Реферат: В. Т. Поляков трансиверы прямого преобразования издательство досааф СССР. 1984 г. Введение

В.Т.ПОЛЯКОВ


ТРАНСИВЕРЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ


Издательство ДОСААФ СССР. 1984 г.


ВВЕДЕНИЕ


Время от времени в истории науки и техники случаются события, до неузнаваемости преобразующие жизнь всех людей. К таким событиям относится и изобре­тение радиосвязи. Радио оказалось могучим средством общения между людьми, передачи информации практиче­ски мгновенно на огромные расстояния, обеспечило воз­можность организационно-управленческих мероприятий в масштабе целых государств. Попробуйте представить со­временный мир без радиосвязи — у вас ничего не полу­чится. Без связи остановятся промышленность, транспорт, замрет экономическая, политическая и общественная жизнь. В настоящее время линии радиосвязи многократно опоясывают весь земной шар.

Одним из интереснейших увлечений многих радиолю­бителей является радиосвязь на коротких (KB) и ульт­ракоротких (УКВ) волнах в специально отведенных для радиолюбителей диапазонах. Правовые вопросы люби­тельской радиосвязи решаются рядом внутригосударст­венных и международных организаций.

В области радиосвязи любителями сделано очень мно­го. Ими открыто и освоено дальнее распространение ко­ротких волн, они впервые использовали радиоволны для связи с летательными аппаратами, исследовали распрост­ранение ультракоротких волн в условиях горной и пере­сеченной местности, ими непрерывно разрабатывается и совершенствуется связная аппаратура. Лучшие профес­сионалы, специалисты по радиосвязи, прошли школу ра­диолюбительства и часто навсегда сохраняют привержен­ность этому увлечению. Путь в эфир для радиолюбителя начинается с получения разрешений на постройку и экс­плуатацию радиостанции и присвоения позывного сигна­ла. Но нужно построить и саму радиостанцию. В ряде стран, например в США, Японии, налажен промышлен­ный выпуск любительских радиостанций (трансиверов), но даже и там наибольшим уважением пользуются радио­любители, сами построившие свои станции. Повторить трансивер промышленного производства, а тем более профессиональную связную радиостанцию, достаточно сложно. Нужны знания, опыт, соответствующее оборудование, дефицитные детали, наконец. Знания и опыт при­обретаются любителем в процессе постройки своей стан­ции и других сопутствующих экспериментов. Часто радиостанция конструируется с использованием своих, оригинальных схемных решений и затем постоянно усо­вершенствуется. Часто шутят, что для увлеченного радио­любителя-коротковолновика и конструктора постройка станции не кончается никогда. В процессе подобного творчества радиолюбителями предложено немало новых идей, методов и схем, относящихся к связной аппаратуре. К ним относится и техника прямого преобразования, позволяющая при минимальных затратах получать очень неплохие результаты.

Техника гетеродинного приема была изобретена и ши­роко использовалась еще на заре радиосвязи (1901 — 1922 гг.) в первых, тогда еще примитивных радиостан­циях, работающих незатухающими колебаниями. Появле­ние гетеродинных (т. е. прямого преобразования) приемников резко увеличило дальность радиосвязи. С по­явлением радиоламп и разработки на их основе регене­ративных и супергетеродинных приемников принцип прямого преобразования был прочно забыт. Вернулись к нему радиолюбители в 70-х годах, когда с использова­нием современной элементной базы появилась возмож­ность создавать очень простые приемники и трансиверы прямого преобразования, обладающие тем не менее высо­кой чувствительностью и селективностью. Прогресс в этой области еще далеко не закончился и следует ожидать но­вых интересных разработок. Развитие современной ра­диоэлектроники связано с широким использованием аналоговых и цифровых интегральных микросхем. Тех­ника прямого преобразования, где основное усиление и обработка сигналов производятся на низких частотах, отвечает этим тенденциям как нельзя лучше. В транси-верах прямого преобразования можно применить инте­гральные усилители, синхронные и цифровые фильтры, цифровые синтезаторы частоты, формирователи однопо­лосных сигналов и т. д.

Эта книга посвящена описанию принципов действия и практических схем радиостанций (трансиверов), выпол­ненных на основе метода прямого преобразования сигна­ла. Начинающие радиолюбители смогут по ней разо­браться в некоторых теоретических основах связной тех­ники и найти несложные конструкции для повторения.

Множество из разобранных в книге схем пригодны не только для трансиверов прямого преобразования, но и для приемников, передатчиков, радиостанций, выпол­ненных на основе традиционных методов формирования и обработки сигнала. Например, задающие генераторы, смесители, модуляторы, усилители высокой и низкой ча­стоты, усилители мощности используются в любой связ­ной аппаратуре. Интересна собранная в книге информа­ция о фильтрах и ограничителях сигналов звукового диа­пазона. Она может быть полезна не только при разра­ботке систем и аппаратуры радиосвязи, но и телефонной связи по проводам.

Книга содержит всего три главы. В первой главе раз­бираются теоретические основы радиосвязи, способы формирования и приема сигналов. Изложение этих во­просов, с целью облегчения понимания материала, дано в сопровождении лишь самых элементарных математи­ческих выкладок. В первой главе приведены структур­ные схемы трансиверов, использующих метод прямого преобразования сигнала: простейшего телеграфного трансивера, однополосных фазовых и фазофильтровых телефонных трансиверов. Структурные схемы аппаратов сопровождаются описанием принципа их действия.

Вторая глава посвящена детальному разбору прин­ципиальных схем отдельных элементов трансиверов пря­мого преобразования. В ней описаны схемы и конструк­тивные особенности задающих генераторов, преобразо­вателей частоты и модуляторов, фазовращателей, филь­тров, ограничителей, усилителей высокой и низкой ча­стоты.

В третьей главе описаны шесть практических конст­рукций коротковолновых трансиверов различной слож­ности и на различные диапазоны волн — от 160 до 10 м. Даны эскизы их конструктивного выполнения и рекомен­дации по налаживанию. Все трансиверы опробованы при реальной работе в эфире, а некоторые из них уже неоднократно повторялись радиолюбителями.

Вероятно, книга заинтересует и подготовленных ра­диолюбителей-коротковолновиков, интересующихся раз­личными вариантами схемной и конструктивной реализа­ции трансиверов. Они также могут использовать приве­денные здесь описания либо целиком, либо как составные части для самостоятельно разрабатываемой аппаратуры.


^ ГЛАВА ПЕРВАЯ.


ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ТРАНСИВЕРОВ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ


1. ПРОСТЕЙШИЙ ТЕЛЕГРАФНЫЙ ТРАНСИВЕР


В любительской радиосвязи на KB и УКВ в настоящее время используются в основном два вида сиг­налов: телеграфные (CW) и однополосные (SSB). Оста­новимся сначала на первых. Телеграфные сигналы пред­ставляют собой длинные и короткие посылки синусои­дальных высокочастотных сигналов, соответствующие тире и точкам азбуки Морзе. Хотя телеграф и был изобретен полтора столетия назад, он остается самым «дальнобойным» и помехоустойчивым видом связи. Объясняется это тем, что телеграфный сигнал передается как бы в двоичном коде, где различаются всего два состояния — наличие и отсутствие сигнала. Для уверен­ного приема, т. е. различения этих состояний, достаточно отношения сигнал/шум или сигнал/помеха на выходе лриемника порядка единицы. Наименьшее еще допусти­мое отношение сигнал/шум получается при слуховом приеме, в основном и используемом радиолюбителями. Ограниченное распространение получил и любительский буквопечатающий прием (телетайп), помехоустойчи­вость которого несколько хуже.

Для слухового приема CW сигналов их можно снача­ла промодулировать по амплитуде в одном из высокочас­тотных каскадов приемника, а затем продетектировать обычным детектором AM (детектором огибающей). Такой способ приема, называемый модуляционным, имел неко­торое распространение в 30-х годах и до сих пор приме­няется в некоторых приемниках СВЧ и инфракрасного (ИК) диапазонов, т. е. на чрезвычайно высоких частотах, При модуляционном приеме высота принятого тона не зависит от частоты сигнала, поэтому сигналы двух близ­ких по частоте станций различить практически невозмож­но. Помехоустойчивость модуляционного приема невысо-» ка, поскольку часть энергии принимаемого сигнала теряется при модуляции, а детектор огибающей значи-» тельно ухудшает отношение сигнал/шум, особенно при слабых сигналах,

На KB гораздо эффективнее гетеродинный прием. В этом случае принимаемый сигнал преобразуется по частоте в звуковой диапазон, фильтруется, усиливается и воспроизводится телефонами или громкоговорителем. В супергетеродинном CW приемнике частота сигнала пре­образуется не менее двух раз — сначала в промежуточную (ПЧ), для этого служит первый смеситель, а затем, после усиления и фильтрации на ПЧ, в низкую звуко­вую. Последнее преобразование выполняет второй сме­ситель или второй детектор, связанный с телеграфным гетеродином. Таким образом, телеграфный супергетеро­дин является, по сути дела, гетеродинным приемником с двукратным или трехкратным преобразованием часто­ты. Преобразователи частоты — линейные элементы, не изменяющие отношения сигнал/шум (разумеется, если собственные шумы преобразователя достаточно малы). Поэтому отношение сигнал/шум на звуковой частоте при гетеродинном лриеме получается таким же, как и на входе приемника. Этим и объясняется высокая эффектив­ность данного способа приема.

Поясним сказанное примером. Пусть частота прини­маемого сигнала равна 7010 кГц. Для получения ПЧ 501 кГц частота первого гетеродина должна иметь значе­ние либо 7511 кГц, либо 6509 кГц. В первом случае первый смеситель вычитает частоту сигнала из частоты гетеродина, т. е. fm = fr — fc, во втором наоборот, т. е. fu4=fc — fr- После усиления трактом ПЧ сигнал преобра­зуется по частоте во втором смесителе, частота гетероди­на которого фиксирована и имеет значение 500 кГц. После второго преобразования образуется сигнал НЧ с частотой 1 кГц, подаваемый на оконечный УНЧ прием­ника. Отметим сразу же существенную для трансиверов особенность супергетеродинного приема: ни один из гете­родинов не работает на частоте, близкой к частоте сигна­ла, что не позволяет использовать гетеродины как задаю­щие генераторы при передаче без дополнительных час­тотных преобразований.

В отличие от супергетеродина приемник прямого пре­образования содержит только один смеситель, установ­ленный либо непосредственно на входе приемника, либо после УВЧ с небольшим коэффициентом усиления. Ге­теродин настраивается примерно на частоту сигнала, разница составляет 0,5...! кГц. На выходе смесителя вы­деляется сигнал звуковой частоты, подаваемый на фильтр нижних частот (ФНЧ), служащий для ослабле­ния сигналов соседних по частоте станций, и далее на УНЧ с большим коэффициентом усиления. В нашем при­мере при частоте сигнала 7010 кГц частота гетеродина должна составлять либо 7009, либо 7011 кГц. И в том и в другом случае преобразованная звуковая частота со­ставит 1 кГц. Гетеродин приемника прямого преобразо­вания с успехом может служить задающим генератором передатчика радиостанции. Небольшая дополнительная подстройка на частоту сигнала корреспондента, 7010 кГц в нашем примере, может осуществляться цепью незави­симой подстройки приемника, о которой будет рассказа­но далее.

Структурная схема простейшего телеграфного тран-сивера прямого преобразования показана на рис. 1. Приемник трансивера содержит входной контур или фильтр Z1 (преселектор), смеситель VI с гетеродином G-1, ФНЧ Z2 и УНЧ AL Звуковой сигнал в виде точек и ти­ре телеграфных посылок воспроизводится телефонами или громкоговорителем BL При передаче ключом S1 приводится в действие усилитель мощности А2, подни­мающий уровень мощности ВЧ сигнала гетеродина G1 до необходимого. Усиленный сигнал излучается антен­ной W1. Смеситель VI и усилитель НЧ приемника А1 на время передачи могут отключаться. Необходимы так­же средства защиты входных цепей приемника от мощ­ного сигнала передатчика. Полезными добавлениями мо­гут явиться цепи независимой подстройки гетеродина при приеме и цепь самоконтроля. Последняя представ­ляет собой маломощный звуковой генератор, связанный с оконечными каскадами УНЧ или непосредственно с те­лефонами и включаемый при нажатии ключа. Генератор позволяет контролировать качество и четкость собственной работы на ключе.



^ Рис. 1. Структурная схема телеграфного трансивера


Рассмотрим более подробно назначение отдельных узлов, показанных на структурной схеме. Входной фильтр Z1 нужен для предварительной селекции при­нимаемого сигнала. Чаще всего он выполняется непере­страиваемым, с полосой пропускания, соответствующей частотной полосе довольно узких любительских диапазо­нов. Затухание фильтра за пределами полосы пропуска­ния должно быть по возможности больше. Это умень­шает вероятность появления перекрестных и интермоду­ляционных помех, создаваемых мощными служебными и радиовещательными станциями. Самым ответственным узлом приемника является смеситель VL Он должен преобразовывать сигналы принимаемых станций по ча­стоте, но ни в коем случае не детектировать их. Иначе приемник прямого преобразования превращается в обыч­ный детекторный с УНЧ, и в телефонах будет слышна передача наиболее мощной в диапазоне станции незави­симо от частоты настройки гетеродина. По этой причине для приемника прямого преобразования непригодны смесители, выполненные по однотактной схеме на од­ном диоде или транзисторе. Прямое детектирование го­раздо меньше сказывается в балансных и кольцевых смесителях, а также в смесителях на встречно-парал­лельных диодах или полевых транзисторах, особенно ре­комендуемых для приемников прямого преобразования. Частота гетеродина для смесителей такого типа должна быть вдвое ниже частоты сигнала, что повышает раз­вязку входных и гетеродинных цепей, а также уменьша­ет влияние наводок на гетеродин со стороны усилителя мощности.

ФНЧ ^ Z2, установленный на выходе смесителя, опре­деляет кривую односигнальной селективности всего при­емника. Чаще всего используют одно- или двухзвенный LC фильтр нижних частот с частотой среза 2,7...3 кГц. Частоты ниже 300 Гц хорошо ослабляются в УНЧ при соответствующем выборе емкостей переходных конден­саторов. Результирующая полоса пропускания ФНЧ и УНЧ соответствует общепринятой в любительской прак­тике полосе низкочастотного телефонного канала 0,3...3 кГц. Кривая селективности приемника при таком выборе полосы ФНЧ и УНЧ показана на рис 2, а. Бу­дут приниматься сигналы с расстройками ±0,3...3 кГц относительно частоты гетеродина. Наличие двух боко­вых полос приема является существенным недостатком приемной части простого трансивера прямого преобразо­вания. При вращении ручки настройки, т. е. при изме­нении частоты гетеродина, например вверх, тон сигна­лов станций, расположенных в верхней боковой полосе приема (ВБП) будет понижаться, а в нижней (НБП) — повышаться. При некотором навыке это позволяет рас­познать, в какой боковой полосе приема расположен сиг­нал нужной станции.



^ Рис. 2. Кривая селективности:

a - соответствующая общепринятой полосе низкочастотного телефонного ка-ала; б — приемника с узкополосным фильтром


Селективность приемника для телеграфных сигналов можно повысить, установив между каскадами УНЧ (лучше всего между первым и вторым) узкополосный НЧ фильтр с центральной частотой 700...1000 Гц. При приеме телефонных сигналов фильтр должен отключать­ся. Кривая селективности приемника с узкополосным фильтром приобретает вид двух узких пиков, как пока­зано на рис. 2, б. В этом случае заметно облегчается процесс выделения сигнала нужной станции в «густона­селенных» диапазонах. Вероятность же попадания ча­стоты мешающей станции на частоту соседнего, нерабо­чего пика кривой селективности сравнительно невелика. При использовании узкополосного фильтра значительно возрастают требования к стабильности частоты гетеро­дина и к плавности хода механизма настройки, иначе поиск желаемых станций будет затруднен.

В простом трансивере (рис. 1) принимаемый сигнал усиливается только в УНЧ, поэтому его коэффициент усиления должен быть довольно большим, от 104 до 106. Стабильное усиление такого порядка при использовании современных транзисторов и микросхем, а также при ра­циональном монтаже и расположении деталей получить несложно. Чувствительность приемной части трансивера даже без УВЧ можно довести до долей микровольта. При этом смеситель и первый каскад УНЧ необходимо выполнить на малошумящих элементах (диодах и тран­зисторах). Тракт сигнала от антенны до первого усили­тельного каскада должен вносить минимальные потери, что достигается сквозным согласованием сопротивлений входного фильтра, смесителя, ФНЧ и УНЧ. Подробнее об особенностях конструирования приемников прямого преобразования можно прочитать в литературе [1].

Гетеродин трансивера остается включенным постоян­но как при передаче, так и при приеме. Собственно же передающая часть получается очень простой — это уси­литель мощности высокочастотных колебаний, выпол­ненный по какой-либо стандартной схеме. Содержит он обычно от одного до трех каскадов усиления, связан­ных между собой резонансными контурами низкой доб­ротности или широкополосными трансформаторами. В случае если гетеродин трансивера работает на поло­винной частоте сигнала, первым каскадом в усилителе мощности должен быть удвоитель частоты. Все каскады усилителя включаются только при нажатии телеграфно­го ключа.

Описанный трансивер, отличаясь предельной просто­той, имеет и ряд других важных достоинств. Во-первых, благодаря общему гетеродину и приемник и передатчик перестраиваются по частоте синхронно, обеспечивая так называемую «одноручечную» настройку. Услышав сиг­нал корреспондента, достаточно нажать ключ, чтобы по­звать его, не делая никаких дополнительных регулиро­вок или подстроек. Во-вторых, при отжатии ключа тран­сивер автоматически переходит на прием, т. е. получает­ся полудуплексный режим работы. Сигналы корреспон­дента при этом можно слушать даже в паузах между собственными посылками. Имеются, однако, и недостат­ки. Чтобы нормально принимать.сигнал корреспондента, гетеродин трансивера надо настроить на 0,5...! кГц вы­ше или ниже его частоты. Следовательно, и передача будет вестись на частоте, несколько отличающейся от частоты корреспондента. Этот недостаток не имеет боль­шого значения при связи с использованием двух одно­типных трансиверов, выполненных по схеме рис. 1, просто один из трансиверов будет настроен несколько ни­же, а другой несколько выше по частоте. Проблемы воз­никают при ответе корреспондента точно на частоте ва-. шего вызова — не перестроив трансивер, этот ответ при­нять нельзя, поскольку ответный сигнал попадает на ча­стоту «нулевых биений». Вопрос полностью решается при установке в трансивер цепи независимой подстройки приемника, позволяющей изменять частоту гетеродина в небольших пределах (±5...15 кГц) только при приеме. Другой недостаток простого трансивера связан с на­личием двух боковых полос приема (рис. 2). Одну из них можно подавить методами фазовой селекции, кото­рые мы рассмотрим в третьем разделе этой главы. Эти методы применяются при передаче и приеме однополос­ных (SSB) сигналов в трансиверах прямого преобразо­вания. Поэтому рассмотрим сначала особенности теле­фонной связи с использованием модулированных сиг­налов.


^ 2. МОДУЛЯЦИЯ И ПРИЕМ МОДУЛИРОВАННЫХ

ТЕЛЕФОННЫХ СИГНАЛОВ


Немодулированный ВЧ сигнал (несущая) сам по себе не несет никакой информации. Для передачи те­леграфного сообщения ВЧ сигнал манипулируют в соот­ветствии с кодом Морзе. Для передачи же телефонного сообщения несущую необходимо модулировать, т. е. из­менять в такт со звуковым напряжением параметры ВЧ сигнала — амплитуду, частоту или фазу. Чисто угловая модуляция, частотная или фазовая, на КБ в настоящее время не используется, поскольку ширина спектра сигна­ла, т. е. полоса частот, занимаемая радиостанцией в эфи­ре, получается излишне широкой. Поэтому рассмотрим амплитудную модуляцию (AM) сигнала.

Пусть звуковое напряжение, поступающее от микро­фонного усилителя, описывается функцией s (t), причем будем полагать, что — l
UАМ(t) = [1+ms(t)]A0cos (wо+ф0), (1)

где т — коэффициент модуляции, 0
A0 — амплитуда высокочастотной несущей;

w0 = 2пf0 — угловая частота несущей; Фо — начальная фаза несущей.

При s(t) = 0 или m = 0 модуляция отсутствует, и передат­чик излучает немодулированную несущую:

u0(t)=A0cos (wоt+ф0). (2)

График AM сигнала при модуляции синусоидальным звуковым напряжением

s(t)=cosQt (3)

показан на рис. 3. Как видно из рисунка, а также из формулы (1), при AM непрерывно передается несущая, которая информации не несет и нужна только для нор­мальной работы амплитудного детектора в приемнике. На передачу несущей тратится, даже при очень глубокой модуляции (m-> 1), более половины излучаемой мощно­сти. Спектр AM сигнала при синусоидальной модуляции легко найти, подставив (3) в (1) и проведя тригонометри­ческие преобразования:





^ Рис. 3. AM сигнал


Спектр содержит три частоты: несущую f0, верхнюю бо­ковую fо+F и нижнюю боковую fo — F, как показано на рис. 4, а. (Напомним, что w0 = 2пf0 и Q = 2пF.) Если несу­щая промодулирована не чистым тоном, а звуковым си­гналом, занимающим некоторый спектр, то обе боковые полосы симметрично отображают этот спектр, как показано на рис. 4, б условными треугольниками. Легко ви­деть, что полоса частот, занимаемая в эфире AM стан­цией, вдвое шире необходимой, соответствующей ширине спектра звукового сигнала.



^ Рис. 4. Спектр AM сигнала:

а — синусоидальная модуляция; б — модуляция звуковым сигналом


Вся информация о звуковом сигнале содержится в каждой из боковых полос. Поэтому для передачи теле­фонного сообщения достаточно излучать спектр частот, соответствующий одной из боковых полос, верхней или нижней. При этом получается четырехкратный выигрыш по мощности сигнала по сравнению с AM при т = 1, поскольку половина мощности при AM тратится на пере­дачу несущей, а оставшаяся половина делится поровну между двумя боковыми полосами. Дополнительный дву­кратный выигрыш получается в приемнике, так как мощ­ность шумов и помех в полосе SSB (3 кГц) вдвое меньше, чем в полосе AM (6 кГц). Таким образом, переход к од­нополосной модуляции (SSB) дает восьмикратный вы­игрыш по мощности сигнала. В условиях селективных замираний, характерных для KB диапазонов, выигрыш получается еще больше и оценивается примерно в 16 раз (12 дБ).

Если из AM сигнала исключить несущую, получается двухполосный сигнал с подавленной несущей (DSВ си­гнал). Выполнить это технически довольно просто — до­статочно установить в передатчике балансный модуля­тор. Математически он выполняет операцию перемноже­ния напряжений звукового сигнала и несущей:

(4)

Форма ^ DSB сигнала при модуляции синусоидальным колебанием (3) показана на рис. 5. Дважды за период модуляции амплитуда DSB сигнала падает до нуля, и в эти моменты фаза высокочастотного заполнения меняет-

ся на обратную. Спектр DSB сигнала легко получить из (4), подставив выражение для синусоидального моду­лирующего сигнала (3) (для простоты положим фо=0):



Как и следовало ожидать, он содержит лишь две спект­ральные составляющие на частотах coo±fi, как показано на рис. 6, а. При модуляции спектром звуковых частот образуются две боковые полосы, такие же, как у AM сигнала, но без несущей (рис. 6,6). Оценим выигрыш по мощности при переходе от AM к DSB. Устранение несу­щей дает двукратный выигрыш. В детекторе приемника амплитуды боковых полос складываются, что увеличи­вает мощность НЧ сигнала по сравнению с мощностью одной боковой в 4 раза, тогда как независимые шумы двух боковых полос складываются по мощности. Это дает еще двукратный выигрыш над AM и общий выигрыш получается в 4 раза.



^ Рис. 6. Спектр DSB сигнала: а — синусоидальная модуляция; б — модуляция звуковым сигналом


Таким образом, при равных пиковых мощностях пере­датчика переход к DSB дает четырехкратный, а к SSB — восьмикратный выигрыш. Однако средняя излучаемая мощность при DSB получается вдвое меньше, чем при SSB за счет периодического уменьшения амплитуды из­лучаемого сигнала до нуля (см. рис. 5). При одинако­вых же средних мощностях передатчика, или при одина­ковых мощностях, подводимых к оконечному каскаду от источника питания, DSB и SSB модуляция эквивалентны по выигрышу и оказываются намного эффективнее AM. В паузах речи DSB и SSB передатчики не излучают, а это повышает их экономичность и снижает общий уро­вень помех в эфире.



^ Рис. 7. Структурная схема DSB. передатчика



Рис. 8. Структурная схема фильтрового SSB передатчика


Структурная схема DSB передатчика (рис. 7) чре­звычайно проста. Он содержит задающий генератор G1, который может содержать также буферные каскады и умножители частоты, балансный модулятор U1 и выход­ной усилитель мощности А1. Второй вход балансного модулятора соединен с микрофонным усилителем А2. Часто балансную модуляцию осуществляют в выходном мощном двухтактном каскаде.

Сформировать ^ SSB сигнал значительно сложнее. Находят применение два способа — фазовый и фильтровый. Структурная схема фазового SSB передатчика не отли­чается от показанной на рис. 7, за исключением того, что вместо балансного модулятора U1 должен использовать­ся однополосный модулятор, который мы рассмотрим в следующем разделе.

Фильтровый передатчик (рис. 8) содержит кварцевый генератор ^ G1, балансный модулятор U1 и микрофонный усилитель А2. DSB сигнал с выхода модулятора U1 по­дается на узкополосный кварцевый или электромеханиче­ский фильтр (ЭМФ), выделяющий одну боковую полосу спектра сигнала. Поскольку фильтр с полосой пропуска­ния 2,1 ... 3 кГц можно выполнить только на фиксиро­ванную частоту f1, обычно 500 кГц для ЭМФ и 3...9 МГц для кварцевых, необходимо еще одно преобразование частоты, осуществляемое смесителем U2. Частота пере­страиваемого гетеродина G2 подбирается такой, чтобы сумма или разность частот f1 и f2 попала в рабочий диа­пазон.

К недостаткам фильтрового SSB передатчика отно­сятся сложность схемы и наличие побочных каналов из­лучения, возникающих на частотах гетеродинов и комби­национных частотах при многократном преобразовании частоты. Например, при первой ПЧ fr = 500 кГц для пе­реноса SSB сигнала на высокочастотные диапазоны 14 ... 28 МГц при условии хорошей фильтрации побоч­ных продуктов двух преобразований уже недостаточно, и в схему рис. 8 приходится вводить еще один смеситель с кварцевым гетеродином. Трансиверы, использующие фильтровый метод, еще сложнее, поскольку в приемнике трансивера необходимо установить столько же преобра­зователей частоты, сколько их имеется в передатчике. Лишь гетеродины и фильтры получаются общими для передатчика и приемника. Естественно, что приемник трансивера получается супергетеродинным, по крайней мере с двухкратным преобразованием частоты.

Рассмотрим теперь способы приема модулированных сигналов. AM сигналы детектируются общеизвестным де­тектором огибающей,, таким же, как в любом радиовеща­тель-ном приемнике. Естественно, что до детектирования AM сигнал должен быть усилен до значительного уровня (0.,1 ... 1 В), поэтому AM приемники обычно выполняют по супергетеродинной схеме. При приеме DSB сигналов с подавленной несущей последняя восстанавливается в

тракте ПЧ самого приемника. Казалось бы, что приемник трансивера прямого преобразования (см. рис. 1), обла­дающий кривой селективности, как на рис. 2, идеально подходит для приема DSB сигнала со спектром рис. 6, б. На самом деле это не так. Даже при точной настройке гетеродина на частоту подавленной несущей w0 его коле­бания будут иметь произвольный фазовый сдвиг ф. На­пряжения DSB сигнала и гетеродина приемника можно записать следующим образом:



Смеситель приемника осуществляет операцию перемно­жения этих сигналов:



ФНЧ на выходе смесителя выделяет только НЧ сигнал, соответствующий первому слагаемому, и отфильтровыва­ет сигнал с удвоенной частотой 2w0. Звуковое напряже­ние НЧ оказывается пропорциональным косинусу разно­сти фаз напряжений сигнала и гетеродина:



Оно максимально при ф = 0° и ф — 180°, но обращается в нуль при ф = 90° и 270°. Физически это явление объясня­ется тем, что две боковые полосы DSB сигнала преобра­зуются в смесителе независимо друг от друга и склады­ваются на его выходе. При этом верхняя боковая полоса приобретает фазовый сдвиг — ф, поскольку частота и фаза гетеродина вычитаются из частоты и фазы сигнала (последняя принята за нулевую). Нижняя боковая при­обретает фазовый сдвиг +ф. При ф = 90° или 270° НЧ колебания от двух боковых полос получаются противо­фазными и компенсируют друг друга. Существуют спо­собы и схемы для приема DSB сигналов с автоматиче­ской подстройкой частоты и фазы гетеродина по прини­маемому сигналу. В радиолюбительской практике они пока не использовались. А без автоподстройки при существующей стабильности частоты любительских передат­чиков точная фазировка колебаний гетеродина практиче­ски невозможна. Если частоты гетеродина и подавленной несущей совпадают не точно, то сдвиг фазы ф непрерыв­но изменяется во времени (ф = Qt, где Q — расстройка частот) и амплитуда НЧ сигнала периодически изменя­ется от максимума до нуля. Это заметно ухудшает раз­борчивость и качество принимаемого сигнала.

DSB сигнал без всяких затруднений принимается на однополосный приемник. В этом случае для приема ис­пользуется только одна боковая, а другая либо отфиль­тровывается (в супергетеродине), либо подавляется фа­зовым методом (в приемнике прямого преобразования). Точно так же, без всяких затруднений, принимаются и SSB сигналы на простейший приемник или трансивер прямого преобразования, выполненный, например, по схеме рис. 1. Неиспользуемая боковая полоса приема служит только источником помех, и ее желательно пода­вить. В трансиверах прямого преобразования это удоб­нее всего сделать фазовым методом.

1>
^ 3. ФАЗОВЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ

И ПРИЕМА SSB СИГНАЛОВ


Рассмотрим сначала фазовый формирователь 55В сигнала. Его структурная схема показана на рис. 9. НЧ сигнал от микрофонного усилителя подается на ши­рокополосный НЧ фазовращатель U1, создающий отно­сительный фазовый сдвиг 90° между выходными сигна­лами. Напряжение гетеродина также проходит через ВЧ фазовращатель U4. Сдвинутые по фазе НЧ и ВЧ сигналы попарно смешиваются в балансных модуляторах U2 и U3, а затем складываются на выходе формирователя. Обозначим НЧ сигнал как Aс cos Qt, а ВЧ сигнал как Aг cos wt. Сдвинутые по фазе на 90° сигналы будут выра­жаться функциями AC sin Qt и Аг sin wt. После перемно­жения в модуляторах и суммирования получаем выход­ное напряжение формирователя:

Uс=A0Aг(cos Qt*cos wt+sin Qt*sin wt) =AСAГcos (w — Q)t.

Оно соответствует нижней боковой полосе сигнала. Легко убедиться, что переключение выводов одного из фазо­вращателей (рис. 9) приведет к подавлению нижней и выделению верхней боковой полосы.

Работу формирователя можно пояснить также сле­дующими соображениями: при преобразовании частоты верхняя и нижняя боковые полосы (ВВП и НБП) имеют нулевой фазовый сдвиг в смесителе U2. В смесителе U3 сигналы НЧ и ВЧ имеют фазовый сдвиг по + 90° каж­дый. Частоты нижней боковой образуются по закону fHBП=f — F, фазы сигналов также вычитаются. В ре­зультате сигнал НБП на выходе смесителя U3 имеет такую же (нулевую) фазу, как и на выходе U2. Выход­ные напряжения смесителей на НБП складываются. Для ВВП частоты преобразуются по закону fВБП = f +F, фазы сигналов также складываются. Фаза колебаний ВВП на выходе смесителя U3 оказывается равной 180°, т. е. они противофазны колебаниям ВБП на выходе сме­сителя U2. В результате полученные напряжения взаим­но компенсируются и ВБП подавляется.



^ Рис. 9. Фазовый формирователь SSB сигнала


Полная компенсация одной из боковых полос в фазо­вом формирователе SSB сигнала возможна лишь при условии, что амплитуды сигналов на выходах двух сме­сителей (модуляторов) равны, а фазовые сдвиги входных сигналов составляют точно 90°. На практике, разумеется, эти условия не выполняются и подавляемая боковая по­лоса компенсируется не полностью. Ориентировочные значения допустимого разбаланса смесителей по ампли­тудам и фазам приведены в табл. 1.


Таблица 1

^ Подавление боковой, дБ

60

50

40

30

20

Амплитудный разбаланс, %

0,2

0,6

2

6,5

22

Отклонение фазы, град.

0,1

0,3

1,1

3,7

11,3


В любительской практике вполне достаточно подавле­ние нежелательной боковой на 40 дБ, при котором ам­плитудный и фазовый разбаланс могут составить 2 % и 1,1° соответственно. Точность установки амплитуд на вы­ходах обоих фазовращателей и фазового сдвига ВЧ фа­зовращателя на фиксированной частоте зависят только от тщательности регулировки и стабильности элементов. Получить же постоянный фазовый сдвиг в широкой по­лосе НЧ теоретически невозможно. Отклонения фазы НЧ сигнала зависят от вида (порядка) фазовращателя, например для фазовращателя четвертого порядка откло­нение фазы получается не более 1° в десятикратной по­лосе частот 0,3 ...3 кГц. Конкретные схемы и принцип действия фазовращателей рассмотрены далее.

Если в формирователе рис. 9 применяются только пассивные элементы, т. е. отсутствуют однонаправленные смесительные или усилительные каскады, то устройство оказывается обратимым. При подаче на его выход SSB сигнала на НЧ входе выделяется демодулированный НЧ сигнал. Однако если на передачу формирователь выде­ляет нижнюю боковую полосу, то при приеме он будет выделять верхнюю, и наоборот, В этом легко убедиться, выписав тригонометрические формулы или используя рассуждения, подобные приведенным выше. Поэтому в схеме рис. 9 одновременно с переходом на прием надо коммутировать ветви одного из фазовращателей.



Рис. 10. Обратимый фазовый формирователь


Схема полностью обратимого устройства, выделяю­щего и при передаче, и при приеме одну и ту же боковую полосу, приведена на рис. 10. Здесь ВЧ фазовращатель установлен в цепях SSB сигнала, а напряжение гетеродина подается на балансные модуляторы (смесители) в одной и той же фазе. При работе устройства на пере­дачу к смесителям U2 и U3 от НЧ фазовращателя под­водятся сигналы Ас cos Ш и Лс sin Ш соответственно. На выходе смесителя U2 образуется сигнал



а на выходе U3 соответственно



После сдвига на 90° в ВЧ фазовращателе синусы соот­ветствующих аргументов превращаются в косинусы с изменением знака и сигнал, поступающий от смесителя U3, приобретает вид:



Складывая выходные сигналы фазовращателей, полу­чаем:



т. е. нижнюю боковую полосу сигнала. Легко также убе­диться, что переключение ветвей одного из фазовраща­телей меняет знаки у одного из слагаемых, т. е. приводит

к выделению верхней боковой полосы. При приеме сиг­нала с частотой, лежащей в пределах верхней боковой полосы, к смесителю ^ U2 от ВЧ фазовращателя подво­дится сигнал Aс cos(w+Q)t, а к смесителю U3 сигнал Ac sin(w + Q)t. После преобразования на выходах сме­сителей получаются сигналы:



Составляющие с удвоенными частотами отфильтровы­ваются, а НЧ компоненты складываются после прохож­дения через НЧ фазовращатель, где функция sin Qt после сдвига по фазе на 90° превращается в — cos Ш. В результате выходной сигнал оказывается равным нулю. При приеме нижней боковой полосы на выходах смесителей U2 и U3 получаются сигналы:



(Напомним, что cos ф является четной функцией и соs( — ф) = соs ф, тогда как sin ф — нечетная функция и sin( — ф) = — sin ф) После сдвига последнего сигнала по фазе на 90° и сложения получим инч = AсAгсоsQt, т. е. демодулированный НЧ сигнал Устройство по схеме рис. 10 особенно удобно для трансиверов, поскольку тре­бует минимального числа переключений при переходе с перед