быстро схватываешь! Но помни, что главным средством повышения реальной селективности остается улучшение качества смесителей! Поскольку с улучшением параметров смесителя линия 2 сдвигается ВПРАВО!

“Н”: А что интермодуляционные помехи?

“С”: Это уже, так называемые, помехи третьего порядка. То есть напряжение помехи на выходе приемника пропорционально КУБУ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИНТЕРФЕРИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ! Что и представлено зависимостью 3. Откуда следует, что для снижения помех этого вида повышение чувствительности со входа смесителя и применение аттенюатора на входе приемника — еще более эффективны!

“А”: А что имеют в виду, когда говорят, что реальная селективность приемника определяется его ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ?

“С”: Имеют в виду следующее... Нижнюю границу динамического диапазона принимают равной уровню СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ U_m, приведенному ко входу. Верхняя граница соответствует напряжению на входе, при котором продукты ПЕРЕКРЕСТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ и ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ равны внутренним шумам!...

“Н”: Я что-то не врубаюсь!...

“С”: Ну подумай!... Если напряжения двух сигналов (а мы о них уже говорили выше, это f_вnl и f _вn2) равны или ниже верхней границы динамического диапазона, то их сигналы прослушиваются только НА ИХ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТАХ! Если же напряжения этих сигналов больше, то на фоне шумов слышны их биения (перекрестная помеха, не зависящая от частоты настройки). Или же сигналы прослушиваются еще на двух частотах!

“А”: А именно, на каких?

“С”: Да хотя бы на:

2f _вп1 – f_вп2 , и 2f вп2 - f _вп1 !

На графике динамический диапазон по перекрестным D2 и интермодуляционным D3 помехам находят, отсчитав по вертикали расстояние от точки пересечения, соответственно, прямой 2 или 3 с горизонтальной линией, соответствующей уровню шумов, до прямой!

“А”: А если ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН необходимо охарактеризовать только одним значением?

“С”: Тогда выбирай наименьшее из двух и не ошибешься! Вообще можно считать, что реальную селективность полностью определяют две “точки пересечения” А, и аз- Они получаются при продолжении прямых 2 и 3 до пересечения с прямой!

“А”: Раз уж мы все равно коснулись этой темы, давайте дадим более строгие определения понятия ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ приемника!

“С”: ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ — это минимальное напряжение сигнала на входе приемника, которое обеспечивает отношение сигнала к шуму, равное 20 дБ!

Мы дальше будем касаться этого вопроса еще не раз, поэтому заметим только, что коэффициент шума всего приемника уменьшается при уменьшении коэффициента шума отдельных его узлов. Вот здесь у меня очень простая и удобная табличка, предложенная одним исследователем для оценки значения минимального шумового напряжения, развиваемого согласованной наружной антенной на сопротивлении 75 Ом в различных KB диапазанах (см. табл. 7.1).

Таблица 7.1.

“А”: Это при значениях полосы пропускания равной в одном случае 3, а в другом 10 кГц?

“С”: Совершенно верно!... Здесь вполне наглядно представлены значения той чувствительности, которой стоит добиваться при проектировании приемников с КВ. Это, естественно, в том случае, если ты желаешь добиться соотношения сигнал/шум = 20 дБ (10 раз). Но когда идет интересная передача из-за “бугра”, то сказанное вполне можно различить и при вдвое меньшем соотношении сигнала к шуму!

“Н”: Мне попался как-то паспорт старого, но широко известного приемника “Спидола”. У моего дяди он еще сохранился. Там, помню, фигурировала чувствительность на KB равная 100 микровольтам! А может я ошибаюсь?

“С”: Нет, Незнайкин! Ты не ошибаешься! Действительно, “совдеповская” “аппаратура высокого класса” ВСЕГДА характеризовалась чувствительностью на порядок хуже, чем современная ей заграничная! И это делалось вполне сознательно! Уж в два-три раза улучшить чувствительность приемников вполне реально было бы и на отечественной компонентной базе того времени!

“А”: Но я встречал довольно толстые книги, где объяснялось, что высокая чувствительность просто НЕ НУЖНА, поскольку ее не возможно реализовать!

“С”: Я тоже знаю такие книги, равно как и “рыночную цену” их, порой, маститым авторам! Это, мои дорогие юные друзья, можно считать одним из примеров совдеповской демагогии в области радиотехники! И следующий раз мы начнем беседу именно с этой темы!