КВ приемник мирового уровня? Это не очень просто!

Всеволновый АМ, ЧМ, SSB радиоприёмник для диапазона 0...146 МГц

Как я и обещал, в этой статье мы будем строить простой всеволновый приемник, работающий с различными видами модуляции и вполне доступный для повторения радиолюбителями, имеющими определенный навык работы с паяльником, принципиальными схемами и измерительными приборами.

Вдаваться в теорию радиосвязи и знакомить с азами электроники и радиотехники в рамках этой статьи я не возьмусь, для этого имеется большое число хорошей литературы, написанной без фонетических шероховатостей и матерных излишеств разными умными людьми.

В оппоненты я пригласил начинающего радиолюбителя, живо интересующегося радиосвязью, гуляющего по форумам и имеющего определенную теоретическую подготовку.

Автор: Привет!

Оппонент: Привет! Как дела?

Автор: Вашими молитвами. Но не будем отвлекаться на любезности - перейдем сразу к делу. Набросал намедни структурную схему радиприемника, рекомендую ознакомиться.


Рис.1 Структурная схема всеволнового АМ, ЧМ, SSB радиоприёмника

Оппонент: Обычная схема, ничего особенного, таких я видел много, хотя на вид, конечно, попроще, чем у "приемника мирового уровня".

Автор: Значительно попроще, но главная плодотворная дебютная идея здесь состоит в выборе первой промежуточной частоты. Обрати внимание, не 55,5 МГц, как в упомянутом приемнике Кульского, не 55,845 как в Дегенах и Туксанах, а 43 Мгц. "Что за магическая цифра?"- предвижу я вопрос, "и чем она лучше любой другой?". Да тем, что при перестройке гетеродина в пределах 43-103 Мгц, мы охватываем нашей схемой ДВ-СВ-КВ диапазон от 0 гц-30 Мгц, а зеркальным к нему оказывается канал 86-146 Мгц. То есть, простым переключением входных фильтров с НЧ на ВЧ, мы дополнительно к нижнему диапазону добавляем вещалки на УКВ 87,5-108МГц, авиадиапазон 118-137 Мгц и любительский 2 м диапазон на 144-146 МГц.

Оппонент: И что, кого-то можно услышать на 2м диапазоне?

Автор: Имеющий уши, да что-нибудь услышит.
Бывают тут и "круглые столы" с обсуждением философских вопросов типа: “Где взять заземление?”, и трепетное ностальгирование по забытому вкусу портвейна "Агдам", и бескомпромиссная борьба за чистоту эфира некоего Семёна Ильича, позиционирующего себя как опытного радиолюбителя с позывным, авторитет которого завоёван не в сортирах местной администрации Роскомнадзора, а с паяльником в руках и собственной работы антенной в огороде.
Борьба эта, как основа морально-воспитательной воли радиолюбителя, сводится к сорокаминутному обкладыванию половыми органами некоего корреспондента за "влезание на чужую частоту и засерание эфира".
Корреспондент в свою очередь тоже не отсиживается в окопе, и злобно пробиваясь сквозь эфирные шумы, кладёт со своим прибором и на Семёна Ильича, и на его позывной, и на весь Роскомнадзор со всеми его структурами и "старыми пердунами".
В общем, обычная жизнь обычного радиолюбительского диапазона.

Оппонент: Не вижу на схеме ни одной системы АРУ, а в приемнике "мирового уровня" их применено аж две штуки. В чем подвох?

Автор: Да нет подвоха. АРУ, конечно, вещь полезная, но давайте разберемся, когда и для чего нужна автоматическая регулировка усиления.
Во-первых, АРУ позволяет избежать перегрузку усилителя низкой частоты при в резком изменении уровня принимаемого сигнала и делает прослушивание эфира более комфортным.
Во-вторых, предотвращает интермодуляционные искажения, возникающие во входных цепях, смесителях и УПЧ приемника при достижении уровня сигнала на антенном входе определенной критической величины.

Теперь давайте рассуждать логически. Я, например, очень сильно сомневаюсь в том, что начинающий радиолюбитель с данным приемником будет использовать полноразмерную коротковолновую антенну, скорее всего - это будет либо комнатная антенна, либо кусок провода произвольной длины, выкинутый в окно. В таких суррогатных антеннах большие величины ЭДС не наводятся, конечно, если кусок провода вдруг не оказался равным половине длины волны (например 20 метров на 7 Мгц диапазоне), либо за стеной не стучит морзянку вражеский шпион, но вероятность таких событий мне кажется не очень высокой. К тому же, у нас входе приемника стоит переменный резистор, включенный правда не совсем по учебнику, и предназначенный в большей степени для согласования произвольного волнового сопротивления нашего куска провода с, извините, характеристическим сопротивлением входных фильтров, но вполне справляющийся с функцией ослабления чрезмерно мощного входного сигнала.

Поедем дальше. Фильтры у нас пассивные, а смесители, давайте договоримся - с приличными динамическими характеристиками. Хорошо, выдохнули, перегружаться пока нечему. Теперь самое уязвимое, с точки зрения интермодуляционных искажений, место нашего радиоприемника - УПЧ, именно его в большинстве конструкций охватывают АРУ. Но ведь, если не задаваться целью получения от этого узла большого усиления, а сделать его, главным образом, ответственным за селективные свойства нашего аппарата, то и здесь никаких проблем не возникает.

Оппонент: Так какое усиление должен иметь УПЧ и, если, оно будет невелико, за счет чего мы обеспечим показатели чувствительности?

Автор: Навскидку его значение примем таким, чтобы общее усиление каскадов от антенного входа до выхода УПЧ было равно 10 по напряжению. Почему 10? А потому, что сигнал с выхода УПЧ уже не тот, что поступает на вход приемника, а узкополосный, тщательно отфильтрованный нашими входными и кварцевыми фильтрами и, даже, будучи усиленным в 10 раз, не создаст никаких проблем последующим каскадам.

Предположим, что мы хотим построить качественный радиоприемник в большом деревянном корпусе и ждем от него такого же звука, как от какого-нибудь легендарного лампового Грюндика. Это касается прежде всего УКВ ЧМ диапазона, поэтому каскад, ответственный за детектирование ЧМ сигнала должен быть продуман особенно щепетильно. Хотя и продумывать здесь ничего не надо, а надо просто впаять недорогую микросхему К174ХА6 (или какой-нибудь импортный аналог) по стандартной схеме включения и наслаждаться звуком приемника высшего класса.
Чувствительность К174ХА6 составляет 60-80 мкв, что в совокупности с усилением предыдущих каскадов, даст общую чувствительность устройства- 6-8 мкв. По-моему, вполне пристойно. К тому же, в подобных микросхемах, на входах стоят усилители-ограничители, которые делают амплитуду выходного сигнала независимой от уровня ВЧ сигнала, поэтому в данном диапазоне применение схемы АРУ будет абсолютно лишним.

Теперь, что касается SSB. Детектор SSB сигнала представляет собой, как правило, простой смеситель с переносом сигналов промежуточной частоты в область звуковых частот и усилитель звуковой частоты, коэффициент усиления которого, как и его шумовые характеристики, определяют чувствительность тракта. Такой усилитель легко реализовать на малошумящем операционном усилителе, а к нему уже, посредством присоединения двух диодов и полевого транзистора в режиме переменного резистора, добавить простейшую, но весьма эффективную схему АРУ.

Самая грустная песня связана с детектором АМ сигнала. Учебники учат нас, что для нормальной работы амплитудного детектора необходим могучий УПЧ с эффективной системой АРУ и обладающий коэффициентом усиления 80-120 дб. Именно коэффициент усиления такого УПЧ и определяет чувствительность приемника. Но мы ведь не относимся к тем, кто не ищет простых путей. А кто ищет — тот всегда найдет! (из "Песни о весёлом ветре"), а я бы добавил: И выпьет!
Америкашки все придумали за нас. Замечательная микросхема AD8307 представляет собой логарифмический усилитель и детектор в одном флаконе. Чувствительность такой микросхемы - около 40 мкв при динамическом диапазоне 92 dB, что в совокупности с усилением предыдущих каскадов, выдаст на-гора 4 мкв общей чувствительности.
Поскольку усилитель внутри этой микросхемы - логарифмический, ждать от этого АМ тракта хай-эндовского звучания не приходится, но поверьте, не дождетесь вы его на КВ диапазонах и от профессиональных приемников, сделанных по всем канонам жанра. Зато эта логарифмическая характеристика усилителя избавляет нас от необходимости применения системы АРУ.
Справедливости ради сообщу, что первым данную микросхему, предназначенную для контроля уровня ВЧ-сигнала в радиоприемном тракте, применил Нидерландский радиолюбитель Gert Baars в журнале Elektor Electronics 7-8/2009, а потом, в журнале Радиоконструктор 10/2009 оперативно подсуетился уже наш автор А. Иванов, за что ему большое человеческое спасибо.

Вот ведь, вроде бы простой вопрос про АРУ, а пришлось описать почти всю работу приемника.

Оппонент: Да, с этим более-менее понятно, а смесители, я так понимаю, будут двойными балансными на диодах. Их везде рекламируют как самые высокодинамичные и малошумящие. Видел много схем высококачественных приемников с использованием смесителей на диодах Шоттки. В Дагенах, по-моему, тоже такие стоят.

Автор: Ты прав, мой друг Горацио! - хотел бы воскликнуть я, но пока воздержусь. Диодные кольцевые, они же двойные балансные смесители всем хороши - и быстродействующи, и малошумящи, и любимы разработчиками, но в нашем случае не подходят, так как включают в себя широкополосные трансформаторы (ШПТ), в том числе и по входу. А по входу у нас стучится полоса радиочастот в диапазоне 100 кгц - 146 Мгц, в надежде быть обработанной нашим смесителем. Трансформатор с таким коэффициентом перекрытия по частоте не снился даже старику Рэду, при всей его любви к радиочастотной аппаратуре. Кстати, очень рекомендую всем радиолюбителям, независимо от уровня подготовки, ознакомиться с его книгой "Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике", очень многие вопросы и утомительные обсуждения на форумах отпочкуются за ненадобностью.

Но, если не двойной балансный смеситель на диодах, то что еще нам может обеспечить высокие динамические характеристики без применения трансформаторов? Очень просто - двойной балансный смеситель на транзисторах, а конкретно микросхема фирмы Philips Semiconductors - SA612A. Голландский производитель постарался и выпустил для нас микросхему с динамическим диапазоном 85-90дб и диапазоном входных частот 0-500 Мгц, да еще и обладающую усилением в 17 дб. Ясен пень, необходимость ШПТ в таком смесителе отсутствует. Отличная микросхема и недорогая.

Оппонент: Это хорошо, что недорогая, но есть у меня еще вопрос по поводу входных диапазонных фильтров. Где-то их ставят, где-то нет, в приемнике "мирового уровня" их восемь штук. Есть ли смысл ставить эти фильтры в нашей схеме?

Автор: Смысл может быть и есть, но его так же мало, как крабов в крабовых палочках.
Хотя нет, был не прав, вспылил, считаю своё высказывание безобразной ошибкой.
Всё-таки не зря в очень дорогих моделях радиоприёмников эти фильтры присутствуют, причём часто делаются с возможностью отключения.
Возникают ситуации, когда они оказывают незаменимую помощь в отделении полезного сигнала от мощных внеполосных помех, но в рамках этой статьи мы не станем копать слишком глубоко, а рассудим также, как разработчики агрегатов средней ценовой категории.

Тут все просто, и много времени не займет.

Диапазонные фильтры необходимы в супергетеродинных приемниках с низкой промежуточной частотой для обеспечения мало-мальски приемлемой избирательности по зеркальному каналу (обычно 20-30 дб), а в приемниках прямого преобразования - для подавления побочных каналов приема на частотах, кратных частоте гетеродина.
А теперь внимательно смотрим на структурную схему нашего радиоприемника (рис.1) и видим - у нас не приемник прямого преобразования, не супергетеродинный приемник с низкой промежуточной частотой, не электрический чайник, а технически продвинутый агрегат, соответствующий последним веяниям супергетеродиностроения - с двойным преобразованием частоты и высокой первой промежуточной частотой. Да, у него как и любого супергетеродина есть зеркальные каналы приема, но частоты этих каналов разнесены между собой на очень большую величину, а именно на двойную величину промежуточной частоты.
То есть, если частота гетеродина, к примеру, равна 44 Мгц, наш первый смеситель, нагруженный полосовым фильтром 43 Мгц увидит входные частоты 44-43=1 Мгц и 44+43=87 Мгц по зеркальному каналу. Легко заметить, что скрупулезно рассчитанные переключаемые фильтры НЧ и ВЧ на входе приемника способны обеспечить избирательность по зеркальному каналу 70-80 дб.
Возникают у нас зеркалки и по второй ПЧ-10,7 Мгц. С ними успешно борется полосовой фильтр, настроенный на 43 Мгц, причем его не обязательно делать кварцевым, двух-трехзвенный фильтр на связанных резонансных контурах способен обеспечить величину избирательности по второй ПЧ порядка 60-70 дб.

Остается только добавить, что за избирательность по соседнему каналу отвечают кварцевые или пьезокерамические переключаемые фильтры на 10,7 Мгц, имеющие на каждый вид модуляции свою полосу пропускания (для широкополосной УКВ ЧМ модуляции- стандартные с полосой около 100 кгц, для АМ- 10-16 кгц, для SSB- 3 кгц). В принципе, для SSB модуляции можно отказаться от применения узкополосного фильтра, а использовать уже имеющийся более широкополосный, применяемый для АМ. В этом случае после УНЧ в SSB детекторе необходимо предусмотреть ФНЧ с частотой пропускания около 3000 кгц. Порядок этого фильтра и будет определять избирательность приемника по соседнему каналу в режиме SSB.

Оппонент: И какая это будет величина избирательности? А еще, как влияют параметры генератора плавного диапазона на параметры всей схемы? И какой мы будем делать ГПД, аналоговый как в приемнике "мирового уровня", или синтезатор на микропроцессоре?

Автор: По поводу избирательности: 12 дб для фильтра 2-го порядка, 24 дб для фильтра 4-го порядка и т.д.- по 6 децибел на каждую прибавку порядка фильтра.
По поводу генератора плавного диапазона в двух словах не расскажешь, разговор будет взрослый, а я вижу тоскливую усталость во взгляде собеседника.

Оппонент: Да уж, не мешало бы переварить информацию.

Автор: Давайте переваривать, мы здесь не шутки шутим, диарея головного мозга нам ни к чему. А на следующей странице мы закончим с описанием структурной схемы и начнем постепенно уточнять формы и контуры нашей конструкции.

Дальше