Гетеродин
Гетероди́н (от греч. ἕτερος — иной; δύναμις — сила) — маломощный генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частот сигнала в супергетеродинных радиоприёмниках, приемниках прямого преобразования, волномерах и пр.
Изначально гетеродином называли радиоприёмник, в котором имелся дополнительный генератор высокой частоты, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала, что повышало чувствительность радиоприёмника. В дальнейшем, после изобретения супергетеродина, гетеродином стали называть этот генератор.
Гетеродин создаёт колебания вспомогательной частоты, которые в блоке смесителя смешиваются с поступающими извне колебаниями высокой частоты. В результате смешения двух частот, входной и гетеродина, образуются ещё две частоты (суммарная и разностная). Разностная частота (при амплитудной модуляции постоянная) используется как промежуточная частота, на которой происходит основное усиление сигнала.
К гетеродинам устанавливаются высокие требования по стабильности частоты и амплитуды, а также спектральной чистоте гармонических колебаний. Чем выше эти требования, тем сложнее конструктивное исполнение гетеродина: стабилизируют напряжение питания, применяют сложные схемы, исключающие влияние внешних факторов на частоту генератора, компоненты со специальными свойствами, гетеродин помещают в термостат, используют системы автоматической подстройки частоты и т. д. Если гетеродин работает на фиксированной частоте, применяют стабилизацию с помощью кварцевого резонатора. В современной радиоаппаратуре в качестве перестраиваемых гетеродинов все чаще применяют цифровые синтезаторы частоты, которые обладают рядом важных преимуществ.
См. также
Ссылки
- Гетеродин — статья из Большой советской энциклопедии
- Радиотехника
- Генератор (электроника)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое «Гетеродин» в других словарях:
гетеродин — гетеродин … Орфографический словарь-справочник
ГЕТЕРОДИН — (от гетеро. и греч. dynamis сила) маломощный генератор, используемый как источник колебаний вспомогательной частоты при преобразовании по частоте высокочастотных сигналов (напр., в супергетеродинном радиоприемнике) … Большой Энциклопедический словарь
ГЕТЕРОДИН — ГЕТЕРОДИН, прибор, создающий колебания вспомогательной волновой ЧАСТОТЫ, которые смешиваются с поступающими извне для получения разностной частоты. Используется в радиочастотных ОСЦИЛЛЯТОРАХ и приемниках. Гетеродинная система была изобретена… … Научно-технический энциклопедический словарь
ГЕТЕРОДИН — (Heterodyne) маломощный ламповый генератор, применяемый для возбуждения вспомогательных незатухающих колебаний при гетеродинном приеме. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь
гетеродин — сущ., кол во синонимов: 2 • генератор (63) • супергетеродин (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
гетеродин — а, м. hétérodyne < гр. heteres другой + dynamis сила. Маломощный вспомогательный генератор электрических колебаний высокой частоты, прим. гл. обр. в преобразователях частоты. Крысин 1998. Лекс. СИС 1954: гетероди/н … Исторический словарь галлицизмов русского языка
гетеродин — Генератор гармонических колебаний, используемый для преобразования частоты в радиоприемнике. [ГОСТ 24375 80] Тематики радиосвязь Обобщающие термины радиопередатчики EN local oscillatoroscillator … Справочник технического переводчика
ГЕТЕРОДИН — маломощной вспомогательный (см.) гармонических электрических колебаний с самовозбуждением на транзисторе или электронной лампе, служит для преобразования (смешения) несущей частоты сигналов в радиоаппаратуре и радиоизмерительных устройствах … Большая политехническая энциклопедия
гетеродин — (гетеро. гр. dynamis сила) маломощный вспомогательный генератор электрических колебаний высокой частоты, применяемый гл. обр. в преобразователях частоты (напр., в супергетеродинных радиоприемниках, измерительных устройствах). Новый словарь… … Словарь иностранных слов русского языка
гетеродин — (от гетеро. и греч. dýnamis сила), маломощный генератор, используемый как источник колебаний вспомогательной частоты при преобразовании по частоте ВЧ сигналов (например, в супергетеродинном радиоприёмнике). * * * ГЕТЕРОДИН ГЕТЕРОДИН (от гетеро … Энциклопедический словарь
Гетеродины и смесители приемника.
Супергетеродинные приемники отличаются от приемников прямого усиления тем, что в них имеется устройство для преобразования промодулированного высокочастотного радиосигнала в более низкие колебания с сохранением закона модуляции. Это преобразователь частоты (ПрЧ), который состоит из генератора (гетеродина Г), вырабатывающий вспомогательные высокочастотные колебания fг, и смесителя См (рис.1) на нелинейном элементе (транзисторе).
В смесителе при воздействии напряжений гетеродина fг и радиочастотного сигнала fс образуются составляющие с разностной (fг — fс) и суммарной (fг + fс) частотами, а также другие частоты высших порядков (гармоник) вида mfг ± nfс, где m и n — любые целые числа. Из этих всех частот и гармоник с помощью колебательного контура выделяют промежуточную частоту fпр = fг — fс, которая при настройке приемника на любую радиочастоту остается неизменной. Это достигается тем, что входной контур приемника и контур гетеродина настраивается одним и тем же переменным конденсатором, состоящий из независимых друг от друга секций конденсаторов закрепленных на одном валу. При перестройке частоты входного сигнала одной из секцией конденсатора одновременно второй секцией перестраивается и частота гетеродина. fпр после преобразования полностью сохраняет закон модуляции радиосигнала.
На рис.2а показан входной сигнал с несущей частотой fc и гармоническим законом модуляции с частотой F, а на рис.2в — выходное напряжение fпр, которая меньше fc, но с тем же законом модуляции.
Сравнивая спектры входного (рис.2б) и выходного (рис.2г) сигналов, можно заметить, что все составляющие спектра выходного сигнала смещены влево (в сторону меньших частот) относительно соответствующих составляющих входного сигнала на частоту fc — fпр. Поэтому говорят, что fпр линейно смещает спектр на шкале частот.
Гетеродины приемника.
Одной из основных частей преобразователя является гетеродин — маломощный автогенератор, предназначенный для создания колебаний с высокой стабильностью как по частоте, так и по амплитуде.
От стабильной работы гетеродина сильно зависит качественная работа приемника. Например, при изменении его частоты от заданной приводит к отклонениям fпр, т.е. нарушает стабильность работы приемника. Если в пределах диапазона изменяется амплитуда гетеродина, тогда изменяется и чувствительность. Напряжение гетеродина должно быть строго синусоидальным без содержания высших гармоник. Если они есть и их нельзя устранить, то необходимо, чтобы их амплитуды были минимальными. В противном случае эти гармоники могут взаимодействовать с напряжением помех и создавать дополнительные помехи на выходе приемника.
Сопряжение контуров.
Сопряжение контуров — это способ согласования настройки контуров приемника при помощи подключения добавочных конденсаторов.
При настройке приемника на разные станции частота гетеродина должна всегда отличаться от принимаемой на выбранную не меняющую промежуточную частоту:
fг = fс + fпр.
Но такое соотношение частот на всем диапазоне является идеальным и практически, когда конденсаторы настройки контуров входа и гетеродина находятся на одной оси, не осуществимы. Если бы контуры были настроены на одну и ту же частоту, то они бы перестраивались совершенно одинаково и от угла поворота ротора переменных конденсаторов fc и идеальная частота гетеродина fг ид. (рис.3) во всем диапазоне строго отличались на величину fпр. Но контуры настроены на разные частоты и их перестройка происходит неодинаково. Причина этого явления в том, что на более высокой частоте контур как бы «чувствительнее» к изменению емкости, а т.к. частота fг больше fс поэтому и происходит «раздрай» перестроек между контурами.
Чтобы на практике добиться как можно более близкого совпадения частоты гетеродина к теоретически требуемой применяют способ включения вспомогательных конденсаторов в контур гетеродина. Для этого входной и гетеродинный контура настраивают так, чтобы у них в середине диапазона выполнялось соотношение:
fг — fвх = fпр.
Затем в гетеродинный контур включают конденсаторы С1 и С2 (рис.4). Конденсатор С1, включенный последовательно катушке контура, уменьшает его емкость и fг увеличивается. Происходит сопряжение контура в двух крайних точках диапазона (1,3) перестройки приемника (рис.4а). При включении конденсатора С2 параллельно переменному конденсатору (рис.4б) осуществляется сопряжение в третьей точке (2). Выбирая величины С1,С2 и индуктивности Lг можно точно настроить гетеродин в трех точках диапазона. В остальных точках fг будет несколько иной, но различие будет незначительным и не повлияет на нормальную работу приемника.
Схемы гетеродинов.
Принципиально гетеродин может быть выполнен по любой из схем с емкостной, индуктивной, автотрансформаторной обратной связью и т.д.
Гетеродины LC — типа имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, выходное напряжение весьма близко к гармоничному, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов и имеют малый коэффициент гармоник.
Для самовозбуждения гетеродина LC — типа необходимо наличие положительной обратной связи (ОС). Сущность самовозбуждения заключается в том, что при включении источника питания конденсатор колебательного контура, включенный обычно в коллекторную цепь транзистора, заряжается (рис.5). В результате в контуре появляются затухающие автоколебания, часть которых подаются на управляющий электрод активного прибора (в наших примерах — на базу транзистора), образуя положительную ОС. Транзистор усиливая эти колебания пополняет энергию LC — контура и затухающие автоколебания превращаются в незатухающие.
Имеется множество различных схем автогенераторов LC — типа, которые в основном различаются схемой введения сигнала ОС и способом подключения к усилителю колебательного контура.
На рис.5а показано подача положительная ОС с помощью обмотки трансформаторной обмотки L2. Напряжение ОС зависит от соотношения витков L1 и L2.
На рис.5б приведена автотрансформаторная ОС. Питание Е и выход гетеродина подключены к частям катушки индуктивности L для уменьшения их шунтирующих действий и повышения добротности контура LC.
Гетеродин, показанный на рис.5в, собран по схеме емкостной трехточки. Эта схема отличается от индуктивной тем, что в ней с качестве делителя используется конденсатор С1, с которого снимается напряжение ОС, а не катушка индуктивности.
Преобразователи частоты.
Преобразователь частоты (ПрЧ) состоит, как мы видели на рис.1, из двух блоков — смесителя и гетеродина. Оба блока могут быть объединены и работать на одном транзисторе — это так называемые ПрЧ с совмещенным гетеродином.
ПрЧ с отдельным гетеродином используют чаще чем с совмещенным потому, что в ПрЧ с отдельным гетеродином имеется возможность почти полностью уменьшить взаимное влияние гетеродиного и входных контуров на входе смесителя.
Преобразователь с совмещенным гетеродином.
На рис.6 показана схема ПрЧ с совмещенным генератором. Здесь напряжение сигнала снимается с контура Lсв и подается на базу транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Гетеродин выполнен по схеме автогенератора с контуром L4C5C6 в цепи эмиттера. Напряжение генератора снимается катушкой обратной связи L5 и подключается в коллекторную цепь вместе с выходным контуром L2C3, который настроен на промежуточную частоту. При одновременном действии напряжений гетеродина и сигнала происходит процесс преобразования частоты, которая подается с L3 на следующий каскад.
Взаимное влияние настроек ПрЧ с совмещенным гетеродином получается потому, что смеситель и гетеродин выполнены на общем транзисторе, и поэтому, при перестройке гетеродинного контура с помощью переменного конденсатора, на него еще будет влиять и перестройка входного контура. К тому же транзистор в роли смесителя хорошо работает при небольших токах коллектора, а гетеродин — при сравнительно больших. Поэтому приходится искать какой-то компромиссный режим. Все это затрудняет регулировку ПрЧ для обеспечения его оптимального режима работы.
Еще одним недостатком совмещенного гетеродина является паразитная модуляция напряжения гетеродина с fпр и ее гармониками, что проявляется в появлению на выходе приемника интерференционных свистов.
Но кроме недостатков есть и достоинства этой схемы. Это малые габариты, простота и экономичность потребления энергии, т.к. используется только один транзистор. Поэтому совмещенный гетеродин применяется в простых карманных приемниках, где экономия энергии питания и габариты более важны, чем стабильность работы и качество радиоприема.
Преобразователи с отдельным гетеродином.
Использование ПрЧ с отдельным гетеродином позволяет получить более высокую стабильность гетеродина и оптимальный режим смесителя, что определяет использование такого преобразователя в приемниках повышенного класса.
Напряжение гетеродина может подаваться на базу транзистора и тогда смеситель работает, по отношению к этому напряжению, по схеме с ОЭ. При таком подключении (рис.7) генератору требуется небольшая мощность для нормальной работы смесителя, т.к. входное сопротивление с ОЭ будет наибольшим. Но в этом случае в ПрЧ увеличивается взаимная связь между входным контуром и контуром гетеродина, что приведет к затруднению настройки при сопряжении контуров, ухудшит стабильность работы гетеродина, увеличит попадание энергии гетеродина в антенну.
На практике, в большинстве случаев, применяют схему подачи входного сигнала на базу биполярного транзистора смесителя, а напряжение генератора — на эмиттер (рис.8). Такое включение уменьшает взаимосвязь между цепями гетеродина и смесителя и повышает стабильность работы преобразователя. Такие преобразователи проще налаживать, т.к. можно раздельно подбирать режимы гетеродина и смесителя.
Одним из недостатком этого включения, по сравнению с включением гетеродина на базу, является увеличение мощности гетеродина для нормальной работы Прч.
Другой недостаток: при эмиттерном включении нет непосредственной связи сигнального контура и гетеродинного, но зато между ними существует паразитная связь через Сэб транзистора смесителя.
В настоящее время в построении преобразователей все больше применяются полевые транзисторы у которых, в отличии от биполярных транзисторов, вольт-амперная крутизна изменяется от напряжения на затворе почти линейно, что позволяет уменьшить нелинейные искажения принимаемого сигнала. Также полевые транзисторы имеют входное сопротивление выше чем у биполярных и обеспечивают более низкий коэффициент шума.
На рис.9 приводится схема ПрЧ на двухзатворном полевом транзисторе с внешним гетеродином, где напряжения сигнала и гетеродина вводятся на разные затворы, что ослабляет связь между контурами сигнала и гетеродина. К тому же для нормальной работы преобразователя необходима уже меньшая мощность гетеродина, чем в схеме с биполярным транзистором.
Что такое гетеродин простыми словами и где применяется
Гетеродином (задающим генератором) в приёмнике (передатчике) в большинстве случаев называется генератор сигналов, который определяет частоту приёма. Хотя его роль называют вспомогательной, на качество работы приёмного или передающего устройства он оказывает весьма существенное влияние.
Назначение гетеродина и принцип гетеродинного приёма
На заре радиоприёма при построении схем приёмников обходились без гетеродинов. Выделенный входным колебательным контуром сигнал усиливался, а после детектировался и подавался на усилитель низкой частоты. С развитием схемотехники возникла проблема построения усилителя радиочастоты с большим коэффициентом усиления.
Для перекрытия большого диапазона он выполнялся с широкой полосой пропускания, что делало его склонным к самовозбуждению. Переключаемые усилители получались слишком сложными и громоздкими.
Все изменилось с изобретением гетеродинного приёма. Сигнал с перестраиваемого (или фиксированного) генератора подается на смеситель. На другой вход смесителя подается принимаемый сигнал, а на выходе получается огромное количество комбинационных частот, представляющих собой суммы и разности частот гетеродина и принимаемого сигнала в различных сочетаниях. Практическое применение обычно имеют две частоты:
- fгетеродина-fсигнала;
- fсигнала- fгетеродина.
Эти частоты называются зеркальными по отношению друг к другу. Приём ведется на одном канале, второй отфильтровывается входными цепями приёмника. Разность называется промежуточной частотой (ПЧ), её значение выбирается при проектировании приёмного или передающего устройства. Остальные комбинационные частоты отфильтровываются фильтром промежуточной частоты.
Для промышленной аппаратуры существуют стандарты для выбора значения ПЧ. В любительской аппаратуре эта частота выбирается из разных условий, включая наличие комплектующих для построения узкополосного фильтра.
Выделенная фильтром промежуточная частота усиливается в усилителе ПЧ. Так как эта частота фиксирована, а полоса пропускания невелика (для передачи голосовой информации вполне достаточно 2,5…3 кГц), усилитель для неё легко выполнить узкополосным с большим коэффициентом усиления.
Существуют схемы, где используется суммарная частота – fсигнала+ fгетеродина. Такие схемы называются схемами с «преобразованием вверх». Такой принцип упрощает построение входных цепей приёмника.
Существует и техника прямого преобразования (не путать с прямым усилением!), при которой приём ведется почти на частоте гетеродина. Такая схемотехника отличается простотой конструкции и настройки, но у аппаратуры прямого преобразования есть врожденные недостатки, заметно ухудшающие качество работы.
В передатчике также применяются гетеродины. Они выполняют обратную функцию – переносят низкочастотный промодулированный сигнал на частоту передачи. В связной аппаратуре может быть несколько гетеродинов. Так, если применяется схема с двумя или более преобразованиями частоты, в ней используются, соответственно, два и более гетеродинов. Также в схеме могут присутствовать гетеродины, выполняющие дополнительные функции – восстановление подавленной при передаче несущей, формирование телеграфных посылок и т.п.
Мощность гетеродина в приёмнике невелика. Несколько милливатт в большинстве случаев достаточно для любых задач. Но сигнал гетеродина, если позволяет схемотехника приёмника, может просачиваться в антенну, и его можно принять на расстоянии нескольких метров.
Среди радиолюбителей имеет хождение байка, что во времена запрета прослушивания западных радиостанций представители спецслужб ходили по подъездам домов с приёмниками, настроенными на частоты «вражьих голосов» (с поправкой на промежуточную частоту). По наличию сигналов якобы можно было определить, кто слушает запрещенные передачи.
Требования к параметрам гетеродина
Основное требование к сигналу гетеродина – спектральная чистота. Если гетеродин вырабатывает напряжение, отличное от синусоиды, то в смесителе возникают дополнительные комбинационные частоты. Если они попадают в полосу прозрачности входных фильтров, это приводит к дополнительным каналам приёма, а также к появлению «поражённых точек» — на некоторых частотах приёма возникает свист, мешающий принимать полезный сигнал.
Другое требование – стабильность уровня выходного сигнала и его частоты. Второе особенно важно при обработке сигналов с подавленной несущей (SSB (ОБП), DSB (ДБП) и т.п.) Неизменность выходного уровня получить несложно применением стабилизаторов напряжения для питания задающих генераторов и правильным выбором режима активного элемента (транзистора).
Постоянство частоты зависит от стабильности задающих частотных элементов (ёмкости и индуктивности колебательного контура), а также от неизменности ёмкости монтажа. Нестабильность LC-элементов определяется, большей частью, изменяющейся во время работы гетеродина температурой. Для стабилизации компонентов контура их помещают в термостаты, а также применяют специальные меры для температурной компенсации уходов значений ёмкости и индуктивности. Катушки индуктивности обычно стараются сделать полностью термостабильными.
Для этого применятся специальные конструкции – катушки мотают с сильным натяжением провода, витки заливают компаундом, чтобы исключить сдвиг витков, провод вжигают в керамический каркас и т.п.
Для уменьшения влияния температуры на ёмкость задающего конденсатора его составляют из двух или более элементов, подбирая их с различными значениями и знаками температурного коэффициента ёмкости так, чтобы они взаимно компенсировались при нагреве или охлаждении.
Из-за проблем с термостабильностью не получили большого распространения гетеродины с электронным управлением, где в качестве ёмкости используется варикапы. Их зависимость от нагрева носит нелинейный характер, и скомпенсировать её очень сложно. Поэтому варикапы применяют только в качестве элементов расстройки.
Ёмкость монтажа складывается с ёмкостью задающего конденсатора, и её нестабильность также приводит к уходу частоты. Чтобы избежать нестабильности монтажа, все элементы гетеродина надо монтировать очень жестко, чтобы избежать даже минимальных сдвигов друг относительно друга.
Настоящим прорывом в построении задающих генераторов явилась разработка в 30-х годах прошлого столетия технологии порошкового литья в Германии. Это позволило изготавливать сложные трехмерные формы для узлов радиоаппаратуры, что дало возможность достигнуть невиданной на тот момент жёсткости монтажа. Это позволило вывести надежность систем радиосвязи вермахта на новый уровень.
Гетеродин что это такое для чайников
Гетеродинный прием
Гетеродинные приемники больше известны под другим названием — приемники прямого преобразования
В. Поляков (RA3AAE)
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 в 1901 г., задолго до появления электронной лампы и спустя всего 5 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.
Рис. 1. Схема радиотелеграфной линии
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.
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". Увлечение сверхдлинными волнами (до 20-х годов считалось, что чем длиннее волна, тем "дальнебойнее" связь) породило не только мощные электромашинные РЧ генераторы, но и гетеродинные приемники с синхронным механическим выпрямителем — колесом Гольдшмидта [1].
| Рис. 2. Схема гетеродинного приемника | Рис. 3. Схема регенеративного приемника |
|---|
В них детектор VD1 ( рис.2 ) 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 и колеса Гольдшмидта 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 распостранение регенератора позволило выявить несколько аспектов его использования. Рассмотрим их на примере простейшего регенератора ( рис.3 ).
Колебания принимаемого сигнала из антенны поступают в единственный контур L2C1 и затем детектируется в сеточной цепи лампы с помощью элементов R1C2. 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:
— полоса пропускания, fo — 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:
Qo — конструктивная добротность контура, а1 — амплитуда несущей сигнала, а2 — амлитуда 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.
| Рис. 4. Вольтамперная характеристика детектора |
|---|
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 :
Вольтамперную характеристику детектора i (u) можно представить рядом ( рис.4 ):
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
Детектор в этом случае оказывается квадратичным. Подставляя значение u в выражение для i, получаем:
Естественно, что компоненты тока с радиочастотами для w1 и 2w1 на нагрузку (реле, телефоны) не действуют. Для их замыкания параллельно нагрузке включают блокировочный конденсатор. Остается член
соответствующий компоненте постоянного, продетектированного тока. Его амплитуда 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:
Чтобы проиллюстрировать расчет, найдем крутизну и кривизну характеристики для современного диода Д2 по вольтамперной зависимости, приводимой в справочниках:
и рассчитаем выходное напряжение детектора в зависимости от амплитуды входного РЧ сигнала.
Из табл.1 видно, что чувствительность приемника очень низка и даже чувствительный УЗЧ, подключенный к его выходу, не спасает положения.
Таблица 1
| а1 | 100 мВ | 30 мВ | 10 мВ | 3 мВ | 1 мВ |
|---|---|---|---|---|---|
| uo | 30 мВ | 3 мВ | 300 мкВ | 30 мкВ | 3 мкВ |
В гетеродинном приемнике на детектор действуют уже два сигнала ( рис.2 ) — входной и гетеродинный:
Полезное напряжение на выходе детектора оказывается следующим:
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 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:
Но тогда зачем нужны первые два члена в последнем выражении? 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:
Суммарная частота отфильтровывается на выходе смесителя, и выделяется полезное напряжение:
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, 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.
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 100.000-1.000.000). 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. Необходимое усиление устанавливается 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 можно 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].
Рис. 8. Кривая селективности гетеродинного приемника
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 fo = 2fг должна совпадать с частотой подавленной несущей.
Наличие двух полос приема — верхней (ВБП) и нижней (НБП) — большой недостаток простого гетеродинного приемника: ведь используемая 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 90° (если гетеродин работает на половинной частоте сигнала, то 45°).
Рис. 9. Схема гетеродинного приемника для однополосного приема
На выходах смесителей образуются сигналы биений, также сдвинутые по фазе друг относительно друга на 90°, причем если прием происходит к ВБП, то фаза сигнала во втором канале отстает, а если в НБП, то опережает фазу сигнала в первом канале. Если теперь фазу сигнала во втором канале дополнительно сдвинуть на 90° 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 получается обычно не более чем в 100 раз (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 90 градусов 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 = 1/2пRC. 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 | Рис. 13. Распределение мощности между несущей и боковыми частотами при АМ |
|---|
Благодаря взаимной компенсации фазовых и амплитудных дисбалансов отдельных цепочек в фазовращателе можно использовать элементы с допуском 5%. Hесмотря 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 (m 2 / 4) ( рис.13 ). 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 составляет еще меньшую величину, 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. Эти устройства 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 микросхемы часов, в огромных количествах выпускаемых промышленностью и вполне приемлемых 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 будет, 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°) 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 система фазовой автоподстройки 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 90°.
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 постороить 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) уступает 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 тьюнер 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°, 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:
где
— разностная частота биений между несущей сигнала и колебаниями гетеродина. Произведя над ними операцию:
получаем:
т.е. квадратично продетектированный входной сигнал.
Такой обобщенный АМ детектор содержит два квадратора и сумматор ( рис.18 , нумерация элементов продолжает нумерацию на рис.17 ).